알루미늄: 무한한 이점

알루미늄은 반세기 이상 항공우주 산업을 주도해 왔습니다. 이제는 다른 산업계에서도 이 기적의 금속으로 눈을 돌리고 있습니다.

포드사는 최근 F-150 픽업트럭을 전체 알루미늄 차체로 제작한 모델을 출시했습니다. 2008년, Apple은 디자인 클래식으로 널리 알려진 신형 MacBook 노트북의 아노다이징 알루미늄 케이스를 출시했고, 1년 후 미국에서는 포장 산업에서 운송 산업보다 더 많은 알루미늄을 사용하기 시작하였습니다.

알루미늄이 기적의 금속이라고 불리는 이유는 무엇인가요?

영국 알루미늄 업계를 대표하는 알루미늄 연맹인 ALFED의 데이비드 해리스(David Harris)가 이 금속의 장점에 대해 설명합니다:

"알루미늄은 가볍고 강하며 압출 및 기타 주조 방식으로 쉽게 제작할 수 있습니다. 내식성이 우수하며 용접, 접착 방식 및 기계적 방식으로도 결합할 수 있습니다. 아노다이징과 도장을 통한 다양하고 매력적인 마감 처리로 외관을 개선하고 내식성을 더욱 강화할 수 있습니다. 알루미늄은 구리보다 부피 대비 가격은 4분의 1 수준에 열 전도성이 높은 우수한 전기 전도체입니다. 결정적으로, 수명이 다한 후에도 품질 저하 없이 몇 번이고 재활용할 수 있습니다."

이러한 다양한 장점에도 불구하고 자동차 업계의 거물들이 알루미늄을 선호하는 이유는 단 한 가지, 바로 가볍기 때문입니다. 상당한 무게 절감(포드는 신형 F-150의 무게가 700lb, 약 318kg 더 가벼울 것이라고 주장)으로 에너지 효율이 향상되며 상품성 역시 더욱 우수해집니다.

순수 알루미늄은 산업용으로 거의 사용되지 않습니다. 대신 구리, 마그네슘, 망간, 실리콘, 아연과 혼합하여 알루미늄 합금을 만드는 데 사용됩니다

압출 공정은 예열된 원통형 알루미늄 주괴를 강철 금형에 밀어 넣는 방식으로, 복잡한 형상을 서로 밀어 넣는 간단한 방식으로 제작할 수 있습니다.

"압출 프레스의 사이즈 범위 내에서의 압출 부품 설계는 설계자의 상상력에 의해서만 제한됩니다."라고 해리스는 덧붙입니다.

순수 알루미늄은 비금속으로서 내식성이 뛰어나지만 금, 은 또는 구리와 같은 귀금속 중 하나와 합쳐지면 부식될 수 있습니다. 강산성 또는 강알칼리성 용액(pH 범위 3.5 미만, 8.5초과)에 노출되는 것을 피하거나 부식 방지 조치를 취해야 합니다.

"사용되는 알루미늄에 따라 달라지기 때문에 명확한 조언을 하기는 어렵습니다." 재료 과학을 전공한 Nord-Lock Group의 프로젝트 매니저 프리다 컬린(Frida Cullin)은 부식성 환경에 어떤 볼트 등급이 권장되는지에 대한 질문에 이렇게 답합니다.

"강철 볼트와 스테인리스 스틸 볼트 모두 알루미늄과 함께 사용할 수 있지만, 사용 중인 알루미늄의 종류를 공급업체에 확인하고 갈바닉 부식을 방지하는 방법에 대한 지침을 찾는 것이 바람직합니다."라고 그녀는 덧붙입니다.

알루미늄 부품을 결합하는 데는 볼트 체결과 더불어 용접, 납땜, 접착, 리벳 등 여러 가지 적합한 솔루션이 있습니다.

모든 합금은 용접 과정에서 용접 부위를 중심으로 강도가 약화됩니다. 열처리를 통해 강도를 회복할 수는 있지만, 이 과정에서 내부 원소가 분리되어 금속의 부식이 내부에서 외부로 진행될 위험이 있습니다. 특히 알루미늄 합금 5083은 다른 표준 합금 중 용접 후 강도가 가장 높기 때문에 용접에 적합합니다.

볼트 체결부의 경우 강도는 높으면서 가격은 저렴한 표준화된 스틸 화스너(예: 스틸 볼트 클래스 8.8)를 사용하는 것이 일반적입니다.

"체결부가 온도 변화에 노출되는 경우 알루미늄 볼트를 사용하는 것이 좋은 선택이 될 수 있습니다. 클램핑된 부품과 동일한 재질의 볼트를 사용하면 부품에 응력이 증가할 위험이 줄어들고 열팽창으로 인해 클램프 하중이 감소할 위험이 줄어듭니다."라고 컬린(Cullin)은 설명합니다.

알루미늄은 쉽게 변형되고 높은 압력을 견디지 못하므로 알루미늄 부품을 강철 화스너와 함께 고정할 때는 하중을 줄이는 것이 좋습니다. 혹은 볼트 머리 아래에 와셔를 배치하여 더 넓은 면적으로 하중을 분산시켜 더 높은 클램프 하중을 적용할 수 있습니다. 외경이 확대된 Nord-Lock 쐐기 잠금 SP 와셔가 하나의 솔루션으로 권장됩니다.

"SP 와셔는 낮은 물성 등급에서 일반적으로 사용되는 플랜지 볼트와 함께 사용하는 것이 권장됩니다."라고 Cullin은 덧붙입니다.

알루미늄에 탭홀을 활용하는 경우 스틸보다 알루미늄에 필요한 최소 나사산 결합부 길이가 더 길다는 점을 유의하세요. 특히 체결부를 자주 다시 체결할 경우 탭홀의 나사 강도를 높이기 위해 나사 인서트가 필요할 수 있습니다. 셀프 피어싱 리벳팅은 두 개 이상의 알루미늄 시트를 결합하거나 용접으로는 불가능한 플라스틱과 같은 다른 재료와 알루미늄을 결합하기 위한 방법입니다. 자동화의 가능성으로 인해 산업용으로 선호되는 방법입니다. 셀프 피어싱 리벳에 대한 심층 연구는 2000년에 노르웨이 과학기술대학교의 연구 기반 혁신 센터인 SIMLab에서 시작되었습니다.

"우리는 연구 초기에 이 공정이 체결부의 거동에 영향을 미친다는 사실을 깨달았습니다. 리벳으로 인한 재료의 변형이 이후 발생하는 기계적 반응에 영향을 미칩니다."라고 SIMLab의 책임자인 매그너스 랑세스(Magnus Langseth) 교수는 설명합니다.

“우리는 리벳팅 공정 시뮬레이션을 위한 수치 모델을 구축하고 검증했습니다. 최신 모델은 LS-DYNA 시뮬레이션 소프트웨어에서 구현되었으며 알루미늄과 알루미늄 간 리벳 체결부에 대한 테스트 데이터베이스에 맞춰 최적화되었습니다. 또한 스틸 리벳은 재활용 과정에서 문제를 일으킬 수 있으므로 스틸 리벳을 알루미늄 리벳으로 대체하는 연구 프로젝트가 SIMLab에서 수행되었습니다. 지금까지 나온 결과는 긍정적입니다."

현재 글로벌 1차 알루미늄 생산량은 연간 약 4,500만 톤으로, 다른 모든 비철금속을 합친 것보다 많습니다. 산업 애널리스트들은 글로벌 자동차 알루미늄 휠 산업이 2012년부터 2016년까지 연평균 8.48% 성장할 것으로 전망하고 있으며, 이 성장의 상당 부분은 중국에 아웃소싱될 것으로 예상하고 있습니다. ALFED의 데이비드 해리스( David Harris )는 이러한 성장은 1차 생산에 있어 주목할 만한 글로벌 변화를 반영한다고 설명합니다:

"지난 10년간 중국의 1차 생산량은 경이로운 속도로 성장하여 현재 전 세계 총생산량의 절반에 달합니다. 유럽에서는 저렴하고 장기적인 에너지 공급의 필요성, 환경 규제와 세금에 대한 EU 법안의 영향, 낮은 1차 금속의 가격 등으로 인해 1차 생산량이 감소하고 있습니다."

알루미늄은 거의 무한대로 재활용할 수 있는 것으로 알려져 있지만, 그 공정은 높은 에너지 사용량과 배출 가스가 다량 발생할 가능성이 있습니다. 그렇다면 환경 문제에 대한 관심이 높아지는 상황에서 알루미늄 재활용은 이대로도 좋은 방법일까요?

케임브리지 대학교의 조나단 컬렌(Jonathan Cullen)은 “알루미늄의 글로벌 유동에 대한 맵핑: 액체 알루미늄에서 엔드 유저 제품까지 ”라는 제목의 연구를 공동 집필했습니다:

그는 크게 두 가지 문제 가 존재한다고 말합니다:

“첫째, 매년 생산되는 액체 알루미늄의 약 절반은 최종 제품으로 만들어지지 못합니다.” 라고 컬렌은 말합니다. 주된 원인은 드로스, 산화 알루미늄 및 공정에서 발생하는 스크랩입니다.

“둘째, 전기 분해의 높은 에너지 비용과 배출 가스를 방지하는 알루미늄 재활용 시에도 스크랩 공급 부족을 보충하고 원하는 합금 조성을 얻기 위해서는 더 높은 등급의 알루미늄을 상당한 ‘희석’과 ‘캐스케이드’ 과정을 거쳐야 하므로 결과적으로 재활용에 필요한 에너지가 증가하게 됩니다.”

컬렌은 오늘날 제품에 사용되는 다양한 합금의 수를 제한하면 향후 특정 합금의 분리 및 회수에 도움이 될 것이라고 말합니다.

산업계는 또한 버려진 제품을 더 잘 재사용할 수 있는 방안을 모색하여 재활용을 완벽하게 방지해야 합니다.

산업에서의 알루미늄의 사용

• 운송 - 알루미늄의 가벼운 특성 덕분에 자동차, 트럭, 기차의 전체 무게와 연료 소비를 줄일 수 있습니다. 항공 우주 분야에서 특히 중요한 역할을 합니다.

• 기계 및 기계 제조 - 강도와 가공 용이성으로 인해 모든 종류의 애플리케이션에 적합합니다.

• 건설 - 부식에 대한 저항성이 뛰어나 유지 보수 비용이 적게 들기 때문에 창문, 외벽 및 지붕에 널리 사용됩니다.

• 전자제품 - 구리와 비슷한 전도성을 가지지만 무게가 더 가볍습니다.

• 패키징 - 트레이, 식품 용기 및 일반 호일과 같은 유연한 애플리케이션과 식음료 캔, 에어로졸 캔과 같은 단단한 애플리케이션 모두에 사용할 수 있습니다.

• 스포츠 장비 - 가볍고 다양한 부품으로 쉽게 제작할 수 있습니다.

 
알고 계셨나요?

이 금속의 이름에는 두 가지 형태가 존재합니다. 알루미니윰(Aluminium)은 유럽, 호주 및 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)에서 선호하는 표기법입니다. 알루미늄(Aluminum)은 미국과 캐나다에서 일반적으로 사용되며 IUPAC에서 허용되는 형태로 알려져 있습니다.