고강도 알루미늄합금은 중량이 가벼우면서 인장강도와 항복강도가 높고 가공성, 성형성이 좋아 항공기, 자동차, 선박 등 수송용 재료로 각광을 받고 있으며, 이 중 Al-Zn-Mg계(7000계) 알루미늄 합금은 용접 구조물용 경량소재로 활용범위가 높다. Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금은 고온에서 용체화 처리후 저온으로 급냉시킨 재료를 자연시효 또는 인공시효처리를 하여 이 때 석출되는 시효 석출물에 의해 강도를 증가시킨 석출 경화형 합금이다. 그런데, 7000계열 알루미늄합금은 적절한 열처리 작업을 통해 최적의 기계적 성질이 얻어지도록 합금설계가 되어있기 때문에 구조물 제작시 용접에 의한 ARC 열을 받게 되면 열이력(thermal cycle)에 의해 모재의 미세조직이 변화하고 용접 결함이 발생하며 강도의 약화와 함께 내식성 등이 저하한다. 따라서 고강도 알루미늄합금의 용접성을 향상시키기 위해서는 용접부의 미세조직거동과 용접부에 발생하는 용접결함의 현상을 조사하여 용접용 고강도 합금에 필수적으로 요구되는 용접성에 대한 검토가 충분히 이루어져야 한다. 따라서 본 고에서는 알루미늄합금, 특히 7000계열 알루미늄합금에 주목하여, 용접방법, 각종 결함과 대책, 용접부의 시효경화와 응력부식균열 및 기계적 성질 등을 지금까지 보고된 각종 자료를 기초로 하여 3회에 걸쳐 기술하고자 한다.
본 연구에서는 차체용 알루미늄 합금 판재의 제조기술 개발을 위하여 선진국에서 사용하고 있는 알루미늄 합금 판재의 기계적 특성을 평가하여 이를 토대로 자동차 차체용 알루미늄 합금 설계 및 판재제조 기술을 개발하고자 한다. 자동차 차체용의 고 Mg계 알루미늄 합금의 양산 제조기술을 개발하기 위하여 Al-7% Mg 합금을 DC주조한 후 열간, 냉간압연 및 열처리 후의 특성을 평가하고 수입소재와 비교하여 실험하였다. 그 결과 자동차 차체용의 고 Mg계 알루미늄 합금 판재개발의 가능성을 확인하였으나 향후 광폭 판재를 제조하기 위해서는 대형 Slab 주조방안, 압연시의 가공성 향상등 판재 제조기술은 물론 성형성, 용접성 및 표면 처리성 등 응용기술에 대한 연구도 활발히 진행되어야 할 것으로 사료된다.
알루미늄합금의 용도가 우주 항공기 부품에서 자동차, 선박, 건축 등 다양화되면서 이들 재료에 대한 용접기술 또한 산업현장의 주요한 과제로 등장하게 되었다. 알루미늄합금은 극히 활성이 높고, 열전도율이나 열팽창계수가 매우 큰 물리적 특성 및 액상과 고상간의 매우 큰 수소 용해도 차이 등의 특이한 성질을 가지고 있기 때문에 용접에 있어서는 기공이나 미세한 융합 불량이 발생하기 쉽고, 또 용접변형의 제어에도 세심한 배려를 요하는 등 우수한 용접부를 만들기 위해서 고려해야 할 문제를 가지고 있다. 특히 기공이 후판 알루미늄 합금 용접에 있어서 보수공사의 대부분을 차지하고 있으므로 기공 방지법을 확립하는 것은 매우 중요하다. 알루미늄 합금의 용접에 있어서 기공의 발생원인은 수소에 의한 것이라고 정립되어 있으나 그 방지법에 대해서는 많은 연구검토가 행해지고 있음에도 불구하고 수소의 공급경로가 매우 다양하고 복잡하기 때문에 아직 체계적으로 확립되어 있지 못한 실정이다. 본 해설에서는 후판 알루미늄 용접시 가장 큰 문제가 되는 기공의 발생 원인과 방지대책을 기 발표된 자료를 기초로 하여 요약 정리함으로써 앞으로 여러 생산현장에서의 알루미늄합금 용접 특히 MIG 용접 관련 문제점 해결에 도움이 되고자 한다.
알루미늄 재료의 수요는 근년에 와서 눈에 띨만큼 급성장 하였다. 그 수요구조를 보면 일용품을 중심으로 하는 경공업용 재료중심에서 토목, 건축, 운송산업, 금속기계 부문으로 확대되어 철강 재료와 마찬가지로 기초금속재료로써 광범위하게 사용되고 있음을 알 수 있다. 알루미늄 재료가 근래에 와서 급성장한 배경에는 생산기술과 응용기술면에서의 향상도 있었지만 경제적 효과성이 깔려 있기 때문이 아닌가 생각한다. 이는 포장용 재료의 보급과 자동차용 재료의 동향을 생각할 때 앞으로도 개발의 여지가 많은 재료인 것은 확실하며 개발에 대한 노력의 중요성을 실감해 주고 있다. 한 때 알루미늄 산업은 에너지 소비형 산업이라는 의혹도 있었으나 현재에 와서는 성 에너지의 관점에 있어서도 장래가 밝고 유용성이 큰 재료라고 평가하고 있다. 이러한 상황 속에서 이 분야에 종사하는 업계나 현장 사람들이 알루미늄 재료에 대한 개략적이고 상식적인 문제들을 다시 한 번 검토하는 노력도 필요하리라 생각이 들기 때문에 알루미늄 재료의 특징, 종류, 호칭, 성질, 가공방법(성형가공만 소개), 용도 등에 관해서 부족한 감은 있지만 나름대로 정리하여 기술하고자 한다.
알루미늄 폐캔은 중요한 재활용 자원으로서 알루미늄 캔용 원소재 판재는 물론 알루미늄의 국내소요량을 전량 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 활용 가능한 알루미늄폐캔의 재활용율을 높여야 하는 것은 외화절약과 환경보호 측면에서 대단히 중요하다. 사용한 알루미늄 캔을 다시 캔으로 재활용 하는 단계는 폐캔의 수집, 파쇄, 선별, 도료제거, 용해 및 2차지금을 제조하는 단계와 이 2차지금을 이용하여 열처리, 열간 및 냉간압연, 중간소둔처리 등을 거쳐 다시 캔을 성형하는 2단계로 나눌수 있다. 본 자료에서는 이러한 알루미늄 캔의 재활용 기술에 대한 우리나라와 선진국들의 현황과 전망을 소개하였다.
최근 자동차 산업을 둘러싼 사회적, 환경적 요인은 차체 경량화를 강력희 요구하고 있다. 이를 위해서는 차체에 알루미늄 판재를 사용하는 것이 가장 효과적인 방법으로 제시되고 있다. 그러나 차체 설계 조건 및 제조기술은 오랫도안 강판을 사용하는데 적합 하도록 개발되어 왔다. 따라서 현재 사용되고 있는 강판의 대체 재로서 알루미늄 합금 판재를 사용하기 위해서는 강판과 동일한 강도를 가지면서 성형성이 요구되고 현재의 자동차 제조공정 즉 프레스 성형, 조립방법, 표면처리 기술 등에 적합한 특수 목적의 알루미늄 합금 판재의 개발이 요청되고 있다. 오늘날 알루미늄 판재 개발에 있어 적절한 합금 조성의 선택, 제조공정 뿐만 아니라 표면조성 및 형태의 조절 등에 의해 이러한 문제의 해결이 가능해지고 있고 알루미늄 압연 업체의 특수한 설계와 제조개념의 새로운 알루미늄 합금 개발을 위한 적극적인 노력이 집중되고 있어 머지않아 자동차 산업에 알루미늄 합금의 사용이 크게 늘어날 것으로 생각된다. 따라서 본 고에서는 자동차 차체용 알루미늄 합금의 개발 동향 및 차체적용을 위한 특성 및 응용기술에 대해 고찰한다.
철이나 동은 BC5000~3000년부터 도구류, 장식품 등으로 인류의 역사에 등장하고 있는데 반해 알루미늄 재료는 공업용 재료로써의 기초가 확립된 후 아직 100년이 채 못되고 있지만 건종 성 질이 우수하기 때문에 이러한 특성을 이용해서 항공기용 재료, 전선, 기물, 일반프레스 가공품, 제메이스류, 일반 기계부품, 콘덴서용 및 포장용 상자, 도료 및 잉크 원료 화포 재료, 환원재용 분말, 차량, 건축용 재료 등에 사용되고 있고 이용도는 제 2차대전후에 건축, 차량, 조선, 채광, 교량, 화학, 섬유식품 공예 등과 같은 공업분야에 널리 새로운 용도로 개척이 되어 응용이 되고 있다. 이와 같이 그 용도 분야가 다양화되고 적으로도 철, 다음가는 금속재료로 성장하고 있기 때문에 "알루미늄 재료 기술"이라는 이름으로 각종 자료들을 정리 하다보니 너무나도 그 범위가 광범위하여 본 글에서 제외된 알루미늄 재료의 성분, 선정, 지침, 물리. 화학. 기계성질, 형상과 그의 제작범위, 구조설계, 절삭가공, 접합, 표면처리, 단조 등에 대한 여러 가지 자료는 지면관 계로 별도로 정리를 해서 다음 기회에 소개하고자 한다. 소개하고자 한다.
수산화알루미늄을 원료물질로 하여 알루미늄 유기화합물인 aluminum oxalate 합성실험을 수행하였다. 이를 위해 국산 99.7% 순도의 수산화알루미늄을 옥살산으로 용해하는 방법으로 알루미늄 수용액을 제조하였으며, 실험결과 옥살산 농도 1.0 mole/l, 반응온도 $90^{\circ}C$에서 16시간 용해시 거의 100%에 가까운 용해율을 얻을 수 있었다. 알루미늄 수용액으로부터 aluminum oxalate를 합성하기 위해서는 ethanol/Al solution 혼합비율을 2.0이상으로 유지하여야 하는 것으로 나타났다. 또한, 90% 이상의 회수율을 얻기 위해서는 혼합액의 pH를 8.2이상으로 조절하여야 하는 것으로 나타났다. 합성반응을 통해 얻은 aluminum oxalate의 화학분석결과 $NH_4$ 14.5%, Al 7.18% 및 C 17.4%이었으며, 이의 화학식은 $(NH_4)_3Al(C_2O_4)_3$$3H_2O$임을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 질화알루미늄을 강화재로 갖는 알루미늄기지 복합재료를 질소 분위기에서의 아크용해 공정을 통해 제조하였다. 알루미늄과 질소 원자의 화학반응을 1분간 유지시켰을 때, 중간층과 라멜라층으로 구분되는 질화알루미늄 강화상이 자발적으로 알루미늄 용탕 내부에 형성되어 기지 전반에 분포되었다. 복합재료는 약 10 vol.%의 AlN을 가지며, 이 강화재는 계면에서 낮은 열저항과 강한 결합을 보였다. 제조된 복합재료는 열전도도가 높고 열팽창계수는 낮은 열적 특성 조합을 보였다. 또한, 본 연구의 복합재료는 이종원소인 실리콘을 기지에 첨가함으로써 열팽창계수를 추가적으로 감소시키는 것이 가능했다. 이는 아크 용해법으로 제조된 알루미늄기지 복합재료가 낮은 열팽창계수를 요구하는 방열소재로 적용될 수 있는 가능성을 시사한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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