2024 알루미늄 합금은 높은 강도 대비 적은 중량 비율로 인해 항공기 부품 제조에 널리 사용되는 금속입니다. 이 합금의 성공은 합금의 특성과 공정을 이해해야만 가능하므로 이번 글에서는 2024 알루미늄 합금 특성과 가공 방법 관련해서 알아보겠습니다.
2024 알루미늄 합금이란?
화학 성분으로 인해 탁월한 2024 알루미늄 특성을 지닌 알루미늄 합금 유형입니다.
이 제품의 주요 합금 원소는 구리(4.3~4.5%)와 망간, 마그네슘, 실리콘, 니켈, 비스무트, 납, 아연, 크롬 등의 원소를 함유하고 있습니다.
구리와 같은 원소는 중량 대비 강도 비율과 기계 가공성을 향상하기 때문에 알루미늄 합금 2024는 구조 부품 제조에 이상적이라고 할 수 있습니다.
아래 표에는 합금 원소와 구성 비율입니다.
| 합금 원소 | 중량 별 구성 비율 |
| 실리콘 | 중량 기준 최대 0.5% |
| 철 | 최대 0.5% |
| 구리 | 3.8% ~ 4.9% |
| 망간 | 0.3% ~ 0.9% |
| 마그네슘 | 1.2% ~ 1.8% |
| 크롬 | 최대 0.1% |
| 아연 | 최대 0.25% |
2024 알루미늄 합금의 특성
2024 알루미늄 특성은 화학적 구성으로 인해 물리적 특성과 기계적 특성으로 나눌 수 있습니다. 또한 열 강화에 따라 특성이 달라지기 때문에 사용을 하기 위해 재료를 이해해야 합니다.
1. 물리적 특성
물리적 특성은 요구되는 용도에 대한 동작 및 적합성에 대한 정보를 제공하고 있습니다. 알루미늄 2024의 물리적 특성은 아래와 같습니다.
- 밀도: 밀도는 2.78로써 이는 순수 알루미늄 2.7보다 약간 높지만, 달리 생각하면 무게를 추가하지 않고도 재료가 강도를 유지할 수 있음을 의미합니다.
- 열 전도성: 열전도율은 약 120W/(m·K)입니다. 이는 결과적으로 빠른 열 방출이 필요한 부품, 특히 항공기 엔진에서 중요한 부분을 차지한다고 할 수 있습니다.
- 전기 전도: 구리의 존재로 인해 30% IACS의 전기 전도도를 갖지만 기본 합금 원소(구리)만큼의 전도성은 아니니 참고하시기 바랍니다.
- 열팽창계수(CTE): 온도가 높아져도 치수가 크게 변하지 않음을 의미하여 제조업체는 재료의 팽창과 수축에 따른 온도 변화로 인한 부품 고장 위험을 줄일 수 있습니다.
- 가공성: 절삭, 드릴링, 터닝 등과 같은 가공 작업과 호환되어 절삭 및 압출이 더 쉽습니다. 이런 특징으로 인해 항공우주 및 자동차 판금 제조에 중요한 소재가 되었습니다.
2. 기계적 특성
합금의 기계적 특성은 기계적 힘이나 하중에 대한 반응을 나타내며 이런 2024 알루미늄 합금이 가지고 있는 기계적 특성은 아래와 같습니다.
- 인장 강도: 인장 강도는 290~450MPa 입니다. 이는 부러지기 전 당기거나 늘어날 때 큰 힘을 견뎌낸다는 것을 보여줍니다.
- 항복 강도: 항복 강도는 195-415MPa로 비가역적인 소성 변형을 위해서는 많은 응력이 필요하다는 것을 의미하며 결국 구조적 응용이 가능한 부품 제작에 적용 가능하다는 뜻도 됩니다.
- 경도: 경도는 열 성질에 따라 다르며 50~120HB 범위로써 변형, 마모 및 긁힘에 대한 저항성을 측정하고 2024 알루미늄 합금 적용 분야에서 제조업체에게 기회가 될 수 있습니다.
- 피로 강도: 우수한 피로 강도를 가지며 항복점 아래에서 5억 회 하중 주기로 계산됩니다. 결과적으로 반복 하중이나 반복 응력을 견딜 수 있는 부품을 만드는 것입니다.
- 전단 강도: 전단 강도는 전단 응력 또는 절삭 응력에 대한 알루미늄 2024 합금의 척도로 값은 283MPa로 적당히 강하다고 할 수 있습니다.
2024 알루미늄 합금 가공 및 제조 방법
알루미늄 2024는 위에서 계속 이야기 했지만 우수한 특성으로 인해 인기 있는 산업 재료입니다. 다음은 합금을 만들기 위한 몇 가지 가공 및 제조 방법입니다.
1. 합금 및 주조
2024 알루미늄 합금의 화학적 조성은 구리, 마그네슘, 망간 및 규소, 철과 같은 기타 원소가 0.3%입니다.
2024년 알루미늄 제조 공정은 주조부터 시작되며 알루미늄 잉곳과 합금 원소를 용광로에서 녹이고, 용융된 형태를 다양한 형태로 주조합니다.
주조방법은 연속주조와 잉곳주조가 있으며, 주조방법의 선택은 최종제품의 요구사항과 형상에 따라 결정됩니다.
2. 열처리
열 템퍼링은 금속이나 그 합금을 강화하는 공정이며 여기에는 다음과 같은 과정이 포함됩니다.
용체화 열처리를 통해 합금 원소가 알루미늄 매트릭스에 용해되어 균일한 미세 구조를 얻을 수 있고 고온에서 발생하며 해당 온도는 미리 정해진 시간 동안 유지됩니다.
담금질은 열처리 후 합금을 제어하고 빠르게 냉각하는 것으로 합금의 미세 구조를 동결시켜 큰 침전물의 형성을 방지합니다.
에이징은 자연적으로 발생하거나 더 낮은 온도에서 발생할 수 있어 이로 인해 알루미늄 매트릭스 내에 미세한 입자가 침전되어 합금의 강도, 경도가 증가합니다.
냉간 가공에는 압연, 압출 및 인발과 같은 기술을 사용하여 냉간 시 합금 2024를 성형하는 작업이 포함되는데 이는 합금의 강도를 증가시켜 기계 가공 기술을 적용할 수 있습니다.
열 강화로 인해 알루미늄 2024 합금은 기계적 특성이 약간 다르며 각 템퍼에는 Tx라는 지정자가 있고 여기서 x는 합금의 특성을 나타내는 1~5자리 숫자입니다.
첫 번째 숫자는 열처리 방법을 나타내고 두 번째부터 다섯 번째 숫자는 특정 제조 품질을 나타냅니다.
예를 들어 T42 템퍼에서 4는 용체화열처리와 자연시효를 의미하고, 2는 구매자가 직접 금속을 열처리해야 함을 의미합니다.
3. 냉간 가공 및 가공
냉간 가공 방법에는 압연, 압출 및 인발이 포함되어 2024 알루미늄의 강도 및 기타 기계적 특성이 향상됩니다.
게다가 합금을 원하는 디자인으로 만들 수도 있으며 2024 알루미늄 합금은 밀링, 선반, 드릴링과 같은 기존 가공 기술을 사용하여 가공성이 좋다고 할 수 있습니다.
4. 용접
2024 알루미늄 합금은 TIG 용접, 저항 점용접 및 마찰 교반 용접과 같은 용접 기술에도 적용될 수 있습니다.
용접 알루미늄 2024는 미세 균열이 발생하는 경향이 있기 때문에 매우 중요한데 용접성이 좋지 않아 리벳팅과 접착 본딩이 더 일반적인 접합 기술이라고 할 수 있습니다.
