알루미늄은 세계에서 세 번째로 풍부한 원소이며, 지구 지각에서 가장 풍부한 금속입니다. 알루미늄은 지구 핵 질량의 8% 이상을 차지합니다. 그러나 철과 같은 다른 금속에 비해 정제가 어려워, 효율적이고 비용 효과적인 방법이 개발될 때까지 알루미늄의 사용은 다른 금속 제품에 비해 뒤처져 있었습니다.
알루미늄 산업과 철강 산업 사이에는 많은 유사점이 있습니다. 둘 다 지구 표면에서 발견되는 광물 광석으로부터 금속을 추출하는 데 의존합니다. 두 제조 공정 모두 에너지 집약적이며 액체 금속을 주형에 붓거나 연속 주조 기계를 사용합니다. 알루미늄과 강철은 자동차 및 항공우주 산업에서 유사한 시장을 두고 경쟁하기도 합니다. 그러나 이 금속들의 가공 및 특성에는 상당한 차이가 있습니다.
보크사이트는 일반적으로 46~60%의 높은 알루미늄 함량을 가진 퇴적암입니다. 보크사이트는 종종 수 미터의 암석과 점토로 덮여 있어, 보크사이트를 회수하기 전에 먼저 이를 제거해야 합니다. 이후 보크사이트는 분쇄 또는 세척 공정을 거쳐 가공 시설로 운송됩니다.
1880년대 중반, 알루미늄을 생산하기 위해 연속적으로 사용되는 두 가지 독창적인 방법이 발명되었습니다. 베이어 공정은 화학적 공정을 통해 보크사이트에서 알루미늄을 추출합니다. 홀-에루 공정은 베이어 공정으로 생산된 알루미나(산화알루미늄)에서 전기분해를 통해 알루미늄을 추출합니다.
보크사이트 광석을 분쇄하고 가성소다와 혼합하여 미세한 광석 입자를 포함한 슬러리를 만듭니다. 이 슬러리는 처리되는 특정 광석에 따라 140°C~280°C 사이의 온도에서 유지됩니다. 이 과정에서 알루미늄이 가성소다 용액에 녹아들고, 모든 불순물은 '레드 머드(Red Mud)'라고 불리는 잔류물로 침전됩니다.
공정의 마지막 단계는 가성소다 용액에 종자 결정을 첨가하는 것입니다. 용해된 알루미나가 이 종자 결정에 부착됩니다. 베이어 공정의 최종 산물은 백색 분말 형태의 알루미나 또는 산화알루미늄입니다.
알루미늄 공장의 환원 장치는 직렬로 연결된 환원 팟(또는 셀)으로 구성됩니다. 각 팟은 탄소로 라이닝된 강철 셸로 만들어집니다. 알루미나를 함유한 용융 크라이오라이트(불화 광물)를 각 팟에 붓고 상단에서 탄소 전극을 용액에 삽입합니다. 전류가 크라이오라이트 용액을 통과하면 알루미늄이 산소와 분리되어 이산화탄소 기체를 형성하고, 액체 알루미늄이 팟 바닥에 모입니다.
액체 알루미나는 정기적으로 환원 팟에서 진공 버킷으로 빨아들여집니다. 이는 용광로로 이송되어 금형에 주조되거나 연속 주조 기계로 이송되어 잉곳 형태로 만듭니다. 이 공정으로 생산된 알루미늄은 약 99.8% 순도입니다. 알루미늄 생산을 위한 전해 공정은 매우 에너지 집약적이며, 톤당 15MWh가 필요합니다. 따라서 대부분의 제련소는 수력 발전소와 같은 발전소 옆에 위치합니다.
알루미늄이 추출되고 가공되면 다음 단계는 이를 제품 형태로 주조하는 것입니다. 알루미늄 주조품은 원하는 최종 제품의 패턴으로 모양을 만든 금형에 용융 금속을 부어 형성합니다. 주조품을 생산하기 위해 일반적으로 사용되는 세 가지 성형 방법은 다이캐스팅, 영구 금형 주조, 사형 주조입니다.
다이캐스팅은 압력을 사용하여 용융 알루미늄을 강철 다이에 강제로 주입합니다. 이 주조 방식은 최소한의 마감 및 가공이 필요한 부품의 대량 생산에 주로 사용됩니다. 다이캐스팅은 주조 주기가 짧지만 툴링 비용이 높습니다. 가압 주조 시스템은 고강도 표면을 생성하지만, 영구 금형 주조에 비해 내부 강도는 약합니다. 다이캐스팅에는 저압 다이캐스팅과 고압 다이캐스팅 두 가지 유형이 있습니다.
| 특성 | 저압 다이캐스팅 | 고압 다이캐스팅 |
|---|---|---|
| 강도 | 양호한 강도 값 | 낮은 강도 값 |
| 자동화 적합성 | 자동화에 적합 | 자동화에 적합 |
| 금형 및 기계 기술 | 단순한 금형 및 기계 기술 | 복잡하고 비싼 금형 |
| 주조 주기 | 느린 주조 주기 | 짧은 주조 주기 |
| 투자 및 운영 비용 | 낮은 투자 및 운영 비용 | 높은 투자 및 운영 비용 |
| 최소 벽 두께 | 약 3mm | 얇은 벽 부품에 적합 |
영구 금형 주조는 강철 또는 기타 금속 금형과 코어를 사용합니다. 알루미늄을 금형에 부어 강한 주조품을 만듭니다. 영구 금형은 일관성 있게 반복 가능한 부품을 만드는 데 사용됩니다. 빠른 냉각 속도는 더 일관된 미세 구조를 생성하여 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
영구 금형 주조는 합금 휠 제작에 사용됩니다. 알루미늄 휠은 강철 휠보다 가벼워 회전에 필요한 에너지가 적습니다. 연료 효율이 더 높을 뿐만 아니라 핸들링, 가속 및 제동 성능도 향상됩니다. 그러나 중장비 산업용 트랙 응용 분야에서는 강철 휠이 더 일반적으로 사용됩니다. 내구성이 뛰어나 구부러지거나 갈라지는 것이 거의 불가능하며, 트랙에서 사용할 때 트랙 불규칙성을 더 잘 흡수하여 안전성을 높입니다.
사형 주조는 원하는 제품의 패턴 주위에 미세한 모래 혼합물을 다져서 만듭니다. 패턴은 냉각 시 알루미늄의 수축을 고려하여 최종 제품보다 약간 크게 만듭니다. 모래를 여러 번 재사용할 수 있어 경제적입니다. 또한 대형 주물이나 세부 디자인이 있는 주물을 만드는 데 효과적입니다. 초기 툴링 비용은 낮지만 부품당 단가가 높아 대량 생산보다는 특수 주조에 적합합니다.
용융 알루미늄의 제어는 달성된 주조 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 원하는 알루미늄 등급과 특성을 얻기 위해 용융 알루미늄에 합금 원소를 첨가합니다. 제어된 합금 첨가와 알루미늄 전체에 걸친 분포는 제품이 건전하고 예상된 기계적 특성을 갖도록 보장합니다.
알루미늄은 주상 입자 구조로 응고됩니다. 이 기둥은 다른 입자와 접촉할 때까지 성장하며, 입자가 많을수록 분자 구조가 더 미세해집니다. 입자 미세화는 티타늄과 붕소를 사용하여 입자 핵 생성 부위를 만들어 이러한 미세 구조를 달성합니다.
수소 기체는 제품이 응고될 때 기공을 생성하여 알루미늄 주조품에 결함을 일으킬 수 있는 불순물입니다. 주조 중에는 탈가스 및 퍼지 가스를 사용하여 최종 제품에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 불순물이 없는 환경을 유지해야 합니다.
최종 용도에 맞게 다양한 주조 합금을 사용할 수 있습니다. 각 주조 합금은 용접성, 가공성, 내식성, 열처리 특성 등 고유한 특성을 가집니다.
용융 알루미늄은 주조 특성을 극대화하기 위해 제어할 수 있는 여러 특성을 가집니다. 용융 상태에서 수소 기체와 산화물을 흡수하기 쉽고, 미량 원소에 민감할 수 있습니다. 일부 장식용 또는 상업용 주조품은 추가 가공이 필요하지 않을 수 있지만, 추가 마감은 종종 유익합니다. 엄격한 용융 제어와 특수 용융 금속 가공 기술은 향상된 기계적 특성을 제공할 수 있습니다.
알루미늄의 미적 매력 중 하나는 높은 반사율입니다. 이 특성은 깨끗한 표면 마감을 가진 고급 소비재를 만드는 데 활용되어 왔습니다. 표면에 자연적으로 형성되는 얇은 산화막에 의해 더욱 향상됩니다. 이 막은 양극산화 처리를 통해 더 두껍게 만들 수 있습니다. 산화막의 존재는 알루미늄을 추가 산화로부터 효과적으로 차단하여 내식성을 매우 높입니다. 다양한 마감과 코팅은 알루미늄이 광택 있고 내구성 있는 품질을 얻도록 돕습니다.
특정 알루미늄 합금은 특정 용도를 위해 특성을 향상시키기 위해 열처리됩니다. 고체 주조 알루미늄을 미리 정해진 온도로 가열하면 분자 미세 구조가 재료 전체에 고르게 분포됩니다. 급속 냉각은 미세 구조 패턴을 제자리에 유지시키고 이상적인 특성을 달성하게 합니다.
열처리가 불가능한 합금은 주로 압연을 통한 냉간 가공으로 마감합니다. 분자들을 단단히 압축하여 미세 구조의 결함을 최소화함으로써 금속 강도가 크게 향상됩니다.
알루미늄은 이미 미적으로 만족스러운 고품질 표면 마감을 가지고 있습니다. 그러나 다양한 코팅은 마감에 추가적인 이점을 제공할 수 있습니다.
PVDF 코팅은 내후성이 매우 높은 용제 기반 페인트입니다. 그러나 긁힐 수 있습니다. PVDF는 햇빛에 노출되어도 변색되지 않으며 금속 외관으로 만들 수 있습니다.
액체 페인트는 PVDF 코팅보다 경제적이지만 특성도 덜 바람직합니다. 마감 품질이 낮고 내후성도 약합니다.
분체 코팅은 PVDF 코팅과 동일한 수준의 가장 엄격한 내구성 사양을 충족합니다. 우수한 마감 외관을 가지며 창문 및 문틀, 볼라드 및 자전거 거치대와 같은 현장 시설물에 건축 용도로 널리 사용됩니다. 마모에 강하며 호텔 및 상점과 같은 고밀도 지역에 종종 지정됩니다.
양극산화는 산화 표면층을 두껍게 하고 제품의 내식성을 향상시키는 데 사용됩니다. 코팅은 단단하고 내구성이 있으며 자가 치유 기능이 있어 건축가들에게 인기 있는 선택입니다. 양극산화 공정은 일련의 침지 탱크를 사용하여 수행됩니다.
알루미늄은 가벼운 것으로 잘 알려져 있습니다. 사실 철보다 거의 3배 가볍고, 밀도는 2,700 kg/m³입니다. 놀랍게도 알루미늄의 낮은 밀도는 강도에 영향을 주지 않습니다. 알루미늄 합금은 70~700 MPa 범위의 인장 강도를 갖는 다양한 강도 특성을 가집니다. 저온에서 알루미늄의 강도는 증가하고, 고온에서는 감소합니다.
알루미늄은 쉽게 가공할 수 있으며, 낮은 밀도로 인해 필요한 동력이 적습니다. 알루미늄의 높은 연성은 쉽게 압출될 수 있게 하며, 이는 제품이 구부려지고 압연될 수 있게 하여 알루미늄 호일 제작의 핵심 특성이 됩니다.
알루미늄 제품은 제품에 사용된 합금 재료에 따라 인증됩니다. 가장 일반적인 합금 원소는 다음과 같습니다:
| 계열 | 알루미늄 % | 주 합금 원소 | 열처리 가능 | 특성 | 용도 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1xxx | >99% | - | 아니오 | 우수한 내식성 및 가공성, 높은 열/전기 전도도 | 송전선, 변압기 |
| 2xxx | >99% | 구리 | 예 | 높은 강도와 인성, 낮은 내식성 | 항공기 |
| 3xxx | >99% | 망간 | 아니오 | 중간 강도, 좋은 가공성 | 열교환기, 조리기구, 음료 캔 |
| 4xxx | >99% | 실리콘 | 아니오 | 취성 없이 낮은 융점 | 용접 와이어, 브레이징 봉 |
| 5xxx | >99% | 마그네슘 | 아니오 | 중간~높은 강도, 해양 환경 내식성, 좋은 용접성 | 건축, 저장 탱크, 압력 용기, 해양 응용 |
| 6xxx | >99% | 실리콘 및 마그네슘 | 예 | 중간 높은 강도, 우수한 내식성, 높은 용접성 | 건축 구조물, 트럭, 해양 프레임 |
| 7xxx | >99% | 아연 | 예 | 매우 높은 강도 | 항공기, 애플 워치 |
홀-에루 공정 중 대량의 가스가 배출됩니다. 이 가스들은 포집되어 처리되며, 대기로 방출되기 전에 독성 불화 화합물이 제거되어야 합니다. 알루미늄 생산 공정은 CO₂를 발생시켜 알루미늄 제품의 탄소 발자국을 높입니다. 많은 제조업체는 화석 연료로 전기를 생산하는 대신 수력 발전소와 같은 재생 에너지원 옆에 알루미늄 제련소를 배치합니다.
수용성 형태인 Al³⁺ 상태에서 알루미늄은 식물에 독성이 있습니다. 산성 토양은 광물에서 Al³⁺의 방출을 가속화하고 이들 밭의 수확량을 낮춥니다. 전 세계 경작지의 거의 절반이 산성이기 때문에, 알루미늄이 작물 수확량에 미치는 부정적 영향은 심각할 수 있습니다.
인체에도 알루미늄이 영향을 미칠 수 있습니다. 알루미늄 축적의 건강 영향으로는 알츠하이머병 위험 증가와 일부 암이 거론되지만, 결정적으로 입증되지는 않았습니다. 고농도에서 알루미늄은 뇌와 골격에 작용하는 신경독소입니다. 알루미늄은 팽창제, 유화제, 착색제 및 일부 제산제에 포함되어 있습니다.
알루미늄은 광택 있는 마감으로 다양한 상업 및 가정용품을 포함하는 폭넓은 시장에 적합한 다재다능한 금속입니다.
항공우주 산업의 발전은 알루미늄 제품의 개발에 상당 부분 의존해 왔습니다. 특히 가벼운 무게와 강도의 조합은 인류가 지구 대기를 벗어날 만큼 강하고 가벼운 차량을 개발할 수 있게 했습니다. 라이트 형제는 최초의 목재 복엽기 엔진 크랭크케이스에 알루미늄을 사용했습니다. 현대 상업용 수송기의 80%는 알루미늄으로 구성되며, 주로 동체와 날개 등 기체에 사용됩니다. 알루미늄은 우주 왕복선과 국제우주정거장 구조물에도 광범위하게 사용됩니다.
전력망과 송전선은 구리 대신 알루미늄을 베이스로 전환했습니다. 이는 장거리 케이블 런에 적합한 우수한 전도성과 경량성 때문입니다. 알루미늄 합금은 대형 유리 패널의 상당한 무게를 견딜 수 있는 강한 프레임을 제공하기 위해 건설에도 사용됩니다. 건축가들은 공항과 고층 건물에서 이러한 특성을 광범위하게 활용합니다.
대부분의 현장 시설물(벤치, 쓰레기통, 자전거 거치대 등)은 고정되어 있지만, 이동식 볼라드는 차량 진입을 방지하거나 허용하기 위해 설치 및 제거할 수 있는 교통 유도 장치입니다. 알루미늄은 금속의 가벼움 때문에 이동식 볼라드 응용 분야에 자주 사용되며, 행사 직원이 훨씬 쉽게 이동 및 설치할 수 있습니다.
캔 식품과 음료는 알루미늄이 지배한 또 다른 시장입니다. 알루미늄 캔은 빠르게 냉각되고 인쇄성이 높은 표면을 제공합니다. 높은 재활용성도 이 산업에 매력적입니다. 또한 산소, 빛 및 기타 오염 물질로부터 보호하여 내용물의 풍미와 무결성을 지킵니다.
가전제품도 알루미늄의 특성으로부터 혜택을 받았습니다. 열적 특성으로 냉장 용도에 이상적이며, 가벼운 무게로 가전제품을 쉽게 이동하고 운반할 수 있습니다. '브러시드 알루미늄' 마감 개발로 고급 시장을 위한 고도의 미적 제품을 만들 수 있게 되었습니다. 애플은 알루미늄 단일 블록으로 만든 노트북을 선보이며 기술 분야를 선도했습니다. 평면 TV도 알루미늄의 경량 특성 덕분에 혜택을 봅니다. 동등한 강철 제품은 벽에 걸기엔 너무 무거울 것입니다.
자동차 제조사들은 차량의 탄소 발자국을 줄이라는 압박을 받고 있습니다. 경량 알루미늄 프레임, 차체 패널, 엔진은 연비를 개선하여 이 목표에 기여합니다. 또한 자동차용 알루미늄 스크랩의 거의 90%가 재활용을 위해 수거되는 등 다른 환경적 이점도 있습니다.
대부분의 알루미늄은 재활용 가능합니다. 음료 캔과 자동차 부품은 자재가 효과적으로 수거되고 재활용되는 높은 회수율 산업입니다. 사용된 알루미늄이 수거되면 처리 시설로 이송되어 등급별로 분류되고 세척됩니다. 금속은 코팅, 잉크 및 기타 불순물을 제거하기 위해 용해됩니다. 이 단계에서 필요에 따라 합금을 첨가한 후 잉곳으로 주조합니다. 이 잉곳은 주조용 주조소로 공급되거나 추가 가공을 위해 다른 제조업체로 이동합니다. 재활용 알루미늄은 최소 6주 만에 신제품으로 시장에 복귀할 수 있습니다.
대부분의 알루미늄 제품은 일반 물이나 순한 비누 또는 세제로 깨끗하게 유지할 수 있습니다. 얼룩이 더 심한 경우 테레빈유나 비부식성 화학 세제를 사용할 수 있습니다. 더 강한 세척력을 원하면 왁스 기반 광택제, 연마 왁스 또는 연마 세제를 사용할 수 있습니다. 세척 후 알루미늄 제품을 건조시켜 줄무늬를 방지하는 것이 중요하며, 모서리와 이음새에서 세척 잔여물을 제거해야 합니다.
알루미늄에 대한 자세한 정보나 맞춤 프로젝트 견적 요청은 문의해 주시기 바랍니다.
금속
다이캐스팅은 금형 캐비티를 이용해 용융 금속에 고압을 가하는 방식으로, 가장 다재다능하고 생산적인 금속 주조 공정 중 하나입니다. 다이캐스팅 공정의 특성은 다이캐스팅 공정 요구사항을 충족하는 다이캐스팅 부품 설계에 기여합니다. 이제 다이캐스팅의 장단점과 다른 제조 공정으로 가공한 부품과의 비교를 살펴보겠습니다. 1. 다이캐스팅의 장점 높은 생산 효율 – 생산 공정이 기계화와 자동화하기 쉽습니다. 일반적으로 콜드 챔버 다이캐스팅 머신은 시간당 50~90회, 핫 챔버 다이캐스팅 머신은 시간당 400~900회 다이캐스팅합니다.
복잡한 부품과 구성 요소를 만들려면 정밀 주조가 필요합니다. 제품 복잡성은 종종 설계와 제조 중 문제가 됩니다. 인베스트먼트 주조는 거의 모든 복잡성 수준에서 구성 요소를 제조할 수 있게 하며 공차도 매우 엄격합니다. 성형 공정이 효과적이려면 적절한 인베스트먼트 주조 툴링이 필요합니다. 다양한 유형의 인베스트먼트 주조 장비 중에서 멀티풀(multi-pull)과 스트레이트풀(straight-pull) 툴링은 원하는 결과를 달성하는 데 필수적입니다. 멀티풀 vs 스트레이트풀 툴링 스트레이트풀 금형으로 사이클당 단일 제품만 형성할 수
