2020. 12. 23. 15:17ㆍ항공
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항공기 비철 금속 재료의 종류 및 성질(알류미늄, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 구리합금)
안녕하세요 다시맘N파 입니다.
여덜번째 시간으로 항공기 비철 금속 재료의 종류 및 성질에 대해 알아보도록 하겠습니다.
항공기 재료의 두번째 시간인데요
어떻게 첫번째 시간은 다들 잘 배우셨는지요??
전 아직도 이해가 잘 가지 않아요. 어떻게 된게 배우면 배울수록 더 어려운게 항공인거 같네요
그럼 이제부터 시작해 보겠습니다.
1. 비철금속
비철금속은 철 이외의 금속 원소가 주요 성분인 금속을 말하는데요
비철 금속 재료에는 Cu, A1, Ti, Zn, Ni, Pb, Sn, Be 등이 있어요
이 금속들은 다른 원소와 합금시켜 강도와 경도 등의 기계적 성질을 개선하여 사용합니다.
1) 알루미늄과 알루미늄 합금
알루미늄과 알루미늄 합금이 개발되지 않았다면 오늘 현대 항공기의 개발이 과연 이루어졌을까요 하는 의심이 갑니다
알루미늄은 지구상에서 규소(Si) 다음으로 많은 원소인데요 순 알루미늄은 비중이 2.7로서, 흰색 광택을 내는 비자성체이고 대시 중에서 내식성이 강하며 가공성, 전기 및 열의 전도율이 매우 좋은 재료에요
또한 무게가 가볍고 660도 비교적 낮은 온도에서도 용해되며, 다른 금속과 합금이 쉽고, 전영성이 우수합니다.
강은 항공기 구조물에 적당한 강도로 사용되지만 무게로 인하여 기본 구조물에만 사용되도록 제한되고 있는데요 순 알루미늄은 경량으로 적합하지만 고부식성과 저강도로 인해 구조부 재료로 사용할 수 없기 때문에 알루미늄 합금을 만들어서 사용하는겁니다.
이해하시겠져????
(1) 알루미늄 합금의 성질
알루미늄(A1)에 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn) 등의 금속을 첨가하여 강도와 내열성을 향상시켜 사용하는데요
기계적 성질이 우수한 것이 많아 여러 용도에 사용됩니다.
알루미늄 합금의 성질 5가지를 알아볼게요
가.전연성이 우수하여 가공성이 양호하다
나.적절히 처리 하면 내식성이 양호하다
다.합금의 비율에 따라 강도 및 강성 등이 크다
라.상온에서 기계적 성질이 양호하다
마.시효경화의 특성을 지닌다
다른 금속에서 찾아보기 힘든 시효 경화 현상이 있는데요 시효 경화(Age Hardening)란 열처리한 재료가 시간이 경과함에 따라 재료의 강도와 경도가 증가하는 성질을 말하며, 알루미늄 합금 2017, 2024 등이 이 특성을 지닌다.
시효 경화의 방법에는 상온 시효(또는 자연시효)와 100~200도에서 처리하는 인공시효가 있으니 잊지 마세요
(2) 알루미늄 합금의 식별기호
현재 표준 알루미늄 합금의 종류가 많이 때문에, 각 국가별로 여러 가지 표준 규격을 정해서 사용합니다.
그림1-1은 항공 분야에서 각 국가별로 공통적으로 사용하는 AA와 ALCOA기호를 비교하여 표시합니다.
* 식별 법
ㄱ. ALCOA 규격 식별 법
A50S
A : 알코아사의 알루미늄 제품
50 : 합금원소의 식별 (마그네슘)
S : 가공용 알루미늄이라는 표시
ㄴ. AA 규격 식별 법
2024-T6
2 : 알루미늄과 구리의 합금
0 : 개량 처리를 하지 않음
24 : 합금의 분류 번호
T6 : 열처리 방법
(3) 항공기에 주로 사용되는 알루미늄 합금
가. 내식 알루미늄 합금
항공기의 사용되는 알루미늄 합금 중 부식에 저항할 수 있는 합금을 내식 알루미늄 합금이라고 해요
4가지의 종류가 있어요
ㄱ. 1100(2S)
ㄴ. 3003
ㄷ. 5052, 5056
ㄹ. 6061, 6063
나. 고강도 알루미늄 합금
1906년 개발된 두랄루민을 시작으로 개량을 거듭하여 현재 항공기에서 가장 많이 사용되고 있는 고강도 합금이다
내식성보다 강도를 중시하여 만들어진 것으로 열처리한 가장 강한 상태로 사용되고 있으며 이 합금은 구리(Cu), 아연(Zn)을 첨가하여 시효 경화시키고 있으나, 이들 원소의 함유량이 많은 것은 내식성이 저하되므로, Alclad 처리하여 사용하고 있어요. 이해하셔야 합니다.
종류는 7가지가 있어요
ㄱ. 2014
ㄴ. 2017
ㄷ. 2117
ㄹ. 2024
ㅁ. 2224, 2324
ㅂ. 7075
ㅅ. 7050, 7150
2) 티타늄 합금(Titanum Alloy)
티타늄 합금은 알루미늄 합금보다 비강도, 내열성, 내식성이 양호하여 기체, 엔진 등의 구조용 재료로 중요한 곳에 사용되고 있어요
티타늄의 비중은 4.5로서 알루미늄보다 무겁고 강의 0.5배 정도로 가벼워요
특히 인성과 피로에 대한 저항이 강하고 열전도율이 알루미늄과 철 보다 낮은데요
강도는 알루미늄 합금이나 마그네슘 보다 크고, 녹는점이 약 1730도로서 다른 금속에 비해 높아요
특히 피로에 대한 저항이 강하고 내열성, 내식성이 양호하므로 부식이 잘 생기는 펌프, 항공기 외피, 방화멱, 항공기 엔진의 재료로 사용되고 있답니다.
(1) 티타늄 합금의 종류
* 순수티탄 : 연성과 내식성 우수, 패널이나 방화벽에 사용
* Ti-6A1-4V : 인장강도를 120kg/mm2로 중대한 합금, 피로강도와 소성가공이 우수, 기체구조재, 압축기 깃, 압축기 디스크에 사용
* Ti-5A1-2.5Sn : 크리프 파괴 강도가 Ti-6A1-4V 보다 우수, 용접성이 좋음, 가스 터빈기관의 케이스에 많이 사용
* Ti-8A1-1Mo-1V : 400~500도에서 우수한 크리프 강도를 가짐, 용접성이 좋음
3) 마그네슘 합금(Magnesium Alloy)
실용 금속 중에서 가장 가볍고(비중은 1.74, 알루미늄의 2/3) 전영성이 풍부하며 절삭성이 좋으나, 내열성 및 내마모성이 떨어져 항공기 구조재로서는 부적합해요 그러나 비강도가 다소 크기 때문에 경합금 재료로 적합하며 또 주물러서 인장강도, 연신율, 충격값 등이 알루미늄과 비슷하여 부품의 무게 경감과 제작비 절감에 효가가 있어요
경량 주물로서는 유효한 재료이고 장비품의 하우징 등에는 사용되는데요
마그네슘 합금은 내식성이 좋지 않으므로 일반적으로 화학 피막 처리를 할 필요가 있어요
(1) 마그네슘 식별
예) AZ 92 A - T6
AZ : 함유원소(A1+Zn)
92 : 알루미늄 9%와 아연 2% 포함
A : 순도가 높음
T6 : 열처리 방법
4) 니켈 합금(Nickel Alloy)
니켈 합금의 일반적인 성질은 인성과 내식성이 우수하고, 비중은 8.9이고 용융온도는 1455도이다.
보통 니켈 합금은 가스터빈의 구조재료, 볼트, 공가강으로 사용되요
(1) 모넬(Monel)
고 니켈함유합금으로 니켈 68%, 구리29%와 약간의 망간을 함유한 합금으로 용접성이 좋고 기계가공성이 아주 훌륭합니다
특정한 종류의 모넬은 약간의 알루미늄 성분을 추가하여 열처리를 가능케 해서 인장 강도를 개선시킬 수도 있어요
모넬은 내식성이 우수하여 터빈의 블레이드 밸브, 배기관이나 기화기 밸브 등에 사용되는데요
모넬은 기어와 체인과 같이 고강도와 고인성을 요하는 부품에 효과적으로 이용되고 고온에서 고부식성과 고강도를 요하는 곳에 필요로 합니다.
(2) 인코넬
내쇼날 니켈회사에서 고강도, 고온합금인 니켈 8096 크롬14%와 약간의 철과 다른 원소로 배합한 인코넬을 개발하였는데요
인코넬은 스테인레스 강과 보기가 비슷하나 터빈엔진의 고온상태에서 고강도와 고 부식 방지성을 갖는 이유로 널리 사용되고 있어요
(3) k모넬
비철 합금으로 니켈, 구리, 알루미늄의 합금이며 모넬 강에 약간의 알루미늄을 첨가하여 제조한 것인데 열처리로 부식저항과 경화를 시킬 수 있고 기어나 항공기의 부식 취약부에 구조물로 널리 사용되네요
이 합금은 모든 온도에서 비자화성으로 K모넬 판은 산소 아세틸렌 용접이나 가스 아크 용접으로 쉽게 가공될 수 있어요
5) 구리 합금(Cu Alloy)
구리(Cu)는 가장 널리 분포된 금속 중의 하나로서, 은(Ag) 다음으로 전기 전도도가 우수해요
구조 재료로서는 큰 중량 때문에 제한적이나, 높은 전기 및 열전도성과 전성으로 전선을 만드는데 가장 이성적이다
구리의 주요 합금으로는 황동과 청동이 있으며, 황동은 Cu와 Zn으로 된 황색 합금이고 실용 황동은 Zn 함유량이 40% 이하로서, 주조성, 가공성이 좋고, 기계적 성질 및 내식성도 양호해요
청동은 Cu-Sn의 합금으로 황동보다 내식성 및 내마멸성이 좋으며, 고대의 가구, 장식장 및 기계주물용, 미술공예품 등에 사용되요
(1) 구리 합금의 종류
*황동
- 7:3 황동 : 구리 70%, 아연 30%의 합금으로 황금색이며, 전성과 강도가 크기 때문에 판, 봉, 관, 선등의 제조에 사용된다
- 6:4 황동 : 구리 60%, 아연 40%의 합금으로 염분에 내식성이 우수하여 염분과 접촉이 많은 곳의 부품이나 열교환기, 볼트, 너트 등의 제조에 사용된다
*청동
- 구리 + 주석 : 구리에 주석을 합금한 것으로 강도가 크고 내마멸성이 좋으며, 주조성이 우수하여 주조용 합금으로 훌륭하다
*켈밋
- 구리 + 납 : 구리에 30~40%의 납을 합금한 것으로 열전도가 양호하고, 마찰계수가 적어 고속회전부의 베어링으로 쓰인다
(2) 7:3 황동
구리 약 7096에 아연 30%를 합금한 것으로 판, 로드, 관, 선 등의 재료에 사용되며 방열기 부품, 탄피, 장식품에 쓰인다
(3) 6:4 황동
구리 약 60%에 아연 40%를 합금한 것으로 열간 가공에 적합하며, 강도가 커요
볼트,너트 등에 쓰이며 일반 판금가공용 일반 주조용 재료로 쓰인다
(4) 청동(Bronze)
구리에 주석을 합금한 것으로 강도가 크고 내마멸성이 좋으며, 주조성이 우수하여 주조용 합금으로 훌륭해요
이번시간은 좀 어렵네요. 하지만 어려워도 어째요
열심히 한번보고 두번보고 세번봐서 다 내껄로 만들어야죠
저는 글을 쓰면서도 공부가 되더라구여.
암튼 긴 글 읽어주셔서 감사합니다
