가스텅스텐아크용접기능사 구리와 그 합금 — 인청동과 알루미늄 합금의 시효경화

인청동은 구리에 주석을 섞은 청동에 탈산제로 인을 아주 조금 넣은 합금이다. 인이 들어가면 인화동이라는 단단한 물질이 생겨 강도와 탄성이 좋아지고, 마모와 부식에 강해진다. 그래서 힘을 계속 받으며 움직이는 기어, 베어링, 스프링 같은 기계 부품에 많이 쓴다. 알루미늄청동은 알루미늄을 넣어 바닷물에 강한 합금이고, 규소청동은 규소를 넣은 합금, 포금청동은 주석과 아연을 넣은 합금으로 밸브나 기어에 쓰인다.

하이드로날륨은 알루미늄에 마그네슘을 넣은 Al-Mg계 합금이다. 바닷물과 알칼리에 대한 내식성이 강하고 용접성이 매우 우수해 선박용 부품, 화학 장치용 부품, 조리기구 등에 쓰인다. 강도와 인성, 연신율도 좋아 내식성 알루미늄 합금의 대표로 꼽힌다. 실루민은 Al-Si계 주조용 합금, 라우탈은 Al-Cu-Si계 주조용 합금, 두랄루민은 Al-Cu계의 가공용 합금이라 성분과 용도가 각각 다르다.

알루미늄은 비중이 약 2.7로 철보다 훨씬 가볍고, 공기 중에서 표면에 얇은 산화알루미늄 피막이 저절로 생겨 안쪽을 보호하므로 대기 중 내식성이 좋다. 상온과 고온에서 가공성도 좋고 주조성과 합금성도 뛰어나다. 그러나 전기와 열을 통하는 정도는 은과 구리보다 낮아 구리 다음 순위이며, 송전선에 알루미늄을 쓰는 까닭도 전도율이 가장 좋아서가 아니라 가볍고 값이 싸기 때문이다.

알루미늄은 대기 중에서는 산화피막 덕분에 잘 부식되지 않지만 해수의 염소이온에는 약하다. 염소이온이 산화피막을 국부적으로 파괴해 구멍처럼 파고드는 공식부식이 생기기 때문이다. 따라서 알루미늄이 해수에 아주 강하다는 설명은 성립하지 않는다. 비중 2.7과 용융온도 약 660℃는 알루미늄을 가리키는 대표 수치이고, 마그네슘은 비중 약 1.7과 융점 약 650℃, 구리는 비중 약 8.9와 융점 약 1083℃로 구별한다.

실루민은 알루미늄에 규소를 넣은 Al-Si계 주조용 합금으로, 규소 함량이 많아 용탕의 흐름이 좋아 주조성이 뛰어나다. 다만 규소가 그대로 굳으면 육각판상의 거친 결정이 되어 강도가 떨어지므로, 금속나트륨을 소량 넣는 접종·변질처리로 결정을 미세화해 강도를 개선한다. 라우탈은 Al-Cu-Si계, 하이드로날륨은 Al-Mg계, 두랄루민은 Al-Cu계의 단조용 합금이라 계열이 다르다.

시효경화는 용해도가 온도에 따라 크게 변하는 합금을 고온에서 담금질해 과포화 고용체로 만든 뒤, 시간이 지나면서 미세한 석출물이 생겨 단단해지는 현상이다. 온도가 내려가면 녹을 수 있는 양이 줄어 남는 성분이 작은 입자로 석출되는 것이 원리이므로, 용해도의 온도 의존성이 시효경화의 바탕이 된다. 상온에 그대로 두는 것은 자연시효, 약 160℃로 가열해 촉진하는 것은 인공시효다. 두랄루민과 Y합금은 시효경화성 합금의 대표이고, Y합금은 공랭 피스톤이나 실린더 헤드에 쓰인다.

고강도 알루미늄 합금은 알루미늄에 구리와 마그네슘 등을 넣고 열처리해 강도를 높인 합금이다. 대표 주자가 두랄루민으로, 무게에 비해 강도가 높아 교량이나 항공기처럼 가볍고 튼튼해야 하는 곳에 쓰인다. 주조용 합금은 틀에 부어 만드는 부품용, 내식 합금은 부식 환경용, 내열 합금은 고온 환경용이라 열처리로 강도를 높이는 조건과 구분한다.