1. 비철금속의 기본 개념

비철금속은 철을 주성분으로 하지 않는 금속 재료를 의미한다.

엄밀하게는 철 함량이 전혀 없는 금속만을 뜻하지는 않는다. 일부 비철합금에는 소량의 철이 포함될 수 있지만, 합금의 기본 성질을 결정하는 주성분이 철이 아니라 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 니켈, 아연 등이라는 점에서 철강 재료와 구분된다.

기계설계에서 비철금속은 다음과 같은 목적을 위해 사용된다.

• 부품 경량화

• 내식성 향상

• 열전도성 확보

• 전기전도성 확보

• 비자성 특성 확보

• 마찰과 베어링 성능 개선

• 고온 성능 확보

• 특수 화학환경 대응

• 외관과 표면 품질 개선

• 주조성과 성형성 향상

비철금속은 일반적으로 철강보다 가격이 높지만, 밀도, 내식성, 전도성, 주조성, 고온특성 등에서 철강으로 대체하기 어려운 고유한 장점을 가진다.

2. 주요 비철금속의 분류

기계설계에서 자주 사용하는 비철금속은 다음과 같이 분류할 수 있다.

1. 알루미늄 및 알루미늄 합금

2. 구리 및 구리 합금

3. 마그네슘 및 마그네슘 합금

4. 티타늄 및 티타늄 합금

5. 니켈 및 니켈 합금

6. 아연 및 아연 합금

7. 주석 및 납계 합금

8. 기타 특수 비철금속

각 재료군은 밀도, 강도, 내식성, 열전도성, 용접성, 주조성 및 비용이 크게 다르다.

3. 주요 합금원소의 역할

비철금속의 기계적 특성은 기본 금속 자체보다 합금원소의 종류와 함량에 의해 크게 달라진다.

3.1 실리콘 — Si

주요 역할:

• 알루미늄 합금의 주조성을 향상시킨다.

• 용탕의 유동성을 높인다.

• 주조 수축과 열팽창을 줄인다.

• 내마모성을 높일 수 있다.

• 과도하면 연성과 절삭성이 낮아질 수 있다.

알루미늄 다이캐스팅 합금에서 실리콘 함량이 높은 이유는 복잡한 금형 내부까지 용탕이 잘 흐르도록 하기 위해서이다.

3.2 마그네슘 — Mg

주요 역할:

• 알루미늄 합금의 강도를 높인다.

• 가공경화 효과를 높인다.

• 내식성을 개선할 수 있다.

• 실리콘과 결합하여 Mg₂Si 석출물을 형성한다.

• 열처리형 알루미늄 합금의 강도 향상에 기여한다.

알루미늄 5000계와 6000계에서 중요한 원소이다.

3.3 구리 — Cu

주요 역할:

• 알루미늄 합금의 강도와 열처리성을 높인다.

• 시효경화를 가능하게 한다.

• 고온 강도를 향상시킨다.

• 황동에서는 아연과 함께 강도와 가공성을 조정한다.

• 과도한 구리는 알루미늄 합금의 내식성을 낮출 수 있다.

2000계 알루미늄 합금의 높은 강도는 주로 구리 첨가와 시효경화에 의해 형성된다.

3.4 아연 — Zn

주요 역할:

• 알루미늄 합금에서 높은 강도를 확보한다.

• 마그네슘과 함께 강력한 시효경화 효과를 만든다.

• 구리와 결합해 황동을 형성한다.

• 다이캐스팅 합금의 주조성과 치수 정밀도를 높인다.

7000계 알루미늄 합금은 아연과 마그네슘을 이용해 매우 높은 강도를 얻는다.

3.5 망간 — Mn

주요 역할:

• 알루미늄 합금의 강도와 내식성을 보완한다.

• 결정립을 미세화한다.

• 철계 불순물의 영향을 줄인다.

• 고용강화를 통해 강도를 증가시킨다.

3000계 알루미늄 합금에서 주요 합금원소로 사용된다.

3.6 주석 — Sn

주요 역할:

• 구리 합금의 내식성과 베어링 특성을 향상시킨다.

• 청동의 강도와 내마모성을 높인다.

• 납땜성과 접합성을 개선한다.

• 저융점 합금을 형성한다.

주석청동은 내마모성과 내식성이 우수해 베어링, 부시, 웜기어에 사용된다.

3.7 니켈 — Ni

주요 역할:

• 구리 합금과 니켈 합금의 내식성을 높인다.

• 고온 강도를 개선한다.

• 티타늄 합금 및 초내열합금의 조직 안정성을 높인다.

• 화학 및 해수 환경에 대한 저항성을 향상시킨다.

3.8 크롬 — Cr

비철합금에서의 역할:

• 니켈 합금의 내산화성과 고온 부식 저항성을 높인다.

• 구리 합금의 강도와 내마모성을 높인다.

• 일부 알루미늄 합금에서 결정립 구조와 응력부식 저항성을 개선한다.

3.9 철 — Fe

비철금속에서는 일반적으로 불순물 또는 보조 합금원소로 존재한다.

영향:

• 알루미늄에서는 과도할 경우 취성 금속간화합물을 형성한다.

• 구리의 전기전도성을 낮출 수 있다.

• 니켈 합금에서는 구조 안정화와 비용 조절에 사용될 수 있다.

• 티타늄에서는 강도를 높이지만 연성과 내식성을 낮출 수 있다.

4. 알루미늄 및 알루미늄 합금

4.1 기본 특성

알루미늄은 기계설계에서 가장 널리 사용되는 비철금속이다.

주요 특징:

• 밀도가 약 2.7 g/cm³로 철강의 약 3분의 1이다.

• 내식성이 비교적 우수하다.

• 열전도성과 전기전도성이 좋다.

• 절삭, 압출, 압연, 주조가 가능하다.

• 표면 산화피막을 형성한다.

• 아노다이징 처리가 가능하다.

• 탄성계수가 철강보다 낮다.

• 고온에서 강도가 빠르게 저하된다.

알루미늄은 단순히 가벼운 재료가 아니라, 경량화·내식성·가공성·열전도성을 함께 확보하는 재료이다.

4.2 알루미늄 합금의 계열 분류

전신재 알루미늄 합금은 일반적으로 다음과 같이 구분한다.

4.3 순알루미늄 — A1050

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

알루미늄 순도가 높아 다음 특성을 보인다.

• 전기전도성이 높다.

• 열전도성이 높다.

• 내식성이 좋다.

• 성형성이 매우 좋다.

• 강도와 경도는 낮다.

• 절삭 시 재료가 공구에 달라붙기 쉽다.

철과 실리콘은 불순물로 존재하며 함량이 증가하면 강도는 약간 높아지지만 전도성과 연성은 낮아질 수 있다.

주요 용도

• 전기 도체

• 방열판

• 화학용 용기

• 반사판

• 커버

• 장식판

• 열교환용 핀

4.4 A5052

A5052는 마그네슘을 주합금원소로 하는 5000계 알루미늄 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

마그네슘

알루미늄 결정격자에 고용되어 강도와 가공경화를 높인다.

마그네슘 첨가로 다음 특성이 향상된다.

• 강도

• 내식성

• 해수 환경 저항성

• 용접 후 강도

• 판금 가공성

크롬

결정립 구조와 부식 저항성을 안정화하고 응력부식 가능성을 낮추는 데 기여한다.

기계적 특징

• 중간 강도

• 우수한 내식성

• 좋은 용접성

• 좋은 판금 절곡성

• 열처리 경화 불가

• 냉간가공으로 강도 향상 가능

주요 용도

• 기계 커버

• 판금 프레임

• 식품기계 비접촉부

• 해양 구조물

• 연료탱크

• 케이스

• 브라켓

4.5 A6061

A6061은 마그네슘과 실리콘을 주요 합금원소로 하는 대표적인 6000계 열처리형 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

마그네슘과 실리콘

Mg와 Si가 결합하여 Mg₂Si 석출물을 형성한다.

용체화 처리와 시효처리를 하면 미세한 Mg₂Si 입자가 전위 이동을 방해하여 강도를 높인다.

구리

강도와 시효경화 반응을 보완하지만, 함량이 증가하면 내식성이 다소 낮아질 수 있다.

크롬

결정립 조직과 인성을 안정화한다.

기계적 특징

• 강도와 가공성의 균형이 좋다.

• 절삭성이 양호하다.

• 압출성이 좋다.

• 용접성이 비교적 좋다.

• 내식성이 양호하다.

• T6 열처리 상태에서 높은 강도를 가진다.

• 용접 열영향부에서 강도가 낮아질 수 있다.

주요 용도

• 기계 프레임

• 알루미늄 프로파일

• 로봇 구조물

• 지그

• 베이스

• 플레이트

• 샤프트 하우징

• 자동화 장비

4.6 A7075

A7075는 아연과 마그네슘을 주요 합금원소로 하는 고강도 7000계 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

아연과 마그네슘

Zn과 Mg가 MgZn₂ 계열 석출물을 형성하여 매우 높은 시효경화 효과를 만든다.

구리

강도와 내열성을 추가로 높인다.

크롬

결정립 구조와 응력부식 저항성을 개선한다.

기계적 특징

• 매우 높은 강도

• 높은 피로강도

• 낮은 밀도

• 절삭성 양호

• 용접성 불량

• 6061보다 내식성 낮음

• 응력부식균열에 주의

• 가격이 높음

주요 용도

• 항공기 구조

• 고강도 지그

• 경량 로봇 암

• 고하중 알루미늄 부품

• 금형 플레이트

• 정밀 구조부품

4.7 ADC12 알루미늄 다이캐스팅 합금

ADC12는 다이캐스팅에 널리 사용되는 Al-Si-Cu계 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

높은 실리콘

• 용탕 유동성을 높인다.

• 복잡한 형상 주조에 유리하다.

• 수축을 줄인다.

• 내마모성을 높인다.

구리

• 강도와 경도를 높인다.

• 절삭성을 보완한다.

• 내식성을 낮출 수 있다.

철

다이캐스팅 금형에 용착되는 현상을 줄이지만, 과도하면 취성 금속간화합물을 형성한다.

기계적 특징

• 주조성이 매우 좋다.

• 복잡하고 얇은 부품 제작이 가능하다.

• 치수 정밀도가 좋다.

• 절삭성이 양호하다.

• 용접성과 연성은 제한적이다.

• 단조재보다 피로강도와 인성이 낮다.

• 내부 기공이 존재할 수 있다.

주요 용도

• 모터 하우징

• 감속기 케이스

• 전자기기 하우징

• 자동차 부품

• 펌프 케이스

• 복잡한 기계 외장

5. 구리 및 구리 합금

5.1 기본 특성

구리는 높은 전기전도성과 열전도성을 가진 대표적인 비철금속이다.

주요 특징:

• 전기전도성이 매우 높다.

• 열전도성이 우수하다.

• 내식성이 좋다.

• 연성과 성형성이 좋다.

• 항균성이 있다.

• 밀도가 약 8.9 g/cm³로 무겁다.

• 순동은 강도가 낮다.

• 합금화를 통해 강도와 내마모성을 높일 수 있다.

5.2 순동 — C1100

대표 화학 성분

성분과 특성

높은 구리 순도 때문에 전기 및 열전도성이 매우 높다.

소량의 산소는 Cu₂O 형태로 존재할 수 있으며, 수소 분위기에서 가열하면 수소취성이 발생할 수 있다.

기계적 특징

• 낮은 강도

• 높은 연성

• 우수한 전도성

• 좋은 성형성

• 좋은 납땜성

• 절삭성은 낮음

• 가공경화 가능

주요 용도

• 전기 단자

• 버스바

• 케이블

• 방열부품

• 열교환기

• 전극

• 접지부품

5.3 황동 — C2600 계열

황동은 구리와 아연의 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

아연

구리보다 저렴하며, 구리에 첨가하면 다음 특성이 나타난다.

• 강도 증가

• 경도 증가

• 절삭성과 성형성 변화

• 재료비 절감

• 색상 변화

아연 함량이 증가하면 강도는 높아지지만 연성과 내식성은 조건에 따라 낮아질 수 있다.

기계적 특징

• 순동보다 강도가 높다.

• 성형성이 좋다.

• 외관이 좋다.

• 내식성이 양호하다.

• 절삭용 황동은 가공성이 매우 좋다.

• 암모니아 환경에서 응력부식균열에 주의해야 한다.

주요 용도

• 피팅

• 밸브 부품

• 단자

• 나사

• 장식부품

• 센서 부품

• 정밀 절삭부품

5.4 쾌삭황동 — C3604

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

납

납은 구리-아연 기지에 거의 고용되지 않고 미세한 입자로 존재한다.

절삭 시 납 입자가 칩을 잘게 끊고 공구 마찰을 줄여 매우 우수한 절삭성을 제공한다.

그러나 납은 환경과 식품 접촉 측면에서 제한될 수 있다.

기계적 특징

• 매우 우수한 절삭성

• 좋은 치수 정밀도

• 나사 가공에 적합

• 냉간 성형성 제한

• 용접성 제한

• 식품·음용수 접촉 시 무연 황동 검토 필요

주요 용도

• 밸브

• 피팅

• 정밀 나사

• 커넥터

• 노즐

• 자동선반 부품

5.5 주석청동 — CAC406 또는 유사 계열

주석청동은 구리와 주석을 주성분으로 하는 합금이다.

대표 화학 성분 예

강종에 따라 성분은 크게 달라질 수 있다.

성분과 특성의 관계

주석

• 강도와 경도를 높인다.

• 내식성과 내마모성을 높인다.

• 해수 환경 특성을 개선한다.

납

• 윤활성을 높인다.

• 베어링 특성을 향상시킨다.

• 절삭성을 개선한다.

• 충격강도를 낮출 수 있다.

아연

주조성과 유동성을 개선하고 비용을 조정한다.

기계적 특징

• 우수한 내마모성

• 좋은 미끄럼 특성

• 양호한 내식성

• 비교적 높은 하중 지지능력

• 순동보다 낮은 전도성

• 가격이 높음

주요 용도

• 부시

• 슬리브 베어링

• 웜휠

• 밸브

• 펌프 임펠러

• 해양부품

5.6 알루미늄 청동

알루미늄 청동은 구리에 알루미늄을 첨가한 고강도 구리 합금이다.

대표 화학 성분 예

성분과 특성의 관계

알루미늄

구리 기지에 강한 고용강화를 제공하고, 표면에 안정적인 알루미늄 산화피막을 형성한다.

철과 니켈

조직을 미세화하고 강도, 내식성, 내침식성을 향상시킨다.

기계적 특징

• 구리 합금 중 높은 강도

• 우수한 해수 내식성

• 좋은 마모 및 캐비테이션 저항성

• 비점화 특성

• 가공성은 황동보다 낮음

주요 용도

• 해수 펌프

• 프로펠러

• 밸브

• 웜기어

• 고하중 부시

• 방폭 공구

5.7 베릴륨동

베릴륨동은 고강도와 전도성을 동시에 확보하는 석출경화형 구리합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

베릴륨은 열처리 후 미세한 석출물을 형성하여 강도를 크게 높인다.

코발트와 니켈은 석출 거동과 결정립을 조절한다.

기계적 특징

• 매우 높은 강도

• 높은 피로강도

• 양호한 전기전도성

• 좋은 스프링 특성

• 비점화 특성

• 내마모성 우수

• 가격이 높음

• 베릴륨 분진의 작업 안전 관리 필요

주요 용도

• 스프링 접점

• 정밀 단자

• 금형 부품

• 비점화 공구

• 센서 스프링

• 고하중 전기 접점

6. 마그네슘 및 마그네슘 합금

6.1 기본 특성

마그네슘은 실용 구조용 금속 중 가장 가벼운 금속에 속한다.

밀도는 약 1.74 g/cm³로 알루미늄보다 약 35% 가볍다.

주요 특징:

• 매우 낮은 밀도

• 우수한 절삭성

• 좋은 진동 감쇠성

• 다이캐스팅 적합성

• 낮은 탄성계수

• 제한적인 내식성

• 고온 강도 제한

• 분말과 절삭칩의 화재 위험

6.2 AZ91D

AZ91D는 대표적인 마그네슘 다이캐스팅 합금이다.

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

알루미늄

• 강도와 주조성을 높인다.

• 부식 저항성을 보완한다.

• 경도를 높인다.

아연

• 강도와 주조성을 향상시킨다.

• 과도하면 부식과 열균열에 영향을 줄 수 있다.

망간

철 불순물과 결합하여 부식에 미치는 악영향을 줄인다.

기계적 특징

• 매우 가벼움

• 주조성 우수

• 진동 감쇠성 우수

• 절삭성 우수

• 충격 인성은 제한적

• 고온에서 크리프 성능 저하

• 갈바닉 부식에 주의

주요 용도

• 전자기기 케이스

• 자동차 하우징

• 경량 기계 외장

• 휴대용 장비

• 감속기 케이스

• 로봇 부품

7. 티타늄 및 티타늄 합금

7.1 기본 특성

티타늄은 강도 대비 밀도가 매우 우수하고 내식성이 뛰어난 금속이다.

주요 특징:

• 밀도 약 4.5 g/cm³

• 높은 비강도

• 우수한 내식성

• 해수와 염화물 환경에 강함

• 생체 적합성 우수

• 비자성

• 낮은 열전도성

• 낮은 탄성계수

• 절삭성과 성형성이 까다로움

• 높은 가격

7.2 순티타늄 Grade 2

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

산소

티타늄에서 산소는 강력한 고용강화 원소이다.

산소가 증가하면:

• 강도 증가

• 경도 증가

• 연성 감소

• 충격 인성 감소

철

강도를 높이지만 과도하면 내식성 및 연성을 낮출 수 있다.

기계적 특징

• 중간 강도

• 높은 내식성

• 좋은 성형성

• 우수한 용접성

• 비자성

• 낮은 열전도성

주요 용도

• 화학 탱크

• 열교환기

• 해수 배관

• 의료기기

• 식품·제약 장비

• 부식성 환경 부품

7.3 Ti-6Al-4V, Grade 5

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

알루미늄

알파상을 안정화하고 고온 강도와 강성을 높인다.

바나듐

베타상을 안정화하고 열처리성과 강도·인성 균형을 조정한다.

산소

고용강화를 통해 강도를 높이지만 연성을 낮춘다.

기계적 특징

• 매우 높은 비강도

• 높은 피로강도

• 우수한 내식성

• 열처리 가능

• 절삭 가공 어려움

• 마찰 시 소착 가능

• 탄성계수가 철강보다 낮음

• 가격이 높음

주요 용도

• 항공기 부품

• 고강도 경량 샤프트

• 의료 임플란트

• 로봇 부품

• 고성능 체결부품

• 화학설비

8. 니켈 및 니켈 합금

8.1 기본 특성

니켈 합금은 고온, 고압, 부식성 화학환경에서 사용된다.

주요 특징:

• 고온 강도 우수

• 내산화성 우수

• 내식성 우수

• 크리프 저항성 우수

• 열피로 특성 우수

• 가격이 높음

• 가공성이 나쁨

• 높은 절삭 부하

8.2 Inconel 625

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

니켈

기본 기지를 형성하고 고온과 부식환경에서 조직을 안정화한다.

크롬

내산화성과 고온 부식 저항성을 높인다.

몰리브덴

환원성 산과 염화물 환경에서 내식성을 높인다.

니오븀

고용강화와 석출강화를 통해 강도를 높인다.

기계적 특징

• 우수한 고온 강도

• 매우 높은 내식성

• 해수환경에 강함

• 용접성이 비교적 양호

• 가공경화가 큼

• 절삭성이 매우 나쁨

• 가격이 높음

주요 용도

• 화학설비

• 해양 배관

• 고온 덕트

• 터빈 부품

• 열교환기

• 고온 체결부품

8.3 Hastelloy C-276

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

높은 몰리브덴

강한 환원성 환경과 틈새부식에 대한 저항성을 높인다.

크롬

산화성 환경에 대한 저항성을 제공한다.

텅스텐

국부부식과 고온 강도를 보완한다.

낮은 탄소

용접부에서 탄화물 석출과 입계부식 위험을 줄인다.

주요 용도

• 강산 설비

• 화학 반응기

• 폐가스 처리

• 부식성 배관

• 제약·화학 생산설비

9. 아연 및 아연 합금

9.1 기본 특성

아연은 내식성, 주조성, 낮은 용융점이 특징이다.

주요 특징:

• 다이캐스팅성이 매우 좋다.

• 정밀한 형상을 만들 수 있다.

• 표면 품질이 좋다.

• 철강의 희생방식 도금에 사용된다.

• 밀도가 비교적 높다.

• 고온 강도가 낮다.

• 장기 하중에서 크리프에 주의해야 한다.

9.2 ZDC2 또는 Zamak 3 계열

대표 화학 성분

성분과 특성의 관계

알루미늄

강도, 경도, 주조 유동성을 높인다.

마그네슘

입계부식을 억제하고 조직을 안정화한다.

구리

강도와 내마모성을 높이지만 치수 안정성과 부식성에 영향을 줄 수 있다.

기계적 특징

• 매우 좋은 다이캐스팅성

• 높은 치수 정밀도

• 좋은 표면 품질

• 얇은 벽 주조 가능

• 충격 특성 양호

• 고온 크리프에 약함

• 상대적으로 무거움

주요 용도

• 손잡이

• 레버

• 소형 하우징

• 정밀 기계부품

• 잠금장치

• 전자제품 부품

• 기어와 캠의 저하중 부품

10. 주석 및 납계 합금

10.1 주석계 베어링 합금

주석계 배빗메탈은 미끄럼 베어링에 사용된다.

대표 조성 예

성분과 특성의 관계

주석

부드러운 기지와 내식성을 제공한다.

안티몬

경도를 높이고 하중 지지능력을 향상시킨다.

구리

경질 금속간화합물을 형성하여 내마모성과 피로강도를 높인다.

기계적 특징

• 우수한 순응성

• 좋은 매입성

• 낮은 마찰

• 축 손상 감소

• 고온 강도 제한

• 베어링 라이닝용으로 적합

10.2 납계 합금의 주의점

납은 다음 특성을 가진다.

• 낮은 융점

• 높은 밀도

• 우수한 방사선 차폐성

• 좋은 진동 감쇠성

• 낮은 강도

• 독성과 환경규제 문제

현재 기계설계에서는 식품, 음용수, 전기전자 및 생활제품에서 납 사용이 크게 제한된다.

납이 포함된 황동, 청동, 납땜재는 관련 환경규제와 제품 안전 기준을 반드시 확인해야 한다.

11. 주요 비철금속의 비교

12. 기계 부품별 비철금속 선택

12.1 경량 프레임

권장 재료:

• A6061

• A6063

• A5052

선정 기준:

• 압출 프로파일: 6063 또는 6061

• 절삭 프레임: 6061

• 판금 커버와 프레임: 5052

• 고강도 경량 구조: 7075

12.2 하우징

권장 재료:

• ADC12

• AZ91D

• A6061

• ZDC2

선정 기준:

• 복잡한 대량생산 부품: ADC12

• 극경량 하우징: AZ91D

• 절삭형 고정밀 하우징: A6061

• 소형 정밀 다이캐스팅: ZDC2

12.3 부시와 미끄럼 베어링

권장 재료:

• 주석청동

• 납청동

• 알루미늄 청동

• 베릴륨동

• 배빗메탈

선정 기준:

• 일반 부시: 주석청동

• 고하중·해수 환경: 알루미늄 청동

• 높은 전도성과 스프링성: 베릴륨동

• 베어링 라이닝: 배빗메탈

12.4 열교환 부품

권장 재료:

• 순동

• 알루미늄

• 순티타늄

• 니켈 합금

선정 기준:

• 높은 열전도성: 구리

• 경량 방열: 알루미늄

• 해수·부식환경: 티타늄

• 고온·화학환경: 니켈 합금

12.5 전기 단자와 접점

권장 재료:

• 순동

• 황동

• 베릴륨동

• 인청동

선정 기준:

• 최대 전도성: 순동

• 절삭성과 가격: 황동

• 스프링성과 전도성: 베릴륨동

• 반복 탄성과 내마모성: 인청동

13. 식품기계에서 비철금속을 사용할 때의 주의점

식품기계에서 비철금속은 강도뿐 아니라 식품 적합성, 부식, 금속 이온 용출, 표면 손상, 세척약품과의 반응을 검토해야 한다.

13.1 알루미늄

사용 가능 부위:

• 비접촉 프레임

• 커버

• 하우징

• 가이드

• 방열부품

주의점:

• 강한 알칼리와 산에 부식될 수 있다.

• 식품 접촉부에서는 표면처리 손상을 검토해야 한다.

• 아노다이징층이 마모되면 모재가 노출될 수 있다.

• 염분과 세척약품 환경에서는 부식 가능성이 있다.

13.2 구리와 구리 합금

사용 가능 부위:

• 열교환기

• 전기부품

• 비접촉 부시

• 일부 밸브와 피팅

주의점:

• 산성 식품과 직접 접촉하면 구리 이온이 용출될 수 있다.

• 납이 포함된 황동은 식품과 음용수 접촉에 제한된다.

• 녹청과 표면 부식 상태를 관리해야 한다.

13.3 티타늄

티타늄은 식품, 제약, 화학설비에서 높은 내식성과 위생성이 필요한 경우 유리하다.

장점:

• 우수한 내식성

• 낮은 금속 이온 용출

• 염화물 환경에 강함

• 비자성

• 생체적합성

한계:

• 높은 가격

• 어려운 절삭가공

• 소착과 마찰 문제

• 공급성과 용접 기술 필요

13.4 납과 베릴륨

납:

• 식품 접촉부 사용을 피해야 한다.

• 관련 환경 및 위생 규제를 확인해야 한다.

베릴륨동:

• 완성 부품은 안정적으로 사용할 수 있지만, 가공 중 발생하는 분진과 흄은 인체에 유해할 수 있다.

• 절삭, 연마, 용접 작업에서 엄격한 안전관리가 필요하다.

14. 비철금속 선정 절차

비철금속을 선정할 때는 다음 순서로 검토하는 것이 좋다.

14.1 기능 확인

• 구조를 지지하는가?

• 경량화가 중요한가?

• 열을 전달해야 하는가?

• 전기를 전달해야 하는가?

• 마찰과 마모를 받는가?

• 고온 또는 부식환경인가?

• 식품과 접촉하는가?

14.2 하중 확인

• 인장

• 압축

• 굽힘

• 비틀림

• 충격

• 반복 피로

• 접촉하중

• 크리프

알루미늄과 마그네슘은 탄성계수가 낮아 강도뿐 아니라 처짐과 진동을 함께 검토해야 한다.

14.3 환경 확인

• 물

• 염분

• 산

• 알칼리

• 해수

• 고온

• 진공

• 전기화학적 접촉

• 세척약품

서로 다른 금속이 접촉하고 전해질이 존재하면 갈바닉 부식이 발생할 수 있다.

14.4 제조공정 확인

• 절삭

• 압출

• 판금

• 단조

• 주조

• 다이캐스팅

• 용접

• 브레이징

• 열처리

• 표면처리

같은 알루미늄이라도 전신재와 주조재는 내부 조직과 피로성능이 크게 다르다.

14.5 비용과 공급성 확인

검토 항목:

• 원소재 가격

• 표준 규격 공급 여부

• 최소 구매량

• 가공비

• 열처리비

• 표면처리비

• 재활용성

• 수리 가능성

• 장비 수명

고성능 재료가 항상 경제적인 것은 아니다.

15. 도면과 재료사양서에 표시할 내용

15.1 재료명과 규격

예:

• JIS H 4000 A5052P-H32

• JIS H 4040 A6061BE-T6

• ASTM B221 6061-T6

• JIS H 3250 C3604

• ASTM B348 Titanium Grade 2

• ASTM B443 Alloy 625

재료명과 함께 제품 형태와 열처리 상태를 명시하는 것이 좋다.

15.2 열처리 상태

알루미늄 예:

• O: 풀림 상태

• H32: 가공경화 후 안정화

• T4: 용체화 처리 후 자연시효

• T6: 용체화 처리 후 인공시효

같은 A6061이라도 O, T4, T6 상태에 따라 강도와 성형성이 크게 달라진다.

15.3 표면처리

알루미늄:

• 아노다이징

• 경질 아노다이징

• 화성피막

• 도장

• 무전해 니켈도금

구리 합금:

• 니켈도금

• 주석도금

• 은도금

• 크롬도금

티타늄:

• 산세

• 아노다이징

• 표면 연마

15.4 화학성분 성적서

중요 부품에서는 공급업체의 밀시트 또는 재료성적서를 확인해야 한다.

확인 항목:

• 주요 합금원소

• 불순물 상한

• 열처리 상태

• 인장강도

• 항복강도

• 연신율

• 경도

• 제품 규격

• 로트 번호

16. 최종 정리

비철금속은 철강보다 단순히 가볍거나 녹이 적게 발생하는 재료가 아니다.

각 비철금속은 서로 다른 합금원소와 조직을 통해 고유한 기계적 특성을 형성한다.

알루미늄 합금은 마그네슘, 실리콘, 구리, 아연 등의 첨가에 따라 판금용, 구조용, 주조용, 고강도용으로 구분된다.

• 마그네슘은 강도와 내식성을 높인다.

• 실리콘은 주조성과 유동성을 높인다.

• 구리는 강도와 시효경화성을 높인다.

• 아연과 마그네슘은 매우 높은 강도를 형성한다.

구리 합금은 아연, 주석, 알루미늄, 베릴륨 첨가에 따라 전기용, 절삭용, 베어링용, 고강도용으로 구분된다.

• 아연은 황동의 강도와 가공성을 조정한다.

• 주석은 청동의 내마모성과 내식성을 높인다.

• 알루미늄은 고강도와 해수 내식성을 높인다.

• 베릴륨은 석출경화를 통해 높은 강도와 스프링성을 만든다.

마그네슘 합금은 가장 낮은 밀도와 우수한 다이캐스팅성을 제공하지만, 부식과 고온 강도에 주의해야 한다.

티타늄 합금은 높은 비강도와 내식성을 가지며, 알루미늄과 바나듐의 첨가를 통해 조직과 강도를 제어한다.

니켈 합금은 크롬, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐 등의 첨가로 고온 강도와 극한 부식 저항성을 확보한다.

아연 합금은 알루미늄과 마그네슘의 첨가에 의해 다이캐스팅성과 치수 안정성을 확보한다.

따라서 비철금속을 선정할 때는 다음 항목을 종합적으로 검토해야 한다.

• 밀도

• 강도

• 탄성계수

• 내식성

• 열전도성

• 전기전도성

• 내마모성

• 주조성

• 성형성

• 용접성

• 열처리 상태

• 표면처리

• 갈바닉 부식

• 식품 및 환경규제

• 비용과 공급성

비철금속 선정은 철강을 단순히 대체하는 과정이 아니라, 부품의 기능과 환경에 맞는 고유한 재료 특성을 활용하는 설계 과정이다.