알루미늄은 지각에서 가장 풍부한 금속 원소입니다. 비철 금속 중 생산량과 사용량이 철강에 이어 세계에서 두 번째로 많습니다. 밀도는 철강의 약 1/3 정도로 낮습니다. 순수 알루미늄은 연성이 낮고 강도가 낮기 때문에 마그네슘, 구리, 아연, 규소, 리튬과 같은 원소를 소량 첨가하면 알루미늄 합금의 성능이 향상됩니다. 알루미늄 합금은 우수한 기계적 성질과 내식성으로 인해 산업계에서 가장 널리 사용되는 비철 금속 구조재입니다. 건설, 항공우주, 자동차, 기계 제조, 조선 및 화학 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
알루미늄 합금은 기계적, 화학적 측면에서 뛰어난 특성을 가지고 있습니다.
① 기계적 측면은 주로 낮은 밀도, 높은 강도, 높은 탄성계수 등으로 반영됩니다. 알루미늄은 밀도가 낮고 다른 금속보다 가벼우며 강철의 1/4에 불과하므로 경량성에 대한 요구가 높은 분야에 적합합니다.
② 화학적 특성 측면에서 알루미늄 합금은 공기 중에서 표면에 치밀한 산화피막을 형성할 수 있어 심산화로부터 자신을 보호할 수 있습니다. 따라서 내식성이 우수하고 화학 조성이 매우 안정적입니다.
③알루미늄 합금은 가소성이 우수하여 다양한 형상으로 가공할 수 있으며, 전기 및 열 전도성이 우수하여 산업계에서 널리 사용되고 있으며, 그 사용량은 강철 다음으로 많습니다.
현재 업계에는 다양한 조성을 가진 250종 이상의 알루미늄 합금이 존재합니다. 중국은 합금 조성에 따른 구분을 용이하게 하기 위해 국제적으로 인정된 4자리 등급 분류법을 채택하여 생산 현장 표시, 메모리 및 계산 관리를 용이하게 하고 있습니다. 군수 산업에서 사용되는 알루미늄 합금은 주로 알루미늄-리튬 합금, 2XXX(A1-Cu-Mg) 계열, 7XXX 계열 알루미늄 합금입니다.
다양한 알루미늄 합금 소재의 시장 수요 및 개발 동향
2XXX 시리즈 알루미늄 합금
2XXX(A1-Cu-Mg) 계열 알루미늄 합금은 높은 인장 강도, 인성 및 피로 강도, 우수한 내열성, 가공 및 용접 특성을 가지고 있어 항공우주, 자동차 및 무기 산업에서 널리 사용됩니다. 주요 등급은 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 등입니다. 2024, 2124, 2524, 2324 합금 등 강도, 인성, 내손상성을 향상시키기 위해 다양한 합금 계열이 개발되었습니다.
중국의 장비 모델은 경량화, 장수명, 고신뢰성, 저비용을 지향하며, 동체 외피 재료의 파괴인성, 균열 전파 저항성, 내식성에 대한 높은 요구 사항을 가지고 있습니다. 2024-T351 알루미늄 합금 후판을 기반으로, 해외에서는 강도, 인성, 피로 저항성, 내식성이 다른 2324, 2624 등 하부 날개 표면에 고내손상성 알루미늄 합금을 개발하여 이미 상용화에 성공했습니다. 중국은 고내손상성 2XXX 시리즈 알루미늄 합금을 개발하고 있으며, 향후 복합 미세 합금화는 Al-Cu-Mg 시리즈 고강도 알루미늄 합금의 중요한 발전 방향이 될 것입니다.
4XXX 시리즈 알루미늄 합금
현재 중국에서는 공정(eutectic) 및 아공정(hypoeutectic) Al-Si 합금이 자동차 피스톤에 주로 사용되고 있습니다. 그러나 엔진 성능 요구 사항이 지속적으로 향상됨에 따라 성능 요건을 충족하는 데 어려움이 있습니다. 과공정(hypereutectic) Al-Si 합금은 밀도가 낮고 선팽창 계수가 작으며 내마모성과 체적 안정성이 우수하여 공정 Al-Si 합금에 비해 더 이상적인 피스톤 소재입니다. 과공정 Al-Si 합금 피스톤은 해외에서 대량 생산되어 트럭과 승용차에 적용되고 있는데, 미국의 A390 합금, 일본의 AC9A 및 AC8A(ZL109) 합금, 호주의 A390 합금 등이 그 예입니다. 그러나 현재 중국에는 과공정 Al-Si 합금 피스톤을 생산하는 제조업체가 거의 없으며 대부분 수입에 의존하고 있습니다. 또한 자동차 터보차저 알루미늄 합금 소재와 해외 시장 간에는 큰 격차가 있습니다. 고성능 자동차 터보차저 알루미늄 합금 소재는 주로 일본 및 기타 국가에 의존하고 있습니다. 따라서 고성능 피스톤과 터보차저 임펠러를 위한 핵심 자동차 알루미늄 합금 소재를 개발하는 것이 필수적입니다.
5XXX 시리즈 알루미늄 합금
Al-Mg 합금, 특히 고함량 Mg 합금은 높은 비강도, 우수한 용접성 및 내식성을 지니고 있어 향후 항공우주, 고속철도, 해양 및 기타 분야에서 경쟁력 있는 소재가 될 것입니다. 현재 항공우주, 열차, 해양 및 기타 용도의 Al-Mg 합금 판재, 프로파일 및 용접 와이어는 주로 수입에 의존하고 있습니다. 고급 용접 와이어 시장은 미국의 ALCOA가 사실상 독점하고 있습니다. ER5183 및 ER5356 합금은 주로 수입에 의존하며, 수입량은 매출의 약 70%를 차지합니다. 선박용 Al-Mg 합금은 주로 러시아에 의존합니다. 기존 고함량 Mg 합금 잉곳은 잘 발달된 수지상 결정, 심각한 공정상 편석, 그리고 낮은 성형 성능을 보입니다. 현재의 가공 방법은 여전히 성능 저하, 외관 품질 불량, 긴 공정 시간, 불안정한 품질, 낮은 수율 등 많은 문제점을 안고 있습니다. 준급속 응고 및 성형은 Mg의 석출을 억제하는 동시에 미세 등축정 및 나노석출상을 얻을 수 있도록 조절하여 소재의 성능과 균일성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 고성능 Al-Mg 합금용 준급속 응고 연속 유동 압출 및 압연 기술의 개발은 고품질 Al-Mg 합금에 대한 수요를 충족할 것으로 기대됩니다.
6XXX 시리즈 알루미늄 합금
6XXX 시리즈 알루미늄 합금 소재는 철도 운송, 자동차, 전자 등 분야의 핵심 소재입니다. 1980년대 이후 유럽, 미국, 일본 등 선진국과 지역에서는 자동차용 알루미늄 합금을 개발하여 6009, 6016, 6010, 6111, 6022, 6082 등의 등급을 등록하고 자동차 차체 패널, 압출재, 단조품 등에 대한 비교적 완전한 생산 및 응용 체계를 형성했습니다. 중국에서 6XXX 시리즈 알루미늄 합금 차체 패널 및 단조품의 산업화 연구 개발은 막 시작 단계에 있으며, 뚜렷한 격차가 있습니다. 중국 공업정보화부는 자동차용 알루미늄 합금판 개발을 위해 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 등을 제안했습니다. 대표적인 6XXX 시리즈 알루미늄 합금판은 연신율 A50이 25% 이상, r 값이 0.60 이상, 60일 주차 항복 강도 Rp0.2가 140N/mm² 이상, 도장 경화 항복 강도 증가량이 80N/mm² 이상입니다. 다양한 요구에 부응하여 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 설계, 제조 및 가공 기술의 개발은 필연적인 개발 추세가 되었습니다.
7XXX 시리즈 알루미늄 합금
7XXX 시리즈 알루미늄 합금은 우수한 응력 부식 저항성을 가지며 알루미늄 합금 중 가장 강도가 높은 시리즈입니다. 이 합금은 국제적으로 항공 백본 소재로 인정받고 있습니다. 최근 해외에서는 T77511 상태에서 항복 응력이 620 MPa를 초과하는 7055 합금(Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr)을 개발했습니다. 이 합금은 보잉 777 항공기에 사용되며 무게를 635kg 줄였습니다. 현재 중국은 항공용 7XXX 시리즈 알루미늄 합금에 대한 체계적인 합금 설계, 제조 및 가공 기술이 부족하며 일부 제품은 전량 수입에 의존하고 있습니다. 합금 원소가 많고 응고 범위가 넓으며 주조 응력이 크고 합금 원소의 산화/편석이 쉬운 7XXX 시리즈 알루미늄 합금의 대규모 잉곳으로 인해 잉곳의 금속 품질이 좋지 않고 상온 성형 성능이 낮기 때문에 새로운 7XXX 시리즈 알루미늄 합금을 개발하는 것은 매우 중요합니다.
알루미늄-리튬(Al-Li) 합금
알루미늄-리튬 합금은 최근 몇 년 동안 항공 자재 중 가장 빠르게 성장하는 경량 소재입니다. 낮은 밀도, 높은 탄성 계수, 높은 비강성, 우수한 피로 성능 및 내식성의 특성을 가지고 있습니다. 기존 알루미늄 합금을 대체한 후 질량은 10%~20% 감소하고 강성은 15%~20% 증가할 수 있습니다. 21세기 초, 미국 ALCOA 회사는 20년 이내에 항공 알루미늄 합금의 비용과 무게를 각각 20%씩 줄이는 목표로 "ALCOA Aviation 20/20 Plan"을 시작했습니다. Constellium은 낮은 밀도, 높은 인성 및 높은 손상 내성을 가진 2050 및 2198 알루미늄-리튬 합금(Al-Cu-Li-Mg-Ag)을 개발했습니다. 중국에서는 독자적으로 개발된 Al-Li 합금 등급이 거의 없으며 1420 합금만 사용되었습니다. C919 여객기에 사용된 알루미늄-리튬 합금은 Alcoa에서 제공합니다. 국내에서는 1420, 2195, 2197, 2A97 등 제한된 합금 등급만 생산 가능하며, 잉곳은 ((310~400)×1280×4000)mm 이하의 평강 잉곳과 φ650mm 이하의 원형 잉곳만 생산 가능합니다. 두께 60mm 이상, 폭 1500mm 이상의 평강 잉곳(2B16)과 고급 항공 응용 분야에서 직경 1500mm 이상의 잉곳(2B16)은 아직 산업적으로 생산되지 않았습니다. 따라서 새로운 알루미늄-리튬 합금 설계, 초대형 잉곳 제조 및 심층 가공 기술 개발은 매우 중요합니다.
내열 알루미늄 합금
내열 알루미늄 합금은 Si, Fe, Ni, Ag, 희토류 등의 원소를 조절하여 고온에서 산화 및 크리프에 강한 알루미늄 합금을 만드는 항공우주, 자동차, 철도 운송 등의 분야에서 핵심 기초 소재입니다. 기존 내열 알루미늄 합금에는 2519, 2618, 2219, 2D70 등이 있습니다. 항공우주 및 자동차 산업의 급속한 발전으로 내열 알루미늄 합금에 대한 요구 사항이 더욱 높아지고 있습니다. 차세대 전투기는 순항 속도가 빠르고 동체 외피의 작동 온도는 150°C 이상입니다. 현재 2618 및 2D70과 같은 내열 알루미늄 합금의 장기 사용 온도는 150°C 미만입니다. 새로운 내열 알루미늄 합금의 개발이 필수적입니다.
초저 스칸듐(Sc) 함량을 갖는 Al-Sc 합금
Al-Sc 합금은 고강도, 우수한 가소성, 내식성 등 우수한 특성을 가지고 있어 Al-Li 합금에 이어 항공우주, 선박 등에 사용되는 차세대 경량 소재로 자리매김했습니다. 미량의 스칸듐을 함유한 Al-Mg 합금의 인장 강도는 5083 합금보다 30% 높고 항복 강도는 두 배 이상 높습니다. 용접성은 기존 5XXX 계열 합금과 유사하며, 열영향부 및 용접부의 기계적 성질은 모재와 거의 동일하고 내식성은 5083 합금과 유사합니다. 항공우주 부품 제조에서 5XXX 또는 6XXX 계열 합금을 대체하면 상당한 중량 감소 효과를 얻을 수 있으며, 자동차 및 철도 차량에도 우수한 소재입니다. 러시아는 스칸듐 함유 알루미늄 합금 개발에서 세계 선두를 달리고 있으며, 스칸듐 함량이 0.18%~0.5%인 Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc, Al-Cu-Mg-Sc 합금을 개발했습니다. 중국 공업정보화부는 항공우주 및 자동차 분야에서 알루미늄-스칸듐 합금의 응용을 촉진하기 위해 스칸듐 함유 알루미늄 합금을 우선 개발 신소재 중 하나로 지정했습니다. 중국은 스칸듐 자원이 풍부하며, 고순도 스칸듐 산화물 추출 생산 라인을 구축하여 알루미늄-스칸듐 합금 개발의 기반을 마련했습니다.
자동차용 500MPa급 핫스탬핑 알루미늄 합금
중국에서는 고강도 알루미늄 합금 소재의 핫스탬핑 분야에 아직 공백이 있습니다. 신소재와 신성형 공정 개발을 결합하는 것은 고강도 알루미늄 합금 자동차 부품 성형 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 7XXX 계열 합금에 집중하고, 2XXX 합금을 적극적으로 연구하며, 핫스탬핑용 500MPa급 알루미늄 합금 소재를 개발하는 것은 복잡한 형상의 자동차 부품 제조에 중요한 전망을 제시합니다.
알루미늄 기반 복합 재료
알루미늄-강철 다층 복합판: 알루미늄과 강재 데크의 효과적인 접합은 대형 선박의 상부 구조 경량화에 있어 중요한 제약 요소 중 하나가 되었습니다. 알루미늄과 강재 선체 용접에 사용되는 알루미늄-강철 복합 전이 접합부는 기존 리벳 접합 공정을 대체할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 혼다는 대량 생산되는 자동차 프레임에 전 세계적으로 사용될 강재 및 알루미늄 접합 기술을 개발했습니다. 현재 중국에서 사용되는 알루미늄-강철 복합 접합부는 주로 해외에서 수입되고 있으며, 가격은 톤당 4×10⁻⁶위안(CNY)에 달합니다. 향후 대형 선박이 등장함에 따라 전이 접합부에는 더 높은 용접 온도, 더 높은 베어링 응력, 그리고 더 강한 접합 계면이 요구되며, 고성능 알루미늄-강철 접합부가 시급히 요구됩니다.
게시 시간: 2025년 3월 8일
