항공기용 비철금속(Nonferrous Aircraft Metals)

  비철(nonferrous)이라는 말은 주성분이 철이 아닌 다른 원소로 이루어진 모든 금속을 의미한다. 이 종류에는 Monel(니켈-구리 합금)과 Babbit(주석, 납, 아연, 안티몬 합금) 같은 합금은 물론 알루미늄, 티타늄(titanium), 구리, 마그네슘 등과 같은 금속들이 포함된다.

 

알루미늄과 알루미늄 합금 (Aluminum and Aluminum Alloys)

  공업용 순수 알루미늄은 전성이 두 번째, 연성은 여섯 번째 등급에 위치하며, 내식성도 우수한 흰색 광택을 지니는 금속이다. 여러 가지 다른 금속을 첨가한 알루미늄 합금은 항공기 구조재로 많이 사용되고 있다. 주 합금 성분으로는 망간(manganese), 크롬(chromium), 마그네슘, 규소(Silicon) 등이고, 부식 환경에서도 잘 견딘다. 구리를 많이 첨가한 알루미늄합금은 부식(corrosive action)이 잘 발생한다. 단조 가공용(wrought alloy) 알루미늄 합금은 합금원소의 총함유량이 6% 또는 7%를 넘지 않는다.

  알루미늄은 오늘날 항공기 제작에 가장 널리 사용되는 금속으로 중량에 대한 강도의 비가 높으며, 비교적 제작이 용이하기 때문에 항공 산업에서 매우 중요한 부분을 차지한다. 알루미늄의 두드러진 특성은 가볍다는 것이다. 알루미늄은 비교적 낮은 온도(1,250℉)에서 녹으며, 비 자성체이고 전도성이 우수하다. 공업용 순수 알루미늄은 약 13,000psi의 인장강도를 갖지만, 이 강도는 압연이나 다른 냉간 가공을 통해서 약 2배까지 증가시킬 수 있다. 다른 금속과 합금 처리하거나, 또는 열처리함으로써 인장 강도를 구조용 강에 준하는 65,000psi까지 올릴 수 있다. 알루미늄 합금은 비록 강하지만, 전성과 연성이 있기 때문에 쉽게 가공할 수 있다. 이것은 압연으로 0.0017인치만큼 얇은 두께의 판을 만들거나 또는 인발 과정을 통해 0.004인치 지름의 철사로 뽑아낼 수 있다. 항공기 구조부재에 사용되는 대부분 알루미늄 합금판의 두께는 0.016∼0.096인치 범위이지만, 더 큰 항공기의 일부에서는 0.356인치 정도로 두꺼운 판을 사용하기도 한다.

  여러 가지 알루미늄은 보통 두 가지로 구분하는데, (1) 주조용 알루미늄 합금(모래 주형 주조, 영구 주형 주조, 다이캐스팅(die casting)에 적합한 것들)과 (2) 가공용 알루미늄 합금(압연, 인발, 또는 단조 가공에 의해 성형되는 것들)이다. 이 두 가지 중에서 가공용 알루미늄 합금은 스트링(stringer), 벌크헤드(bulkhead), 외피(skin), 리벳(rivet), 압출 가공된 부분 등에 사용하며, 항공기 구조 부분에서 가장 폭넓게 사용한다. 주조용 알루미늄 합금은 다시 두 종류로 분류된다. 하나는 합금의 물리적인 성질이 합금원소에 의해 결정되며, 금속이 주조된 후에는 변화시킬 수 없는 것이다. 또 다른 하나는 합금 원소가 필요한 물리적인 성질을 만들어내기 위해 주물의 열처리가 가능한 것이다.

  주조 합금은 합금번호 앞에 문자를 붙여서 구분하며, 문자가 번호 앞에 있으면, 그 문자는 원래 합금의 구성성분에 약간의 변화가 있음을 나타낸다. 구성성분에서의 이 변화는 단순히 어떤 개선된 품질을 부여하기 위한 것이다. 예를 들어, 주조 합금 214에 유동성을 향상하기 위해 아연(zinc)을 첨가하였다면 숫자 앞에 문자 A를 붙여서 A214로 표기한다. 주물(casting)을 열처리하였을 때 그 주물의 열처리와 구성성분은 합금번호 뒤에 문자 T를 붙여서 구분한다. 예를 들어 사형주조 합금인 355는 355- T6, 355-T51, 또는 C355-T51 등과 같이 명시하며, 서로 다른 구성성분과 열처리 공정을 구분하고 있다.

  알루미늄합금 주물은 (1) 사형(sand mold), (2) 영구 주형(permanent mold), (3) 다이캐스팅(die casting) 이 세 가지 기본 방법 중의 한 가지로 만든다. 알루미늄 주조에서 대부분의 경우 종류가 다른 합금은 서로 다른 주물을 사용해야 함에 주의해야 한다. 사형 또는 영구 주형 주조는 금속이 응고 또는 냉각되는 것이 가능하도록 먼저 준비한 주형 안에 용융 금속을 주입하고 응고시킨 다음에 주물을 떼어낸다. 만약 주형이 모래로 만들어졌다면, 이를 사형주조(sand casting)라고 하고, 만약 금형(보통 주철로 제작)으로 만들어졌다면, 영구 주형 주조(permanent casting)라고 한다. 사형주조와 영구 주조는 주형(mold) 안에 액체금속을 부으면 금속이 중력에 의해 흘러 들어간다.