알루미늄 레저 선박 생산 공정 Part.2 생산 소재 관리하기

알루미늄 레저 선박 생산 공정 Part.2  생산 소재 관리하기 

 

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목차

알루미늄 레저 선박 생산 공정 계획

알루미늄 소재 관리

알루미늄 소재 절단 가공

알루미늄 레저선박 조립용 치공구 제작

알루미늄 소재 성형

알루미늄 부재 조리

알루미늄 소재 성형

알루미늄 부재 조립

알루미늄 MIG 용저

알루미늄 TIG 용접

알루미늄 용접 검사

알루미늄 레저선박 품질 관리 

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알루미늄 소재 관리

알루미늄 소재 관리하기 

1. 선제 건조 단계에서 중요한 알루미늄 소제 관리하기에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

알루미늄의 특성에 대해 보다 자세하게 알아보겠습니다. 

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1. 알루미늄 소재 파악

 알루미늄의 장점

알루미늄(Al)은 많은 장점이 있는 금속이다.

가장 큰 장점 중 하나는 가볍다는 것이다.

알루미늄의 비중은 2.7이므로 철(Fe, 비중: 7.87), 동(Cu, 비중: 8.96)에 비하여 1/3 수준이다.

가벼운 반면 강도는 크다.

순수한 알루미늄은 연하지만 열처리나 가 공 경화를 한 합금은 강도뿐만 아니라 기계적 성질들이 크게 변한다.

또 가공성이 좋아서 선, 판, 관 등의 복잡한 모양의 제품을 만들 수 있다.

알루미늄 제품의 표면 은 Al₂O₃의 피막이 둘러싸고 있어서 내식성이 좋다. 항상 희고 깨끗한 색으로 변 함이 없다.

열 및 전기 전도도가 동(Cu) 다음으로 높고, 비자성 등 많은 장점이 있다.

무엇보다도 좋은 점은 규소(Si) 다음으로 다량으로 존재하므로 값이 싸다는 점이다.

 알루미늄합금의 분류

알루미늄의 많은 장점으로 알루미늄합금의 수가 많아졌다.

알루미늄합금 전체를 이해하 기 위해서는 분류 방법을 잘 알아야 한다.

분류 방법으로는 합금의 종류, 열처리 여부, 합금의 특성이 있다.

1. 합금 종류에 따라 분류하는 방법 KS뿐만 아니라 거의 모든 나라에서 알루미늄합금은

미국의 알루미늄규격협회(the aluminum association)의 규격에 따라

다음과 같이 7종류로 크게 분류하고 기호 를 붙인다.

(1) 순수한 알루미늄: 1,000계 알루미늄 4

(2) Al-Cu(-Mg)계 합금: 2,000계 알루미늄

(3) Al-Mn계 합금: 3,000계 알루미늄

(4) Al-Si계 합금: 4,000계 알루미늄

(5) Al-Mg계 합금: 5,000계 알루미늄

(6) Al-Mg-Si계 합금: 6,000계 알루미늄

(7) Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금: 7,000계 알루미늄

이처럼 알루미늄합금에는 여러 종류의 합금 원소들이 사용되며,

이 주요 원소 외에 도 여러 원소가 첨가되어 사용 목적에 알맞은 합금들이 제조된다.

레저선박의 선체구조에 사용하는 알루미늄합금은 5,000 계열 또는 6,000 계열이어 야 한다.

3,000 계열 및 7,000 계열의 합금은 레저선박의 구조 부재에 사용하여 서는 안 된다.

다만, 희생양극 또는 도장 등의 방식조치를 하여 레저선박의 이 차적인 목적으로 사용될 수 있다.

2. 열처리 여부에 따라 분류하는 방법

열처리를 하였을 때 경화하는 합금을 ‘열처리형 합금’, 경화하지 않는 합금을 ‘비열 처리형 합금’이라고 한다.

여기서 열처리라고 하는 것은 ‘석출 경화(또는 시효 석출)’ 를 말한다.

비열처리 합금이라도 이 열처리는 하지 않지만, 풀림 처리(annealing)나 균질화하기 위한 열처리는 한다.

알루미늄합금
열처리형 합금	비열처리형 합금
AI - Cu - Mg계 합금(2,000계)	순수한 알루미늄(1,000계
AI - Mg - Si계 합금(6,000계)	Al-Mn계 합금(3,000계
AI - Zn - Mgi계 합금(7,000계)	Al-Si계 합금(4,000계)
	Al-Mg계 합금(5,000계)

3. 합금의 특성에 따라 분류하는 방법

알루미늄합금의 특성에 따라 다음과 같이 나눈다.

(1) 내식성 합금:

순수한 알루미늄, Al-Mn계 합금, Al-Mg계 합금, Al-Mg-Si계 합금 내식성 합금은 부식되는 쉬운 곳,

예를 들면 화학 공업장치, 선박, 가정용품, 건 축 등에 사용된다.

(2) 고력 합금: Al-Cu-Mg계 합금,

Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금 고력 합금은 가벼우면서도 강도가 큰 재료를 요구하는 부품,

예를 들면 항공기, 차량 등에 사용된다.

(3) 내열 합금: Al-Cu계 합금,

Al-Si계 합금 내열 합금은 사용 온도가 높은 피스톤, 실린더 헤드 등에 사용된다

 

2.소재의 부식·방식에 따른 보관 결정

알루미늄 소재 및 합금의 특성

1. 소재의 특성

알루미늄은 현재 산업 전반에 사용되는 대표적인 경량금속으로 원소주기율 표상 원 자번호는 13번이며

원자량은 26.98, 원자반경은 0.143nm, 비중은 2.7g/㎤으로 구 리와 철의 1/3 정도로 가볍다.

또 알루미늄의 전기전도율은 동일 무게 구리의 2배 이며 비자성체로 자장에 영향을 주지 않기 때문에

첨단산업에서도 그 수요가 증대되 고 있다.

그러나 알루미늄은 산소와의 반응이 커서 대기 중에서 산화가 쉽지만 대기에 노출되는 순간 표면에

자연적으로 5nm 정도의 산화 피막이 생성된다.

이 산화 피막은 산화를 방지하고, 결과적으로 내식성과 내마모성이 크게 향상한다.

2. 소재의 활용

알루미늄은 다른 합금들과 마찬가지로 재료의 순도, 첨가되는 주 합금원소의 종류, 가공조건 및 열처리 등에

따라 기계적 성질을 변화시킬 수 있어 활용도가 높다.

알 루미늄의 기본 특성 중에서 비중은 2.7g/㎤로써 경량화가 요구되는 고속전철이나 항공기, 레저선박과

같은 분야에 널리 사용되고 있다.

또 낮은 융점으로 인하여 쉽게 용융이 가능하고 재활용 측면에서 우수하므로 친환경 재료로써

매우 경제적이다. 그 외에도 가공과 성형이 쉽고 Si를 첨가하여 복잡한 형상의 주물을 만들기에 용이하다

3. 알루미늄합금

시판되는 알루미늄 합금은 Cu, Mg, Si, Zn, Mn 등 첨가되는 합금원소에 따라 분류 되며

첨가된 합금 성분을 기준으로 7가지 합금 계열로 나누어지며 그 외 주조합금이 있다.

알루미늄합금에 첨가되는 합금원소의 첨가량은 약 0.5~5% 정도이며,

주조재 의 경우 5% 이상 첨가되기도 한다. 일반적으로 조선 및 해양산업에는

주로 Al-Mg 합금인 5,000 계열과 Al-Mg-Si 합금인 6,000 계열이 많이 사용된다.

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알루미늄 소재의 부식 주요 인자

알루미늄의 경우에는 타 금속재료와 달리 부식 주요 인자 중 가장 영향을 미치는 산화 물질에 대해서는

금속 표면에 산화물 피막을 형성하여 오히려 부식이 억제된다.

그런데 도 다양한 요인들이 부식의 종류, 속도, 원인 그리고 심각성에 영향을 준다.

이 요인의 일부는 제어가 가능하고 일부는 제어가 불가능하다.

1. 수용액의 pH

금속의 화학적 부식성의 진행은 화학적 친화력만으로는 결정되지 않으며 부식 생성 물의 성질에 따라서도 좌우된다.

(1) 부식 생성물이 기체 혹은 액체일 경우 금속의 표면에서 떨어지기 쉬우므로 부식 반응의 진행은 빠르게 일어난다.

(2) 부식 생성물이 고체일 경우 미생물이 고체로 금속의 표면을 덮는 상태로 발생할 때는 부식 속도는 점차 감소한다. 33

(3) 부식액의 pH 예를 들어 Al + 3H₂O → Al(OH)₃(수산화알루미늄) + 3/2H₂일 경우, 부식액의 pH에 따라 아래와 같이 반응이 다르게 일어난다.

(가) 부식액이 중성일 경우 부식액이 중성이면 수산화알루미늄은 금속의 표면을 덮어서 부식의 진행을 방해한다.

(나) 부식액이 산성일 경우 부식액이 산성이면 Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O와 같은 반응이 일어난다.

(다) 부식액이 알칼리성일 경우 부식액이 알칼리성이면 Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O와 같은 반응 이 일어난다.

2. 염류농도 알루미늄이 해수에 노출되었을 경우,

Cl⁻의 침투에 의한 핏(pit) 형성으로 부식 종류 중 하나인 공식이 나타난다. 이러한 공식은 다음 4단계로 이루어진다.

(1) 알루미늄 산화 피막에 반응성 음이온의 흡착

(2) 알루미늄 산화 피막 내의 알루미늄 이온과 반응성 음이온의 화학 반응

(3) 용해에 의한 산화 피막 두께 감소(침투성 음이온에 의한 침투)

(4) 음이온에 의해 노출된 알루미늄의 직접적인 공식 부식 Cl⁻의 흡착은 알루미늄 이온과의 화학 반응으로

이뤄지고 산화 피막은 다음 식과 같이 용해된다.

Al₂O₃ → Al(OH)₂Cl → Al(OH)²⁺, AlCl²⁺ 이에 따른 석출물이나 염이 알루미늄합금 표면에 붙어 갈바닉 쌍을

이룰 때 알루 미늄합금의 용해는 다음 식과 같이 나타난다.

Al³⁺ + H₂O + Cl⁻ → H⁺ + AlOHCl⁺ 알루미늄 이온은 위의 식 반응에 의해 H⁺을 발생하고,

이로 인하여 노출 부위의 pH가 국부적으로 변화하게 된다. pH 변화는 노출된 알루미늄합금의 용해를

가속하게 되고 공식은 성장하게 된다.

3. 유속 유속은 침식 부식의 영향을 더욱 가속하는 요소가 되어 부식을 증가시킨다.

특히 난류가 되면 부식이 급증한다.(예: 회전날개, 심한 만곡부 등)

4. 온도 전기화학 침식의 속도와 직접적인 관련이 있으므로 중요하다.

5. 오염 물질 부식이 시작되는 침식과 부식의 확대에 영향을 미치는 요소의 대표적인 것은 오염물질로서

외부 오염 물질은 다음과 같은 물질들이 포함된다.

(1) 흙

(2) 먼지

(3) 오일, 그리스(grease)

(4) 소금물 그리고 염분 습기의 응축

(5) 엎질러진 배터리 용액 그리고 세척액

(6) 용접, 땜질 용재 찌꺼기

 

3. 소재 취급 시 주의사항 확인

알루미늄 소재 취급법 알루미늄 소재는 가볍고, 표면이 미려하며 독성이 없다는 특징이 있다.

그러나 취급을 잘못하면 표면에 흠이 생기기 쉽고, 변형되거나 오염과 부식이 발생할 수 있다.

따라서 취급 시의 유의점은 기본적으로 그 특징을 손상하는 일이 없이 가공 공정에서 만들어진 고유의 상태를 유지하는 데 있다.

관리항목으로는 흠(scratch), 변형 및 부식 이며, 가장 유의해야 할 조건은 습기와 먼지이다.

1. 페인트칠하지 않은 표면의 처리

순수 알루미늄은 강도 증가를 위해 만들어진 알루미늄합금에 비해 상당히 큰 내부식성(corrosion-resistance)을 갖는다.

이러한 이점을 확보하기 위해 알루미늄합금 표 면에 순수 알루미늄을 접착, 코팅 처리한다.

순수 알루미늄으로 보호 처리된 표면은 부식에 양호한 저항성을 가지며 알크레드(alclad)라 부른다.

순수 알루미늄으로 코팅 된 표면은 광택을 만들어준 상태로 사용될 수 있다.

이러한 알크레드 표면은 세척 시에 손상되지 않도록 보호되어야 한다.

내부에 존재하는 알루미늄의 합금 부분이 노출되지 않도록 세심한 관리가 필요하다.

알크레드 합금 부분의 알루미늄 부식 처리 방법은 다음 순서와 같다.

(1) 부드러운 클리너를 활용하여 알루미늄 표면의 오일과 오물을 제거한다.

클리너를 선택할 때는 알루미늄 판재의 접합부 사이에 잔류하여 부식의 원인 물 질로 작용할 수 있으므로 신중하게 선택하여야 하며, 중성의 pH 제품을 사용할 것을 권장한다.

(2) 고운 연마제 또는 금속 광택제를 활용해 부식 발생 부분을 손으로 닦아낸다.

알크레드 처리된 소재 표면의 광택 생성을 위해 만들어진 금속 광택제를 사용할 때에는 양극 산화 피막(anodized film) 처리된 부분에 사용하는 것은 금지해야 한다.

금속광택제의 연마제는 양극 처리된 피막을 제거하기에 충분한 연마성을 가지고 있다.

금속광택제는 효과적으로 부식 얼룩을 제거하고, 알크레드 표면에 페인트 처리를 하지 않고 반짝거리는

윤이 난 상태로 사용할 수 있도록 하는 데 효과적이다.

(3) 부식방지제를 활용하여 표면 부식을 처리한다.

부식방지제는 중크롬산나트륨(sodium dichromate)과 크롬 3산화(chromium trioxide)를 사용하며,

5~20분 동안 부식 발생 부분에 도포한 상태에서 화학 작용이 일어나도록 노출시킨 후 방지제를 제거하고

깨끗한 수건으로 닦아낸다.

(4) 방수 왁스로 표면에 광택과 보호막 코팅을 만들어 준다.

2. 페인트칠하는 표면의 처리

페인트칠을하는 알루미늄 표면은 더욱 강한 화학물질을 활용한 세척 절차에 노출될 수 있고,

내부 표면의 부식방지 처리는 페인트칠을 하기 전에 가능하며 일반적인 적용 절차는 다음과 같다.

(1) 일반적인 세척 방법에 따라서 부식방지 처리 전에 오물과 그리스(grease) 찌꺼기 등을 세심하게 제거한다.

(2)부식방지 처리를 적용할 부분에 페인트가 남아 있다면 페인트리무버(paint remover)를 활용하여 제거한다.

(3) 크롬산(chromic acid)과 유산(sulphuric acid)의 10% 용액으로 외부 표면의 부식 발생 부분을 처리한다.

걸레 또는 브러시로 용액을 바른 후 부식 발생 부분을 세게 문지른다.

뻣뻣한 브러시를 활용하면 대부분의 부식물들을 분해시키거나 제거할 수 있고 갈라진 틈이나

숨겨진 부분까지 용제를 침투시켜서 쉽게 제거할 수 있다.

적어도 5분 동안 크롬산이 작용할 수 있도록 유지한 후 물로 씻어 내리거나 젓은 수건으로 여분의 용제를 제거한다.

(4) 처리된 표면은 건조하고 보호막을 복원시킨 후 페인트칠을 한다.

3. 양극산화 표면의 처리

양극산화 처리는 알루미늄합금의 일반적인 표면처리 방법 중 하나이다.

양극산화 처 리된 부분의 손상은 다시 화학적인 방법으로 복원시킬 수 있다.

수리를 할 경우 해 당된 부분 이외의 산화 피막이 손상되지 않도록 주의가 필요하며 철제 섬유, 와이어 브러시 또는 연마제를 사용하지 말아야 한다. 보통 연마용 수세미는 일반적으로 부식된 양극산화 처리된 표면의 세척에 사용되는 도구로서 알루미늄 섬유, 와이어브러 시 등을 대체한다.

인접한 보호 피막의 불필요한 손상을 막기 위해 세척 작업도 주의 깊게 수행하여야 하며 보호 피막이 유지되도록 가능한 방법을 취해야 한다.

4. 열처리된 알루미늄합금의 입자 간 부식 처리

입자 간 부식은 불충분하거나 부적당한 열처리된 합금의 결정 경계에 발생한 부식이다.

입자 간 부식의 심각한 형태는 금속의 층간 부풀어 오름처럼 들어 올려지는 현상이 발생한다.

소재 표면에 오염물(기름, 용접 찌꺼기 등)이 발생치 않도록 주의한다.

완전히 제거하는 세밀한 세척 절차는 입자 간 부식 발생 부분에 필수적인 절차 이다.

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알루미늄 레저 선박 생산 공정 Part.2 생산 소재관리하기

전반적인 생산 공정 소재 관리에 대해서 알아보았습니다.

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출처 
「알루미늄선박의 건조 단위공정별 작업표준에 대한 고찰 - 강병재 (2005)」

 「알루미늄합금제 연안소형어선의 설계 및 건조공법 연구 - 구현모 외 2명(2007).」
『Journal of the Korea Ship Safety Technology Authority』.