자전거 재료에 대해....
재료에 대한 자료를 설명하기에 앞서서...
그동안 자전거를 타면서 많은 사람을 만났습니다. 그 사람들 중에는 알루미늄 2014가 어떠니....뭐가 어떠니...하여간에 말을 많이 합니다. 맞는 말도 있었지만, 잘못 알고 있는 부분들도 많고, 알고 있다해도 그냥 대충 감으로만 있었지 정량적 수치로 알고 있는 사람은 없었습니다. 그래서 기계공학을 전공한 사람으로서 우리나라 자전거 동호인들의 수준향상에 조금이나마 도움이 될까해서 몇 시간 짬을 내어 제가 가지고있던 자료을 좀 모아봤습니다.
자료는 기계공학과 전문서적 및 기계공학 사전, 국내 모 대기업의 FA팀 사내 자료, 금속관련 제조업체의 자료 등등....이므로 충분히 믿을 한 것들입니다.
되도록 쉽게 설명하고자 했구요. 많은 자료들 중에서 자전거에 적용되는 것들만 모았습니다.
가끔 이해안가는게 있다면 그냥 무시해도 좋습니다.
이런걸 잘안다고 해서 자전거 잘타는게 아니니까...
자전거란건 즐기라고 있는거니까 이런 자료에 너무 신경쓰지 마시구요. 재료에 대해 궁금해하시는 분들께 조금이나마 도움을 드리고자 할 뿐입니다.
###용어설명####
*비중 : 같은 양의 물에 비해 몇배냐 무거운지를 뜻합니다.
*종탄성계수 : 쉽게 생각해서 고등학교 물리시간에 배운 스프링의 탄성계수와 동일하게 생각하면 됩니다. 예를 들어 강철빔을 무진장 큰 힘으로 누르면 약간 눌리겠죠? 마치 아주 단단한 스프링처럼...단위는 GPa(기가 파스칼)로 통일하여 표기하였습니다.
*인장강도 : 재료를 얼마나 세게 잡아당겨야 끊어지는를 말합니다. 물론 기계공학에서는 파단강도라고 따로 말하지만...전공이 아닌 이상 그냥 그렇게 이해하셔도 무방합니다. 단위는 MPa(메가 파스칼)로 모두 통일하여 기록하였습니다.
*연신율 : 잡아당겨 끊어질 때 얼마나 늘어나는지를 말합니다. 엿가락은 쫘~악 늘어나죠? 연신율이 무지 큰 것입니다. 유리는 그냥 쫙 깨지니까 연신율이 아주 작은 재료이지요.
여기에서 강도와 비중은 그렇다 치고...종탄성계수와 연신율을 표기한 것은 바로 변형시 에너지 흡수능력 때문입니다. 재료를 변형시키거나 잡아당겨서 끊을 때 당연히 에너지가 필요하겠죠? 즉, 자전거를 바위에 박아서 프레임이 부셔질 때 충격에너지을 흡수해야 되잖아요.
바로 그 에너지 흡수율은
종탄성계수 *(연신율의 제곱)
에 비례하기 때문에 언급한 것입니다.
각 금속재료에서 각 합금종류별로 비중과 종탄성계수를 따로 표기하지 않은 것은 합금종류에 관계없이 거의 그대로 유지되는 특성이기 때문입니다.
즉, 알루미늄 6061과 7005의 비중과 종탄선계수는 똑같다는 얘기죠. 물론 아주 약간 미세한 차이는 있지만, 충분히 무시할 만큼 작습니다.
1. 강 (Steel)
스틸은 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 재료이기 때문에 타재료와 비교하기 위해 간단히 설명 드리는 겁니다.
비중:7.8
종탄성계수 : 200 GPa
인장강도 : 300-1000 MPa (일반적으로 400-600 정도)
*SCM415의 경우 850MPa 이상. (SCM이란 크롬(C)-몰리브덴(M) 강(S)을 뜻합니다. 자전거 프레임에 쓰이는 크롬몰리브덴강의 정확한 재질은 알 수 없어서 대표적인 크롬몰리브덴 강인 415의 물성치를 적은 것 뿐입니다.)
*강의 인장강도는 탄소함량과 기타 원소의 함량 및 열처리 방법 등에 따라 천차만별입니다.
기타 내식성 및 내열성 등과 같은 주요한 성질도 천차만별.
2. 알루미늄
일반적 특징
비중:2.7
종탄성계수 : 72GPa
알루미늄은 지구상에서 두 번째로 많이 존재하는 금속이지만, 제련에 반드시 전기를 써야하기 때문에 인류역사에 "청동기", "철기" 시대는 있었어도 "알루미늄기"는 없었죠. ^^; 역시 같은 이유로 가격이 비싸지는건 당연합니다.
일단..
중요한 특성이 비중이 스틸에비해 1/2.8 밖에 안된다는 점입니다.
강도 및 기타 특성은 기타원소함량과 열처리에 따라 다음과 같습니다.
종류 내식성 용접성(TIG) 인장강도(MPa) 연신율(%)
2024-T4(두랄루민) D B 422 20
2014-T6(초두랄루민)D B 481 13
6061-T6 B A 309 17
7005-T6 자료없음. 자료없음 360 13
7075-T6(초초두랄루민) C C 574 11
사실 알루미늄 전신재의 특성만해도 한 페이지가 되지만...그 중에서 자전거에 많이 이용되는 종류와 필요한 특성만 간단히 적었습니다. 일단 강도를 보면 웬만한 스틸에 견줄만 합니다. 알루미늄합금이라도 인장강도가 200도 채 안되는 것들이 많습니다.
간단히 비교해 보면 인장강도가 높은 2000계열을 프레임으로 쓰면 좋겠지만, 용접성과 내식성이 떨어지기 때문에 핸들바나 싯 포스트 재질로만 쓰는걸 알 수 있을 겁니다.
6061은 강도는 좀 떨어지지만 프레임에는 내식성과 용접성이 중요하기 때문에 주로 쓰이는 것이죠. 물론 6061은 용접부 이음 강도가 떨어지는 것은 사실입니다. 용접성으로 따지자면 5052가 좋긴한데...강도가 떨이지기 때문에 쓰지 않습니다.
기타 재료로 자이언트에서 쓰는 CU92(6013)이 있는데 관련 자료가 어디에도 없군요.
참고로 위의 알루미늄 종류별 숫자를 궁금해 하시는 분이 가끔 있는데,
첫 번째 숫자는 주요 화학성분에 따른 계열번호구요.
1000 : 순도99%이상 알루미늄
2000 : Al-Cu 계 합금
3000 : Al-Mn 계 합금
4000 : Al-Si 계 합금
5000 : Al-Mg 계 합금
6000 : Al-Mg-Si 계 합금
7000 : Al-Zn 계 합금
이 계열중에 2, 6, 7 계열의 합금은 열처리를 하는 합금이고, 나머지 합금은 열처리를 하지 않습니다.
두 번째 숫자는 합금이 개량된때 붙이는 숫자이면, 나머지 두 숫자는 합금번호입니다.
다음으로 붙는 T4나 T6 같은건 어떻게 열처리를 했느냐는 표시입니다.
F, O, H 등이 붙기도 하는데 이런 것들은 그냥 넘어가고..당연히 T2, T3...도 넘어가고...
T4 : 용체화 처리후 자연시효 시킨 것(solution treated and naturally aged 낯선 한자용어보다 영어로 이해하는게 더 편한 분들을 위해...), 통상적으로 4일정도 상온방치로 시효을 완료합니다.
T6 : 용체화 처리후 인공시효 경화처리한 것(solution treated and artificially aged) , 열처리 합금의 대표적인 열처리로 냉간가공을 하지 않아도 우수한 강도를 얻을 수 있다.
3. 티타늄합금
일반적 특징
비중 : 4.5
종탄성계수 : 110GPa
일반 성질로는, 내식성이 우수해서 화학설비 등에 자주이용되고, 강도 또한 뛰어납니다.
게다가 비중이 스틸의 57%정도 밖에 안되므로 비강도가 금속재료 중엔 최고입니다.
매장량은 4번째로 많아서 풍부한 편이지만...근데 왜??? 왜 비싼것일까요??
원래 능력있는 놈들은 성격이 까다롭습니다. 알루미늄도 2014가 용접이 잘 안되듯이..
우선 티타늄은 매우 활성적입니다. 즉, 산소와 친화적입니다. 따라서 용해공정 및 주조공정에서 진공상태이어야 합니다. 그리고 용접시도 진공 또는 헬륨이나 아르곤과 같은 불활성 기체 속에서 용접이 이루어져야하기 때문에 당연히 제조단가가 비싸질 수 밖에...
뿐만 아니라, 절삭가공시에도 높은 경도는 물론이고, 열전달율이 낮기 때문에 냉각에 신경을 많이 써야하죠. 하여간에 매장량은 많은데 제조공정이 어렵습니다.
티타늄도 종류가 많지만 가장 대표적인 Al-6%, V-4% 가 첨가된 티타늄 합금의 기계적 성질은 다음과 같습니다. 라이트스피드의 PALMARES와 TANASI 재료이기도하죠. Al-3%, V-2.5% 는 라이트스피드의 나머지 모델 및 SEVEN의 재료입니다.
합금 종류 열처리 인장강도(MPa) 연신율(%)
Al-6%, V-4% 소둔(어닐링) 1000 20
Al-3%, V-2.5% 소둔(어닐링) 700 14
4. 마그네슘
비중 : 1.7 ...알루미늄보다도 가볍습니다.
종탄성계수 : 45 GPa
마그네슘은 최근 프레임에 이용되기 시작했고, 서스펜션 포크등에 이용되긴 하지만 사용된 마르네슘합금의 합금번호는 제시된 것이 없기 때문에 일반적인 특성과 몇가지 마그네슘합금의 물성치만 언급하겠습니다. 실제로 아래 제시된 물성치를 지닌 마그네슘합금으로 자전거를 만들었는지는 알 수 업죠. 그냥 참고하시기 바랍니다.
우선...비중이 무지 낮습니다. 말루미늄의 63%밖에 안됩니다.
일반적인 환경에서의 부식성은 알루미늄과 유사하지만, 해저와 같은 염(소금)에 의해 급격한 부식을 일으킵니다.
기계적으로는 탄성계수가 낮고 피로에 대한 저항이 약하다는게 단점입니다. 주조와 가공중에 산소와 결합하여 발화하므로 위험합니다. 그리고 열팽창계수가 크기 때문에 주조나 절삭가공시 정확한 치수로 가공하는게 어렵습니다. 그러니까 아무나 못 만들지....그래서 비싸구...
종류 인장강도(MPa) 연신율(%)
AZ80A-T5 (8.5%Al, 0.5%Zn) 380 7
ZK40A-T5 (4%Zn, 0.45%Zr) 275 4
5. 탄소복합소재
카본 프레임 많죠? 핸들바나 싯포스트에도 많이 쓰이구..
카본소재 역시 그 종류가 다양한 반면, 제품에 쓰인 재료는 정확히 제시된 바가 없기 때문에 제가 가지고있는 자료중에서 일부를 발췌하여 싣도록 하겠습니다.
섬유강화 플라스틱은 강화재료(유리, 카본, 보론, 아라미드, 세라믹.....등), 수지재료(불포화 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시...), 강화재료의 형태(즉, 섬유를 짠 모양), 강화재료의 적층 방향과 수, 강화재와 수지의 비율, 성형방법 등에 따라 특성이 모두 변합니다.
변수가 넘 많으므로 간단히 적습니다.
카본강화재의 기계적 성질
(즉, 프레임속에 보이는 까만 실 있죠? 그것만 말하는 겁니다. 카본강화플라스틱 전체를 말하는게 아님.)
비중:1.73
인장강도 : 2940MPa
종탄성계수 : 196GPa
우선 비중은 마그네슘이랑 비슷한데, 강도는 티타늄의 3배죠? 종탄성계수는 스틸하고 같구요. 엄청난 재료임에는 틀림없습니다.
하지만 이건 속에 들어있는 섬유만의 특징이구요. 섬유방향과 힘 방향이 일치할때의 얘기니까 이 수치만 보고 너무 흥분하지 마시기 바랍니다. 특히 카본프레임 타는분들....
이런 강화재료를 이용해 복합재료를 만들어 봅시다.
위 수치의 카본섬유를 60%(부피비)넣고, 수지는 에폭시를 사용할 경우(대부분 에폭시를 사용함)
비중:1.5
인장강도:1300GPa
종탄성계수:130GPa
플라스틱이 40%들어가니까 수치가 좀 바뀌죠?
언급했듯이 위 수치는 대표적인 카본강화플라스틱의 특성일 뿐이고 자전거 자체의 물성치는 아니니까 그냥 참고만 하세요. 물론 최대한 비슷한 재료로 선정했으니까 물성치도 비슷할 것으로 추정하지만....
5. 비교!!
위에서 언급한 금속재료의 비강도를 비교해 봅시다.
비강도란 "인장강도/비중"을 말합니다. 즉, 1kg의 재료 가지고 과연 얼마나 튼튼한 물건을 만들 수 있냐는 지표입니다. 역으로 생각하면 동일한 강도의 제품을 만드는데 얼마나 가볍게 만들 수 있느냐는 뜻이기도하지요. 물론 수치가 클수록 좋습니다. 재료에 있어서 중요한 수치입니다.
재료 비중 인장강도 비강도 kg당 단가(달러)
알루미늄 2.7 570 211000 1.3
마그네슘 1.74 380 218000 3.0
티타늄 4.5 1350 299000 12.15
SCM415 7.8 850 109000(<--이건 그냥 내가 계산한것임)
카본강화소재 1.5 1300 867000(<--이것두...)
이 수치에서는 각 재료별 합금에서 강도가 우수한 것들로만 비교했기 때문에(자전거용 재료는 전혀 고려가 안됨) 각 재료별 설명에서 제시한 강도와 약간 다른 수치를 사용한 점을 유의하시기 바랍니다.
자료가 원래 미국에서 출판된 책이라서 단가는 달러로 그냥 표기했습니다.
아래의 두 재료의 비강도는 위에서 제시한 수치로 제가 계산한 것입니다. 그러니까 단가도 모름.
위에서 제시한 재료별 수치는 열처리나 순도의 정확성, 기타 제조 공정등에 따라 바뀔 수 있습니다. 즉, 제조사의 노하우에 따라 성능과 신뢰성이 바뀔 수 있다는거죠.
그럼 이만...
종이배형을 사랑하는 메가가 와일드 바이크에서 따온 자료입니당 이정도면 아마 왠만한 재료공 중급수준일듯^^
재료에 대한 자료를 설명하기에 앞서서...
그동안 자전거를 타면서 많은 사람을 만났습니다. 그 사람들 중에는 알루미늄 2014가 어떠니....뭐가 어떠니...하여간에 말을 많이 합니다. 맞는 말도 있었지만, 잘못 알고 있는 부분들도 많고, 알고 있다해도 그냥 대충 감으로만 있었지 정량적 수치로 알고 있는 사람은 없었습니다. 그래서 기계공학을 전공한 사람으로서 우리나라 자전거 동호인들의 수준향상에 조금이나마 도움이 될까해서 몇 시간 짬을 내어 제가 가지고있던 자료을 좀 모아봤습니다.
자료는 기계공학과 전문서적 및 기계공학 사전, 국내 모 대기업의 FA팀 사내 자료, 금속관련 제조업체의 자료 등등....이므로 충분히 믿을 한 것들입니다.
되도록 쉽게 설명하고자 했구요. 많은 자료들 중에서 자전거에 적용되는 것들만 모았습니다.
가끔 이해안가는게 있다면 그냥 무시해도 좋습니다.
이런걸 잘안다고 해서 자전거 잘타는게 아니니까...
자전거란건 즐기라고 있는거니까 이런 자료에 너무 신경쓰지 마시구요. 재료에 대해 궁금해하시는 분들께 조금이나마 도움을 드리고자 할 뿐입니다.
###용어설명####
*비중 : 같은 양의 물에 비해 몇배냐 무거운지를 뜻합니다.
*종탄성계수 : 쉽게 생각해서 고등학교 물리시간에 배운 스프링의 탄성계수와 동일하게 생각하면 됩니다. 예를 들어 강철빔을 무진장 큰 힘으로 누르면 약간 눌리겠죠? 마치 아주 단단한 스프링처럼...단위는 GPa(기가 파스칼)로 통일하여 표기하였습니다.
*인장강도 : 재료를 얼마나 세게 잡아당겨야 끊어지는를 말합니다. 물론 기계공학에서는 파단강도라고 따로 말하지만...전공이 아닌 이상 그냥 그렇게 이해하셔도 무방합니다. 단위는 MPa(메가 파스칼)로 모두 통일하여 기록하였습니다.
*연신율 : 잡아당겨 끊어질 때 얼마나 늘어나는지를 말합니다. 엿가락은 쫘~악 늘어나죠? 연신율이 무지 큰 것입니다. 유리는 그냥 쫙 깨지니까 연신율이 아주 작은 재료이지요.
여기에서 강도와 비중은 그렇다 치고...종탄성계수와 연신율을 표기한 것은 바로 변형시 에너지 흡수능력 때문입니다. 재료를 변형시키거나 잡아당겨서 끊을 때 당연히 에너지가 필요하겠죠? 즉, 자전거를 바위에 박아서 프레임이 부셔질 때 충격에너지을 흡수해야 되잖아요.
바로 그 에너지 흡수율은
종탄성계수 *(연신율의 제곱)
에 비례하기 때문에 언급한 것입니다.
각 금속재료에서 각 합금종류별로 비중과 종탄성계수를 따로 표기하지 않은 것은 합금종류에 관계없이 거의 그대로 유지되는 특성이기 때문입니다.
즉, 알루미늄 6061과 7005의 비중과 종탄선계수는 똑같다는 얘기죠. 물론 아주 약간 미세한 차이는 있지만, 충분히 무시할 만큼 작습니다.
1. 강 (Steel)
스틸은 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 재료이기 때문에 타재료와 비교하기 위해 간단히 설명 드리는 겁니다.
비중:7.8
종탄성계수 : 200 GPa
인장강도 : 300-1000 MPa (일반적으로 400-600 정도)
*SCM415의 경우 850MPa 이상. (SCM이란 크롬(C)-몰리브덴(M) 강(S)을 뜻합니다. 자전거 프레임에 쓰이는 크롬몰리브덴강의 정확한 재질은 알 수 없어서 대표적인 크롬몰리브덴 강인 415의 물성치를 적은 것 뿐입니다.)
*강의 인장강도는 탄소함량과 기타 원소의 함량 및 열처리 방법 등에 따라 천차만별입니다.
기타 내식성 및 내열성 등과 같은 주요한 성질도 천차만별.
2. 알루미늄
일반적 특징
비중:2.7
종탄성계수 : 72GPa
알루미늄은 지구상에서 두 번째로 많이 존재하는 금속이지만, 제련에 반드시 전기를 써야하기 때문에 인류역사에 "청동기", "철기" 시대는 있었어도 "알루미늄기"는 없었죠. ^^; 역시 같은 이유로 가격이 비싸지는건 당연합니다.
일단..
중요한 특성이 비중이 스틸에비해 1/2.8 밖에 안된다는 점입니다.
강도 및 기타 특성은 기타원소함량과 열처리에 따라 다음과 같습니다.
종류 내식성 용접성(TIG) 인장강도(MPa) 연신율(%)
2024-T4(두랄루민) D B 422 20
2014-T6(초두랄루민)D B 481 13
6061-T6 B A 309 17
7005-T6 자료없음. 자료없음 360 13
7075-T6(초초두랄루민) C C 574 11
사실 알루미늄 전신재의 특성만해도 한 페이지가 되지만...그 중에서 자전거에 많이 이용되는 종류와 필요한 특성만 간단히 적었습니다. 일단 강도를 보면 웬만한 스틸에 견줄만 합니다. 알루미늄합금이라도 인장강도가 200도 채 안되는 것들이 많습니다.
간단히 비교해 보면 인장강도가 높은 2000계열을 프레임으로 쓰면 좋겠지만, 용접성과 내식성이 떨어지기 때문에 핸들바나 싯 포스트 재질로만 쓰는걸 알 수 있을 겁니다.
6061은 강도는 좀 떨어지지만 프레임에는 내식성과 용접성이 중요하기 때문에 주로 쓰이는 것이죠. 물론 6061은 용접부 이음 강도가 떨어지는 것은 사실입니다. 용접성으로 따지자면 5052가 좋긴한데...강도가 떨이지기 때문에 쓰지 않습니다.
기타 재료로 자이언트에서 쓰는 CU92(6013)이 있는데 관련 자료가 어디에도 없군요.
참고로 위의 알루미늄 종류별 숫자를 궁금해 하시는 분이 가끔 있는데,
첫 번째 숫자는 주요 화학성분에 따른 계열번호구요.
1000 : 순도99%이상 알루미늄
2000 : Al-Cu 계 합금
3000 : Al-Mn 계 합금
4000 : Al-Si 계 합금
5000 : Al-Mg 계 합금
6000 : Al-Mg-Si 계 합금
7000 : Al-Zn 계 합금
이 계열중에 2, 6, 7 계열의 합금은 열처리를 하는 합금이고, 나머지 합금은 열처리를 하지 않습니다.
두 번째 숫자는 합금이 개량된때 붙이는 숫자이면, 나머지 두 숫자는 합금번호입니다.
다음으로 붙는 T4나 T6 같은건 어떻게 열처리를 했느냐는 표시입니다.
F, O, H 등이 붙기도 하는데 이런 것들은 그냥 넘어가고..당연히 T2, T3...도 넘어가고...
T4 : 용체화 처리후 자연시효 시킨 것(solution treated and naturally aged 낯선 한자용어보다 영어로 이해하는게 더 편한 분들을 위해...), 통상적으로 4일정도 상온방치로 시효을 완료합니다.
T6 : 용체화 처리후 인공시효 경화처리한 것(solution treated and artificially aged) , 열처리 합금의 대표적인 열처리로 냉간가공을 하지 않아도 우수한 강도를 얻을 수 있다.
3. 티타늄합금
일반적 특징
비중 : 4.5
종탄성계수 : 110GPa
일반 성질로는, 내식성이 우수해서 화학설비 등에 자주이용되고, 강도 또한 뛰어납니다.
게다가 비중이 스틸의 57%정도 밖에 안되므로 비강도가 금속재료 중엔 최고입니다.
매장량은 4번째로 많아서 풍부한 편이지만...근데 왜??? 왜 비싼것일까요??
원래 능력있는 놈들은 성격이 까다롭습니다. 알루미늄도 2014가 용접이 잘 안되듯이..
우선 티타늄은 매우 활성적입니다. 즉, 산소와 친화적입니다. 따라서 용해공정 및 주조공정에서 진공상태이어야 합니다. 그리고 용접시도 진공 또는 헬륨이나 아르곤과 같은 불활성 기체 속에서 용접이 이루어져야하기 때문에 당연히 제조단가가 비싸질 수 밖에...
뿐만 아니라, 절삭가공시에도 높은 경도는 물론이고, 열전달율이 낮기 때문에 냉각에 신경을 많이 써야하죠. 하여간에 매장량은 많은데 제조공정이 어렵습니다.
티타늄도 종류가 많지만 가장 대표적인 Al-6%, V-4% 가 첨가된 티타늄 합금의 기계적 성질은 다음과 같습니다. 라이트스피드의 PALMARES와 TANASI 재료이기도하죠. Al-3%, V-2.5% 는 라이트스피드의 나머지 모델 및 SEVEN의 재료입니다.
합금 종류 열처리 인장강도(MPa) 연신율(%)
Al-6%, V-4% 소둔(어닐링) 1000 20
Al-3%, V-2.5% 소둔(어닐링) 700 14
4. 마그네슘
비중 : 1.7 ...알루미늄보다도 가볍습니다.
종탄성계수 : 45 GPa
마그네슘은 최근 프레임에 이용되기 시작했고, 서스펜션 포크등에 이용되긴 하지만 사용된 마르네슘합금의 합금번호는 제시된 것이 없기 때문에 일반적인 특성과 몇가지 마그네슘합금의 물성치만 언급하겠습니다. 실제로 아래 제시된 물성치를 지닌 마그네슘합금으로 자전거를 만들었는지는 알 수 업죠. 그냥 참고하시기 바랍니다.
우선...비중이 무지 낮습니다. 말루미늄의 63%밖에 안됩니다.
일반적인 환경에서의 부식성은 알루미늄과 유사하지만, 해저와 같은 염(소금)에 의해 급격한 부식을 일으킵니다.
기계적으로는 탄성계수가 낮고 피로에 대한 저항이 약하다는게 단점입니다. 주조와 가공중에 산소와 결합하여 발화하므로 위험합니다. 그리고 열팽창계수가 크기 때문에 주조나 절삭가공시 정확한 치수로 가공하는게 어렵습니다. 그러니까 아무나 못 만들지....그래서 비싸구...
종류 인장강도(MPa) 연신율(%)
AZ80A-T5 (8.5%Al, 0.5%Zn) 380 7
ZK40A-T5 (4%Zn, 0.45%Zr) 275 4
5. 탄소복합소재
카본 프레임 많죠? 핸들바나 싯포스트에도 많이 쓰이구..
카본소재 역시 그 종류가 다양한 반면, 제품에 쓰인 재료는 정확히 제시된 바가 없기 때문에 제가 가지고있는 자료중에서 일부를 발췌하여 싣도록 하겠습니다.
섬유강화 플라스틱은 강화재료(유리, 카본, 보론, 아라미드, 세라믹.....등), 수지재료(불포화 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시...), 강화재료의 형태(즉, 섬유를 짠 모양), 강화재료의 적층 방향과 수, 강화재와 수지의 비율, 성형방법 등에 따라 특성이 모두 변합니다.
변수가 넘 많으므로 간단히 적습니다.
카본강화재의 기계적 성질
(즉, 프레임속에 보이는 까만 실 있죠? 그것만 말하는 겁니다. 카본강화플라스틱 전체를 말하는게 아님.)
비중:1.73
인장강도 : 2940MPa
종탄성계수 : 196GPa
우선 비중은 마그네슘이랑 비슷한데, 강도는 티타늄의 3배죠? 종탄성계수는 스틸하고 같구요. 엄청난 재료임에는 틀림없습니다.
하지만 이건 속에 들어있는 섬유만의 특징이구요. 섬유방향과 힘 방향이 일치할때의 얘기니까 이 수치만 보고 너무 흥분하지 마시기 바랍니다. 특히 카본프레임 타는분들....
이런 강화재료를 이용해 복합재료를 만들어 봅시다.
위 수치의 카본섬유를 60%(부피비)넣고, 수지는 에폭시를 사용할 경우(대부분 에폭시를 사용함)
비중:1.5
인장강도:1300GPa
종탄성계수:130GPa
플라스틱이 40%들어가니까 수치가 좀 바뀌죠?
언급했듯이 위 수치는 대표적인 카본강화플라스틱의 특성일 뿐이고 자전거 자체의 물성치는 아니니까 그냥 참고만 하세요. 물론 최대한 비슷한 재료로 선정했으니까 물성치도 비슷할 것으로 추정하지만....
5. 비교!!
위에서 언급한 금속재료의 비강도를 비교해 봅시다.
비강도란 "인장강도/비중"을 말합니다. 즉, 1kg의 재료 가지고 과연 얼마나 튼튼한 물건을 만들 수 있냐는 지표입니다. 역으로 생각하면 동일한 강도의 제품을 만드는데 얼마나 가볍게 만들 수 있느냐는 뜻이기도하지요. 물론 수치가 클수록 좋습니다. 재료에 있어서 중요한 수치입니다.
재료 비중 인장강도 비강도 kg당 단가(달러)
알루미늄 2.7 570 211000 1.3
마그네슘 1.74 380 218000 3.0
티타늄 4.5 1350 299000 12.15
SCM415 7.8 850 109000(<--이건 그냥 내가 계산한것임)
카본강화소재 1.5 1300 867000(<--이것두...)
이 수치에서는 각 재료별 합금에서 강도가 우수한 것들로만 비교했기 때문에(자전거용 재료는 전혀 고려가 안됨) 각 재료별 설명에서 제시한 강도와 약간 다른 수치를 사용한 점을 유의하시기 바랍니다.
자료가 원래 미국에서 출판된 책이라서 단가는 달러로 그냥 표기했습니다.
아래의 두 재료의 비강도는 위에서 제시한 수치로 제가 계산한 것입니다. 그러니까 단가도 모름.
위에서 제시한 재료별 수치는 열처리나 순도의 정확성, 기타 제조 공정등에 따라 바뀔 수 있습니다. 즉, 제조사의 노하우에 따라 성능과 신뢰성이 바뀔 수 있다는거죠.
그럼 이만...
종이배형을 사랑하는 메가가 와일드 바이크에서 따온 자료입니당 이정도면 아마 왠만한 재료공 중급수준일듯^^
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