제조업 설계에 있어서 금속의 비중은 제품 개발의 중요한 요소입니다. 경량화가 요구되는 현대의 제조에서는 적절한 재료 선택은 경쟁력을 좌우합니다.
금속의 비중에 관한 기초지식부터 각종 금속·합금의 특성 또는 설계에 활용하는 방법까지 폭넓게 해설합니다. 강도와 코스트의 밸런스를 고려하면서, 어떻게 제품의 경량화를 실현하는지를, 비중 데이터를 축으로 찾아 나갑시다.
목차
금속 비중의 기초 지식
비중이란?
비중이란 물질의 「무게의 상대적인 지표」로, 물질의 밀도를 같은 온도의 물의 밀도로 나눈 값입니다. 예를 들어 알루미늄의 비중은 약 2.7로 같은 부피의 물과 비교해 2.7배의 무게라는 것을 의미합니다.
비중은 재료 선택이나 설계에 직접적인 영향을 미치기 때문에 경량화가 요구되는 분야에서는 저비중의 재료가 중요시되고, 중량이 필요한 경우에는 고비중의 재료가 선택됩니다. 제품 설계의 근간이 되는 지표라고 해도 과언이 아닙니다.
비중 측정 방법
비중은 아래 그림과 같이 물질의 밀도를 물의 밀도로 나누어 구합니다. 물의 밀도는 섭씨 4℃일 때 거의 1g/cm3이 되기 때문에 일반적으로 비중과 밀도는 같은 수치가 됩니다.
또한 보다 정밀한 측정을 실시한다면, 픽노미터라는 전용 기구를 사용합니다. 일정 용적의 액체 중량을 정확하게 측정할 수 있는 기구입니다.
최신 기술의 경우 X 선이나 초음파를 사용한 비파괴 검사도 가능합니다. 어떤 방법을 선택할지는 요구하는 정밀도나 대상물의 성질, 비용 등을 고려하여 결정합니다. 제품의 품질관리나 신재료 개발에 활용하기 위해 정확한 비중 데이터를 이용합시다.
각종 금속의 비중 목록과 특징
주요 금속의 비중은 다음과 같습니다.
| 한국어 | 영어 | 기호 | 비중(g/㎤) |
| 백금 | Platinum | Pt | 21.45 |
| 금 | Gold | Au | 19.32 |
| 텅스텐 | Tungsten | W | 19.30 |
| 탄탈룸 | Tantalum | Ta | 16.60 |
| 납 | Lead | Pb | 11.36 |
| 실버 | Silver | Ag | 10.49 |
| 몰리브덴 | Molybdenum | 모 | 10.22 |
| 비스무트 | Bismuth | Bi | 9.80 |
| 구리 | Copper | Cu | 8.93 |
| 니켈 | Nickel | Ni | 8.90 |
| 코발트 | Cobalt | Co | 8.85 |
| 나이오븀 | Niobium | Nb | 8.57 |
| 철 | Iron | Fe | 7.87 |
| 망간 | Manganese | Mn | 7.43 |
| 주석 | Tin | Sn | 7.30 |
| 크롬 | Chromium | Cr | 7.19 |
| 아연 | Zinc | Zn | 7.13 |
| 지르코늄 | Zirconium | Zr | 6.49 |
| 바나듐 | Vanadium | V | 6.11 |
| 갈륨 | Gallium | Ga | 5.90 |
| 셀레늄 | Selenium | Se | 4.79 |
| 티타늄 | Titanium | Ti | 4.51 |
| 알루미늄 | Aluminium | Al | 2.70 |
| 규소 | Silicon | Si | 2.33 |
| 탄소 | Carbon | C | 2.25 |
| 유황 | Sulfur | S | 2.07 |
| 베릴륨 | Beryllium | Be | 1.85 |
| 인 | Phosphorus | P | 1.83 |
| 마그네슘 | Magnesium | Mg | 1.74 |
비중이 높은 금속의 특징은 고밀도이며 무게감이 있고 내열성과 강도가 우수한 점입니다. 방사선 차폐 및 고온 강도가 요구되는 용도에 적합합니다. 반면 비중이 낮은 금속은 경량으로 가공성이 뛰어나고 중량에 대한 강도가 높은 경향이 있습니다. 항공 우주 산업이나 자동차 산업에서 연비 향상이나 성능 개선에 효과적입니다.
합금의 비중 목록과 특징
금속을 조합한 합금에는, 다양한 특성을 가지는 것도 많이 있습니다. 특성을 활용하기 위해서는 합금의 비중도 이해해 두어야 합니다. 다음은 대표적인 합금의 비중입니다.
스틸 합금의 비중 목록
| 이름 | 비중(g/㎤) |
| 스틸 | 7.87 |
| SS400・SS400 소둔재・SS400-D・SCM440 | 7.87 |
| S45C-D・S50C | 7.87 |
| S50C・ 조질재·NAK55 | 7.80 |
| 오스테나이트계 스테인리스강재 | 7.75～8.06 |
| 페라이트계 스테인리스강재 | 7.64~7.75 |
| 알루미늄 합금 | |
| 알루미늄 | 2.70 |
| A2017 | 2.79 |
| A5052 | 2.68 |
| A5056 | 2.64 |
| A6061 | 2.70 |
| A6063S | 2.69 |
| A7075 | 2.80 |
| 구리 합금 | |
| 구리 | 8.93 |
| 크롬 구리 | 8.82~8.90 |
| 베릴륨 구리 | 8.36~8.83 |
| 고강도 황동 | 7.84~8.30 |
| 티타늄 합금 | |
| 티타늄 | 4.51 |
| Ti-6Al-4V | 4.42 |
합금에는 강도와 경도의 향상과 내식성의 향상, 내열성의 개선이라는 특징이 있습니다. 다양한 산업 분야에서 사용되고 있으며, 기술 혁신이나 제품의 성능 향상에 도움이 되고 있습니다.
제조업 설계에서 비중 데이터 활용
제조업 설계의 다양한 장면에서 활용되고 있는 것이 비중 데이터입니다. 여기서부터는 비중 데이터의 활용에 관해 다음과 같은 4가지 관점으로 해설하겠습니다.
- 경량화 설계에 기여
- 강도와 강성과의 관계
- 비용과 무게의 균형
- 설계 소프트웨어에서 비중 데이터 활용
경량화 설계에 기여
제품의 경량화는 성능 향상과 비용 절감으로 이어집니다. 비중 데이터를 활용하면 경량화로 이어지는 설계도 가능합니다. 예를 들어, 어떤 부품을 스테인리스강(비중 약 7.9)에서 알루미늄 합금(비중 약 2.7)으로 변경하면, 중량을 약 66%나 삭감할 수 있습니다.
자동차 업계에서는 차체의 일부를 알루미늄화함으로써 연비를 개선한 예도 있습니다. 항공기 산업에서도, 티타늄 합금(비중 약 4.5)의 채용에 의해, 강도를 유지하면서 대폭적인 경량화를 실현하고 있습니다.
이처럼 비중 데이터를 현명하게 활용하면 제품의 효율성과 경쟁력을 높일 수 있습니다.
강도와 강성과의 관계
재료의 선택에는 비중뿐만 아니라 강도나 강성과의 균형도 요구됩니다. 비중이 높은 재료일수록 강도도 높아지는 경향이 있지만, 그것만으로는 불충분합니다. 알루미늄은 철의 약 3분의 1의 무게이며 강도는 절반 이하이지만, 비강도(강도/비중)로 보면 알루미늄이 더 뛰어납니다.
설계자는 비중을 고려한 강도나 강성을 이해한 후에 최적의 경량화를 도모해야 합니다. 재료의 특성을 깊이 이해하고 적재적소에서 활용하는 것이 뛰어난 설계의 열쇠가 됩니다.
비용과 무게의 균형
제품 설계에서 비용과 중량의 균형은 항상 따라다니는 과제입니다. 경량화는 성능 향상으로 이어지지만, 고가의 재료는 비용으로 되돌아옵니다. 예를 들어, 알루미늄은 철의 약 3배의 가격인 반면, 경량화에 의한 연비 개선이나 취급의 용이성이 비용을 상쇄할 것입니다. 티타늄은 뛰어난 특성을 가지고 있지만, 철의 약 20배나 되는 가격이 걸림돌입니다.
설계자는 제품의 라이프 사이클 비용도 고려하여 초기 투자와 장기적인 이익의 균형을 맞추어야 합니다. 비용과 중량의 트레이드오프를 신중하게 검토하여 최적의 설계해를 찾는 것이 요구됩니다.
설계 소프트웨어에서 비중 데이터 활용
현대의 설계 현장에서는 CAD/CAE 소프트웨어가 필요 불가결합니다. 재료의 비중 데이터도 활용할 수 있기 때문에 설계 프로세스의 효율화에 공헌하고 있습니다. 예를 들어, 복잡한 형상의 부품에서도 즉시 정확한 무게 계산이 가능합니다. 다른 재료를 적용했을 때의 무게 변화를 시뮬레이션하여 최적의 재료 선택을 지원합니다.
구조 해석과 연계시키면 강도와 강성을 유지하면서 최대한의 경량화를 도모하는 최적 설계도 가능합니다. 설계 소프트웨어에서 비중 데이터를 활용하면 설계자는 창의적인 작업에 집중할 수 있습니다. 결과적으로 혁신적인 제품 개발로 이어집니다.
정리
제조업에서 설계의 핵심인 금속의 비중에 대해 해설했습니다. 비중의 기초부터 각종 금속·합금의 특성, 게다가 설계에의 활용 방법까지 폭넓게 정리하고 있으므로, 제조업의 설계에 관계되는 분은 꼭 활용해 주십시오.
비중 데이터를 활용하면 경량화와 강도 향상, 비용 최적화가 실현 가능합니다. 현대 CAD/CAE 소프트웨어와 조합하면 보다 효율적인 제품 개발이 가능합니다. 비중 데이터에 관한 이해를 깊게 하여 경쟁력 있는 제품 설계에 활용해 나갑시다.
