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자전거 프레임(Frame)의 소재와 특성

by 자동차 전문 교육 자동차 역사가 2021. 3. 4.
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자전거 프레임(Frame)의 소재와 특성

- 자전거 프레임 재질

강철(Steel), 알루미늄(Aluminum), 카본(Carbon-Fiber), 티타늄(Titanium)

자전거 프레임 명칭 및 구조(bicycle frame, 출처: 인터넷)

1) 강철(Steel)

▶ 강철(steel)

탄소함량이 2%이하의 소재 - C, Mn, P, S, Si

Low0.3% Medium 0.3%-0.6% High>0.6%

① 하이-(Hi-Ten)

보통 강철보다 인장강도가 강한 강으로 인장강도가 50kg/mm2 이상인 강을 의미하며 줄여서 하이텐이라고도 한다. 인장강도에 따라 60킬로 하이텐 또는 80킬로 하이텐 등으로 분류하며 0.2% 정도의 탄소를 함유한 탄소강에 규소, 망간, 니켈, 크롬, 구리 등으로 첨가하여 성능을 향상시킨 것이다. 자전거를 만드는 소재 중 가장 낮은 등급의 소재이다.

말 그대로 강철이다 탄소 함유량이 적어 강도가 약하고 무겁고 녹이 쉽게 슨다. 주로 일반 생활 자전거에 많이 상용 되고 있다.

② 크로몰리(Chromium Molybdenum Steel)

몰리브덴이라는 이름은 원광석인 몰리브데나이트(molybdenite:0000, MoS2)에서 비롯되었다. 몰리브덴은 양이 많지는 않지만 지구상에 두루 퍼져 있으며 동식물의 몸속에도 미량 함유되어 있다. 미국에서 많이 석출되며 캐나다, 러시아 등에서도 산출된다. 스테인리스강이나 베어링 등에 주로 사용된다. 강철 재료 중 자전거를 만드는데 가장 대표 적인 소재이다. 강철에 탄소, 크롬, 몰리브덴 등을 첨가하여 강하고 가벼우며 기능성 또한 우수하며 강철로 제작하는 고급 자전거의 가장 많이 쓰이는 소재이다.

▶ 크로몰리 (chromium Molybdenum Steel)의 혼합 비율

합금강 : 4130(Cromoiy)

강성 : E = 0.916(D4 - d4)/D

무게 : 같은 무게의 파이프의 강도차이

X2가 강성은 1.6배 증가 한다.

D : t 60-70; 1이상 Buckling

밀도 : TI 2, A1 3

크로몰리의 가장 큰 특징은 한계선을 넘지 않는 범위 내에서 휘거나 부러지지 않고 보건 역이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 또한 다루기가 쉬워 어느 정도 휘거나 변형이 생겨도 보건이 가능 하다. 단점은 수분에 의한 부식성과 무게가 무거운 게 단점이다.

2)알루미늄(Aluminum)

▶ 비중 2.7 용융점 660도 산화막 용융점 1982도 연신율 6-12%

2000 계열(Al-Cu) 상온 시효, 용접성과 브레이징이 나쁨-2017두랄루민

6000 계열(AI-Mg-Si)성형가공성, 강도, 내식성이 우수하다 하지만 용접 열에 의해 연화 되는 단점이 있다.

7000 계열(AI-Zn) AI-Zn-Mn 계열은 인장강도가 저하된 연화부가 용접 후 회복된다.

AI-Zn-Mn-Cu 계열 합금은 초두랄루민 이라 한다. 용접 후 강도 회복을 위하여 420-550 용체화 처리-급냉-인공시효경화(120-150 8~36시간) 열처리 한다.

알루미늄은 자전거를 만드는데 있어 가장 대중화된 소재중 하나이다. 알루미늄의 가장 큰 특징은 강하고, 가볍고, 가성이 높다. 또한 물이나 습기에 강해서 철이나 다른 소재들에 비해 부식이나 녹이 슬지 않는 다는 것이다. 하지만 전혀 부식 되지 않는 것은 아니다. 알루미늄은 부식 된 다기 보다는 산화 된다고 할 수 있다. 또한 가벼운데 비해 강성이 높은 것이 장점이다. 그러나 알루미늄은 본연의 알루미늄 성분만으로는 강성을 지닐 수 없어 크롬, 마그네슘, 구리 등을 혼합 합금 하여 사용한다. 이것을 우리는 알루미늄 합금이라고 한다.

3) 카본(Carbon-Fiber)

카본 소재는 여러 겹의 섬유질을 겹쳐서 만든 소재로 (비강도)즉 무게에 비해 강도가 강하다. 카본은 다른 소재들과 달리 카본만이 가지고 있는 특성을 이용 하여 여러 형태의 프레임으로 제작이 가능하다. 또한 카본은 결이 있어 원하는 부위에 강도를 더해 기능을 효율적으로 증가 시킬 수 있는 장점이 있다. 자전거를 탈 때 나타나는 휨성은 측면 휨성과, 수직 휨성이 있다. 카본만이 가지고 있는 특성을 살려 측면 휨성은 적게 하고 수직 휨성은 적당이 높여 줘 자전거의 기능을 효율적으로 높일 수 있도록 만들 수 있는 것 또한 카본 프레임의 장점이다. 카본프레임이 가지고 있는 특성을 살려 라이딩을 하려면 겨울보다는 여름이 좋다.

4) 티타늄(Titanium)

▶ 비중 4.54 용융점 1668 6AI-4V은 고가의 가공 장비와 기술력을 필요로 한다.

870Mpa 인장강도 3AI-2.5V 700Mpa 자전거 소재로 사용한다.

상온에서는 안정된 산화 피막으로 부식을 방지하나 600도 이상의 고온에서는 산소, 질소, 수소로 오염되어 내식성이 저하된다. 구조용 금속원소 중 AI(알루미늄), Fe(), Mg(마그네슘)다음으로 매장량이 많다. 티타늄은 현재 사용 하고 있는 프레임 재질로는 가장 가볍고 강하다. 하지만 가격이 비싸다. 가격이 비싼 이유는 까다로운 가공기술에 있다. 티타늄은 순수한 티타늄의 형태로 존재하지 않는다. 이것을 정제하는 과정에서 많은 인력과 비용이 들어가며 또한 티타늄은 매우 단단하여 특수한 공구와 시설을 필요로 한다. 그리고 열처리와 어닐링(annealing)풀림과 담금질을 하기위한 진공상태의 작업 시설을 필요로 한다. 튜빙(파이프)이 만들어지기 까지는 수차례의 어닐링이 필요하다.

▶ 티타늄의 소재

티타늄 합금은 자전거뿐만 아니라 레포츠 용품에 광범위하게 사용하고 있다. 자전거에 적합한 합금은 자전거 프레임의 가장 중요한 요소인 탄성(resiliency), 내구성, 무게 등을 고려하여야 한다. 이러한 과점에서 볼 때 작은 지름의 튜빙(파이프)을 쉽게 만들 수 있는 3-2.5 비율의 합금이 자전거 프레임으로 가장 적합하다. 일부 제조사 에서는 프레임 특정부분에 6-4합금을 사용하기도 한다.

▶ 티타늄의 등급

- CP 티탄늄

CP Commercially Pure (컴어셜리 퓌어)라는 다른 소재가 섞이지 않은 순수한 형태의 티타늄을 말한다. CP는 쉽게 튜빙을 만들 수 있다. 그리하여 일부 제조사에서는 본딩(bonding) 처리를 하여 프레임을 제작 하기도 하지만 무게의 따른 강도가 3-2.5 합금에 미치질 못한다. 실제로 잘 만들어진 스틸 프레임보다 강성과 내구성이 떨어진다. CP는 산소 함유량에 따라 4등급으로 나누어지는데 CP 의 항복강도 범위는 25~65ksi(1,평방인치당 10001b, 453,599082kg)의 힘이 가해지는 것이다. 항복 강도는 1등급이 가장 낮고 4등급이 가장 높다. 오직 4번재 등급만이 자전거 프레임으로 사용이 가능 하다.

- 3-2.5 강도 티타늄

3-2.5강도 티타늄은 알루미늄 3%, 바나듐 2.5%, 94.5%의 순수한 티타늄이 섞인 합금을 말한다. 가장 강한 티타늄은 AMS 105로 불리며 최소 105ksi의 항복 강도와 최소 125ksi극 인장강도를 지니고 있다. 또한 담금질을 통해 15~30%의 신장(elongation)을 갖게 되고 냉간 작업을 통해 10%의 신장(연성)을 갖게 된다. 3-2.5티타늄의 무게 대비 강도는 4130크로몰리스틸의 약 2배에 이른다.

- 6-4강도 티타늄

6-4강도 티타늄은 알루미늄 3%, 바나듐 2.5%, 94.5%의 순수한 티타늄이 섞인 합금을 말한다. 가장 강한 티타늄은 AMS 105로 불리며 최소 105ksi의 항복 강도와 최소 125ksi 극 인 장강도를 지니고 있다. 또한 담금질을 통해 15~30%의 신장(elongation)을 갖게 되고 냉간 작업을 통해 10%의 신장(연성)을 갖게 된다. 3-2.5티타늄의 무게 대비 강도는 4130크로몰리스틸의 약 2배에 이른다.

- 6-4 강도 티타늄

6-4강도 티타늄은 알미늄 6%, 바나듐4%, 90%의 티타늄으로 혼합되어 있어 항공기 소재로 많이 사용하고 있으며 무게 대비 강도가 강해 미국에서 사용 하고 있는 티타늄의 약 50%를 차지하고 있다. 그러나 3-2.5에 비교하여 6-4는 연성이 30% 낮고 또한 모든 6-4 튜빙은 담금질된 얇은 판을 말아 튜브의 형태로 만들어 이음새를 용접하여 만들어진다. 이러한 공법으로 만들어진 튜빙은 피로 강도 면에서 약해질 수 있어 자전거 프레임에는 일정 부분에만 사용하고 있는 것이 현실이다.

 

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