[스크랩] MTB 프레임 재료에 따른 특성들/특수한 소재

이 장(章)에서는 좀 특수한 소재를 소개하겠다. 마지막에는 전체를 종합한 다음, 한 가지 수수께끼의 소재를 소개할 것이다. 자 그럼 시작합시다.

1. 서모 플라스틱 복합재 Thermoplastic Composites

5장(章)에서는 카본에 대해서 설명했는데, 이 장(章)에서는 같은 복합재인 서모 플라스틱에 대해서 살펴 보자. 혼란을 피하기 위해 5장(章)에서는 언급을 피했지만, 카본과 서모 플라스틱과의 큰 차이는, 전자가 열경화성(熱硬化性)소재, 후자가 열가소성(熱可塑性)소재라는 점이다. 열가소성(熱可塑性)소재는 열경화성(熱硬化性)소재보다 등장 시기가 늦다. 양자의 차이는, 빵과 초코렛의 차이에 비교할 수 있다.

열경화성(熱硬化性) 소재는 빵에 해당한다. 원재료(빵은 밀가루, 물, 효모)를 섞어서 틀에 부은 다음 열을 가해서 반응을 일으킨다. 이 과정은 역항(逆行) 불가능하다. 즉, 빵을 녹여서 다시 새로운 빵을 만들 수는 없다.

서모 플라스틱도 원재료를 섞어서 만드는 것에는 변함 없지만, 상변화(相變化)(용해(溶解))를 일으킬 때까지 열을 가한다는 차이가 있다. 프레임을 만들려면 소재를 식혀서 원하는 형태로 성형하면 되는데, 마음에 들지 않을 경우에는 다시 녹여서 성형할 수가 있다(렬화(劣化)를 일으키지 않고 몇번 반복할 수 있는가는 소재에 따라 다르다). 또 한 가지, 열경화성(熱硬化性)소재를 성형하는 공정에서는 가스가 발생하지만, 서모 플라스틱은 용해할 때도 거의 냄새가 나지 않는다. 이상과 같이, 리사이클해서 재성형할 수 있다는 점, 부숴서 다시 혼합할 수 있다는 점, 또한 악취가 발생하지 않는다는 점 등에서, 서모 플라스틱은 공해가 적은 소재라고 하는 사람도 있다.

서모 플라스틱을 이용한 자전거는, 현재까지는 카이저 에어로스페이스(Kaiser Aerospace)와 펜스키(Penske)사가 공동으로 개발한 예티(Yeti)밖에 없다. 서모 플라스틱의 중요한 포인트의 하나는, 열경화성(熱硬化性) 소재와 비교해서 내(耐)충격성이 강하다는 점이다. 이와 비교해, 열경화수지(熱硬化樹脂) 에폭시는 비교적 무른데, 무르다는 것은 자전거의 소재로서 바람직한 물성(物性)이라고는 할 수 없다. 반면, 서모 플라스틱와 단점은, 접착이 매우 어렵다는 점이다. 접착해야 할 부품이 많은 자전거의 특성을 고려하면 이것은 큰 문제가 아닐 수 없다.

2. 마그네슘 Magnesium

알미늄의 반의 밀도(1.54), 6061 알미늄보다 뛰어난 강도(强度), 알미늄과 동등 내지 뛰어난 10-11%의 신장성(伸張性)을 겸비한 금속이 마그네슘인데, 현재 이스튼(Easton)사(社)가 테스트 중이다. 마그네슘의 연성(延性)은 그렇게 뛰어나지 않지만, 이스튼사는 10-11%라는 수치는 유망하다고 주장한다. 마그네슘의 강성(剛性) 역시, 6msi 정도로 높지는 않은 편이지만, 이건 큰 문제는 아니다. 알미늄도 강성(剛性)은 비교적 낮지만 그렇다고 해서 강성(剛性)이 뛰어난 알미늄 프레임을 만들 수 없는 것은 아니기 때문이다. 마그네슘도 이와 마찬가지로, 오히려 강성(剛性)이 낮은 것은 환영할 만한 성질이기도 하다.

마그네슘의 경우 해결해야 할 과제는, 극도로 부식(腐蝕)에 약하다는 점이다. 마그네슘 파편을 빗속에 방치해 두면, 도장(塗裝)하지 않은 스틸 다음으로 빨리 녹슬어 버린다. 이 문제는 도장(塗裝)이나 전해(電解)로 피막을 형성함으로써 해결할 수 있다.

마그네슘의 또 하나의 단점(장점이라고 할 수 있을 지 모르겠지만?)으로,프레임을 긁어서 불을 붙이기만 하면 쉽게 연소한다는 점을 들 수 있다! 마그네슘 분말에 물을 부어보자. 물의 수소와 탄소가 분리해서 마그네슘과 반응을 일으켜, 순식간에 힌덴부르그호의 화재를 재연할 수 있다. 티타늄도 비슷한 성질이 있지만 티타늄의 경우에는 반응을 일으키기 위해서는 약간의 조작이 필요하다.

3. 알미늄 메탈 매트릭스 복합재 Aluminum Metal-Matrix Composites

알미늄 메탈 매트릭스 복합재(MMC)에 관해서는 여러분도 잘 알고 있을 것이다. 스페셜라이즈드사(社)는, 듀랄캔(Duralcan)의 MMC를 이용한 M2 시리즈를 몇년 전부터 판매하고 있다. MMC는 알미늄과 세라믹이 주성분이다(자전거용 MMC에는 6061이나 7005 알미늄을 사용한다). 스페셜라이즈드의 M2에 사용되는 MMC의 경우에는, 알미늄에 산화알미늄(Al2O3)을 첨가한다. 듀랄캔사(社)는, 용융상태의 알미늄에 진공 속에서 산화알미늄을 배합하는 공정에 관한 특허를 가지고 있다. 이 공정에는 많은 장점이 있는데, 주머니 걱정을 하지 않을 수 없는 자전거 중독자에게 무엇보다도 반가운 것은, 싸게 제조할 수 있다는 점이다. 산화알미늄이라는 말을 들은 적이 있을 지 모르겠지만, 이것은 샌드 페이퍼에 사용되는 분말과 같은 물건이다. #600의 가는 샌드 페이퍼의 연마제와 똑같은 놈인 것이다!

MMC의 성질은 산화알미늄의 비율에 따라서 변한다. 산화알미늄의 비율을 높이면 강성(剛性)은 높아지지만 신장성(伸張性)과 인성(靭性)은 낮아진다. M2의 프레임은 전 중량의 10%의 산화알미늄을 포함하고 있는데, 이 경우, 알미늄과 비교해서 항복점 강도(强度)는 8%, 강성(剛性)은 20% 높다. 역으로 신장성(伸張性)은 알미늄보다 낮아지지만 메이커 발표의 수치는 10%로, 허용범위 이내다.

이렇게까지 하지 않아도 알미늄 프레임은 충분한 강성(剛性)이 있지 않느냐고 할 지도 모르겠다. 물론 옳은 말씀이다. 하지만, 이미 위에서 설명한 대로, 강성(剛性)은 설계에 따라서 달라진다. 예를 들어서 당신이 리어 엔드를 설계한다고 해보자. 일정 수준의 강성(剛性)과 함께, 진흙, 발뒤꿈치, 타이어, 체인 링에 대해 충분한 간격을 확보하려면 직경이 작은 튜브가 좋지만, 튜브의 직경을 작게 하면서도 강성(剛性)이 충분한 튜브를 만들기 위해서는 강성(剛性)이 높은 소재가 바람직하다. 강성(剛性)이 높은 소재를 사용하면, 메인 프레임의 직경을 줄일 수 있다.

부위에 따라 강성(剛性)을 다르게 하는 것의 이점으로서는, 무엇보다도, 높은 강성(剛性)이 요구되는 부분에는 높은 강성(剛性)의 소재를 사용하고, 역으로 헤드 튜브의 접합부와 같이 높은 연성(延性)이 요구되는 부분에는 연성(延性)이 뛰어난 소재를 사용할 수 있다는 점이다. 이처럼, 사소한 부분에 있어서의 작은 진보가, 자전거 프레임의 진화의 원동력이란 어떤 것인가를 보여주는 좋은 예가 아닐까.

MMC의 열처리는 6061 알미늄과 마찬가지다. 열처리를 하고 싶지 않거나 혹은 할 수 없는 경우에는 7005를 베이스로 한 MMC가 있다. 이것은 표준적인 7005와 비교해서 강도(强度)는 별 차이 없지만 강성(剛性)은 높다. 뛰어난 기계적 성질을 가지고 있지만 용접이 불가능한 MMC가 있다는 큰 문제에 대해서는 아직 논하지 않았다. 이것도 자전거 프레임으로 사용할 수는 있지만, 용접이 불가능한 만큼, 접착을 이용할 필요가 있다.

전체적으로 봐서, 산화알미늄을 이용한 MMC는 혁명적인 소재라고까지는 할 수 없다. 기계적 성질에 있어서 약간의 진보가 있지만, 그 반면 약화된 점도 있기 때문이다. 이 시리즈를 통해 여러번 지적해 온 점이지만, 중요한 것은 자전거의 전체적 구조를 고려한 설계인 것이다.

다음 부분에서는, 산화알미늄 이외의 소재를 이용한 세 종류의 MMC 및 베릴륨과 신소재인 에어맷 100에 대해서 개략적으로 논하고, 수수께끼의 소재에 대한 얘기에 들어가겠다.

4. 알미늄 리튬 Aluminum Lithium

메이커의 홍보 담당자가 경탄하는 모습이 눈에 보인다. "조울병을 치료하는 기적의 약 리튬이 포함된 자전거! 기분이 울적할 때는 톱 튜브를 한 번만 핥아 주는 것으로 만사 OK!" 리튬은 조울병의 치료약으로 사용되고 있는데, 기계적인 성질을 높이기 위해서 이것을 알미늄 합금에 배합한 소재가 있다. 실제는, 약에 사용되는 리튬은 탄산염이라서 합금의 재료와는 약간 내용이 다르기는 하지만.

알미늄 리튬 합금의 사양표는, 강도(强度), 강성(剛性)의 면에서 매우 뛰어난 수치를 보여준다. 그런데 왜 자전거를 만들지 않는 걸까? 리튬 합금에 대해서 여러가지로 조사해 보려고 했지만, 얻을 수 있는 정보는 전부 기밀사항, 오보(誤報), 모순 덩어리뿐이었다. 결국 확인한 것은, 알미늄 리튬 합금은 오래전부터 존재해 왔지만, 자전거에 사용되는 경우는 거의 없고, 다른 용도로도 거의 사용되지 않는다는 사실이었다.

리튬을 가공하는 작업은 조울병을 치료하기는 커녕, 오히려 조울증을 일으킬 가능성이 있다. 거기에다, 리튬과 알미늄을 병용할 경우에는 몇가지 문제가 더 생긴다. 아주 소량의 리튬도 가공 기계를 오염시킬 수가 있다. 리튬은 불안정한 금속으로, 산소와 쉽게 결합한다. 때문에, 리튬의 성형은 매우 천천히 진행하지 않으면 안되고, 열처리도 오랜 시간 가해줄 필요가 있다. 열처리는 매우 중요한 공정이고 작은 부주의만으로도 실패를 초래할 수 있다. 열처리를 너무 오래 한다든지 온도를 높게 설정한다든지 하면 조금의 오차만 있어도 리튬은 쉽게 산화해 버리고 만다. 리튬이 산화해 버리고 나면 남는 것은, 거의 순수한 알미늄이다. 합금에 필요한 리튬은 1-2% 정도밖에 안되는 소량이기 때문에 조금만 실수를 하면 쉽게 없어져 버린다. 이렇게 까다로운 성질을 가지고 있기 때문에 리튬을 합금에 사용하는 데는 한 가지 큰 문제, 즉 비용의 문제가 걸린다.

리튬만으로는 자전거 프레임을 만들 수 없지만, 참고로 다른 금속과 비교해 보자. 리튬은 주기율표에서 3번에 해당한다. 밀도는 약 0.5로, 금속 중에서 가장 가볍다. 베릴륨과 마그네슘의 밀도는 알미늄의 2/3인데, 알미늄은 티타늄의 밀도의 2/3, 스틸의 반밖에 안된다. 리튬이 매력적인 이유를 아시겠는가.

리튬의 강도(强度)와 강성(剛性)을 볼 때 주의해야 할 것은 T-8(열처리, 에이징, 냉간단조(冷間鍛造)) 처리된 후의 수치라는 점이다. 다른 용도에는 뛰어난 수치를 보일 지 모르지만, 자전거 프레임을 만들 경우에는 이 성질은 무시해야 한다. 보다 현실적인 수치(T-6)를 보면, 도저히 자전거 프레임을 만들 수 없는 물건이라는 것을 알 수 있다.

리튬은 뛰어난 가능성을 가지고 있는 금속이지만, 내가 조사한 범위 내에서는 이상과 같은 공정상의 문제가 있다. "입수 가능한 금속인가"라는 점에서는 합격이다. 하지만 "제조 가능한가"에 대한 대답은, 아직은 Yes라고 할 수는 없다.

5. 보론 카바이드와 실리콘 카바이드 Boron Carbide and Silicon Carbide

리튬 이외에도 알미늄과 메탈 메트릭스를 형성하는 소재로, 보론 카바이드(B4C), 실리콘 카바이드(Si4C)가 있다. 이 금속들을 알미늄에 배합하면, 이론적으로는 놀라울 정도로 물성(物性)이 개선된다. 하지만 이 경우 역시 공정면에 문제가 있다. 실리콘 카바이드는 반응하기 쉽고 용접부가 부서지기 쉬운 성질이 있다. 용융상태에서는 실리콘 카바이드는 알미늄과 반응해서 알미늄 카바이드를 생성한다. 이 합금은 강도(强度)가 낮고 물에 녹을 정도로 반응하기 쉽다.

용접을 하고 나서 물에 녹을 정도로야 자전거 프레임으로 사용할 수가 없다. 실리콘 카바이드의 높은 반응성은 용접기술에 기인한다. 마찬가지의 문제가, 이미 시장에 모습을 보이고 있는 산화알미늄 MMC(메탈 매트릭스)의 경우에도 적용되지만, 정도가 미약하다는 차이가 있다. 이런 문제가 있기 때문에 실리콘 카바이드는 자전거에는 거의 이용되지 못하지만, 그 기계적 성질은 매력적이다.

보론 카바이드는 MMC 보랄린에 사용되고 있는데, 그 외에도 보론강화(强化)알미늄 합금이 개발되어 있다. 이중 몇 가지는 몇몇 메이커가 테스트 중이다. 수년 안에 시장에 모습을 나타낼 가능성이 높다고 생각된다. 퍼시릭 메탈 크래프트(Pacific Metal Craft)사(社)는, B4C라는 합금을 제조하고 있는데, 발표에 의하면 유망한 소재로 여겨진다. 이 합금은 6013 알미늄 합금에 15%의 보론 카바이드를 배합한 것으로, 발표에 의하면, 항복점 강도(强度)가 52-56ksi, 극한강도(極限强度)가 65-72ksi, 영률(率)이 14-15msi, 신장성(伸張性)이 4.5-6% 정도다. 6013 알미늄은 고강도(强度)의 합금으로, 알미늄 합금 중에서 뛰어난 인성(靭性)을 가지지만, 세라믹의 하나인 보론 카바이드를 배합하면 강도(强度)는 약간 떨어진다.

이 합금의 장점으로, 가공하기가 쉽다는 점을 들 수 있다. 하지만 모든 보론 카바이드의 품질이 동등하지는 않다는 사실을 명심해 주기 바란다. 토대가 되는 알미늄 합금의 경우에도 품질은 천차만별이다. 보론 카바이드에 대한 평가는 아직 시기상조다.

6. 베릴륨 Beryllium

믿기 힘들 지 모르겠지만, 티타늄보다 훨씬 비싼 금속이 있다. 베릴륨이 바로 그것이다. 베릴륨의 밀도는 1.82로 알미늄의 2/3에 불과한, 매우 가벼운 금속이다. 밀도 이외에도, 베릴륨은 몇 가지 놀랄만한 기계적 성질을 가지고 있다. 베릴륨의 비강도(比强度)(강도(强度)/밀도)는 매우 높고, 비강성(比剛性)(영률(率)/밀도)은 지구상의 모든 금속 중 가장 뛰어나다. 하지만, 베릴륨은 매우 희귀하다. 얼마나 비싸냐 하면, 알미늄의 200배나 된다.

역자: 원문에는 베릴륨의 물성(物性)에 대한 설명이 얼마 정도 더 있지만, 아마 베릴륨 자전거를 (있다면) 탈 수 있는 사람은 전무할 걸로 생각해서, 이하는 생략합니다.

7. 에어멧 100 AerMet 100

에어멧 100은 유망한 소재로, 최근 자전거 업계의 주목을 모으고 있다. 철계의 합금인데, 카펜터 테크놀로지(Carpenter Technolog Corporation)사(社)의 레이 헴필(Ray Hemphill)과 데이브 워트(Dave Wert)가 1992년 특허를 취득했다. 현재 몇명의 프레임 빌더가 이 소재로 실험을 하고 있다. 에어멧 100의 놀라운 물성(物性)을 살펴 보자. 밀도는 7.89로 크로몰리와 거의 비슷하지만(상당량의 니켈과 코발트를 포함하고 있기 때문인데, 이 두 금속의 밀도는 8.85 및 8.8로 철보다 높다), 강도(强度)에서는, 용접가능한 스틸과 그외 다른 소재를 능가한다. 카펜터 테크놀로지사(社)가 제공한 소재로 Velonews가 1993년 12월 13일호에서 실시한 테스트에서, 에어멧 100은 최저 261ksi의 항복점강도(强度)와 300ksi의 극한강도(極限强度)를 기록했다. 놀라울 정도의 기록이다.

신장성(伸張性) 또한 뛰어난데, 위의 테스트에서는 10%를 기록했다. 영률(率)의 경우에는, 스틸로서는 평균적인 28msi를 기록했다. 카펜터 테크놀로지사(社)에 의하면, 이 합금은, 높은 강도(强度)와 인성(靭性), 응력부식(應力腐蝕)에 의한 파괴와 피로에 대해 매우 뛰어난 내성이 필요되는 분야에 적합한 소재라고 한다.

결점은 없을까? 특히 결점이라고 할 만한 점은 없지만, 극복해야 할 과제는 몇 가지 있다. 이미 짐작했을 지 모르겠지만, 에어멧 100은 가격이 비싸다. 티타늄의 반-2/3 정도 될까. 또 한 가지, 버티드 가공과 테이퍼 가공(역주: 튜브의 직경을, 갈수록 얇게 혹은 두껍게 만드는 방법)이 아직 불가능하다(현재 개발중). 카펜터 테크놀로지사(社)는 현재 스테이(역주: 체인 스테이, 시트 스테이, 자전거의 부위별 명칭)의 변형 가공에 성공했는데, 이것은 곧 상용화될 것으로 보인다. 또한 에어멧 100은 4130 크로몰리에 용접할 수도 있다. 따라서, 테이퍼 가공된 스테이 등의 표준적인 장비를 쉽게 장착할 수 있다.

결점을 한 가지만 들자면, 스틸과 마찬가지로 밀도가 높다는 점이다. 하지만 이 소재를 이용해 충분한 강도(强度)를 가지면서도 가벼운 프레임을 만들 수 있는 가능성이 있다. 이 경우, 최대의 과제는 역시 맥주캔 효과를 어떻게 해결하느냐 하는 점이다. 1kg 이하의 프레임을 만드는 것이 프레임 빌더들의 큰 목표라고 할 수 있는데, 에어멧 100으로 이것을 실현하기 위해서는 상당한 노력을 필요로 한다. 하지만 1.5kg 정도의 무게라면 매우 내구성이 뛰어난 프레임을 만드는 것은 가능하다. 현재, 켈로그(Kellogg), 데이비드슨(Davidson), 커브(Curve), 애로우(Arrow) 등의 프레임 빌더들이 에어멧 100의 프레임을 만들고 있다.

8. 수수께끼의 소재(素材)... And Now for a Mystery Metal...

게리 헬프리히(Gary Helfrich)가 얼마 전 꿈과 같은 기계적 성질을 가진 소재를 소개해 준 적이 있다. 그의 말에 의하면,

밀도: 2.3 알미늄보다 15% 낮다
항복점강도(强度): 510ksi 알미늄의 12배
영률(率): 18msi 알미늄의 1.8배
비강도(比强度): 알미늄의 14배

이 소재로 프레임을 만든다고 가정해 보자. 영률(率)이 티타늄과 비슷하기 때문에, 티타늄과 동일한 정도의 승차감을 낼 수 있도록, 직경 3cm, 두께 0.76mm의 톱 튜브와 시트 튜브, 그리고 직경 3.5mm, 두께 0.84mm의 다운 튜브를 만든다고 해보자. 프레임의 무게가 어느정도라고 예상하실까? 놀라지 마시라. 겨우 600g에 불과하다!

그런데 뭐가 문제일까. 카본의 문제점을 잊지 않고 있다면 짐작할 수 있을 것이다. 이 소재는 카본과 마찬가지로 신장성(伸張性)이 거의 0에 가까운 것이다

출처 : 군산 노브레이크

글쓴이 : 알콜 (민경만) 원글보기

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