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(1)물리적 성질: 밀도, 색, 전도성(傳導性), 투자성(透磁性), 열팽창성
(2)기계적 성질: 신장성(伸張性), 피로강도(强度), 경도(硬度), 강성(剛性), 전단강도(剪斷强度), 인장강도(引張强度), 인도(靭度)
(3)화학적 성질: 반응성, 내식성(耐蝕性), 전기화학 포텐셜, 내(耐)방사능성, 내산성(耐酸性), 내(耐)알칼리성, 용해도
1. 밀도 Density
밀도는, 일정 체적당의 중량을 의미한다. 예를 들면, 6061 알미늄의 밀도는 2.72, 4130 스틸은 7.85, 3/2.5 티타늄은 4.44다. 즉, 티타늄의 밀도는 스틸의 반 정도, 알미늄의 밀도는 스틸의 1/3 정도다.
2. 강성(剛性) Stiffness
강성(剛性)의 측정단위는 탄성계수, 혹은 "영률(率)"이다.
"영률(率)"은, 같은 금속에 관해서는, 열처리나 합금의 배합 비율에 상관없이 일정하다.
3. 신장성(伸張性) Elongation
신장성(伸張性)은, 어떤 소재가 깨질 때까지 어느 정도 늘어나는가, 즉, 소재의 연성(延性)을 의미한다. 연성(延性)이란, 소재에 금이 가지 않는 한도 내에서, 소성(塑性)변화하는 능력이다. 그런데, 소성(塑性)변화란 무엇인가. 이것은, 소재에 부하(負荷)를 가하면 변형해서, 부하(負荷)가 없어져도 원래 형태대로 돌아가지 않는(즉 굽어버리는) 것을 의미한다.
4. 인장강도(引張强度) Tensile Strength
인장강도(引張强度)라는 용어는, 소재가 굽어서 결국은 부러지는 한계를, 소재를 양측에서 잡아당기는 것에 의해 측정한다.
강복점(降伏点)이란, 소재가 늘어난 채 원래대로 돌아가지 않는 한계를 말하고, 극한강도(極限强度)란, 소재가 견디는 최대의 부하(負荷)로, 보통은 금이 가는 부하(負荷)와 거의 같은 개념이다.
5. 피로강도(强度) Fatigue Strength
피로강도(强度) 자체는, 소재가 어느 정도 회수의 부하(負荷)를 받으면 파괴되는가를 측정하는 것이다.
스틸계(系)의 합금이나 티타늄에는, 부하가 아무리 반복되어도 파괴되지 않는 부하 레벨(피로한계)이 존재한다. 알미늄이나 마그네슘에는 이런 레벨이 없다.
즉, 작은 부하라도 여러번 가해지면 이 금속들은 부러질 수 있다.
6. 인도(靭度) Tougfness
이것은, 소재가 파괴되기 전에 에너지를 흡수해서 소성(塑性)변화를 일으키는 능력을 의미한다. 강인한 금속은 연성(延性)이 있어서, 부러지기 전에 구부러진다.
4.1.1. 밀도와 강성(剛性) Density and Stiffness
티타늄의 경우에도 밀도는 장점에 해당한다. 티타늄의 밀도는 알미늄의 2배 정도 되지만 그래도 스틸의 56% 정도에 지나지 않는다.
다음으로는 강성(剛性), 즉 영률(率)이다. 자전거 프레임에 널리 사용되는 티타늄의 영률(率)은 1500만psi로 스틸의 약 반이다.
즉, 스틸과 티타늄의 중량 당 강성(剛性)은 거의 같다. 설계에 따라 부드럽게도 딱딱하게도 될 수 있다. 그런데, 티타늄으로 초경량 프레임을 만들려고 하면 강성(剛性) 부족으로 프레임이 너무 부드러워지는 위험이 발생한다.
4.1.2. 티타늄의 최대 장점: 신장성(伸張性)과 인장강도(引張强度) Ti's Real Plus: Elongation and Tensile Strength
티타늄의 신장률은 대체로 20-30% 정도다. 참고로, 스틸은 10-15%, 고강도(强度)의 스틸은 6% 정도로 매우 낮다.
알미늄은 보통 6-12% 정도의 범위에 있는 경우가 많으며, 고강도(强度)의 알미늄의 신장률은 10% 이하다. 신장률이 낮은 소재는 부서지기 쉽다고 하는데, 부서지기 쉽다는 것은 프레임 소재로서 바람직하지 않은 점이다.
티타늄은 인장강도(引張强度) 역시 매우 뛰어나다.
자전거에 많이 이용되는 3/2.5 티타늄 합금의 냉간단조(冷間鍛造)시의 응력완화강복점(應力緩和降伏点)은 보통, 100-130ksi, 혹은 약간 높은 정도인데, 이것은 스틸의 수치를 능가한다.
4.1.3. 피로강도(强度) Fatigue Strength
피로강도(强度) 역시 티타늄의 뛰어난 점 중의 하나다
4.2. 하지만 나쁜 뉴스도... Now for the Bad News...
먼저 티타늄은 비싸다. 그 이유는, 제련(製鍊)에 드는 에너지 비용이 높기 때문이 아니라, 가공을 위한 설비가 매우 비싸기 때문이다.
또 한 가지, 프레임을 만드는 공정에도 문제가 있다. 티타늄은 용접과 절단이 곤란하다는 얘기를 들은 사람이 있을 것으로 생각하는데, 정확하게는 용접과 절단의 방법이 다른 소재와는 다르다고 할 수 있다. 뭐가 다르냐 하면, 티타늄은 어떤 공정도 생략할 수 없다는 점이다.
티타늄을 용접할 때 조금이라도 불순물이 들어가면 파괴될 위험성이 높아지기 때문에, 주의에 주의를 기울여 가면서 작업하지 않으면 안된다.
강성(剛性)이다. 6/4 티타늄과 같은 고강도(强度) 소재를 사용해도, 티타늄의 영률(率)은 변화하지 않는다.
직경이 크고 두께가 얇아질 수록 강성(剛性)은 높아지고 무게는 적어진다.
차체에 쓰이는 금속의 강도를 비교해보면..
철은 가장 큰 강도를 가지고 있어서(150ksi이상) 가장 얇은 튜브를 만들 수 있다.
알미늄은 가장 두꺼운 튜브로 만들어져야 한다.(강도35~42ksi)
티타늄은 중간값을 가진다.(강도85ksi)
가는 튜브는 몇가지 잇점을 제공해준다.
이는 편안한 승차감과 무게감소 효과를 가져온다.
스칸듐이 첨가된 알로이는 이렇게 가는 튜브를 만들기 위해 개발되었다.
소재 자체보다 더 중요한 것은 만들어진 프레임의 지오메트리, 용접기술 등이다.
방법 :
1.어느정도의 금액을 지불할 것인지를 결정한다.
2.어떤 타입의 라이딩을 할것인지를 생각해 본다.
스틸 소재:
자전거 프레임의 소재로는 가장 오랫동안 사용된 소재이다.
- 장점:손상된 경우에 수리가 쉽고 튼튼하다. 스틸 프레임은 일반적으로 TIG-welded로 만들어진다.
- 단점:부식
알루미늄 소재:
1980년대부터 프레임의 소재로 각광받기 시작했고 현재도 가장 유용한 소재중 하나이다.
- 장점:알루미늄은 풀서스펜션 산악자전거를 위한 최상의 소재이다. 대부분의 알루미늄 프레임은 용접된 후 열처리를 하게 된다. 일반적으로 용접된 알루미늄 프레임은 매우 딱딱해서 매우 거친 라이딩 느낌을 준다. 알루미늄 소재는 매우 가볍고, 두툼한 튜빙으로 만들어 진다.
- 단점:알루미늄은 스틸이나 티타늄에 비해 매우 높은 피로율을 갖는데, 이로 인해 쉽게 손상되고 복구가 거의 불가능하다.
티타늄 소재:
1980년대 초반에 만들어지기 시작했고, 1990년대에는 높은 가격대를 형성하는 인기있는 프레임이었다.
티타늄 프레임은 일반적으로 TIG-welded로 만들어진다.
- 장점:티타늄은 가벼운 무게, 부드러운 라이딩을 제공한다. 매우 유연하고 부식에 대한 걱정이 없다. 따라서 대부분의 티타늄 프레임은 페인팅을 하질 않는다.
- 단점:티타늄은 비싼 소재이고, 다루기도 어렵다.
카본 화이버 소재:
- 장점:카본 화이버는 약간의 진동 댐핑(비록 일부 사람들은 좋게 생각하지 않지만)을 제공한다. 무게도 가볍다.
- 단점:알루미늄 프레임과 마찬가지로 손상되었을 때 복구가 힘들고, 손상될 가능성도 높다. 랜스 암스트롱이 99년 Tour de France에서 승리할 때 카본 화이버 프레임을 이용했다. |
