알루미늄의 밀도는 얼마인가? 정의, 자료 및 비교

1.0 기본 정의 및 수치 설명

알루미늄은 밀도가 강철의 약 3분의 1 정도로 낮고 강도 대 중량비가 높아 산업 자재로 널리 사용됩니다. 덕분에 가볍지만 튼튼하고 가공이 용이하며 다양한 산업 용도에 적합합니다.

1.1 밀도란 무엇인가?

밀도는 단위 부피당 물질의 질량을 나타냅니다. 일반적으로 그리스 문자 ρ(rho) 또는 문자 D( 밀도). 수학적으로 밀도는 질량과 부피의 비율로 정의됩니다.

ρ = m / V

어디:
ρ = 밀도
m = 질량
V = 부피

정의

밀도는 물질의 단위 부피에 포함된 질량의 양입니다. 즉,

ρ = M / V

여기서 M은 물체의 질량이고 V는 부피입니다. 질량 분포가 균일한 재료의 경우, 밀도 공식은 다음과 같은 기본적인 수학적 형태로 단순화될 수 있습니다.

즉, 밀도는 질량과 부피의 "비율"로 정의됩니다.

1.2 알루미늄의 기본 밀도 데이터

• 알루미늄의 밀도는 대략 2,710kg/m³.
• 알루미늄 합금은 일반적으로 다음과 같은 유사한 밀도를 갖습니다. 2,640~2,810kg/m³.

1.3 순수 알루미늄의 밀도는 얼마입니까?

밀도는 물질의 단위 부피 내에 포함된 질량을 말합니다.

순수 알루미늄의 밀도는 약 2.7g/cm³하지만 물리적 상태에 따라 약간씩 다를 수 있습니다.

• 고체 상태에서 순수 알루미늄의 밀도는 2,699kg/m²
• 액체 상태에서는 밀도가 약간 변동합니다. 2,697 및 2,699 kg/m³.
  • 예를 들어, 973K, 액체 알루미늄의 밀도는 2,357kg/m³;
  • ~에 1,173K, 그것은 감소합니다 2,304kg/m³.

1.4 일반 금속과의 밀도 비교:

1.5 알루미늄의 독특한 밀도로 인한 주요 장점

• 가벼움:밀도가 낮아 알루미늄이 가볍고 다루기 쉽습니다. 항공기 제조에 이상적입니다.
• 부식 저항성:녹과 부식을 방지하는 보호 산화물 층을 형성합니다.
• 재활용 가능:100%는 재활용이 가능하고 환경 친화적이며 품질 저하 없이 재활용하는 것이 비용 효율적입니다.
• 높은 전도도:무게 기준으로 구리의 두 배에 달하는 전기 전도도, 뛰어난 열전도성

1.6 알루미늄 소재의 밀도 차이

순수 알루미늄의 밀도는 일반적으로 약 2.7 g/cm³이지만, 합금화에 따라 약간의 차이가 발생할 수 있습니다. 합금 원소가 무거울수록 무게가 증가합니다. 예를 들어, 1xxx 계열 합금은 순수 알루미늄에 가깝고, 순도 99%의 상업용 알루미늄으로 간주됩니다.

반면, 7xxx 및 8xxx 시리즈 합금은 최대 약 2.9 g/cm³의 밀도를 가질 수 있습니다. 특히, 7075 알루미늄 합금은 다른 합금보다 높은 2.81 g/cm³의 밀도를 가지며, 가장 강한 알루미늄 합금 중 하나로, 인장 강도가 6061 알루미늄의 거의 두 배에 달합니다.

흥미로운 점은 주로 실리콘과 합금된 4xxx 시리즈 합금은 실리콘이 알루미늄의 밀도를 감소시키기 때문에 순수 알루미늄의 밀도인 2.7g/cm³보다 밀도가 낮을 수 있다는 것입니다.

1.7 물리적 특성

• 알루미늄은 약간 푸른빛을 띤 은백색으로 쉽게 알아볼 수 있습니다.
• 순수한 알루미늄은 부드러운 금속이지만 합금하면 더 단단하고 강해집니다.
• 알루미늄은 부드러워서 망치로 두드려서 아주 얇은 판으로 만들 수 있습니다.
• 연성이 뛰어나 프로젝트 요구 사항에 맞게 모양을 바꾸거나 구부릴 수 있습니다.
• 알루미늄은 전기와 열을 잘 전도하며 보호용 산화물 코팅을 형성하여 부식을 방지합니다.

1.8 화학적 특성

• 알루미늄은 다양한 화학적 특성을 나타내며, 주로 알루미늄, 산소, 그리고 기타 원소의 혼합물인 보크사이트 광석에 화합물 형태로 존재합니다. 보크사이트는 알루미늄의 주요 공급원입니다.
• 알루미늄은 산소에 노출되면 천천히 반응하여 알루미늄 산화물의 보호층을 형성합니다.
• 알루미늄은 뜨거운 산과 뜨거운 물을 포함한 많은 액체와 반응합니다.
• 또한 석회수와 수산화나트륨과 같은 염기와 반응하고 마그네슘, 구리, 실리콘과 같은 원소와 결합하면 고강도 합금을 형성합니다.

1.9 알루미늄 합금의 밀도 변화

• 합금 효과:Mg, Si, Cu, Zn과 같은 합금 원소는 알루미늄 합금의 밀도에 약간의 변화를 일으켜 기계적 성질과 다용성에 영향을 미칩니다.
• 기타 요소:가공, 입자 크기, 온도, 경화, 열처리, 코팅, 수화 및 불순물도 밀도에 영향을 미칩니다.
• 밀도 범위:순수 알루미늄의 밀도는 약 0.1 lb/in³(2,700 kg/m³)입니다. 알루미늄 합금은 재질에 따라 약간씩 차이가 있지만 강철보다 훨씬 가볍습니다.

2.0 알루미늄 밀도가 산업 디자인 및 응용 분야에 미치는 영향

가벼운 디자인

자동차, 항공우주, 철도 산업에서 무게를 줄이고 에너지 효율성을 개선하는 데 널리 사용됩니다.

예: 알루미늄 합금 자동차 도어의 무게는 강철 도어보다 30~50% 가볍습니다.

비용, 밀도 및 강도의 균형

밀도가 낮다는 것이 항상 더 나은 것은 아닙니다. 최적의 설계를 위해서는 강도와 강성을 고려해야 합니다.

비강도(강도 대 중량 비율)는 재료 성능 평가의 핵심 지표입니다.

알루미늄 프로파일 및 중공 튜브의 장점

중공 구조 + 낮은 밀도 = 단위 부피당 뛰어난 성능.

3.0 CNC 가공에서 알루미늄 밀도가 중요한 이유

자재 취급 및 처리 효율성

• 알루미늄은 밀도가 낮아 강철이나 티타늄보다 가볍고 취급이 쉬워 가공 효율성이 향상됩니다.
• 가벼운 소재를 사용하면 CNC 기계의 부하가 줄어들어 도구 수명이 늘어나고 유지 관리 비용도 줄어듭니다.

공구 마모 및 절삭력

• 알루미늄을 가공할 때는 절삭력을 낮추어 공구 마모를 줄이고 공구 수명을 연장합니다.
• 절삭력을 낮추면 절삭 속도와 이송 속도가 빨라져 생산성이 향상됩니다.

열 관리

• 알루미늄의 우수한 열전도도는 기계 가공 중 열을 방출하여 열팽창, 뒤틀림 또는 변형을 방지하는 데 도움이 됩니다.
• 효율적인 열 관리를 통해 치수 정확도와 표면 마감 품질이 보장됩니다.

재료 제거율(MRR)

• 밀도가 낮으면 밀도가 높은 재료에 비해 MRR이 높아져 재료 제거 속도가 빨라지고 가공 시간이 단축됩니다.

치수 정확도 및 표면 마감

• 알루미늄은 밀도와 절삭 특성 덕분에 가공성이 뛰어나 정밀한 적용에 필수적인 엄격한 허용 오차 제어와 고품질 표면 마감이 가능합니다.

4.0 밀도와 기타 속성 간의 관계

1. 열처리 상태의 효과: T6, T4, O와 같은 열처리는 알루미늄의 밀도를 크게 변화시키지 않지만 부피에 약간의 영향을 미쳐 이론적인 계산에 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 와의 관계 열전도도: 알루미늄은 높은 열전도도(~235 W/m·K)와 낮은 밀도를 가지고 있어 방열에 적합한 소재입니다(예: 방열판, LED 브라켓).
3. 전기와의 균형 전도도: 알루미늄의 전기 전도도는 구리보다 낮지만 밀도는 구리의 약 1/3에 불과합니다. 이 때문에 알루미늄은 고전압 전력 전송의 대체재로 널리 사용됩니다.

5.0 알루미늄 밀도에 영향을 미치는 요인

합금 원소: 알루미늄은 기계적 성질을 향상시키기 위해 구리, 마그네슘, 망간, 실리콘, 아연과 같은 금속과 합금되는 경우가 많습니다. 이러한 원소는 최종 합금 밀도를 약간 변화시키는데, 일반적으로 조성에 따라 2.66g/cm³에서 2.80g/cm³ 사이입니다.

온도: 대부분의 재료와 마찬가지로 알루미늄의 밀도는 열팽창으로 인해 온도가 상승함에 따라 감소하고, 냉각되면 수축으로 인해 증가합니다. 온도 변화가 큰 응용 분야에서는 열팽창/수축 효과를 고려해야 합니다.

다공성: 제조 공정은 알루미늄에 기공을 발생시켜 전체 밀도를 낮출 수 있습니다. 주조 공정은 소재 내부에 공극이나 기공을 생성할 수 있지만, CNC 가공을 포함한 첨단 제조 기술은 기공을 최소화하고 일관된 소재 특성을 보장합니다.

6.0 알루미늄 밀도 측정 방법 (인기 과학 가이드)

6.1 필요한 재료 및 장비:

1. 물에 완전히 잠길 수 있는 작은 금속 물체
2. 매달린 물체의 무게를 측정하기 위한 후크가 달린 저울, 최소 0.01g의 분해능(저울에 이 기능이 없는 경우 참고사항 참조)
3. 물체를 균형 후크에 걸기 위한 금속 와이어(구부러진 종이 클립이 잘 맞습니다)
4. 물체가 자유롭게 매달릴 수 있도록 균형을 유지하는 지지대 또는 플랫폼
5. 물체가 쏟아지지 않고 완전히 잠길 수 있을 만큼 큰 비커
6. 저울 아래에 비커를 올바른 높이로 고정하기 위한 지지대
7. 수도물
8. 계산자
9. 물체를 매달기 위한 나일론 실(낚싯줄과 같은) 또는 이와 유사한 가벼운 소재
10. 일회용 니트릴 장갑(특히 납이 포함될 수 있는 금속을 취급할 때)
11. 선택 사항: 테이블이나 카운터 가장자리에 균형대를 고정하기 위한 클램프

6.2 단계별 절차:

1. 저울의 바닥 덮개를 제거하면 내부 후크가 드러납니다.
2. 후크에 접근할 수 있도록 구멍이 있는 스탠드에 저울을 놓으세요.
3. 금속 와이어 후크를 내부 후크에 부착한 다음 저울의 무게를 0으로 설정합니다.
4. 저울 아래쪽의 고리에 나일론 실을 사용하여 금속 물체를 매달고 공기 중에서 무게를 측정합니다.
5. 비커에 물을 채우고 매달린 물체 아래에 놓으세요.
6. 물체가 완전히 잠길 때까지 비커를 들어 올리세요. 지지대를 사용하여 비커가 적절한 높이에 있도록 하세요. 물체 위나 내부에 기포가 없는지 확인하세요.
7. 물에 잠긴 물체의 무게를 측정합니다.
8. 아래 공식을 사용하여 밀도를 계산하세요.
9. 계산된 밀도를 참고 표에 있는 금속 및 합금의 알려진 밀도와 비교합니다.
10. 필요한 경우 다른 샘플에 대해서도 4~9단계를 반복합니다.

6.3 밀도 계산 공식:

ρ = (m_공기) / (m_공기 – m_물) × ρ_물

어디:

• ρ = 물체의 밀도(g/cm³)
• m_air = 공기 중 물체의 질량(g)
• m_워터 = 물에 잠긴 물체의 겉보기 질량(g)
• ρ_물 = 물의 밀도(20°C에서 약 0.998 g/cm³ 또는 25°C에서 0.997 g/cm³)

참고문헌:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity