MTB 프레임 3대 소재 연구
강하고, 가볍고, 오래 가야 한다
MTB가 탄생한 지 어느덧 30년이 지났고 프레임 소재는 스틸을 거쳐 알루미늄이 주를 이루고 있다. 알루미늄보다 조금 늦게 등장한 티타늄과 카본은 각각의 장단점이 있지만 아직은 알루미늄만큼 널리 보급되지는 않았다. 알루미늄은 가볍고 강하며 티타늄은 반영구적인 수명을 갖는다. 카본은 진동 흡수성이 뛰어나고 접합부위가 없는 모노코크 형태로 만들 수 있는 것이 장점이다
글ㆍ사진 한동옥 기자(yoman@bicyclelife.net)
뛰어난 승차감 그러나 비싼 가격 티타늄
1970년대에 처음 MTB가 등장했을 때 주로 사용된 소재는 스틸(Steel, 강철)이었다. 스틸은 값 싸고 용접이 쉬워 쉽게 프레임을 만들 수 있었지만 무게가 무겁고 페인트가 벗겨진 부분이나 프레임 안쪽으로 쉽게 녹이 스는 단점이 있었다. 이에 따라 업체들은 새로운 프레임을 소재를 찾아 나섰는데 그 결과 하이텐강과 크롬몰리브덴강으로 프레임을 만들었다. 하지만 이 둘 역시 스틸을 기본으로 한 합금이어서 여전히 무겁고 녹이 스는 한계를 벗어날 수 없었다. 결국 많은 업체들이 알루미늄 합금으로 눈을 돌렸다.
1983년 캐논데일이 알루미늄을 사용한 MTB를 대량생산하기 시작한 데 이어 80년대 중반부터는 티타늄과 카본까지 프레임 소재로 사용되기 시작했다. 80년대 초반까지만 해도 스틸이 MTB 프레임의 절대적인 소재였고 알루미늄은 소수의 틈새시장에서만 통용되었다. 하지만 2000년대에 이르러서는 알루미늄이 MTB 프레임의 주요소재가 되었고 스틸을 사용한 프레임은 저가 생활자전거나 일부 수작업으로 만드는 고급 모델에만 사용될 정도로 반대상황이 되었다.
최근 MTB의 소재로 주로 사용되는 티타늄과 알루미늄, 카본을 집중 분석해 보기로 한다.
티타늄 프레임은 값이 비싸고 무게가 가벼워 최고급 프레임으로 평가받는다. 그러나 잘못 알려진 점도 있는데, 바로 티타늄이 매우 희귀한 소재이고 가볍다는 생각하는 것이다. 사실 티타늄은 무척 흔한 소재이고 알루미늄에 비해 1.5배 이상 더 무거운 금속이다. 하지만 시중에서 판매되는 티타늄 프레임은 아주 비싸고 가벼운 이유는 무엇일까? 티타늄의 성질을 보면 답을 알 수 있다.
티타늄의 특징
순수한 티타늄은 강도가 그리 높지 않아서 프레임으로 만들기 위해서는 알루미늄 합금과 마찬가지로 여러 원소를 섞어 합금으로 만들어야 한다. MTB 프레임과 부품에 주로 쓰이는 티타늄 합금은 3Al/2.5V이나 6Al/4V 티타늄 합금으로, 3Al/2.5V 티타늄은 3%의 알루미늄과 2.5%의 바나듐이 첨가된 티타늄 합금이라는 뜻이고 6Al/4V는 6%의 알루미늄과 4%의 바나듐이 첨가되었다는 의미다. 이렇게 합금 형태가 된 티타늄은 신장률(소재가 부러지기 전까지 늘어나는 성질)이 알루미늄이나 스틸보다 휠씬 높은 장점을 갖는다. 신장률이 높으면 그만큼 잘 부러지지 않는다는 걸 뜻하며 티타늄의 신장률은 15~20%로 6~12%의 알루미늄보다 휠씬 더 높다.
티타늄은 스틸 튜브보다 더 얇은 튜브로 프레임을 만들어도 오버사이즈 튜브를 사용한 알루미늄보다 가볍게 만들 수 있으면서 강한 특징을 얻는다. 여기에 스틸 프레임과 카본 프레임의 장점인 진동 흡수성도 갖는다. 이런 특성으로 보면 MTB 프레임 소재로 가장 적합한 것 같지만 값이 비싼 것이 단점이다. 최근에는 대만과 중국에서도 티타늄 프레임이 생산되어 비교적 값이 싼 제품도 선보이고 있다.
티타늄은 값이 비싼 것 외에도 가공이 어려운 것 또한 단점으로 꼽힌다. 티타늄 가공 설비 자체가 비쌀뿐더러 용접할 때 사용하는 아르곤 가스의 순도에 따라 용접의 질이 좌우되기 때문에 아르곤 가스의 순도 관리도 무척 중요하다.
티타늄 프레임의 장점
티타늄 프레임은 알루미늄과 스틸 프레임의 장점을 고루 갖는다고 할 수 있다. 알루미늄 프레임만큼이나 가벼우면서도 스틸 프레임의 내구성을 갖기 때문이다. 여기에 내식성도 뛰어나 별도의 도색을 하지 않더라도 부식되지 않고 외관이 고급스럽다. 만약 파손이 되더라도 알루미늄이나 카본 프레임과는 달리 파손 부분만을 분리해 새 튜브로 다시 용접하는 수리가 가능하다. 진동 흡수성도 좋아 장시간 라이딩 때 몸의 피로를 줄여주며 피로강도가 매우 높고 내식성이 좋아 거의 반영구적으로 사용할 수 있다는 것도 티타늄의 장점 중 하나다.
카본은 금속이 아닌 섬유다 카본
카본 섬유로 제직한 모습 카본 직물에 에폭시 수지를 코팅해 반건조시킨 프리프레그. 원단 형태로 되어 있어 용도에 맞게 잘라서 사용한다
티타늄과 알루미늄은 모두 금속이지만 흔히 카본이라고 불리는 CFRP(Carbon Fiber Reinfoced Plastic, 탄소섬유 강화플라스틱)는 복합소재다. 카본 섬유는 아크릴 수지나 석유, 석탄 등 여러 가지 재료에서 탄화시켜서 만든 섬유다. 카본 섬유를 만들기 전의 재료를 프리커서라고 하는데, 여기에는 크게 3가지가 있고 프리커서에 따라 카본섬유의 종류도 나뉜다.
첫째, 팬(PAN)계 카본 섬유로 폴리아크릴로니트릴(Polyacrillonitrile)로 만든 섬유다. 현재 사용하는 대부분의 카본이 팬계라고 할 수 있으며 생산성이 좋고 값이 싼 편이다. 둘째는 피치(PITCH)계로 아스팔트의 부산물로 나오는 피치를 섬유형태로 방사시킨 후 탄화시킨 것이다. 탄성이 매우 좋지만 값이 비싼 단점이 있다. 마지막이 레이온(RAYON)계로 레이온 섬유를 고온에서 탄화시켜 만들며 내열성이 매우 좋지만 군사용이나 우주 항공용으로 쓰여 수입규제 품목에 묶여 있다. 이 중 MTB 프레임이나 부품을 만드는 것은 팬 계열의 카본 섬유다.
그럼 어떻게 섬유로 프레임과 같이 단단한 형태를 만드는 것일까. 그러기 위해서는 먼저 카본 섬유를 직물 형태로 제직해야 한다. 이 제직 과정에서 평직 직물과 능직 직물로 만들 수 있는데 용도에 따라 선택해서 사용한다. 이렇게 제직된 직물에 에폭시 수지를 코팅해 반건조 시키고 이 과정을 거치면 스카치테이프처럼 접착력이 있는 프리프레그(Prepreg)가 된다. 이 프리프레그를 원하는 두께와 강도에 따라 적층하고 몰드에 넣은 후 높은 온도와 압력을 가하면 단단한 카본 제품이 성형된다.
카본만으로 제작하는 경우 외에 알루미늄이나 기타 금속을 성형단계에서 같이 성형하면 프레임의 일부분이 카본이거나 알루미늄인 제품을 만들 수 있다. 또 카본을 성형한 후 에폭시 접착제를 이용해 붙이기도 한다.
카본으로 프레임을 만들 때는 다양한 각도에서의 충격으로부터 견딜 수 있는 충분한 강도를 얻기 위해 성형 전에 카본 섬유를 여러각도로 겹층한다. 특히 BB셸이나 헤드튜브 같이 많은 하중을 받는 부분은 제조사에서 특별히 신경을 써서 제작한다.
카본의 단점은 신장률이 낮다는 것이다. 인장강도는 매우 높은데 비해 카본의 신장률은 일반적으로 5% 정도로 이는 티타늄의 1/3~1/4 정도여서 한계 이상의 힘이 가해지면 구부러지지 않고 찢어지는 형태로 부러지고 만다. 섬유이기 때문에 물을 흡수하는 성질이 있고 이것을 막기 위해 투명한 페인트로 도색하기도 한다. 하지만 일반용도로 사용하는 데는 전혀 지장이 없어 특별한 주의를 기울이지 않아도 된다.
카본은 장점이 매우 많은 발전성 높은 소재다. 일단 진동흡수성이 뛰어나 프레임뿐만 아니라 테니스 라켓에도 많이 사용된다. 그래서 카본 프레임은 승차감이 좋다고 하고 핸들바나 시트포스트 등으로 점차 사용범위를 늘려가고 있다. 게다가 카본은 알루미늄보다 강도가 2배 정도 높고 무게는 오히려 가볍다. 부식 또한 없고 온도에 따른 변화가 거의 없는 것도 카본만의 장점이다. 기하학적인 곡선 형태를 가진 모노코크 프레임은 알루미늄이나 티타늄 같은 금속으로는 흉내낼 수 없는 카본만의 전문분야다. b
가볍고 단단하며 저렴하다 알루미늄
MTB하면 당연히 알루미늄으로 만든 프레임을 사용한다는 인식이 퍼질 정도로 많은 MTB에 알루미늄이 쓰이고 있다. 처음 알루미늄이 프레임 소재로 사용되기 어려웠던 이유는 기존의 스틸에 비해 충분한 강도를 낼 수 없다는 것이었다. 특히 용접부위의 강도가 부족했는데, 이 문제는 열처리를 통해 해결할 수 있었다.
강도를 높이기 위해 지름이 큰 튜브를 사용해서 흔히 오버사이즈(over size) 튜브를 쓰는 것은 대부분의 알루미늄 프레임에 해당하는 말이다. 같은 강도를 내기 위해서는 스틸과 티타늄보다 지름을 더 키워야 하기 때문이다. 하지만 알루미늄은 스틸과 티타늄보다 가볍기 때문에 부피를 키워도 별 문제가 없었고 스틸이나 티타늄으로는 시도할 수 없는 다양한 디자인이 탄생할 수 있는 계기가 되었다.
순수한 알루미늄은 강도가 매우 낮아 MTB 소재로는 적합하지 않다. 그래서 알루미늄은 여러 가지 원소를 섞어 합금 형태로 강도를 높이는데, 알루미늄 합금은 원소에 따라 4자리 숫자로 1000번대부터 7000번대까지 구분하고 있다. 먼저 1000번대는 순도 99.9% 이상의 알루미늄으로 강도는 낮지만 성형성이 뛰어나다. 하지만 강도가 너무 낮아 MTB 프레임이나 부품 소재로는 사용할 수 없다. 2000번대는 알루미늄에 구리를 주 원소로 한 합금으로 강도가 높지만 용접성이 떨어져 프레임보다는 핸들바에 일부 사용된다. 3000번대는 망간계 알루미늄 합금이고 4000번대는 실리콘계, 5000번대는 마그네슘계 합금인데 MTB프레임과 부품 소재로는 거의 쓰이지 않는다.
MTB 프레임 소재로 가장 많이 사용되는 알루미늄 합금은 6000번대와 7000번대다. 6000번대는 알루미늄에 마그네슘과 실리콘을 섞은 합금으로 마그네슘과 실리콘, 구리와 크롬을 혼합한 6061 알루미늄이 대표적이다. 알루미늄 합금 중 강도는 중간 정도지만 용접 후의 열처리성과 가공성이 좋아 복잡한 형태의 프레임을 만드는데 유리하다. 풀서스펜션 프레임이나 모노코크 형태의 프레임에 주로 쓰인다. 7000번대 알루미늄 합금은 아연과 마그네슘이 주된 첨가원소로, 7005와 7075 알루미늄이 대표적이다. 특히 아연과 마그네슘, 구리와 크롬이 섞인 7075 알루미늄은 알루미늄 합금 중에서 가장 높은 강도를 갖는다. 대신 가공성이 떨어져 하드테일 프레임에 주로 사용하고 복잡한 형태의 풀서스펜션에는 쓰기 어렵다. 이 외에도 스칸듐 프레임은 알루미늄 합금에 스칸듐을 첨가한 것이고, 트렉과 게리피셔에서 사용하는 ZR9000 합금도 알루미늄에 지르코늄을 첨가한 알루미늄 합금이다.
알루미늄 프레임은 열처리가 매우 중요하다. 튜브와 튜브를 겹쳐 용접한 후에는 용접 부위의 강도가 용접 전보다 떨어지게 되는데, 이는 열처리를 통해 보강할 수 있기 때문이다. 그래서 알루미늄 프레임에는 어떤 열처리를 했는가를 알리는 표시가 추가된다. 이것이 알루미늄 합금 4자리 숫자 뒤에 들어가는 T4나 T6 등이다. 여기서 T는 열처리(heat treatment)의 약자다. 알루미늄 프레임의 열처리는 최대 36시간이 걸릴 만큼 오랜 시간이 필요하다. 대량생산된 프레임 중 용접 부위 근처에 자주 크랙이 가는 제품은 설계불량일 수도 있지만 납기일을 맞추기 위해 열처리 시간을 제대로 지키지 않은 것일 수도 있다. 알루미늄은 스틸이나 티타늄과는 달리 충격이 계속 누적되면 언젠가는 부러질 수 있지만 걱정할 필요는 없다. 프레임 설계 기술의 발달로 피로를 고루 분산시키고 있기 때문이다. 하지만 용도 이상의 무리한 라이딩은 프레임 수명의 단축을 가져온다는 것을 잊어서는 안 된다.
티타늄과 카본 프레임에 비해 알루미늄은 싸고 성능이 떨어지는 것으로 생각하기 쉽지만 알루미늄은 많은 장점을 가지고 있다.
첫째, 무척 단단하다. 단단한 프레임은 힘 전달이 빨라서 빠른 가속을 얻기 위한 레이스용 프레임에는 알루미늄이 많이 사용된다. 둘째, 카본이나 티타늄 프레임보다 훨씬 싼 가격으로 공급된다. 셋째, 도색이 쉽고 가공성이 좋아 복잡한 형태의 풀서스펜션 프레임을 만들기에 적합하다. 이런 장점으로 티타늄과 카본이 MTB 소재로 등장한 지 20년이 지난 지금에도 알루미늄은 가장 인기 있고 대중적인 소재가 되고 있다.
자전거의 프레임에 이용되는 재료로서는 다음의 재료를 들 수 있습니다.
[크로몰리]
철 에 Cr와 Mo를 함유 시킨 Fe-Cr-Mo합금을 가리킨다. 비교적 저렴하고
성형성 및 용접성도 좋다. 많은 자전거에 이용되는 재료이며 일반 자전거에
이용되는 「하이 10강」과는 다르다. 하이텐이라 불이는 이 강은 고장력강
으로 크로모리와는 달라, 강도를 내기 위해 두께가 두껍고, 중량 무겁게 된다.
결점으로서는, 녹슨다. 알루미늄등과 비교해 무거운 프레임이 된다.
그리고 경년 변화가 일어나기 쉽다.
[니.바.크롬]
해외의 로드 프레임에 이용되는 것이 있다. 철중에 니켈과 바
나지움 크롬을 합금 시킨 철계 합금. 87년의 이탈리아 사이클 쇼
로 데뷔!크로모리보다 강하지만, 약간 고가가 된다. 사용되는 부품
은 포크등에 이용되고 있는 것을 본 (것)일이 있다.
[알루미늄]
일반적으로는 6000계(Al-Mg-Si)와 7000계(Al-Zn-Mg-Cu)의 2 종류가
있어 이것에 열처리(알루미늄의 경우는 높은 온도에 재료를 유지해, 성질을 변
화 시키는 것)를 가하면 다양한 재료가 된다.
6000계：내식성과 강도, 용접성을 잘 밸런스 한 재료
7000계：Al합금중에서 최강의 재료. 초들듀랄민의 것으로
전투기도 이것으로 만드는 것도 있다.
그 강도와 정반대로 용접이 어려운 것과
내식성이 나쁘다(흰색으로 되어진다).
전체적인 알루미늄 프레임의 이점으로서는, 크로모리후레임보다 통상경도가 높고
있고, 녹슬기 힘들다, 경년 변화가 적고 , 튜브를 굵게 하거나 튜빙 방법을 바꾸어
강도를 유지할 수 있다. 하지만 튜빙을 크게 할 경우 바람의 저항을 받기 쉽다. 열처리에 의해 크게
성질이 바뀌는(메이커간의 격차가 크다) 등의 결점이 있다.
알루미늄은 충격 흡수성이 좋습니까? 라고 묻지만, 열처리에 따라서바뀌므로
일률적으로 말할 수 없다.
티탄
최근이 되어 일반적으로 많이 사용되게 된 재료. 이점으로서 가볍다.
녹슬지 않는다. 충격 흡수성이 좋다. 경년 변화가 적다(용접부는 제외). 치타
결점으로서 고가이다. 용접이 이상하게 어렵다. 가공이 어렵다.
이러한 결점을 극복했을 때, 오랜동안 애마가 되는 것은 틀림없다.
[carbon]
탄소섬유를 수지로 굳힌 것으로, 타재료를 압도 하는 가벼움 함께, 충격흡
수성이 좋은 것을 생각하면 앞으로도 계속 사용될 미래의 재료이다.
방향성을 가진 재료(끌기에는 강하지만 전단에 약하다)이기 때문(에), 만드는과정
이 복잡하고 여러번 시트를 거듭하는 일로 힘의 방향에대한 응력을 갖게하고 있다.
결국 이 과정에서 중량이 늘어나게 된다. 하지만 카본이 비금속이라는 특성상 제일
가볍고 튼튼한 제품임에는 틀림없다.메이커에 따라 보면, 케스트렐은
응력 해석에 의한 시트가 접착시킬 수 있는 공정을 최적화. TREK는 탄소섬유를 수
지중에서 조밀하게 전면에 까는 (것)일로 경량화.경량화와 강도의 증가하게 만들고 있으며
현재 산악용으로 공인 받고 있는 제품은 이두회사와 대만의 카본 프래임 업체 몇몇이다..
결점으로서는, 균열이 생길수 있으며.복잡한 응력에 대해 완전히 커버 하기위한 공정으로
가격이 비싸고 수작업과 열성형 압착기를 사용해 성형함으로 공정이 많이 복잡해 대량 생산이
힘들다..
[메탈 matrices,composite(M2, MMC, M2C)]
알루미늄 베이스에 세라믹의 분말이나 섬유를 혼합하는 (것)일로 훌륭한 강도가
얻을 수 있다. 이전에는, 국가 기밀과까지 말해진 재료이다. 이점으로서는,
알루미늄과 비교해 압도적인 강도를 얻을 수 있으므로, 가벼운 프레임을 만들 수 있다.
딱딱하기 때문에, Direct에 진행되는 등을 들 수 있다. 결점은 강도로 증가로인한
충격 흡수성이 나쁘다. 이재료를 사용하는 주위 부품을 찾아보면 알미늄에 카본 코딩이된
2000년 이후 모델 마니또 샥의 스티어링 튜브가 있다.
강하고, 가볍고, 오래 가야 한다
MTB가 탄생한 지 어느덧 30년이 지났고 프레임 소재는 스틸을 거쳐 알루미늄이 주를 이루고 있다. 알루미늄보다 조금 늦게 등장한 티타늄과 카본은 각각의 장단점이 있지만 아직은 알루미늄만큼 널리 보급되지는 않았다. 알루미늄은 가볍고 강하며 티타늄은 반영구적인 수명을 갖는다. 카본은 진동 흡수성이 뛰어나고 접합부위가 없는 모노코크 형태로 만들 수 있는 것이 장점이다
글ㆍ사진 한동옥 기자(yoman@bicyclelife.net)
뛰어난 승차감 그러나 비싼 가격 티타늄
1970년대에 처음 MTB가 등장했을 때 주로 사용된 소재는 스틸(Steel, 강철)이었다. 스틸은 값 싸고 용접이 쉬워 쉽게 프레임을 만들 수 있었지만 무게가 무겁고 페인트가 벗겨진 부분이나 프레임 안쪽으로 쉽게 녹이 스는 단점이 있었다. 이에 따라 업체들은 새로운 프레임을 소재를 찾아 나섰는데 그 결과 하이텐강과 크롬몰리브덴강으로 프레임을 만들었다. 하지만 이 둘 역시 스틸을 기본으로 한 합금이어서 여전히 무겁고 녹이 스는 한계를 벗어날 수 없었다. 결국 많은 업체들이 알루미늄 합금으로 눈을 돌렸다.
1983년 캐논데일이 알루미늄을 사용한 MTB를 대량생산하기 시작한 데 이어 80년대 중반부터는 티타늄과 카본까지 프레임 소재로 사용되기 시작했다. 80년대 초반까지만 해도 스틸이 MTB 프레임의 절대적인 소재였고 알루미늄은 소수의 틈새시장에서만 통용되었다. 하지만 2000년대에 이르러서는 알루미늄이 MTB 프레임의 주요소재가 되었고 스틸을 사용한 프레임은 저가 생활자전거나 일부 수작업으로 만드는 고급 모델에만 사용될 정도로 반대상황이 되었다.
최근 MTB의 소재로 주로 사용되는 티타늄과 알루미늄, 카본을 집중 분석해 보기로 한다.
티타늄 프레임은 값이 비싸고 무게가 가벼워 최고급 프레임으로 평가받는다. 그러나 잘못 알려진 점도 있는데, 바로 티타늄이 매우 희귀한 소재이고 가볍다는 생각하는 것이다. 사실 티타늄은 무척 흔한 소재이고 알루미늄에 비해 1.5배 이상 더 무거운 금속이다. 하지만 시중에서 판매되는 티타늄 프레임은 아주 비싸고 가벼운 이유는 무엇일까? 티타늄의 성질을 보면 답을 알 수 있다.
티타늄의 특징
순수한 티타늄은 강도가 그리 높지 않아서 프레임으로 만들기 위해서는 알루미늄 합금과 마찬가지로 여러 원소를 섞어 합금으로 만들어야 한다. MTB 프레임과 부품에 주로 쓰이는 티타늄 합금은 3Al/2.5V이나 6Al/4V 티타늄 합금으로, 3Al/2.5V 티타늄은 3%의 알루미늄과 2.5%의 바나듐이 첨가된 티타늄 합금이라는 뜻이고 6Al/4V는 6%의 알루미늄과 4%의 바나듐이 첨가되었다는 의미다. 이렇게 합금 형태가 된 티타늄은 신장률(소재가 부러지기 전까지 늘어나는 성질)이 알루미늄이나 스틸보다 휠씬 높은 장점을 갖는다. 신장률이 높으면 그만큼 잘 부러지지 않는다는 걸 뜻하며 티타늄의 신장률은 15~20%로 6~12%의 알루미늄보다 휠씬 더 높다.
티타늄은 스틸 튜브보다 더 얇은 튜브로 프레임을 만들어도 오버사이즈 튜브를 사용한 알루미늄보다 가볍게 만들 수 있으면서 강한 특징을 얻는다. 여기에 스틸 프레임과 카본 프레임의 장점인 진동 흡수성도 갖는다. 이런 특성으로 보면 MTB 프레임 소재로 가장 적합한 것 같지만 값이 비싼 것이 단점이다. 최근에는 대만과 중국에서도 티타늄 프레임이 생산되어 비교적 값이 싼 제품도 선보이고 있다.
티타늄은 값이 비싼 것 외에도 가공이 어려운 것 또한 단점으로 꼽힌다. 티타늄 가공 설비 자체가 비쌀뿐더러 용접할 때 사용하는 아르곤 가스의 순도에 따라 용접의 질이 좌우되기 때문에 아르곤 가스의 순도 관리도 무척 중요하다.
티타늄 프레임의 장점
티타늄 프레임은 알루미늄과 스틸 프레임의 장점을 고루 갖는다고 할 수 있다. 알루미늄 프레임만큼이나 가벼우면서도 스틸 프레임의 내구성을 갖기 때문이다. 여기에 내식성도 뛰어나 별도의 도색을 하지 않더라도 부식되지 않고 외관이 고급스럽다. 만약 파손이 되더라도 알루미늄이나 카본 프레임과는 달리 파손 부분만을 분리해 새 튜브로 다시 용접하는 수리가 가능하다. 진동 흡수성도 좋아 장시간 라이딩 때 몸의 피로를 줄여주며 피로강도가 매우 높고 내식성이 좋아 거의 반영구적으로 사용할 수 있다는 것도 티타늄의 장점 중 하나다.
카본은 금속이 아닌 섬유다 카본
카본 섬유로 제직한 모습 카본 직물에 에폭시 수지를 코팅해 반건조시킨 프리프레그. 원단 형태로 되어 있어 용도에 맞게 잘라서 사용한다
티타늄과 알루미늄은 모두 금속이지만 흔히 카본이라고 불리는 CFRP(Carbon Fiber Reinfoced Plastic, 탄소섬유 강화플라스틱)는 복합소재다. 카본 섬유는 아크릴 수지나 석유, 석탄 등 여러 가지 재료에서 탄화시켜서 만든 섬유다. 카본 섬유를 만들기 전의 재료를 프리커서라고 하는데, 여기에는 크게 3가지가 있고 프리커서에 따라 카본섬유의 종류도 나뉜다.
첫째, 팬(PAN)계 카본 섬유로 폴리아크릴로니트릴(Polyacrillonitrile)로 만든 섬유다. 현재 사용하는 대부분의 카본이 팬계라고 할 수 있으며 생산성이 좋고 값이 싼 편이다. 둘째는 피치(PITCH)계로 아스팔트의 부산물로 나오는 피치를 섬유형태로 방사시킨 후 탄화시킨 것이다. 탄성이 매우 좋지만 값이 비싼 단점이 있다. 마지막이 레이온(RAYON)계로 레이온 섬유를 고온에서 탄화시켜 만들며 내열성이 매우 좋지만 군사용이나 우주 항공용으로 쓰여 수입규제 품목에 묶여 있다. 이 중 MTB 프레임이나 부품을 만드는 것은 팬 계열의 카본 섬유다.
그럼 어떻게 섬유로 프레임과 같이 단단한 형태를 만드는 것일까. 그러기 위해서는 먼저 카본 섬유를 직물 형태로 제직해야 한다. 이 제직 과정에서 평직 직물과 능직 직물로 만들 수 있는데 용도에 따라 선택해서 사용한다. 이렇게 제직된 직물에 에폭시 수지를 코팅해 반건조 시키고 이 과정을 거치면 스카치테이프처럼 접착력이 있는 프리프레그(Prepreg)가 된다. 이 프리프레그를 원하는 두께와 강도에 따라 적층하고 몰드에 넣은 후 높은 온도와 압력을 가하면 단단한 카본 제품이 성형된다.
카본만으로 제작하는 경우 외에 알루미늄이나 기타 금속을 성형단계에서 같이 성형하면 프레임의 일부분이 카본이거나 알루미늄인 제품을 만들 수 있다. 또 카본을 성형한 후 에폭시 접착제를 이용해 붙이기도 한다.
카본으로 프레임을 만들 때는 다양한 각도에서의 충격으로부터 견딜 수 있는 충분한 강도를 얻기 위해 성형 전에 카본 섬유를 여러각도로 겹층한다. 특히 BB셸이나 헤드튜브 같이 많은 하중을 받는 부분은 제조사에서 특별히 신경을 써서 제작한다.
카본의 단점은 신장률이 낮다는 것이다. 인장강도는 매우 높은데 비해 카본의 신장률은 일반적으로 5% 정도로 이는 티타늄의 1/3~1/4 정도여서 한계 이상의 힘이 가해지면 구부러지지 않고 찢어지는 형태로 부러지고 만다. 섬유이기 때문에 물을 흡수하는 성질이 있고 이것을 막기 위해 투명한 페인트로 도색하기도 한다. 하지만 일반용도로 사용하는 데는 전혀 지장이 없어 특별한 주의를 기울이지 않아도 된다.
카본은 장점이 매우 많은 발전성 높은 소재다. 일단 진동흡수성이 뛰어나 프레임뿐만 아니라 테니스 라켓에도 많이 사용된다. 그래서 카본 프레임은 승차감이 좋다고 하고 핸들바나 시트포스트 등으로 점차 사용범위를 늘려가고 있다. 게다가 카본은 알루미늄보다 강도가 2배 정도 높고 무게는 오히려 가볍다. 부식 또한 없고 온도에 따른 변화가 거의 없는 것도 카본만의 장점이다. 기하학적인 곡선 형태를 가진 모노코크 프레임은 알루미늄이나 티타늄 같은 금속으로는 흉내낼 수 없는 카본만의 전문분야다. b
가볍고 단단하며 저렴하다 알루미늄
MTB하면 당연히 알루미늄으로 만든 프레임을 사용한다는 인식이 퍼질 정도로 많은 MTB에 알루미늄이 쓰이고 있다. 처음 알루미늄이 프레임 소재로 사용되기 어려웠던 이유는 기존의 스틸에 비해 충분한 강도를 낼 수 없다는 것이었다. 특히 용접부위의 강도가 부족했는데, 이 문제는 열처리를 통해 해결할 수 있었다.
강도를 높이기 위해 지름이 큰 튜브를 사용해서 흔히 오버사이즈(over size) 튜브를 쓰는 것은 대부분의 알루미늄 프레임에 해당하는 말이다. 같은 강도를 내기 위해서는 스틸과 티타늄보다 지름을 더 키워야 하기 때문이다. 하지만 알루미늄은 스틸과 티타늄보다 가볍기 때문에 부피를 키워도 별 문제가 없었고 스틸이나 티타늄으로는 시도할 수 없는 다양한 디자인이 탄생할 수 있는 계기가 되었다.
순수한 알루미늄은 강도가 매우 낮아 MTB 소재로는 적합하지 않다. 그래서 알루미늄은 여러 가지 원소를 섞어 합금 형태로 강도를 높이는데, 알루미늄 합금은 원소에 따라 4자리 숫자로 1000번대부터 7000번대까지 구분하고 있다. 먼저 1000번대는 순도 99.9% 이상의 알루미늄으로 강도는 낮지만 성형성이 뛰어나다. 하지만 강도가 너무 낮아 MTB 프레임이나 부품 소재로는 사용할 수 없다. 2000번대는 알루미늄에 구리를 주 원소로 한 합금으로 강도가 높지만 용접성이 떨어져 프레임보다는 핸들바에 일부 사용된다. 3000번대는 망간계 알루미늄 합금이고 4000번대는 실리콘계, 5000번대는 마그네슘계 합금인데 MTB프레임과 부품 소재로는 거의 쓰이지 않는다.
MTB 프레임 소재로 가장 많이 사용되는 알루미늄 합금은 6000번대와 7000번대다. 6000번대는 알루미늄에 마그네슘과 실리콘을 섞은 합금으로 마그네슘과 실리콘, 구리와 크롬을 혼합한 6061 알루미늄이 대표적이다. 알루미늄 합금 중 강도는 중간 정도지만 용접 후의 열처리성과 가공성이 좋아 복잡한 형태의 프레임을 만드는데 유리하다. 풀서스펜션 프레임이나 모노코크 형태의 프레임에 주로 쓰인다. 7000번대 알루미늄 합금은 아연과 마그네슘이 주된 첨가원소로, 7005와 7075 알루미늄이 대표적이다. 특히 아연과 마그네슘, 구리와 크롬이 섞인 7075 알루미늄은 알루미늄 합금 중에서 가장 높은 강도를 갖는다. 대신 가공성이 떨어져 하드테일 프레임에 주로 사용하고 복잡한 형태의 풀서스펜션에는 쓰기 어렵다. 이 외에도 스칸듐 프레임은 알루미늄 합금에 스칸듐을 첨가한 것이고, 트렉과 게리피셔에서 사용하는 ZR9000 합금도 알루미늄에 지르코늄을 첨가한 알루미늄 합금이다.
알루미늄 프레임은 열처리가 매우 중요하다. 튜브와 튜브를 겹쳐 용접한 후에는 용접 부위의 강도가 용접 전보다 떨어지게 되는데, 이는 열처리를 통해 보강할 수 있기 때문이다. 그래서 알루미늄 프레임에는 어떤 열처리를 했는가를 알리는 표시가 추가된다. 이것이 알루미늄 합금 4자리 숫자 뒤에 들어가는 T4나 T6 등이다. 여기서 T는 열처리(heat treatment)의 약자다. 알루미늄 프레임의 열처리는 최대 36시간이 걸릴 만큼 오랜 시간이 필요하다. 대량생산된 프레임 중 용접 부위 근처에 자주 크랙이 가는 제품은 설계불량일 수도 있지만 납기일을 맞추기 위해 열처리 시간을 제대로 지키지 않은 것일 수도 있다. 알루미늄은 스틸이나 티타늄과는 달리 충격이 계속 누적되면 언젠가는 부러질 수 있지만 걱정할 필요는 없다. 프레임 설계 기술의 발달로 피로를 고루 분산시키고 있기 때문이다. 하지만 용도 이상의 무리한 라이딩은 프레임 수명의 단축을 가져온다는 것을 잊어서는 안 된다.
티타늄과 카본 프레임에 비해 알루미늄은 싸고 성능이 떨어지는 것으로 생각하기 쉽지만 알루미늄은 많은 장점을 가지고 있다.
첫째, 무척 단단하다. 단단한 프레임은 힘 전달이 빨라서 빠른 가속을 얻기 위한 레이스용 프레임에는 알루미늄이 많이 사용된다. 둘째, 카본이나 티타늄 프레임보다 훨씬 싼 가격으로 공급된다. 셋째, 도색이 쉽고 가공성이 좋아 복잡한 형태의 풀서스펜션 프레임을 만들기에 적합하다. 이런 장점으로 티타늄과 카본이 MTB 소재로 등장한 지 20년이 지난 지금에도 알루미늄은 가장 인기 있고 대중적인 소재가 되고 있다.
자전거의 프레임에 이용되는 재료로서는 다음의 재료를 들 수 있습니다.
[크로몰리]
철 에 Cr와 Mo를 함유 시킨 Fe-Cr-Mo합금을 가리킨다. 비교적 저렴하고
성형성 및 용접성도 좋다. 많은 자전거에 이용되는 재료이며 일반 자전거에
이용되는 「하이 10강」과는 다르다. 하이텐이라 불이는 이 강은 고장력강
으로 크로모리와는 달라, 강도를 내기 위해 두께가 두껍고, 중량 무겁게 된다.
결점으로서는, 녹슨다. 알루미늄등과 비교해 무거운 프레임이 된다.
그리고 경년 변화가 일어나기 쉽다.
[니.바.크롬]
해외의 로드 프레임에 이용되는 것이 있다. 철중에 니켈과 바
나지움 크롬을 합금 시킨 철계 합금. 87년의 이탈리아 사이클 쇼
로 데뷔!크로모리보다 강하지만, 약간 고가가 된다. 사용되는 부품
은 포크등에 이용되고 있는 것을 본 (것)일이 있다.
[알루미늄]
일반적으로는 6000계(Al-Mg-Si)와 7000계(Al-Zn-Mg-Cu)의 2 종류가
있어 이것에 열처리(알루미늄의 경우는 높은 온도에 재료를 유지해, 성질을 변
화 시키는 것)를 가하면 다양한 재료가 된다.
6000계：내식성과 강도, 용접성을 잘 밸런스 한 재료
7000계：Al합금중에서 최강의 재료. 초들듀랄민의 것으로
전투기도 이것으로 만드는 것도 있다.
그 강도와 정반대로 용접이 어려운 것과
내식성이 나쁘다(흰색으로 되어진다).
전체적인 알루미늄 프레임의 이점으로서는, 크로모리후레임보다 통상경도가 높고
있고, 녹슬기 힘들다, 경년 변화가 적고 , 튜브를 굵게 하거나 튜빙 방법을 바꾸어
강도를 유지할 수 있다. 하지만 튜빙을 크게 할 경우 바람의 저항을 받기 쉽다. 열처리에 의해 크게
성질이 바뀌는(메이커간의 격차가 크다) 등의 결점이 있다.
알루미늄은 충격 흡수성이 좋습니까? 라고 묻지만, 열처리에 따라서바뀌므로
일률적으로 말할 수 없다.
티탄
최근이 되어 일반적으로 많이 사용되게 된 재료. 이점으로서 가볍다.
녹슬지 않는다. 충격 흡수성이 좋다. 경년 변화가 적다(용접부는 제외). 치타
결점으로서 고가이다. 용접이 이상하게 어렵다. 가공이 어렵다.
이러한 결점을 극복했을 때, 오랜동안 애마가 되는 것은 틀림없다.
[carbon]
탄소섬유를 수지로 굳힌 것으로, 타재료를 압도 하는 가벼움 함께, 충격흡
수성이 좋은 것을 생각하면 앞으로도 계속 사용될 미래의 재료이다.
방향성을 가진 재료(끌기에는 강하지만 전단에 약하다)이기 때문(에), 만드는과정
이 복잡하고 여러번 시트를 거듭하는 일로 힘의 방향에대한 응력을 갖게하고 있다.
결국 이 과정에서 중량이 늘어나게 된다. 하지만 카본이 비금속이라는 특성상 제일
가볍고 튼튼한 제품임에는 틀림없다.메이커에 따라 보면, 케스트렐은
응력 해석에 의한 시트가 접착시킬 수 있는 공정을 최적화. TREK는 탄소섬유를 수
지중에서 조밀하게 전면에 까는 (것)일로 경량화.경량화와 강도의 증가하게 만들고 있으며
현재 산악용으로 공인 받고 있는 제품은 이두회사와 대만의 카본 프래임 업체 몇몇이다..
결점으로서는, 균열이 생길수 있으며.복잡한 응력에 대해 완전히 커버 하기위한 공정으로
가격이 비싸고 수작업과 열성형 압착기를 사용해 성형함으로 공정이 많이 복잡해 대량 생산이
힘들다..
[메탈 matrices,composite(M2, MMC, M2C)]
알루미늄 베이스에 세라믹의 분말이나 섬유를 혼합하는 (것)일로 훌륭한 강도가
얻을 수 있다. 이전에는, 국가 기밀과까지 말해진 재료이다. 이점으로서는,
알루미늄과 비교해 압도적인 강도를 얻을 수 있으므로, 가벼운 프레임을 만들 수 있다.
딱딱하기 때문에, Direct에 진행되는 등을 들 수 있다. 결점은 강도로 증가로인한
충격 흡수성이 나쁘다. 이재료를 사용하는 주위 부품을 찾아보면 알미늄에 카본 코딩이된
2000년 이후 모델 마니또 샥의 스티어링 튜브가 있다.
손님
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