네이버에 있더군요...아시는분 많을테지만...
프레임 소재공학
原典: Scot Nicol, http://www.greatoutdoors.com/velonews/newsstand/techroom/metal.html
譯:심 순홍, http://my.netian.com/~punyo/index.html
양해: 譯者는 재료공학에 관한 전문가가 아니므로, 원문을 번역함에 있어서, 전문용어를 틀리게 번역했을 가능성이 있습니다. 전문가의 자문을 얻어서 정확한 번역을 제공하는 것이 당연하겠습니다만, 발이 좁아서 도움을 줄만한 전문가를 구할 수 없었습니다. 또한, 자전거에 관해 역자가 가진 대부분의 지식은 일본어를 베이스로 하고 있어서, 한국어적인 표현에 다소의 무리가 있을 수도 있습니다. 자전거와 재료공학에 관심이 있는 분으로서, 원문을 참조해서 틀린 부분을 수정해 주실 분이 있으시면, 심 순홍soonhong.shim@nifty.com에게 메일 부탁합니다. 참고로, 원문에는 章번호는 없습니다. 번역의 章번호는 편의를 위해 역자가 붙인 것이므로, 원문을 참조하실 때는, 章번호보다는 목차에 附記한 원문 타이틀을 기준으로 해 주십시오. 목차에 영문이 부기되어 있는 경우에는 원문에 제목이 있는 경우, 영문이 부기되어 있지 않은 경우에는 역자가 편의를 위해 붙인 것입니다.
목차
1. 도입 The Basics
1.1. 밀도 Density
1.2. 剛性 Stiffness
1.3. 伸張性 Elongation
1.4. 引張强度 Tensile Strength
1.5. 피로强度 Fatigue Strength
1.6. 靭度 Toughness
1.7. 완전성의 추구 The Search for Perfection
2. 스틸이야 말로 진짜다 Steel is Real
2.1. 프레임 소재로서의 스틸 Choosing Steel as a Frame Material
2.1.1. 밀도 Density
2.1.2. 剛性 Stiffness
2.1.3. 伸張性 Elongation
2.1.4. 引張强度: 극한强度와 항복점 Tensile Strength: Ultimate and Yield
2.2. 종합 The Big Picture
3. 알미늄의 미래는 밝다 Aluminum's Future is Bright and Shiny
3.1. 알미늄을 튜브로 Making Aluminum into Tubing
3.2. 알미늄의 物性 Aluminum's Properties
3.2.1. 밀도
3.2.2. 剛性
3.2.3. 伸張性
3.2.4. 피로强度
3.3. 알미늄의 장점을 살리려면 Optimizing Aluminum's Advantages
4. 티타늄 Titanium
4.1. 티타늄의 物性
4.1.1. 밀도와 剛性 Density and Other Properties
4.1.2. 티타늄의 최대 장점: 伸張性과 引張强度 The Real Plus: Elongation and Tensile Strength
4.1.3. 피로强度 Fatigue Strength
4.2. 하지만 나쁜 뉴스도... Now for the Bad News...
5. 카본의 압도적인 잠재성 Carbon Fiber Boasts Tremendous Potential
5.1. 복합재 카본의 놀라운 세계 The Wonderful World of Composites
5.2. 간단한 용어집 A Simple Lexicon
5.3. 더할 나위 없는 수치 The Numbers Look Good
5.4. 積層방법이 모든 것을 결정한다 It's All in the Lay-Up
5.5. 카본의 物性
5.5.1. 引張强度, 압축强度 Tensile and Compressive Strength
5.5.2. 밀도와 剛性 Density and Modulus
5.5.3. 약점: 伸張性 The Weak Link: Elongation
5.6. 밝은 미래 A Brilliant Future
6. 특수한 소재 Exotic Materials
6.1. 서모 플라스틱 복합재 Thermoplastic Composites
6.2. 마그네슘 Magnesium
6.3. 알미늄 메탈 매트릭스 복합재 Aluminum Metal-Matrix Composites
6.4. 알미늄 리튬 Aluminum Lithium
6.5. 보론 카바이드와 실리콘 카바이드 Boron Carbide and Silicon Carbide
6.6. 베릴륨 Beryllium
6.7. 에어멧 100 AerMet 100
6.8. 수수께끼의 素材... And Now for a Mystery Metal...
1. 도입 The Basics
자전거 프레임의 재료로서 가장 뛰어난 素材는 무엇일까? 스틸, 알미늄, 티타늄, 아니면 카본일까? 아직 일반화되지는 않았지만 특수한 소재도 있다. 이 문제는, "비벌리 힐즈"의 샤논(Shannon)의 代役을 누가 할 것인가만큼 중요하지는 않겠지만, 자전거 중독자(나도 마찬가지지만)에게 있어서는 끝없는 논쟁거리를 제공한다.
이 시리즈는, 자전거와 관련된 소재공학을 검토하기 위한 것이다. 내용을 이해하면, 현재 프레임에 사용되고 있는 주요한 소재 전부에 대한 지식을 얻을 수가 있게 되고, 또한 장래 어떤 소재를 기대할 수 있을 것인가에 대한 다소의 전망을 얻을 수 있게 될 것이다.
또 하나의 목적은, 충분한 지식이 없는 사람들에게 자전거 업계가 불어넣는, 멋있는 것같지만 간혹 오해를 불러 일으키는 선전을 구별할 수 있는 눈을 제공해 주는 것이다. 전차의 裝甲에 사용되는 신소재 보랄린(Boralyn)이 사용되고 있다든가, 로켓 과학자에 의해 설계되었다, 는 등의 선전문구는, 실제로는 자전거와는 아무 관계도 없는 것이다. 좋은 자전거를 설계하기 위해서는 실험복도 필요없다. 필요한 것은, 제대로 된 엔지니어링과, 자전거와 타는 사람과의 인체공학적인 관계에 대한 깊은 지식뿐이다.
먼저, 전통적인 프레임은, 과거 100년간에 걸쳐 개량에 개량을 거친, 매우 진화한 구조라는 점을 이해할 필요가 있다. 프레임의 설계를 개량하기 위한 시도는 끝없이 행해지고 있지만, 많은 경우, 개량의 성과는 매우 미미하다. 보다 뛰어난 프레임 설계는 단순한 것처럼 보이지만 실제는 그렇지 않다. 소재와 엔지니어링의 진보에 따라 작은 진보는 이루어지고 있지만, 메이커의 선전과는 달리 실제는 장족의 발전은 이루어지지 않는다. 자전거 설계를 위한 과학은 복잡하기 때문에, 여기에서 그것에 관한 모든 것을 설명하는 것은 불가능하다. 대신, 그 중 가장 중요한 요소에 대해서 서술하기로 하겠다.
소재의 物性을 이해하는 것은 소재 그 자체를 이해하기 위해 불가결한 것이다. 여기서 한 가지, 物性에 관한 용어들이 정확히 사용되지 않고 있다는 점은 주의해야 한다. 이 자전거는 튼튼하다든가, 이 자전거는 11종의 필수 비타민과 미네랄로 보강되어 있다, 는 등의 의미불명한 전문용어를 여러분도 들은 적이 있을 것이다.
이 章에서는 먼저, 정확한 용어를, 기술적 관점 및 자전거에 있어서 어떤 의미를 가지는가, 라는 관점에서 설명하기로 하겠다. 이후의 章에서는, 스틸, 알미늄, 티타늄, 카본, 그리고 그외의 다른 소재들에 대해 검토하겠다. 本章에서 얻은 지식을 이후의 章에서 활용해 주기를 바란다.
프레임의 소재를 선택하기 위해서 필요한 物性은 무엇일까? 이 점을 이해하기 전에, 物性에는 3가지 종류가 있음을 알아 주기 바란다.
물리적 성질: 밀도, 색, 傳導性, 透磁性, 열팽창성
기계적 성질: 伸張性, 피로强度, 硬度, 剛性, 剪斷强度, 引張强度, 靭度
화학적 성질: 반응성, 耐蝕性, 전기화학 포텐셜, 耐방사능성, 耐酸性, 耐알칼리성, 용해도
밀도와 내식성이 중요한 것은 말할 필요도 없다. 역으로, 透磁性이나 耐방사능성은 별 관계가 없다. 하지만, 기계적 성질은 전부 중요하다. 이런 物性들은 도대체 어떤 의미를 가지는가. 이하에서 설명하기로 하자.
1.1. 밀도 Density
먼저 간단한 것부터 시작하자. 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. 이것을 기준으로, 强度나 剛性등의 다른 物性에 눈을 돌려보자. 왜 알미늄이 스틸의 1/3의 밀도라면, 알미늄 프레임의 중량은 스틸 프레임의 중량의 1/3이 아닌 걸까? 이 의문에 대한 대답이 곧 나타날 것이다.
1.2. 剛性 Stiffness
剛性의 측정단위는 탄성계수, 혹은 "영率"이다. 밀도와 마찬가지로, 이것은 비교적 알기 쉬운 개념이다. 어느 정도 지식이 있는 사람이라면, 프레임의 剛性보다 오히려 탄성계수에 대해 이야기할 지도 모른다. "저 자전거의 금속은 무지무지하게 딱딱하네"가 아니라, "나는 저 샌드스피드材의 탄성계수가 소정의 용도에 적절하다고, 단정할 수는 없지만, 추측할 수는 있다"라는 식으로 말이다. 탄성계수라는 용어를 사용함으로써 꽤 똑똑한 척 할 수 있다.
"영率"은, 같은 금속에 관해서는, 열처리나 합금의 배합 비율에 상관없이 일정하다. 열처리한 탕게(Tange)의 프레스티지(Prestige) 튜브의 剛性은 같은 크기의 용접한 1020 스틸 튜브와 동일하다. 같은 직경, 두께의 6061 알미늄 튜브의 剛性은 언제나 동일하다. 하지만, 리튬이나 산화 알미늄을 사용함으로써, 剛性은 바뀔 수 있다.
1.3. 伸張性 Elongation
伸張性은, 어떤 소재가 깨질 때까지 어느 정도 늘어나는가, 즉, 소재의 延性을 의미한다. 延性이란, 소재에 금이 가지 않는 한도 내에서, 塑性변화하는 능력이다. 그런데, 塑性변화란 무엇인가. 이것은, 소재에 負荷를 가하면 변형해서, 負荷가 없어져도 원래 형태대로 돌아가지 않는(즉 굽어버리는) 것을 의미한다. 캬라멜 과자는 연성은 크다. 유리는 연성이 매우 약해 전혀 늘어나지 않는다. 유리처럼 부러지는 일은 자전거에는 있어서는 안된다. 자전거에 있어서 필요한 것은, 부러지기 전에 굽는 성질이다. 伸張性은, 소재를 평가하는 데 있어서 매우 중요한 성질이다. 이후의 章에서는 각각의 소재를 다룰 때 伸張性에 대해서도 고찰하기로 한다.
1.4. 引張强度 Tensile Strength
이것도 매우 중요한 성질이다. 강하면 강할수록 좋은 것은 기본적으로는 옳지만, 그것은 다른 物性도 충분히 고려한 경우의 얘기다. 引張强度라는 용어는, 소재가 굽어서 결국은 부러지는 한계를, 소재를 양측에서 잡아당기는 것에 의해 측정하기 때문에 붙여진 이름이다.
자전거는 보통은 伸張負荷가 커서 부서지는 경우는 거의 없기 때문에, 불필요한 실험이라고 생각할 수도 있다. 그러나, 다행히 이 실험은 소재의 거동을 확인하는 데 적절한 실험이다.
伸張 실험은 소재의 强度, 연성, 剛性 및 열처리, 여타 처리를 위해 적절한 조건을 조사하기 위해 행해진다. 또한, 금속의 압축强度는 引張强度와 밀접한 관계가 있는 경향이 있다.
伸張실험을 하기 위해서는, 단면적을 이미 알고 있는 소재의 양 끝을 고정해, 양방향으로 잡아당긴다. 應力(단위면적당 힘)이 증가함에 따라, 소재의 변형(應力에 의한 치수의 변화)도 증가한다. 이 관계를 그래프로 그리면, 負荷-延長曲線이라는 관계를 얻을 수 있다. 이것을 가지고, 소재의 降伏点과 極限强度뿐만 아니라, 위에서 언급한 몇가지 物性도 알 수 있다.
降伏点이란, 소재가 늘어난 채 원래대로 돌아가지 않는 한계를 말하고, 極限强度란, 소재가 견디는 최대의 負荷로, 보통은 금이 가는 負荷와 거의 같은 개념이다.
1.5. 피로强度 Fatigue Strength
피로强度 또한 따른 物性과 함께 고려해야 할 중요한 성질이다. 피로에 의한 파괴는, 소재에 대한 靜的伸張强度 이하의 최대치를 가지는 應力을 주기적으로 가할 경우에 생긴다. 반복해서 가해지는 스트레스는, 꼬불꼬불한 길을 오랫동안 달릴 경우 자전거에 가해지는 진동이나 충격과 비슷하기 때문에, 이것은 상당히 의미있는 실험이다.
피로强度 자체는, 소재가 어느 정도 회수의 負荷를 받으면 파괴되는가를 측정하는 것이다. 여기서 문제가 되는 것은, 실험을 정확하게 설계하는 일이다. 자전거라는 물건은 복잡해서, 피로를 측정하는 표준적인 실험은 존재하지 않는다. 또 한 가지 문제는, 피로强度 실험은 동일한 스트레스를 주기적으로 가하는 것인데 비해서, 실제 주행할 경우 자전거의 각 부분에 가해지는 부하는 균등하지 않다는 데 있다.
스틸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.
1.6. 靭度 Tougfness
이것은, 소재가 파괴되기 전에 에너지를 흡수해서 塑性변화를 일으키는 능력을 의미한다. 강인한 금속은 延性이 있어서, 부러지기 전에 구부러진다. 이것은, 금이 가 있는 경우에 특히 현저하게 나타난다. 자전거의 프레임에게 있어서, 부러지기 전에 구부러져 위험을 경고해 주는 것은 매우 중요한 요구사항이기 때문에, 靭度는 매우 중요한 항목이다.
靭度는 복잡한 성질이다. 측정 방법은 여러 가지가 있지만, 그 중 몇 가지는 자전거에 적용할 수 있고, 몇 가지는 적용할 수 없다. 靭度는 카본에 관해 논할 때 중요한 항목이므로, 거기에서 좀 더 자세히 논의하도록 하겠다.
1.7. 완전성의 추구 The Search for Perfection
1章의 최초의 질문, "자전거 프레임의 재료로서 가장 뛰어난 素材는 무엇일까?"에 대한 대답은, 각 소재들이 전부 장점과 단점을 가지고 있다는 것이다. 파괴되는 조건은 소재에 따라서 크게 다르기 때문에 다양한 소재를 비교해 프레임을 설계하는 것은 쉬운 일이 아니다. 거기에, 용접, 접착, 절삭, 마무리 등의 방법도 각 소재마다 다르다. 하지만, 가장 곤란한 것은, 광고에 사용되고 있는 틀린 정보를 정확하게 간파하는 것이다. 이 시리즈를 읽고 나면 오히려 여러분은 더욱 혼란에 빠질 지도 모른다.
2. 스틸이야 말로 진짜다 Steel is Real
"코난아, 먼 옛날 땅 위에는 거인들이 살고 있었다. 그리고 혼돈의 암흑 속에서 그들은 크롬(Crom, 역주: 神)을 속여서 鐵의 마술을 훔쳤다. 크롬은 분노했고, 땅이 흔들렸다. 불과 폭풍이 거인들을 쓰러트렸다...하지만, 그 와중에 신들은 철의 비밀을 잊어버리고는 戰場에 남겨놓은 채 떠나버렸다. 그리고 그것을 발견한 것은 신도 아니고 거인도 아니고, 바로 우리 인간들이었다. 철의 비밀은 항상 수수께끼에 쌓여 있다. 코난, 너는 그 비밀을 배워야 한다. 남자도 여자도 동물도 믿을 수 없지만, 철만은 믿을 수 있기 때문이다."(영화 코난(Conan the Barbarian) 중에서, 코난의 아버지)
프레임 빌더들은 옛날부터 스틸의 비밀을 알고 있었다. 사실, 스틸은 다른 어느 소재들보다 프레임 소재로 많이 사용되고 있으며, 다른 소재들보다 프레임 재료로서의 역사가 50년 정도 길다. 2章에서는 스틸은 무엇으로 구성되어 있는가, 자전거 프레임 재료로서 스틸의 장점과 단점, 등에 관해 자세히 서술하도록 하겠다. 하지만, 그 전에 1章을 다시 한 번 읽고 용어에 익숙해지기를 부탁한다.
스틸의 성분은 대부분이 철(원소기호Fe는 라틴어의 ferrum에서 유래)로 이루어져 있다. 금속은 크게, 철금속과 비철금속으로 구별된다. 두말할 필요도 없이, 알미늄과 티타늄은 비철금속이다. 스틸은 지각중에 4번째로 많이 존재하는 원소이므로, 자전거 프레임을 만드는 데 필요한 철이 고갈되는 일은 없을 것이다(크롬이나 몰리브덴의 경우는 사정이 다르다). 하지만 지구상에는 운석 이외에는 純鐵로서 존재하는 것은 드물고, 대부분의 경우는 마그네사이트(4산화철: Fe3O4), 헤마타이트(3산화2철: Fe2O3), 시드라이트(탄화철: FeCO3), 피라이트(황화철: FeS2), 등의 형태로 존재한다.
그럼 원광으로부터 스틸을 만들기 위해서는 어떤 과정이 필요한가? 원석을 녹여서 여러 원소들을 더했다리 뺐다리 함으로써 만들어진다(실제 과정은 發熱반응 등 매우 복잡하지만 여기서는 더 이상 언급하지 않기로 한다).
자전거 업계에서 통상 크로몰리(Cro-Moli)라고 불리는 4130스틸은 다음과 같은 성분으로 구성되어 있다.
o.탄소: 0.23-0.33%
o.망간: 0.4-0.6%
o.크롬: 0.8-1.1%
o.몰리브덴: 0.15-0.25%
o.인: 0.04%
o.유황: 0.04%
o.실리콘: 0.2-0.35%
o.철: 나머지 95% 이상
수백 종류가 넘는 스틸의 합금 중에서 4130이 자전거에 사용되고 있는 이유로서, 예를 들면, 용접과 성형이 용이한 점, 强度, 延性, 靭度가 뛰어난 점을 들 수 있다. 싼 자전거의 경우, 1020 스틸이라는 소재로 만드는 경우가 있는데, 이것은 소위 炭素鋼으로, 크로몰리와 비교하면 强度가 현저하게 떨어진다.
4130이라는 번호의 의미를 설명하자면, 이것은 자동차기술자협회(Society of Automotive Engineers)와 미국철강협회(American Iron and Steel Institute)에서 정해진다. 41xx은 크로몰리, 10xx은 탄소강(크로몰리에 비교해서, 배합물이 적고, 저强度, 저가격)을 나타난다. 첫번째 수자는 스틸의 종류를 나타낸다. 예를 들면, 1이 탄소, 2가 니켈, 3이 니켈과 크롬, 4가 니켈, 크롬, 몰리브덴, 5가 크롬, 등등등. 왼쪽에서 두번째 수자는 합금에 따라 달라진다. 4130의 경우, 합금 중에 포함되어 있는 크롬과 몰리브덴의 비율을 나타낸다. 마지막 2자리 수자는, 1/100% 단위로 탄소의 비합을 나타낸다. 4130의 경우는 0.3%를 의미한다.
모든 크로몰리가 4130인 것은 아니지만, 여기에서는 크로몰리와 4130을 같은 의미로 사용하기로 하자. 크로몰리는 고품질의 자전거에 사용되는 스틸로서는 압도적인 셰어를 차지하고 있다. 참고로, 일반 가게에서 팔고 있는 싼 자전거에 사용되는 스틸의 품질은, 고철을 녹여서 재생한 것보다 약간 나은 정도에 불과하다.
2.1. 프레임 소재로서의 스틸 Choosing Steel as a Frame Material
자전거의 프레임 빌더는, 사용하는 재료를 결정할 때, 많은 요소를 고려할 필요가 있다. 그러나 모든 것을 검토한다고 해도 명백한 결론이 나오는 것은 아니다.
하지만, 프레임의 소재로 스틸을 사용하는 이유는 여러가지가 있다. 1章에서 설명한 물리적 성질을 상기해 보자. 티타늄과 알미늄에 비해 스틸이 어떤 物性을 가지고 있는지 조사해 보자. 얘기를 간단히 하기 위해 여기서는 카본, Metalmatrix 등은 제외하기로 한다. 이 소재들에 대해서는 나중에 각각의 章에서, 티타늄, 알미늄, 스틸 등과 비교하기로 한다.
2.1.1. 밀도 Density
1章에서 밀도부터 설명한 바 있는데, 이것은 밀도가 가장 이해하기 쉬운 物性이기 때문이다. 불행하게도, 밀도에 관해서 스틸은 불리하다. 스틸의 밀도는 7.86으로, 티타늄(4.54)의 2배 정도, 알미늄(2.69)의 3배 정도에 달한다. 오늘날의 자전거에 있어서 輕量化는 지상명제인데, 밀도가 크면 경량화가 어렵기 때문에, 밀도는 매우 중요한 요소가 된다. 하지만, 스틸에게는 다행하게도, 고려해야 할 物性에는 밀도 이외에도 다른 요소가 있다.
2.1.2. 剛性 Stiffness
티타늄이나 알미늄에 비해서 스틸이 뛰어난 점이 剛性이다. 스틸의 영率은 평방인치 당 약 3천만 파운드다(단위 psi). 이에 비해 티타늄 합금 Ti3Al-2V의 경우는 1550만 psi, 6061 알미늄은 약 1천만 psi다. 즉, 이 세 종류의 금속의 剛性의 비는 약 3:2:1로, 밀도의 비와 거의 같다. 바꿔 말하자면, 스틸, 티타늄, 알미늄의 중량당 剛性은 거의 동일하다(단, 이 비교는, 伸張과 厭縮에 관해서만 적용된다).
좀 더 자세히 말하자면, 영率이란, 負荷-歪曲곡선의 한계치보다 아랫쪽의 영역에 있어서의 부하와 왜곡의 비율이다. 이것은 1章에서 간단하게 설명한 바 있는데, 요는, 수자가 크면 클수록 剛性이 높다는 점이다. Wait a minute, though! 스틸의 剛性이 그렇게 높고 알미늄이 낮다면, 왜 두꺼운 튜브의 알미늄 프레임은 왜 그렇게 딱딱한가?
영率의 측정은 소재에 관계없이 전부 동일한 사이즈에서 실시한다. 이 측정의 결과를 단면계수라고 부른다. 튜브의 두께와 직경의 결정은 프레임 빌더가 실력을 발휘하는 포인트의 하나인데, 이 경우 極단면계수는 0.196(D4-d4/D)라는 공식으로 결정한다. 여기서 D는 外徑 d는 內徑을 의미한다. 이 공식이 의미하는 바를 간단히 설명하면, 剛性은 外徑의 3제곱에 비례해서 증가한다는 것이다. 바꿔 말하자면, 직경 2인치의 튜브는, 같은 두께의 직경 1인치의 튜브와 비교해서 중량은 2배지만, 剛性은 8배가 되는 것이다. 클라인(Klein)이나 캐논데일(Cannondale)의 승차감이 좋은 이유를 이제 아시겠는가?
또 한 가지 간단한 예로, 직경은 다르고 중량이 같은 2개의 튜브를 비교해 보자. 직경 1인치, 두께 0.049인치의 스틸 튜브와 직경 1.5인치, 두께 0.032인치의 튜브는 무게는 동일하지만, 剛性은 後者가 1.6배 높다.
여기까지 읽은 독자들은 아마, "그럼 왜 스틸 튜브를 알미늄처럼 두껍게 하지 않을까?"라고 생각할 지도 모르겠다. 여기서 생각하지 않으면 안되는 것이, 이른바 "맥주 캔 효과"라는 것이다. 직경과 두께의 비율이 60:1-70:1보다 커지면 튜브는 맥주 캔처럼 찌그러지기 쉽게 된다. 알미늄이나 티타늄의 경우는 밀도가 낮기 때문에, 두꺼우면서도 찌그러지지 않는 튜브를 만들 수 있지만 스틸은 그렇게는 안된다.
2.1.3. 伸張性 Elongation
앞에서도 언급한 것처럼, 伸張性은 延性의 지표로서, 소재가 파괴되기 전까지 얼마만큼 늘어나는가를 백분률로 표시한 것이다.합금의 배합이나 열처리를 해도 밀도와 剛性은 크게 변화하지 않지만, 伸張性과 强度는 다르다. 伸張실험에서는, 소재는 파괴될 때까지 잡아당겨진다. 試料에는 사전에 마크를 해 두고, 실험이 끝난 뒤 마크간의 거리를 측정해, 둘 사이의 비율을 백분률로 표시한다. 자전거의 튜브에 사용되는 스틸의 경우, 이 수치는 통상 9-15%인데, 10% 이하일 때는 그 소재의 전체적인 物性을 재고할 필요가 있다.
伸張性이 저하할 수록, 프레임은 약하고 부러지기 쉽다. 伸張性이 낮은 소재의 성질을 조사하려면, 靭度와 피로强度와 같은 强度적 측면을 살펴 볼 필요가 있다. 방법으로서는, 충격실험 등 여러가지가 있지만 정확한 분석은 복잡하므로 여기에서는 생략하겠다.
2.1.4. 引張强度: 극한强度와 항복점 Tensile Strength: Ultimate and Yield
引張强度는 합금의 배합률에 따라 크게 변할 수 있다. 일반적인 크로몰리의 引張强度는 90ksi(譯註: 단위 不明)이지만, 트루 템퍼(True Temper)사의 OX3라는 스틸은 2배 가까운 169ksi의 수치를 기록한다. 하지만, 어느쪽의 경우도 자전거에 사용되었을 때 부러질 가능성이 있다. 항공기용 스틸로 만들어진 straight gauge의 튜부는 자전거 프레임의 소재로서 매우 신뢰성이 있다는 것이 경험적으로 알려져 있지만, 引張强度는 90ksi에 지나지 않는다. 그러나, 靭度와 伸張性이 매우 좋아서, 强度가 낮아도 문제가 없는 것인지도 모른다. 트루 템퍼(True Temper)사의 OX3로 만든 튜브의 强度가 보통의 크로몰리에 비해 2배라면, 두께를 반으로 줄일 수 있다. 반 두께의 튜브의 强度와 剛性은 충분한가? No. 내구성에도 문제가 있다.
2.2. 종합 The Big Picture
간단히 말하자면, 고려해야 할 요소가 많다는 점이다. 단편적인 수치를 보는 것만으로 전체를 파악할 수는 없다. 재료공학자가 광고 담당자에게, 어떤 소재에 대한 다른 소재의 우위성을 설명하는 것은 간단하다. 하지만, 실제는, 위에서 언급한 것처럼, 동일한 밀도에도 불구하고 매우 다른 强度를 가지는 2종류의 소재 어느쪽을 가지고도 좋은 자전거를 만들 수 있다.
스틸은 프레임의 소재로서 매우 신뢰성이 높고 가장 성공한 소재라고 할 수 있다. 스틸은 가공하기 쉽고, 용접이 용이하면서, 작업에 필요한 설비가 간단하며, 예측 가능한 형태로 부러진다. 게다가, 무엇보다도 가격이 싸다. 지난 100년간 스틸의 자리를 위협해 온 소재는 적지 않다. 그러나 20년 정도 전부터 알미늄 프레임이 증가하고 있으며, 티타늄도 최근 10년 정도 성공을 거두고 있다. 이처럼, 현재(1994년) 스틸은 전도유망한 몇 가지 소재로부터 도전을 받고 있다. 나머지 소재에 대해서도 다음 章들에서 다루게 되겠지만, 먼저 알미늄을 3章에서 다루기로 하자.
3. 알미늄의 미래는 밝다 Aluminum's Future is Bright and Shiny
자, 수업 시작할까요. 오늘은 알미늄에 대해서 공부하기로 합시다. 이번에는 지금까지 2章에서 공부해 온 내용이 토대가 되겠는데, 1, 2章은 복습했습니까? 자, 그럼, 시작합시다.
지난 10년간 알미늄은 자전거 프레임의 소재로서 비약적으로 보급되어 왔다. 80년대 초반에는 알미늄 자전거는 아직 드물었고, 高價 자전거에만 사용되었지만, 82년에 캐논데일(Cannondale)이 참가한 이후, 보급형 모델이 등장하기 시작했다. 현재에는, 대부분의 대소 메이커들이 알미늄 모델을 제작하고 있다.
알미늄은 지각 중에 가장 풍부하게 존재하는 금속이라서, 재료가 부족할 일은 없다. 또한 알미늄은 마그네슘과 베릴륨 다음으로 가벼운 금속이다. 알미늄의 주원료는 보크사이트라는 광석인데, 이 이름은 처음에 발견된 장소인 프랑스의 Les-Baux-de-Provence라는 지명에서 유래한다. 보크사이트는 알미늄 水化物(Al2O3*2H2O) 및 스틸, 티타늄 산화물 등의 불순물로 구성되어 있다. 이 광석 한 가지만으로 자전거 프레임의 소재로 충분한 원소를 포함하고 있는 것같지만, 스틸과 티타늄의 경우에는 더 좋은 광석이 있다.
3.1. 알미늄을 튜브로 Making Aluminum into Tubing
지각 중의 알미늄을 자전거나 의자용 튜브로 가공하는 프로세스는 매우 복잡하고 환경에 나쁘며 에너지를 다량으로 소비한다. 보크사이트로부터 알미늄을 제조하는 방법을 자세히 공부하려면 두통이 생길 정도이므로, 그 공정이 바이엘法이라고 불리는 것은 정말 적절하다(역주: 바이엘(Bayer)은, 두통약 회사다). 알미늄 1Kg을 제조하는 데 필요한 에너지(전력)는, 스틸의 경우보다 훨씬 높다. 리사이클된 알미늄으로부터 地金을 재생하는 데 필요한 에너지는, 보크사이트로부터 제조하는 공정의 5% 정도에 그치지만, 압연, 추출, draw을 필요로 하는 鍛造공정에는 사용할 수 없다는 문제가 있다.
알미늄 합금에는 여러 가지 종류가 존재하지만, 자전거에 사용되는 鍛造알미늄은 통상 4자리수의 숫자로 표기된다. 그 한 예가, 옛날부터 높은 평가를 받고 있는 6061 합금이다. 이와 비교해서 鑄造알미늄은 3자리수 다음에 마침표를 찍은 다음 4번째 수자를 표시한다. 鍛造/鑄造 두 경우 모두 열처리에 관한 수치는 Tx로 표시한다. 7075T6나 2024T4같은 기호를 본 적이 있을 것이다. 여기서 T6, T4가 열처리에 관한 기호다. 이것은, 어떤 冷間鍛造, 열처리, 에이징(인위적으로 시간의 경과에 의한 硬化효과를 주는 공정) 공정을 거쳤는가를 나타낸다.
알미늄 합금의 경우에는, 열처리에 의해 그 기계적 物性이 크게 변화한다(단, 열처리가 가능한 합금과 불가능한 합금이 있다). 6061 알미늄의 다운 튜브(자전거의 부위별 명칭)를 6061 알미늄의 헤드 튜브(자전거의 부위별 명칭)에 용접할 경우, 용접부의 强度는 용접전에 비해서 떨어진다. 때문에, 열처리 및 에이징을 통해 强度를 보강할 필요가 생긴다. 스페셜라이즈드(Specialized)의 M2에 사용되는 소재로서, 6061을 토대로 해서, 산화 알미늄을 약 10% 배합한 듀랄캔(Duralcan)도 이런 처리가 필요하다. 이스튼(Easton)사의 베릴라이트(Varilite)로 대표되는 7005 알미늄은 용접후의 열처리는 필요없지만, 에이징은 필요하다. 이런 처리는 합금의 固溶體, 결정 구조, 합금의 배합물의 포화상태, 현미경 레벨의 응집 등의 요소에 대해 매우 미세하고 중요한 변화를 초래한다. 자세한 내용에 대해서는 이 글에서는 생략하기로 하겠다.
열처리를 할 수 없는 합금은 보통 冷間鍛造를 통해 强度를 높인다. 냉간단조는 再結晶이 아니라, 압연, drawing, straightening or flattening 같은 공정을 통해 구조를 변화시킨다. 자전거 프레임용의 합금으로 이용되는 예로서는, 5086이나 5083이 있다.
열처리는 2단계에 걸쳐 이루어진다. 먼저, 450-550도의 온도에서 수시간 동안 固溶體 처리를 한다. 다음으로, 공기중 혹은 수중(합금에 따라 다르다)에서 실온냉각한 다음, 에이징 처리를 한다. 열처리 도중 용액 상태가 된 배합물은 응집해서, 알미늄의 强度를 높인다. 배합물의 용해도를 높이고 처리속도를 빨리 하기 위해 에이징은 보통 120-180도 정도의 조건하에서 8-36시간 정도에 걸쳐 이루어진다.
3.2. 알미늄의 物性 Aluminum's Properties
3.2.1. 밀도
첫번째로 다룰 物性인 밀도는 가장 이해하기 쉽고, 프레임 소재로서의 알미늄의 가장 큰 장점이기도 하다. 위에서 설명한 바 있듯이, 알미늄의 밀도는 스틸의 1/3, 티타늄의 약 반 정도다. 경량화에 주력하고 있는 자전거 업계에게 있어서 알미늄은 중요한 위치를 차지하게 되었다. 사실, 알미늄에 대해서 공부하면 할수록, 알미늄의 미래는 밝게 느껴진다. 새롭게 개발된 몇 가지의 알미늄 합금은 크로몰리와 비슷한 强度를 가지면서, 밀도가 크로몰리의 1/3밖에 안된다. 그러나, 현명한 학생 여러분은, 强度나 밀도 이외의 다른 요소도 고려해야 한다는 점을 잊지 않았을 것이다.
3.2.2. 剛性
다른 소재에 비해서 알미늄의 영率은 낮지만, 밀도가 낮기 때문에 직경이 큰 경량 튜브를 만들 수 있으므로, 알미늄으로는 매우 가벼운 자전거를 만들 수 있다. 2章에서 설명한 것처럼, 튜브의 직경과 함께 剛性은 증가한다. 알미늄은 가볍기 때문에, 두꺼우면서 剛性이 높은 튜브를 만들 수 있다. 프레임의 승차감은 디자인에 의해 결정된다. 알란(Alan)과 캐논데일(Cannondale)의 자전거는 둘 다 알미늄이지만, 아무도 알란이 딱딱하다거나 캐논데일이 탄력성이 있다고는 하지 않을 것이다.
3.2.3. 伸張性
알미늄의 물성 중에서 가장 먼저 들 수 있는 단점은 伸張性이다. 알미늄은 부서지기 전까지 어느 정도 늘어나는가. 알미늄의 伸張性은 티타늄에는 비교할 바가 못되고 스틸보다 낮은 것이 보통이다. 낮은 신장성 때문에 프레임은 금이 가기 쉽고, 신장률이 9% 이하의 경우에는 상세한 검토를 필요로 한다. 하지만, 强度, 靭度, 피로强度 등 여러가지 다른 요소도 동시에 고려하지 않으면 안된다는 점은 여러분도 잘 알 것이다.
3.2.4. 피로强度
5086과 같은 예외를 제외하면 알미늄 합금은 피로强度의 한계점이 존재하지 않는다. 즉, 아무리 작은 負荷라도 반복되어 가해지면 결국은 알미늄은 피로에 의해 파괴되고 만다. 좀 섬뜩하게 느껴질 지도 모르지만, 알미늄은 이 점에서 스틸이나 티타늄과는 구별되는 것이다. 지금 시중에는 수많은 알미늄 프레임의 자전거가 출하되어 있다. 그 자전거들은 결국은 전부 부러질 운명인가? 그렇지는 않다.
그럼 어떻게 이 문제를 해결할 것인가. 나는 이 점에 대해서, 이스튼 7005 베릴라이트 튜브를 설계한 찰즈 테셰이라 卿("Sir" Charles Teixeira, 평소에는 척Chuck라고 부르고 있지만)에게 물어 본 적이 있다. 그는 머리가 좋은 친구로, 소재에 관한 것이라면 모르는 것이 없다. 그는 튜브를 설계할 때 몇 가지 점에 유의한다. 그 중 하나가 필요한 곳에는 소재를 충분히 사용한다는 점이다. 이것은 간단하게 들릴 지 모르지만 실제로는 깜빡하기 쉬운 원칙이다. 스틸의 경우에는 벌써 1세기 전부터 이 원리(버티드 튜브(butted tube), 역주: 일부의 두께를 다르게 한 튜브)가 적용되고 있다.
제대로 설계된 버티드 튜브는 프레임을 가벼우면서도 강하게 할 수 있다. 스틸의 경우 어떤 사이즈의 튜브가 제대로 기능하는 가를공부함으로써 다른 소재에서는 어떤 식으로 하면 되는가에 관한 힌트를 얻을 수도 있다. 테셰이라는 베릴라이트를 설계할 때 이 점에 주목했다. 베릴라이트는 1990년에 발매되어, 최초는 덕 브레드베리(Doug Bradbury)의 마니토우(Manitou) 자전거에 사용되었다. 이것이 알미늄의 버티드 튜브가 널리 사용되기 시작한 최초의 예이다. 수년 전부터 트렉(Trek)은 알미늄 버티드 튜브를 이용한 자전거를 만들어 왔지만 최근까지는 널리 보급되지 않았다. 클라인(Klein)과 캐논데일(Cannondale)은 90년대 초반부터 이런 자전거를 만들기 시작해 1994년에는 스페셜라이즈드(Specialized)의 M2에도 버티드 튜브가 사용되기 시작했다.(역주: 이 글은 1994년에 쓰여졌다.)
베릴라이트 튜브는, 높은 應力이 가해지는 부위는 매우 두껍고, 應力이 약한 부분으로 갈수록 얇아진다. 이렇게 부하가 튜브 전체에 분산됨으로써 튜브의 수명이 늘어난다. 자전거 만들기는 로켓 과학이 아니다. 얼마나 훌륭하게 디자인하느냐의 문제인 것이다.
3.3. 알미늄의 장점을 살리려면 Optimizing Aluminum's Advantages
알미늄의 장점을 살리기 위해서는, 단점을 해결하지 않으면 안된다. 그 방법 중의 하나가, 허용오차의 범위를 넓게 잡는 것이다. 복잡한 얘기는 생략하고, 테셰이라에 의하면, 알미늄 튜브의 靜的强度는 스틸의 3배 정도로 잡아야 한다. 여기에는 다른 복잡한 요인들이 작용하기 때문에, 靜的强度를 강화하는 것만이 철칙이라고는 할 수 없다. 요컨대, 소재의 변형이 적을 수록 應力이 작아지고 피로의 가능성도 줄어든다. 負荷가 작은 부위에 응력을 분산하는 것도 필요하다. 이것이 버티드 튜브나 보조판이 필요한 이유다. 또한 응력을 튜브 전체에 분산시킴으로써 프레임의 탄력을 증가시켜 승차감을 좋게 한다.
또 한 가지, 인위적인 에이징에 실패하면 응력에 의한 부식도 문제가 된다. 알미늄은 의외로 복잡한 금속인 것이다.
알미늄의 장래는 어떻게 될까. 테셰이라에게 이 질문을 해 봤지만, 스페이스 셔틀의 베어링이나 F16 전투기의 딥스틱(자동차 오일의 깊이를 재는 봉)에 사용된다, 는 등의 신소재가 등장할 가능성은 매우 희박하다. 진보는 있겠지만, 광고 담당자의 선전 문구는 이제 거의 한계에 달하고 있다. 전체적으로 볼 때, 역시 6061을 능가하는 신소재가 등장할 가능성은 희박하다. 6061은 가장 융통성이 있는 합금으로, 알미늄 중에서도 특히 강인하고 伸張性도 좋다. 고급 크로몰리와 보통의 크로몰리를 비교하면서, 어느 경우에든 좋은 자전거를 만들 수 있는 가능성이 있으며, 소재의 질이 아니라 튜브 단계에서 얼마나 뛰어나게 디자인하느냐가 중요하다는 얘기를 한 적이 있다. 알미늄도 마찬가지다. 보다 强度가 높은 알미늄 합금도 존재하는데, 여기에 대해서는 티타늄과 카본에 대해서 논한 다음 6章에서 다시 언급하기로 하겠다. 다음 章의 주제는 티타늄이다.
4. 티타늄 Titanium
티타늄개발협회(Titanium Development Association)는, 티타늄을 "선택받은 소재"라고 부르는데, 자전거 업계 관계자 중에는 여기에 동의하는 사람도 많을 것이다. 4章에서는 이 수수께끼에 덮인 고가의 소재 티타늄에 대해서 논한다. 가볍고 강인하며 피로를 일으키지 않으며, 마법과 같은 승차감, 게다가 엄청난 가격... 업계 내에서 티타늄에 대한 평가는 높다. 티타늄이 이렇게 높게 평가받는지 그 물성을 조사해 보자.
티타늄은 생각보다 희귀한 금속이 아니다. 알미늄, 스틸, 마그네슘 등에 이어서 풍부한 금속 중의 하나다. 자전거용 스틸의 합금 재료로서 불가결한 크롬과 몰리브덴보다 훨씬 풍부하게 존재한다.
4.1. 티타늄의 物性
4.1.1. 밀도와 剛性 Density and Stiffness
위에서 설명한 바 있듯이, 알미늄의 최대의 장점은 밀도다. 티타늄의 경우에도 밀도는 장점에 해당한다. 티타늄의 밀도는 알미늄의 2배 정도 되지만 그래도 스틸의 56% 정도에 지나지 않는다.
다음으로는 剛性, 즉 영率이다. 자전거 프레임에 널리 사용되는 티타늄의 영率은 1500만psi로 스틸의 약 반이다. 즉, 스틸과 티타늄의 중량 당 剛性은 거의 같다. 프레임의 剛性은 소재의 물성뿐만 아니라 설계에도 관계가 있다는 사실은 이미 설명한 바 있지만, 티타늄의 경우에도 마찬가지다. 설계에 따라 부드럽게도 딱딱하게도 될 수 있다. 높은 强度, 낮은 밀도, 중간 정도의 剛性이라는 티타늄의 성질에 기초해, 대부분의 자전거 메이커는 부드러우면서도 충격 흡수성이 좋은 승차감을 실현할 수 있도록 프레임을 설계한다. 그런데, 티타늄으로 초경량 프레임을 만들려고 하면 剛性 부족으로 프레임이 너무 부드러워지는 위험이 발생한다. 초경량 프레임을 실현하는 것은 어떤 소재의 경우에도 어려운 일이지만 티타늄의 경우에도 마찬가지다.
4.1.2. 티타늄의 최대 장점: 伸張性과 引張强度 Ti's Real Plus: Elongation and Tensile Strength
티타늄은 스틸이나 알미늄과 비교해서 밀도와 剛性에 있어서 2위를 기록하고 있다는 것을 알았다. 여기서 伸張性에 눈을 돌려 보면, 티타늄이 스틸과 알미늄에 비해 압도적으로 뛰어나다는 사실을 알 수 있다. 복습하자면, 伸張性이란, 소재가 파괴되기 전에 얼마나 휘는가를 나타내는 것으로서, 프레임과 프레임 빌더에게 있어서 안전성의 중요한 척도가 된다.
티타늄의 신장률은 대체로 20-30% 정도다. 참고로, 스틸은 10-15%, 고强度의 스틸은 6% 정도로 매우 낮다. 알미늄은 보통 6-12% 정도의 범위에 있는 경우가 많으며, 고强度의 알미늄의 신장률은 10% 이하다. 신장률이 낮은 소재는 부서지기 쉽다고 하는데, 부서지기 쉽다는 것은 프레임 소재로서 바람직하지 않은 점이다.
티타늄은 引張强度 역시 매우 뛰어나다. 자전거에 많이 이용되는 3/2.5 티타늄 합금의 冷間鍛造시의 應力緩和降伏点은 보통, 100-130ksi, 혹은 약간 높은 정도인데, 이것은 스틸의 수치를 능가한다. 또한 이 수치가, 뛰어난 延性과 스틸의 반 정도의 밀도와 함께 얻어진다는 사실을 잊지 않기 바란다. 게다가 耐破壞性과 피로强度에 관해서도 아직 중요한 점이 남아 있다.
4.1.3. 피로强度 Fatigue Strength
피로强度 역시 티타늄의 뛰어난 점 중의 하나다(여기까지 읽은 독자 여러분들은, 과연 내가 티타늄에 대해 나쁜 평가를 내릴 때가 있을까, 하고 생각할 지도 모르겠다). 앞에서도 설명한 바 있지만, 프레임의 소재가 실제 자전거에서 있어서 얼마나 오래 견딜 수 있는가를 측정하는 결정적인 방법은 존재하지 않는다. 자전거는 부정기적으로 다양한 負荷를 받는데, 티타늄이나 스틸에는 부하가 일정 레벨 이하인 경우에는 파괴되지 않는 한계가 존재한다. 자전거에 사용되는 알미늄 합금의 거의 전부(메탈 매트릭스를 포함해서)와 마그네슘, 베릴륨 등과 같은 금속은 그런 한계가 없기 때문에, 앞에서 설명한 것처럼 설계가 중요하다.
4.2. 하지만 나쁜 뉴스도... Now for the Bad News...
하지만 티타늄에는 몇 가지 단점이 있어서 티타늄이 시장을 독점하는 일은 없을 것이다. 먼저 티타늄은 비싸다. 그 이유는, 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.
얼마 전, 캑터스 컵(Cactus Cup) 레이스에서, 코너를 돈 직후 헤드 튜브가 부러져버린 티타늄 자전거를 본 적이 있다. 잠시 조사해 본 결과, 내가 생각한 대로 원인은 용접할 때 불순물이 들어간 것이 원인이었다. 티타늄은, 가공에 따라 이상적인 프레임이 될 수도 있고 악몽이 될 수도 있다. 정확한 작업 속도, 소재, 절삭장치를 사용하면 문제가 없지만.
스틸의 가장 큰 단점이 밀도, 알미늄이 强度라면, 티타늄은 뭐가 문제일까. 剛性이다. 6/4 티타늄과 같은 고强度 소재를 사용해도, 티타늄의 영率은 변화하지 않는다. 직경이 크고 두께가 얇아질 수록 剛性은 높아지고 무게는 적어진다. 하지만, 초경량의 프레임을 현재의 가공법으로 만들려고 하면, 맥주 캔 효과를 피할 수가 없다. 이 문제를 해결하기 위해 몇몇 메이커에서는 튜브의 안팎에 버티드 가공을 하거나, 튜브를 변형시키거나, 혹은 一體成形(monocoque) 을 하거나, 혹은 이런 방법들을 조합한 자전거를 선보이고 있다. 가볍고 强度가 높으면서 剛性도 충분한 프레임을 디자인하는 것은 지금부터의 과제다.
프레임 소재로서 티타늄의 장래는 어떨까? 마법의 금속으로서의 티타늄의 평가는 당분간은 변하지 않을 것이다. 하지만, 제조기술이 진보해, 强度와 가격의 양면에서 뛰어난 품질을 제공하게 될 알미늄이 앞으로 티타늄의 자리를 위협하게 될 것이 틀림없다. 물론 티타늄 자전거 메이커도 손을 높고 구경만 하고 있지는 않을 것이다. 티타늄 자전거의 거인인 라이트스피드(Litespeed)사는 1,000 달러 정도의 가격으로 뛰어난 로드 레이서와 MTB를 제공하기 시작하고 있다. 초저가격의 티타늄 자전거는 아마 등장하지 않겠지만, 튜브나 자전거 제조기술이 꾸준히 발전할 것이므로, 티타늄의 수요와 평가는 일정 기간 떨어지지 않을 것으로 생각된다.
다음 章에서는 카본을 다루기로 하자.
5. 카본의 압도적인 잠재성 Carbon Fiber Boasts Tremendous Potential
4章까지 읽었다면, 스틸, 알미늄, 티타늄 자전거를 만들 때 중요한 物性에 대해 많은 것을 배웠을 것이다. 이 章에서는 비금속인 카본을 사용한 프레임에 대해서 공부해 보기로 하자.
5.1. 복합재 카본의 놀라운 세계 The Wonderful World of Composites
복합재라는 용어와 카본이라는 용어는 동의어로 사용되는 경우가 많은데, 모든 복합재가 카본인 것은 아니다. 합판이나 콘크리트도 복합재다. 복합재란, 소재를 조합함으로써 개개의 소재에는 없는 새로운 성질을 부여한 것을 말한다. 예를 들면, 콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈, 물로 이루어진 복합재다.
좀 더 과학적으로 말하면, 복잡재란, 입자, 短섬유, 長섬유가 매트릭스 속에 존재하는 물건을 말한다. 예를 들면 스페셜라이즈드의 M2에 사용되는 듀랄캔 메탈 매트릭스(Duralcan metal matrix)는, 산화 알미늄의 미세한 섬유가 6061 알미늄 내부에 분산되어 있는 구조로 이루어져 있다. 자전거에 사용되는 선진 복합재는, 보통 에폭시 수지에 접착한 매트릭스에 長섬유를 조합한 것이다. 선진적인 복합재가 되기 위해서는, 일반적으로 섬유가 길고, 體積과 섬유의 비율이 50% 이상이 되며, 유리섬유(글래스 파이버)보다 기계적 성질이 뛰어나야 한다.
섬유에는 카본, 케블라, 보론, 세라믹, 실리콘 카바이드, 수정, 폴리에칠렌 등 여러가지가 있다. 그 외에 내가 잘 모르는 것들도 있다.
5.2. 간단한 용어집 A Simple Lexicon
여기서, 이 章에서 사용되는 용어들에 대해서 간단하게 정의하고 넘어가자. 섬유란, 일렬로 늘어선 강화소재를 의미한다. 이런 평행한 섬유 다발을 접착제(매트릭스)를 이용해서 한 데 묶는다. 단층의 매트릭스를 層, 여러 층으로 이루어진 것을 積層(라미네이트)라고 한다. 각각의 층을 다른 방향으로 겹침으로써 積層의 성질을 변화시킬 수가 있다. 引張强度나 伸張性과 같은 용어를 벌써 잊어버렸다면 다시 한 번 1章을 복습해 주기를 바란다. 이 용어들은 지금부터의 설명을 이해하는 데 있어서 불가결하기 때문이다.
5.3. 더할 나위 없는 수치 The Numbers Look Good
카본의 仕樣表를 보면, 다른 소재로 자전거를 만든다는 것이 아무 의미가 없을 정도로 훌륭한 소재다. 하지만 자전거 바보 학교의 학생인 여러분들은, 세상만사 수치가 전부가 아니고, 읽기 힘들 정도로 작은 글씨로 인쇄된 주의사항도 중요하다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 그리고 한 가지 더. 카본에 관해서는 지금까지 여러분들이 배워 온 모든 사실들이 적용되지 않는다는 점도 유의해 주기 바란다.
프레임 소재로서의 복합재의 잠재성은 확실히 대단하다. 그러나 불행하게도, 복합재로 프레임을 만드는 것은 쉬운 일이 아니다. 복합재 프레임이 지금까지 해결하지 못하고 있는 높은 파괴율에는 이유가 있는데, 그것은 소재 자체의 문제가 아니다. 믿기 힘든 일이지만, 로켓 과학자조차도 실수를 하는 수가 있다. 복합재가 놓여져 있는 상황은, 70년대에 티타늄이 처해 있던 상황과 비슷하다. 당시 텔레다인(Teledyne)사가 만든 티타늄 프레임은 잘 부러졌는데, 그것은 티타늄 자체에 문제가 있어서가 아니고, 설계, 보다 정확히 얘기하면 디자인을 실제 프레임에 적용하는 공정이 나빴기 때문이었다. 카본의 경우도 마찬가지여서, 놀라운 잠재성이 충분히 실현되지 못하고 있다.
프레임 디자이너가 프레임의 복잡성을 경시하는 경우가 있는 것도 문제다. 카본의 구조는 금속과 달라서, 조금의 실수도 용납되지 않기 때문에 설계와 조립이 매우 중요하다. 경우에 따라서는, 설계와 조립 이외의 부분으로부터도 문제가 초래될 수도 있다(예를 들면, 다운 튜브에 돌이 부딪히는 경우). 이런 충격에 의해, 비록 튜브가 부러지지는 않는다고 하더라도, 충격의 영향은 프레임 내부에 축적되는 경우가 있다. 카본 매트릭스 내부에 미세한 금이 가서, 결국은 부하를 흡수하는 능력을 감소시킨다. 금속 프레임도 예고 없이 부러지는 경우가 있지만, 이 점에 있어서는 그래도 카본보다는 금속이 낫다.
5.4. 積層방법이 모든 것을 결정한다 It's All in the Lay-Up
한 가지 강조하고 싶은 점은, 복합재는 매우 복잡한 물건이어서, 금속보다 취급이 복잡하다는 사실이다. 소재 자체가 매우 복잡한 데다, 금속과는 달리 구조가 단순하지가 않다. 위에서 읽었겠지만, 금속 프레임을 디자인할 때는, 소재와 설계(튜브의 직경이나 두께 등)의 2가지를 고려하면 된다. 하지만 복합재의 경우에는, 여기에 더해 積層방법이라는 문제를 해결하지 않으면 안된다. 같은 소재와 같은 설계의 프레임이라도, 層구조가 다르면 전혀 다른 물건이 되어버린다는 사실을 잊지 말아 주기 바란다. 剛性은 말할 것도 없고, 파괴應力과 부러지는 양상도 달라진다. 부러지는 원인(積層의 폭발, 제1층의 파괴, 매트릭스가 섬유에서 벗겨지거나, 매트릭스에 금이 가는 경우도 있고, 층이 벗겨지는 일도 있다)도 금속과는 비교할 수 없을 정도로 다양하다,
또 한 가지 문제는 프레임의 형상이다. 트렉(Trek)이나 자이언트(Giant)처럼 접착하는 것도 가능하고, 케스트렐(Kestrel)이나 룩(Look )처럼 독자적인 방법으로 조립할 수도 있다. 접착을 이용한 프레임이라면 적어도 금속 프레임을 참고할 수 있다. 하지만 전혀 새로운 형상을 만들려면 모든 계산을 처음부터 다시 하지 않으면 안된다.
5.5. 카본의 物性
5.5.1. 引張强度, 압축强度 Tensile and Compressive Strength
카본의 物性을 알미늄, 티타늄, 스틸과 비교해 보자. 引張强度는 소재가 부러질 때까지 잡아당기는 실험으로 측정한다. 한 다발의 카본 섬유를 잡아당기는 실험을 하면 그 결과는 어떨까. 꽤 좋은(엄청나게 좋은) 결과가 나온다.
그럼, 여러 다발의 카본 섬유를 압축한 경우에는 어떻게 될까. 실망스럽게도 결과는 별로다. 스파게티처럼 물렁물렁해진다. 그래서, 카본은 厭縮强度를 높여줄 필요가 있다. 여기에 사용하는 접착제가 매트릭스인데, 여러 다발의 섬유를 연결해서 섬유와 섬유, 층과 층 사이에서 負荷를 전달하는 역할을 한다. 매트릭스와 섬유가 결합된 구조물이 복합재인데, 이하에서는 이 두가지를 한 덩어리로 보기로 한다.
5.5.2. 밀도와 剛性 Density and Modulus
사과와 밀감을 비교하는 게 될 지 모르겠지만, 카본의 積層에 대한 일반적인 개요를 설명하기로 하겠다. 카본을 설명하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만, 여기서는 다른 章들과 가능한 한 비슷한 관점에서 비교할 필요가 있어서 이 방법을 택하기로 한다. 카본 섬유의 적층 밀도는 대략 평방 피트 당 0.056 파운드인데, 이 수치는 자전거 프레임용 금속 중에 가장 가벼운 알미늄의 60% 정도이다. 보급형 카본의 영率은 30-33msi(역주: 단위는 不明)로, 스틸보다 10% 정도 높다. 카본이 얼마나 단단하면서도 가벼운 소재인지 이제 아셨을 것이다.
다음으로, 카본에 에폭시를 첨가하면 어떻게 될까. 잘 만들어진 積層은 전 체적 중 62-65%의 섬유를 포함한다. 매트릭스는 負荷를 전달하는 역할을 하고, 기계적 성질은 거의 전부 섬유에 의존하기 때문에, 剛性은 섬유의 비율에 비례한다. 따라서, 섬유의 영率이 30msi라도 섬유의 비율을 65%로 유지하면 결과적으로 영率은 2/3 정도에 불과하게 된다. 하지만 그래도 티타늄의 1/3의 밀도에 剛性이 25% 높기 때문에, 아직 剛性은 뛰어나다. 위의 영率의 수치는, 0도 방향, 즉 섬유와 평행한 방향의 경우다. 그러나, 당연한 일이지만, 자전거에는 다양한 방향에서 應力이 가해지고, 負荷의 强度도 일정하지 않다. 매트릭스는 부하를 분산시키기 위해 섬유를 접착시키는 역할을 하는데, 섬유의 방향과 직각 방향의 剛性을 측정하면 영率은 겨우 1.51msi밖에 안된다. 게다가, 영率은 방향이 0-30도 사이에서 급격하게 떨어지기 때문에, 대부분의 방향으로부터의 負荷에 대해서는 剛性이 낮아지게 된다. 자전거에는 水平應力뿐만 아니라 비틀기 應力도 작용하기 때문에, 이건 문제가 된다.
이 문제를 어떻게 해결할까. 답은, 각 층을 제1층과 다른 각도(보통 45도)로 겹치는 것이다. 결과적으로 剛性은 대략 10-14msi 정도가 된다. 아직 그렇게 나쁜 수치는 아니다. 積層의 장점은, 튜브와 프레임의 성질을 어떤 식으로든 조작할 수 있다는 점이다. 비틀어지지는 않지만 잘 휘는 튜브, 비틀림과 휨에 유연한 튜브, 딱딱한 튜브,,, 어떤 식으로든 가능하다. 이런 성질을 異方性이라고 하는데, 금속에서는 볼 수 없는 성질이다. 이런 성질을 결정하는 것은 소재(의 物性)가 아니라 프레임 디자이너다.
5.5.3. 약점: 伸張性 The Weak Link: Elongation
이번에는 카본의 약점에 대해서다. 카본의 약점은 伸張性이다. 伸張性은 자전거 프레임의 안전도의 척도라고 할 수 있는데, 카본의 신장률은 놀라울 정도로 낮다. 45도 積層으로 어느 정도의 伸張性을 확보하는 것은 가능하지만, 카본의 延性은 본질적으로 적기 때문에 한계가 있다. 복합재는 휘어지는 성질이 약하고, 부서질 때는 조금씩이 아니라 한꺼번에 뚝 부러진다. 따라서 설계자는 알미늄 프레임의 경우와 마찬가지로, 이 문제에 대한 대책을 세우지 않으면 안된다. 대부분의 메이커는 積層방법을 기업비밀로 유지하기 때문에 정보가 부족하지만, 트렉(Trek)의 기술 매뉴얼에는 탄성계수, 즉 영率/밀도의 수치가 나와 있다. 트렉의 OCLV 모델의 영率은 약 8msi다.
첨단 카본의 强度는 매우 높다. 표준적인 카본 유니테이프(carbon unitape, 積層의 단위)의 0도 방향의 强度는 300ksi 이상이고, 좀 질이 낮은 카본을 포함해서 평균을 내더라도, 强度는 100ksi 이상이다. 게다가 밀도가 매우 낮다. 트렉의 예를 보면, 평균 115를 기록한다. 트렉의 카본 프레임은, 알미늄과 비교해서, 剛性이 20 % 정도 높고, 强度가 2배 정도이며, 약 40%나 가볍다. 놀라운 수치다.
5.6. 밝은 미래 A Brilliant Future
첨단 카본의 미래는 어떤 모습일까? 카본에 대한 평가는 계속 올라가고 있다. 실패를 거듭하고 있던 카본 프레임 제작은 최근 들어 많은 성공을 거두고 있다. 현시점(1994년 현재)에서 가장 유력한 모델은 트렉(Trek)의 OCLV와, 자이언트(Giant)라고 할 수 있다. 업계 관계자 몇명에게 들은 얘기를 바탕으로 하면, 카본 프레임의 판매량은 티타늄의 2-3배에 달한다. 티타늄에 대한 높은 평가에 비하면 의외의 감도 없지 않지만, 트렉과 자이언트가 낮은 가격으로 프레임을 제공하고 있다는 점을 고려하면 당연한 결과인지도 모르겠다.
카본 프레임의 장래는 알미늄과 비슷할 것이다. 즉, 소재 자체의 진보보다는, 그것을 최대한 활용하는 처리와 공법이 더욱 중요해질 것이다.
이 章의 집필에 있어서, 슈윈(Schwinn)사의 기술 메니저인 스티브 레빈(Steve Levin)에게서 많은 도움을 받았다. 이 자리를 빌어서 감사를 대신한다.
다음 章에서는 특수한 소재를 다루기로 하겠다.
6. 특수한 소재 Exotic Materials
이 章에서는 좀 특수한 소재를 소개하겠다. 마지막에는 전체를 종합한 다음, 한 가지 수수께끼의 소재를 소개할 것이다. 자 그럼 시작합시다.
6.1. 서모 플라스틱 복합재 Thermoplastic Composites
5章에서는 카본에 대해서 설명했는데, 이 章에서는 같은 복합재인 서모 플라스틱에 대해서 살펴 보자. 혼란을 피하기 위해 5章에서는 언급을 피했지만, 카본과 서모 플라스틱과의 큰 차이는, 전자가 熱硬化性소재, 후자가 熱可塑性소재라는 점이다. 熱可塑性소재는 熱硬化性소재보다 등장 시기가 늦다. 양자의 차이는, 빵과 초코렛의 차이에 비교할 수 있다.
熱硬化性 소재는 빵에 해당한다. 원재료(빵은 밀가루, 물, 효모)를 섞어서 틀에 부은 다음 열을 가해서 반응을 일으킨다. 이 과정은 逆行 불가능하다. 즉, 빵을 녹여서 다시 새로운 빵을 만들 수는 없다.
서모 플라스틱도 원재료를 섞어서 만드는 것에는 변함 없지만, 相變化(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(劣化를 일으키지 않고 몇번 반복할 수 있는가는 소재에 따라 다르다). 또 한 가지, 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, 熱硬化性 소재와 비교해서 耐충격성이 강하다는 점이다. 이와 비교해, 熱硬化樹脂 에폭시는 비교적 무른데, 무르다는 것은 자전거의 소재로서 바람직한 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.
6.2. 마그네슘 Magnesium
알미늄의 반의 밀도(1.54), 6061 알미늄보다 뛰어난 强度, 알미늄과 동등 내지 뛰어난 10-11%의 伸張性을 겸비한 금속이 마그네슘인데, 현재 이스튼(Easton)社가 테스트 중이다. 마그네슘의 延性은 그렇게 뛰어나지 않지만, 이스튼사는 10-11%라는 수치는 유망하다고 주장한다. 마그네슘의 剛性 역시, 6msi 정도로 높지는 않은 편이지만, 이건 큰 문제는 아니다. 알미늄도 剛性은 비교적 낮지만 그렇다고 해서 剛性이 뛰어난 알미늄 프레임을 만들 수 없는 것은 아니기 때문이다. 마그네슘도 이와 마찬가지로, 오히려 剛性이 낮은 것은 환영할 만한 성질이기도 하다.
마그네슘의 경우 해결해야 할 과제는, 극도로 腐蝕에 약하다는 점이다. 마그네슘 파편을 빗속에 방치해 두면, 塗裝하지 않은 스틸 다음으로 빨리 녹슬어 버린다. 이 문제는 塗裝이나 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.
6.3. 알미늄 메탈 매트릭스 복합재 Aluminum Metal-Matrix Composites
알미늄 메탈 매트릭스 복합재(MMC)에 관해서는 여러분도 잘 알고 있을 것이다. 스페셜라이즈드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. 듀랄캔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 剛性은 높아지지만 伸張性과 靭性은 낮아진다. M2의 프레임은 전 중량의 10%의 산화알미늄을 포함하고 있는데, 이 경우, 알미늄과 비교해서 항복점 强度는 8%, 剛性은 20% 높다. 역으로 伸張性은 알미늄보다 낮아지지만 메이커 발표의 수치는 10%로, 허용범위 이내다.
이렇게까지 하지 않아도 알미늄 프레임은 충분한 剛性이 있지 않느냐고 할 지도 모르겠다. 물론 옳은 말씀이다. 하지만, 이미 위에서 설명한 대로, 剛性은 설계에 따라서 달라진다. 예를 들어서 당신이 리어 엔드를 설계한다고 해보자. 일정 수준의 剛性과 함께, 진흙, 발뒤꿈치, 타이어, 체인 링에 대해 충분한 간격을 확보하려면 직경이 작은 튜브가 좋지만, 튜브의 직경을 작게 하면서도 剛性이 충분한 튜브를 만들기 위해서는 剛性이 높은 소재가 바람직하다. 剛性이 높은 소재를 사용하면, 메인 프레임의 직경을 줄일 수 있다.
부위에 따라 剛性을 다르게 하는 것의 이점으로서는, 무엇보다도, 높은 剛性이 요구되는 부분에는 높은 剛性의 소재를 사용하고, 역으로 헤드 튜브의 접합부와 같이 높은 延性이 요구되는 부분에는 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 强度는 별 차이 없지만 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.
6.4. 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, 强度, 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, 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 强度와 剛性을 볼 때 주의해야 할 것은 T-8(열처리, 에이징, 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.
6.5. 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 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 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 보론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)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 强度가 52-56ksi, 極限强度가 65-72ksi, 영率이 14-15msi, 伸張性이 4.5-6% 정도다. 6013 알미늄은 고强度의 합금으로, 알미늄 합금 중에서 뛰어난 靭性을 가지지만, 세라믹의 하나인 보론 카바이드를 배합하면 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.
6.6. 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 比强度(强度/밀도)는 매우 높고, 比剛性(영率/밀도)은 지구상의 모든 금속 중 가장 뛰어나다. 하지만, 베릴륨은 매우 희귀하다. 얼마나 비싸냐 하면, 알미늄의 200배나 된다.
역자: 원문에는 베릴륨의 物性에 대한 설명이 얼마 정도 더 있지만, 아마 베릴륨 자전거를 (있다면) 탈 수 있는 사람은 전무할 걸로 생각해서, 이하는 생략합니다.
6.7. 에어멧 100 AerMet 100
에어멧 100은 유망한 소재로, 최근 자전거 업계의 주목을 모으고 있다. 철계의 합금인데, 카펜터 테크놀로지(Carpenter Technolog Corporation)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 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), 强度에서는, 용접가능한 스틸과 그외 다른 소재를 능가한다. 카펜터 테크놀로지社가 제공한 소재로 Velonews가 1993년 12월 13일호에서 실시한 테스트에서, 에어멧 100은 최저 261ksi의 항복점强度와 300ksi의 極限强度를 기록했다. 놀라울 정도의 기록이다.
伸張性 또한 뛰어난데, 위의 테스트에서는 10%를 기록했다. 영率의 경우에는, 스틸로서는 평균적인 28msi를 기록했다. 카펜터 테크놀로지社에 의하면, 이 합금은, 높은 强度와 靭性, 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 테크놀로지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 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.
6.8. 수수께끼의 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
항복점强度: 510ksi 알미늄의 12배
영率: 18msi 알미늄의 1.8배
比强度: 알미늄의 14배
이 소재로 프레임을 만든다고 가정해 보자. 영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 伸張性이 거의 0에 가까운 것이다.
이 소재(금속)의 이름은? 스스로 답을 찾아 보시도록. 도전하실 분은 메일 주세요. 채점해서 보내드리겠습니다.
힌트: 지금 여러분이 이 페이지를 보기 위해서 사용하고 있는 컴퓨터의 핵심 부품. 이게 없으면 컴퓨터는 두뇌 없는 고물덩어리에 불과함.
내용출처 : www.corearoadbike.com 에서 가져 왔습니다.
프레임 소재공학
原典: Scot Nicol, http://www.greatoutdoors.com/velonews/newsstand/techroom/metal.html
譯:심 순홍, http://my.netian.com/~punyo/index.html
양해: 譯者는 재료공학에 관한 전문가가 아니므로, 원문을 번역함에 있어서, 전문용어를 틀리게 번역했을 가능성이 있습니다. 전문가의 자문을 얻어서 정확한 번역을 제공하는 것이 당연하겠습니다만, 발이 좁아서 도움을 줄만한 전문가를 구할 수 없었습니다. 또한, 자전거에 관해 역자가 가진 대부분의 지식은 일본어를 베이스로 하고 있어서, 한국어적인 표현에 다소의 무리가 있을 수도 있습니다. 자전거와 재료공학에 관심이 있는 분으로서, 원문을 참조해서 틀린 부분을 수정해 주실 분이 있으시면, 심 순홍soonhong.shim@nifty.com에게 메일 부탁합니다. 참고로, 원문에는 章번호는 없습니다. 번역의 章번호는 편의를 위해 역자가 붙인 것이므로, 원문을 참조하실 때는, 章번호보다는 목차에 附記한 원문 타이틀을 기준으로 해 주십시오. 목차에 영문이 부기되어 있는 경우에는 원문에 제목이 있는 경우, 영문이 부기되어 있지 않은 경우에는 역자가 편의를 위해 붙인 것입니다.
목차
1. 도입 The Basics
1.1. 밀도 Density
1.2. 剛性 Stiffness
1.3. 伸張性 Elongation
1.4. 引張强度 Tensile Strength
1.5. 피로强度 Fatigue Strength
1.6. 靭度 Toughness
1.7. 완전성의 추구 The Search for Perfection
2. 스틸이야 말로 진짜다 Steel is Real
2.1. 프레임 소재로서의 스틸 Choosing Steel as a Frame Material
2.1.1. 밀도 Density
2.1.2. 剛性 Stiffness
2.1.3. 伸張性 Elongation
2.1.4. 引張强度: 극한强度와 항복점 Tensile Strength: Ultimate and Yield
2.2. 종합 The Big Picture
3. 알미늄의 미래는 밝다 Aluminum's Future is Bright and Shiny
3.1. 알미늄을 튜브로 Making Aluminum into Tubing
3.2. 알미늄의 物性 Aluminum's Properties
3.2.1. 밀도
3.2.2. 剛性
3.2.3. 伸張性
3.2.4. 피로强度
3.3. 알미늄의 장점을 살리려면 Optimizing Aluminum's Advantages
4. 티타늄 Titanium
4.1. 티타늄의 物性
4.1.1. 밀도와 剛性 Density and Other Properties
4.1.2. 티타늄의 최대 장점: 伸張性과 引張强度 The Real Plus: Elongation and Tensile Strength
4.1.3. 피로强度 Fatigue Strength
4.2. 하지만 나쁜 뉴스도... Now for the Bad News...
5. 카본의 압도적인 잠재성 Carbon Fiber Boasts Tremendous Potential
5.1. 복합재 카본의 놀라운 세계 The Wonderful World of Composites
5.2. 간단한 용어집 A Simple Lexicon
5.3. 더할 나위 없는 수치 The Numbers Look Good
5.4. 積層방법이 모든 것을 결정한다 It's All in the Lay-Up
5.5. 카본의 物性
5.5.1. 引張强度, 압축强度 Tensile and Compressive Strength
5.5.2. 밀도와 剛性 Density and Modulus
5.5.3. 약점: 伸張性 The Weak Link: Elongation
5.6. 밝은 미래 A Brilliant Future
6. 특수한 소재 Exotic Materials
6.1. 서모 플라스틱 복합재 Thermoplastic Composites
6.2. 마그네슘 Magnesium
6.3. 알미늄 메탈 매트릭스 복합재 Aluminum Metal-Matrix Composites
6.4. 알미늄 리튬 Aluminum Lithium
6.5. 보론 카바이드와 실리콘 카바이드 Boron Carbide and Silicon Carbide
6.6. 베릴륨 Beryllium
6.7. 에어멧 100 AerMet 100
6.8. 수수께끼의 素材... And Now for a Mystery Metal...
1. 도입 The Basics
자전거 프레임의 재료로서 가장 뛰어난 素材는 무엇일까? 스틸, 알미늄, 티타늄, 아니면 카본일까? 아직 일반화되지는 않았지만 특수한 소재도 있다. 이 문제는, "비벌리 힐즈"의 샤논(Shannon)의 代役을 누가 할 것인가만큼 중요하지는 않겠지만, 자전거 중독자(나도 마찬가지지만)에게 있어서는 끝없는 논쟁거리를 제공한다.
이 시리즈는, 자전거와 관련된 소재공학을 검토하기 위한 것이다. 내용을 이해하면, 현재 프레임에 사용되고 있는 주요한 소재 전부에 대한 지식을 얻을 수가 있게 되고, 또한 장래 어떤 소재를 기대할 수 있을 것인가에 대한 다소의 전망을 얻을 수 있게 될 것이다.
또 하나의 목적은, 충분한 지식이 없는 사람들에게 자전거 업계가 불어넣는, 멋있는 것같지만 간혹 오해를 불러 일으키는 선전을 구별할 수 있는 눈을 제공해 주는 것이다. 전차의 裝甲에 사용되는 신소재 보랄린(Boralyn)이 사용되고 있다든가, 로켓 과학자에 의해 설계되었다, 는 등의 선전문구는, 실제로는 자전거와는 아무 관계도 없는 것이다. 좋은 자전거를 설계하기 위해서는 실험복도 필요없다. 필요한 것은, 제대로 된 엔지니어링과, 자전거와 타는 사람과의 인체공학적인 관계에 대한 깊은 지식뿐이다.
먼저, 전통적인 프레임은, 과거 100년간에 걸쳐 개량에 개량을 거친, 매우 진화한 구조라는 점을 이해할 필요가 있다. 프레임의 설계를 개량하기 위한 시도는 끝없이 행해지고 있지만, 많은 경우, 개량의 성과는 매우 미미하다. 보다 뛰어난 프레임 설계는 단순한 것처럼 보이지만 실제는 그렇지 않다. 소재와 엔지니어링의 진보에 따라 작은 진보는 이루어지고 있지만, 메이커의 선전과는 달리 실제는 장족의 발전은 이루어지지 않는다. 자전거 설계를 위한 과학은 복잡하기 때문에, 여기에서 그것에 관한 모든 것을 설명하는 것은 불가능하다. 대신, 그 중 가장 중요한 요소에 대해서 서술하기로 하겠다.
소재의 物性을 이해하는 것은 소재 그 자체를 이해하기 위해 불가결한 것이다. 여기서 한 가지, 物性에 관한 용어들이 정확히 사용되지 않고 있다는 점은 주의해야 한다. 이 자전거는 튼튼하다든가, 이 자전거는 11종의 필수 비타민과 미네랄로 보강되어 있다, 는 등의 의미불명한 전문용어를 여러분도 들은 적이 있을 것이다.
이 章에서는 먼저, 정확한 용어를, 기술적 관점 및 자전거에 있어서 어떤 의미를 가지는가, 라는 관점에서 설명하기로 하겠다. 이후의 章에서는, 스틸, 알미늄, 티타늄, 카본, 그리고 그외의 다른 소재들에 대해 검토하겠다. 本章에서 얻은 지식을 이후의 章에서 활용해 주기를 바란다.
프레임의 소재를 선택하기 위해서 필요한 物性은 무엇일까? 이 점을 이해하기 전에, 物性에는 3가지 종류가 있음을 알아 주기 바란다.
물리적 성질: 밀도, 색, 傳導性, 透磁性, 열팽창성
기계적 성질: 伸張性, 피로强度, 硬度, 剛性, 剪斷强度, 引張强度, 靭度
화학적 성질: 반응성, 耐蝕性, 전기화학 포텐셜, 耐방사능성, 耐酸性, 耐알칼리성, 용해도
밀도와 내식성이 중요한 것은 말할 필요도 없다. 역으로, 透磁性이나 耐방사능성은 별 관계가 없다. 하지만, 기계적 성질은 전부 중요하다. 이런 物性들은 도대체 어떤 의미를 가지는가. 이하에서 설명하기로 하자.
1.1. 밀도 Density
먼저 간단한 것부터 시작하자. 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. 이것을 기준으로, 强度나 剛性등의 다른 物性에 눈을 돌려보자. 왜 알미늄이 스틸의 1/3의 밀도라면, 알미늄 프레임의 중량은 스틸 프레임의 중량의 1/3이 아닌 걸까? 이 의문에 대한 대답이 곧 나타날 것이다.
1.2. 剛性 Stiffness
剛性의 측정단위는 탄성계수, 혹은 "영率"이다. 밀도와 마찬가지로, 이것은 비교적 알기 쉬운 개념이다. 어느 정도 지식이 있는 사람이라면, 프레임의 剛性보다 오히려 탄성계수에 대해 이야기할 지도 모른다. "저 자전거의 금속은 무지무지하게 딱딱하네"가 아니라, "나는 저 샌드스피드材의 탄성계수가 소정의 용도에 적절하다고, 단정할 수는 없지만, 추측할 수는 있다"라는 식으로 말이다. 탄성계수라는 용어를 사용함으로써 꽤 똑똑한 척 할 수 있다.
"영率"은, 같은 금속에 관해서는, 열처리나 합금의 배합 비율에 상관없이 일정하다. 열처리한 탕게(Tange)의 프레스티지(Prestige) 튜브의 剛性은 같은 크기의 용접한 1020 스틸 튜브와 동일하다. 같은 직경, 두께의 6061 알미늄 튜브의 剛性은 언제나 동일하다. 하지만, 리튬이나 산화 알미늄을 사용함으로써, 剛性은 바뀔 수 있다.
1.3. 伸張性 Elongation
伸張性은, 어떤 소재가 깨질 때까지 어느 정도 늘어나는가, 즉, 소재의 延性을 의미한다. 延性이란, 소재에 금이 가지 않는 한도 내에서, 塑性변화하는 능력이다. 그런데, 塑性변화란 무엇인가. 이것은, 소재에 負荷를 가하면 변형해서, 負荷가 없어져도 원래 형태대로 돌아가지 않는(즉 굽어버리는) 것을 의미한다. 캬라멜 과자는 연성은 크다. 유리는 연성이 매우 약해 전혀 늘어나지 않는다. 유리처럼 부러지는 일은 자전거에는 있어서는 안된다. 자전거에 있어서 필요한 것은, 부러지기 전에 굽는 성질이다. 伸張性은, 소재를 평가하는 데 있어서 매우 중요한 성질이다. 이후의 章에서는 각각의 소재를 다룰 때 伸張性에 대해서도 고찰하기로 한다.
1.4. 引張强度 Tensile Strength
이것도 매우 중요한 성질이다. 강하면 강할수록 좋은 것은 기본적으로는 옳지만, 그것은 다른 物性도 충분히 고려한 경우의 얘기다. 引張强度라는 용어는, 소재가 굽어서 결국은 부러지는 한계를, 소재를 양측에서 잡아당기는 것에 의해 측정하기 때문에 붙여진 이름이다.
자전거는 보통은 伸張負荷가 커서 부서지는 경우는 거의 없기 때문에, 불필요한 실험이라고 생각할 수도 있다. 그러나, 다행히 이 실험은 소재의 거동을 확인하는 데 적절한 실험이다.
伸張 실험은 소재의 强度, 연성, 剛性 및 열처리, 여타 처리를 위해 적절한 조건을 조사하기 위해 행해진다. 또한, 금속의 압축强度는 引張强度와 밀접한 관계가 있는 경향이 있다.
伸張실험을 하기 위해서는, 단면적을 이미 알고 있는 소재의 양 끝을 고정해, 양방향으로 잡아당긴다. 應力(단위면적당 힘)이 증가함에 따라, 소재의 변형(應力에 의한 치수의 변화)도 증가한다. 이 관계를 그래프로 그리면, 負荷-延長曲線이라는 관계를 얻을 수 있다. 이것을 가지고, 소재의 降伏点과 極限强度뿐만 아니라, 위에서 언급한 몇가지 物性도 알 수 있다.
降伏点이란, 소재가 늘어난 채 원래대로 돌아가지 않는 한계를 말하고, 極限强度란, 소재가 견디는 최대의 負荷로, 보통은 금이 가는 負荷와 거의 같은 개념이다.
1.5. 피로强度 Fatigue Strength
피로强度 또한 따른 物性과 함께 고려해야 할 중요한 성질이다. 피로에 의한 파괴는, 소재에 대한 靜的伸張强度 이하의 최대치를 가지는 應力을 주기적으로 가할 경우에 생긴다. 반복해서 가해지는 스트레스는, 꼬불꼬불한 길을 오랫동안 달릴 경우 자전거에 가해지는 진동이나 충격과 비슷하기 때문에, 이것은 상당히 의미있는 실험이다.
피로强度 자체는, 소재가 어느 정도 회수의 負荷를 받으면 파괴되는가를 측정하는 것이다. 여기서 문제가 되는 것은, 실험을 정확하게 설계하는 일이다. 자전거라는 물건은 복잡해서, 피로를 측정하는 표준적인 실험은 존재하지 않는다. 또 한 가지 문제는, 피로强度 실험은 동일한 스트레스를 주기적으로 가하는 것인데 비해서, 실제 주행할 경우 자전거의 각 부분에 가해지는 부하는 균등하지 않다는 데 있다.
스틸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.
1.6. 靭度 Tougfness
이것은, 소재가 파괴되기 전에 에너지를 흡수해서 塑性변화를 일으키는 능력을 의미한다. 강인한 금속은 延性이 있어서, 부러지기 전에 구부러진다. 이것은, 금이 가 있는 경우에 특히 현저하게 나타난다. 자전거의 프레임에게 있어서, 부러지기 전에 구부러져 위험을 경고해 주는 것은 매우 중요한 요구사항이기 때문에, 靭度는 매우 중요한 항목이다.
靭度는 복잡한 성질이다. 측정 방법은 여러 가지가 있지만, 그 중 몇 가지는 자전거에 적용할 수 있고, 몇 가지는 적용할 수 없다. 靭度는 카본에 관해 논할 때 중요한 항목이므로, 거기에서 좀 더 자세히 논의하도록 하겠다.
1.7. 완전성의 추구 The Search for Perfection
1章의 최초의 질문, "자전거 프레임의 재료로서 가장 뛰어난 素材는 무엇일까?"에 대한 대답은, 각 소재들이 전부 장점과 단점을 가지고 있다는 것이다. 파괴되는 조건은 소재에 따라서 크게 다르기 때문에 다양한 소재를 비교해 프레임을 설계하는 것은 쉬운 일이 아니다. 거기에, 용접, 접착, 절삭, 마무리 등의 방법도 각 소재마다 다르다. 하지만, 가장 곤란한 것은, 광고에 사용되고 있는 틀린 정보를 정확하게 간파하는 것이다. 이 시리즈를 읽고 나면 오히려 여러분은 더욱 혼란에 빠질 지도 모른다.
2. 스틸이야 말로 진짜다 Steel is Real
"코난아, 먼 옛날 땅 위에는 거인들이 살고 있었다. 그리고 혼돈의 암흑 속에서 그들은 크롬(Crom, 역주: 神)을 속여서 鐵의 마술을 훔쳤다. 크롬은 분노했고, 땅이 흔들렸다. 불과 폭풍이 거인들을 쓰러트렸다...하지만, 그 와중에 신들은 철의 비밀을 잊어버리고는 戰場에 남겨놓은 채 떠나버렸다. 그리고 그것을 발견한 것은 신도 아니고 거인도 아니고, 바로 우리 인간들이었다. 철의 비밀은 항상 수수께끼에 쌓여 있다. 코난, 너는 그 비밀을 배워야 한다. 남자도 여자도 동물도 믿을 수 없지만, 철만은 믿을 수 있기 때문이다."(영화 코난(Conan the Barbarian) 중에서, 코난의 아버지)
프레임 빌더들은 옛날부터 스틸의 비밀을 알고 있었다. 사실, 스틸은 다른 어느 소재들보다 프레임 소재로 많이 사용되고 있으며, 다른 소재들보다 프레임 재료로서의 역사가 50년 정도 길다. 2章에서는 스틸은 무엇으로 구성되어 있는가, 자전거 프레임 재료로서 스틸의 장점과 단점, 등에 관해 자세히 서술하도록 하겠다. 하지만, 그 전에 1章을 다시 한 번 읽고 용어에 익숙해지기를 부탁한다.
스틸의 성분은 대부분이 철(원소기호Fe는 라틴어의 ferrum에서 유래)로 이루어져 있다. 금속은 크게, 철금속과 비철금속으로 구별된다. 두말할 필요도 없이, 알미늄과 티타늄은 비철금속이다. 스틸은 지각중에 4번째로 많이 존재하는 원소이므로, 자전거 프레임을 만드는 데 필요한 철이 고갈되는 일은 없을 것이다(크롬이나 몰리브덴의 경우는 사정이 다르다). 하지만 지구상에는 운석 이외에는 純鐵로서 존재하는 것은 드물고, 대부분의 경우는 마그네사이트(4산화철: Fe3O4), 헤마타이트(3산화2철: Fe2O3), 시드라이트(탄화철: FeCO3), 피라이트(황화철: FeS2), 등의 형태로 존재한다.
그럼 원광으로부터 스틸을 만들기 위해서는 어떤 과정이 필요한가? 원석을 녹여서 여러 원소들을 더했다리 뺐다리 함으로써 만들어진다(실제 과정은 發熱반응 등 매우 복잡하지만 여기서는 더 이상 언급하지 않기로 한다).
자전거 업계에서 통상 크로몰리(Cro-Moli)라고 불리는 4130스틸은 다음과 같은 성분으로 구성되어 있다.
o.탄소: 0.23-0.33%
o.망간: 0.4-0.6%
o.크롬: 0.8-1.1%
o.몰리브덴: 0.15-0.25%
o.인: 0.04%
o.유황: 0.04%
o.실리콘: 0.2-0.35%
o.철: 나머지 95% 이상
수백 종류가 넘는 스틸의 합금 중에서 4130이 자전거에 사용되고 있는 이유로서, 예를 들면, 용접과 성형이 용이한 점, 强度, 延性, 靭度가 뛰어난 점을 들 수 있다. 싼 자전거의 경우, 1020 스틸이라는 소재로 만드는 경우가 있는데, 이것은 소위 炭素鋼으로, 크로몰리와 비교하면 强度가 현저하게 떨어진다.
4130이라는 번호의 의미를 설명하자면, 이것은 자동차기술자협회(Society of Automotive Engineers)와 미국철강협회(American Iron and Steel Institute)에서 정해진다. 41xx은 크로몰리, 10xx은 탄소강(크로몰리에 비교해서, 배합물이 적고, 저强度, 저가격)을 나타난다. 첫번째 수자는 스틸의 종류를 나타낸다. 예를 들면, 1이 탄소, 2가 니켈, 3이 니켈과 크롬, 4가 니켈, 크롬, 몰리브덴, 5가 크롬, 등등등. 왼쪽에서 두번째 수자는 합금에 따라 달라진다. 4130의 경우, 합금 중에 포함되어 있는 크롬과 몰리브덴의 비율을 나타낸다. 마지막 2자리 수자는, 1/100% 단위로 탄소의 비합을 나타낸다. 4130의 경우는 0.3%를 의미한다.
모든 크로몰리가 4130인 것은 아니지만, 여기에서는 크로몰리와 4130을 같은 의미로 사용하기로 하자. 크로몰리는 고품질의 자전거에 사용되는 스틸로서는 압도적인 셰어를 차지하고 있다. 참고로, 일반 가게에서 팔고 있는 싼 자전거에 사용되는 스틸의 품질은, 고철을 녹여서 재생한 것보다 약간 나은 정도에 불과하다.
2.1. 프레임 소재로서의 스틸 Choosing Steel as a Frame Material
자전거의 프레임 빌더는, 사용하는 재료를 결정할 때, 많은 요소를 고려할 필요가 있다. 그러나 모든 것을 검토한다고 해도 명백한 결론이 나오는 것은 아니다.
하지만, 프레임의 소재로 스틸을 사용하는 이유는 여러가지가 있다. 1章에서 설명한 물리적 성질을 상기해 보자. 티타늄과 알미늄에 비해 스틸이 어떤 物性을 가지고 있는지 조사해 보자. 얘기를 간단히 하기 위해 여기서는 카본, Metalmatrix 등은 제외하기로 한다. 이 소재들에 대해서는 나중에 각각의 章에서, 티타늄, 알미늄, 스틸 등과 비교하기로 한다.
2.1.1. 밀도 Density
1章에서 밀도부터 설명한 바 있는데, 이것은 밀도가 가장 이해하기 쉬운 物性이기 때문이다. 불행하게도, 밀도에 관해서 스틸은 불리하다. 스틸의 밀도는 7.86으로, 티타늄(4.54)의 2배 정도, 알미늄(2.69)의 3배 정도에 달한다. 오늘날의 자전거에 있어서 輕量化는 지상명제인데, 밀도가 크면 경량화가 어렵기 때문에, 밀도는 매우 중요한 요소가 된다. 하지만, 스틸에게는 다행하게도, 고려해야 할 物性에는 밀도 이외에도 다른 요소가 있다.
2.1.2. 剛性 Stiffness
티타늄이나 알미늄에 비해서 스틸이 뛰어난 점이 剛性이다. 스틸의 영率은 평방인치 당 약 3천만 파운드다(단위 psi). 이에 비해 티타늄 합금 Ti3Al-2V의 경우는 1550만 psi, 6061 알미늄은 약 1천만 psi다. 즉, 이 세 종류의 금속의 剛性의 비는 약 3:2:1로, 밀도의 비와 거의 같다. 바꿔 말하자면, 스틸, 티타늄, 알미늄의 중량당 剛性은 거의 동일하다(단, 이 비교는, 伸張과 厭縮에 관해서만 적용된다).
좀 더 자세히 말하자면, 영率이란, 負荷-歪曲곡선의 한계치보다 아랫쪽의 영역에 있어서의 부하와 왜곡의 비율이다. 이것은 1章에서 간단하게 설명한 바 있는데, 요는, 수자가 크면 클수록 剛性이 높다는 점이다. Wait a minute, though! 스틸의 剛性이 그렇게 높고 알미늄이 낮다면, 왜 두꺼운 튜브의 알미늄 프레임은 왜 그렇게 딱딱한가?
영率의 측정은 소재에 관계없이 전부 동일한 사이즈에서 실시한다. 이 측정의 결과를 단면계수라고 부른다. 튜브의 두께와 직경의 결정은 프레임 빌더가 실력을 발휘하는 포인트의 하나인데, 이 경우 極단면계수는 0.196(D4-d4/D)라는 공식으로 결정한다. 여기서 D는 外徑 d는 內徑을 의미한다. 이 공식이 의미하는 바를 간단히 설명하면, 剛性은 外徑의 3제곱에 비례해서 증가한다는 것이다. 바꿔 말하자면, 직경 2인치의 튜브는, 같은 두께의 직경 1인치의 튜브와 비교해서 중량은 2배지만, 剛性은 8배가 되는 것이다. 클라인(Klein)이나 캐논데일(Cannondale)의 승차감이 좋은 이유를 이제 아시겠는가?
또 한 가지 간단한 예로, 직경은 다르고 중량이 같은 2개의 튜브를 비교해 보자. 직경 1인치, 두께 0.049인치의 스틸 튜브와 직경 1.5인치, 두께 0.032인치의 튜브는 무게는 동일하지만, 剛性은 後者가 1.6배 높다.
여기까지 읽은 독자들은 아마, "그럼 왜 스틸 튜브를 알미늄처럼 두껍게 하지 않을까?"라고 생각할 지도 모르겠다. 여기서 생각하지 않으면 안되는 것이, 이른바 "맥주 캔 효과"라는 것이다. 직경과 두께의 비율이 60:1-70:1보다 커지면 튜브는 맥주 캔처럼 찌그러지기 쉽게 된다. 알미늄이나 티타늄의 경우는 밀도가 낮기 때문에, 두꺼우면서도 찌그러지지 않는 튜브를 만들 수 있지만 스틸은 그렇게는 안된다.
2.1.3. 伸張性 Elongation
앞에서도 언급한 것처럼, 伸張性은 延性의 지표로서, 소재가 파괴되기 전까지 얼마만큼 늘어나는가를 백분률로 표시한 것이다.합금의 배합이나 열처리를 해도 밀도와 剛性은 크게 변화하지 않지만, 伸張性과 强度는 다르다. 伸張실험에서는, 소재는 파괴될 때까지 잡아당겨진다. 試料에는 사전에 마크를 해 두고, 실험이 끝난 뒤 마크간의 거리를 측정해, 둘 사이의 비율을 백분률로 표시한다. 자전거의 튜브에 사용되는 스틸의 경우, 이 수치는 통상 9-15%인데, 10% 이하일 때는 그 소재의 전체적인 物性을 재고할 필요가 있다.
伸張性이 저하할 수록, 프레임은 약하고 부러지기 쉽다. 伸張性이 낮은 소재의 성질을 조사하려면, 靭度와 피로强度와 같은 强度적 측면을 살펴 볼 필요가 있다. 방법으로서는, 충격실험 등 여러가지가 있지만 정확한 분석은 복잡하므로 여기에서는 생략하겠다.
2.1.4. 引張强度: 극한强度와 항복점 Tensile Strength: Ultimate and Yield
引張强度는 합금의 배합률에 따라 크게 변할 수 있다. 일반적인 크로몰리의 引張强度는 90ksi(譯註: 단위 不明)이지만, 트루 템퍼(True Temper)사의 OX3라는 스틸은 2배 가까운 169ksi의 수치를 기록한다. 하지만, 어느쪽의 경우도 자전거에 사용되었을 때 부러질 가능성이 있다. 항공기용 스틸로 만들어진 straight gauge의 튜부는 자전거 프레임의 소재로서 매우 신뢰성이 있다는 것이 경험적으로 알려져 있지만, 引張强度는 90ksi에 지나지 않는다. 그러나, 靭度와 伸張性이 매우 좋아서, 强度가 낮아도 문제가 없는 것인지도 모른다. 트루 템퍼(True Temper)사의 OX3로 만든 튜브의 强度가 보통의 크로몰리에 비해 2배라면, 두께를 반으로 줄일 수 있다. 반 두께의 튜브의 强度와 剛性은 충분한가? No. 내구성에도 문제가 있다.
2.2. 종합 The Big Picture
간단히 말하자면, 고려해야 할 요소가 많다는 점이다. 단편적인 수치를 보는 것만으로 전체를 파악할 수는 없다. 재료공학자가 광고 담당자에게, 어떤 소재에 대한 다른 소재의 우위성을 설명하는 것은 간단하다. 하지만, 실제는, 위에서 언급한 것처럼, 동일한 밀도에도 불구하고 매우 다른 强度를 가지는 2종류의 소재 어느쪽을 가지고도 좋은 자전거를 만들 수 있다.
스틸은 프레임의 소재로서 매우 신뢰성이 높고 가장 성공한 소재라고 할 수 있다. 스틸은 가공하기 쉽고, 용접이 용이하면서, 작업에 필요한 설비가 간단하며, 예측 가능한 형태로 부러진다. 게다가, 무엇보다도 가격이 싸다. 지난 100년간 스틸의 자리를 위협해 온 소재는 적지 않다. 그러나 20년 정도 전부터 알미늄 프레임이 증가하고 있으며, 티타늄도 최근 10년 정도 성공을 거두고 있다. 이처럼, 현재(1994년) 스틸은 전도유망한 몇 가지 소재로부터 도전을 받고 있다. 나머지 소재에 대해서도 다음 章들에서 다루게 되겠지만, 먼저 알미늄을 3章에서 다루기로 하자.
3. 알미늄의 미래는 밝다 Aluminum's Future is Bright and Shiny
자, 수업 시작할까요. 오늘은 알미늄에 대해서 공부하기로 합시다. 이번에는 지금까지 2章에서 공부해 온 내용이 토대가 되겠는데, 1, 2章은 복습했습니까? 자, 그럼, 시작합시다.
지난 10년간 알미늄은 자전거 프레임의 소재로서 비약적으로 보급되어 왔다. 80년대 초반에는 알미늄 자전거는 아직 드물었고, 高價 자전거에만 사용되었지만, 82년에 캐논데일(Cannondale)이 참가한 이후, 보급형 모델이 등장하기 시작했다. 현재에는, 대부분의 대소 메이커들이 알미늄 모델을 제작하고 있다.
알미늄은 지각 중에 가장 풍부하게 존재하는 금속이라서, 재료가 부족할 일은 없다. 또한 알미늄은 마그네슘과 베릴륨 다음으로 가벼운 금속이다. 알미늄의 주원료는 보크사이트라는 광석인데, 이 이름은 처음에 발견된 장소인 프랑스의 Les-Baux-de-Provence라는 지명에서 유래한다. 보크사이트는 알미늄 水化物(Al2O3*2H2O) 및 스틸, 티타늄 산화물 등의 불순물로 구성되어 있다. 이 광석 한 가지만으로 자전거 프레임의 소재로 충분한 원소를 포함하고 있는 것같지만, 스틸과 티타늄의 경우에는 더 좋은 광석이 있다.
3.1. 알미늄을 튜브로 Making Aluminum into Tubing
지각 중의 알미늄을 자전거나 의자용 튜브로 가공하는 프로세스는 매우 복잡하고 환경에 나쁘며 에너지를 다량으로 소비한다. 보크사이트로부터 알미늄을 제조하는 방법을 자세히 공부하려면 두통이 생길 정도이므로, 그 공정이 바이엘法이라고 불리는 것은 정말 적절하다(역주: 바이엘(Bayer)은, 두통약 회사다). 알미늄 1Kg을 제조하는 데 필요한 에너지(전력)는, 스틸의 경우보다 훨씬 높다. 리사이클된 알미늄으로부터 地金을 재생하는 데 필요한 에너지는, 보크사이트로부터 제조하는 공정의 5% 정도에 그치지만, 압연, 추출, draw을 필요로 하는 鍛造공정에는 사용할 수 없다는 문제가 있다.
알미늄 합금에는 여러 가지 종류가 존재하지만, 자전거에 사용되는 鍛造알미늄은 통상 4자리수의 숫자로 표기된다. 그 한 예가, 옛날부터 높은 평가를 받고 있는 6061 합금이다. 이와 비교해서 鑄造알미늄은 3자리수 다음에 마침표를 찍은 다음 4번째 수자를 표시한다. 鍛造/鑄造 두 경우 모두 열처리에 관한 수치는 Tx로 표시한다. 7075T6나 2024T4같은 기호를 본 적이 있을 것이다. 여기서 T6, T4가 열처리에 관한 기호다. 이것은, 어떤 冷間鍛造, 열처리, 에이징(인위적으로 시간의 경과에 의한 硬化효과를 주는 공정) 공정을 거쳤는가를 나타낸다.
알미늄 합금의 경우에는, 열처리에 의해 그 기계적 物性이 크게 변화한다(단, 열처리가 가능한 합금과 불가능한 합금이 있다). 6061 알미늄의 다운 튜브(자전거의 부위별 명칭)를 6061 알미늄의 헤드 튜브(자전거의 부위별 명칭)에 용접할 경우, 용접부의 强度는 용접전에 비해서 떨어진다. 때문에, 열처리 및 에이징을 통해 强度를 보강할 필요가 생긴다. 스페셜라이즈드(Specialized)의 M2에 사용되는 소재로서, 6061을 토대로 해서, 산화 알미늄을 약 10% 배합한 듀랄캔(Duralcan)도 이런 처리가 필요하다. 이스튼(Easton)사의 베릴라이트(Varilite)로 대표되는 7005 알미늄은 용접후의 열처리는 필요없지만, 에이징은 필요하다. 이런 처리는 합금의 固溶體, 결정 구조, 합금의 배합물의 포화상태, 현미경 레벨의 응집 등의 요소에 대해 매우 미세하고 중요한 변화를 초래한다. 자세한 내용에 대해서는 이 글에서는 생략하기로 하겠다.
열처리를 할 수 없는 합금은 보통 冷間鍛造를 통해 强度를 높인다. 냉간단조는 再結晶이 아니라, 압연, drawing, straightening or flattening 같은 공정을 통해 구조를 변화시킨다. 자전거 프레임용의 합금으로 이용되는 예로서는, 5086이나 5083이 있다.
열처리는 2단계에 걸쳐 이루어진다. 먼저, 450-550도의 온도에서 수시간 동안 固溶體 처리를 한다. 다음으로, 공기중 혹은 수중(합금에 따라 다르다)에서 실온냉각한 다음, 에이징 처리를 한다. 열처리 도중 용액 상태가 된 배합물은 응집해서, 알미늄의 强度를 높인다. 배합물의 용해도를 높이고 처리속도를 빨리 하기 위해 에이징은 보통 120-180도 정도의 조건하에서 8-36시간 정도에 걸쳐 이루어진다.
3.2. 알미늄의 物性 Aluminum's Properties
3.2.1. 밀도
첫번째로 다룰 物性인 밀도는 가장 이해하기 쉽고, 프레임 소재로서의 알미늄의 가장 큰 장점이기도 하다. 위에서 설명한 바 있듯이, 알미늄의 밀도는 스틸의 1/3, 티타늄의 약 반 정도다. 경량화에 주력하고 있는 자전거 업계에게 있어서 알미늄은 중요한 위치를 차지하게 되었다. 사실, 알미늄에 대해서 공부하면 할수록, 알미늄의 미래는 밝게 느껴진다. 새롭게 개발된 몇 가지의 알미늄 합금은 크로몰리와 비슷한 强度를 가지면서, 밀도가 크로몰리의 1/3밖에 안된다. 그러나, 현명한 학생 여러분은, 强度나 밀도 이외의 다른 요소도 고려해야 한다는 점을 잊지 않았을 것이다.
3.2.2. 剛性
다른 소재에 비해서 알미늄의 영率은 낮지만, 밀도가 낮기 때문에 직경이 큰 경량 튜브를 만들 수 있으므로, 알미늄으로는 매우 가벼운 자전거를 만들 수 있다. 2章에서 설명한 것처럼, 튜브의 직경과 함께 剛性은 증가한다. 알미늄은 가볍기 때문에, 두꺼우면서 剛性이 높은 튜브를 만들 수 있다. 프레임의 승차감은 디자인에 의해 결정된다. 알란(Alan)과 캐논데일(Cannondale)의 자전거는 둘 다 알미늄이지만, 아무도 알란이 딱딱하다거나 캐논데일이 탄력성이 있다고는 하지 않을 것이다.
3.2.3. 伸張性
알미늄의 물성 중에서 가장 먼저 들 수 있는 단점은 伸張性이다. 알미늄은 부서지기 전까지 어느 정도 늘어나는가. 알미늄의 伸張性은 티타늄에는 비교할 바가 못되고 스틸보다 낮은 것이 보통이다. 낮은 신장성 때문에 프레임은 금이 가기 쉽고, 신장률이 9% 이하의 경우에는 상세한 검토를 필요로 한다. 하지만, 强度, 靭度, 피로强度 등 여러가지 다른 요소도 동시에 고려하지 않으면 안된다는 점은 여러분도 잘 알 것이다.
3.2.4. 피로强度
5086과 같은 예외를 제외하면 알미늄 합금은 피로强度의 한계점이 존재하지 않는다. 즉, 아무리 작은 負荷라도 반복되어 가해지면 결국은 알미늄은 피로에 의해 파괴되고 만다. 좀 섬뜩하게 느껴질 지도 모르지만, 알미늄은 이 점에서 스틸이나 티타늄과는 구별되는 것이다. 지금 시중에는 수많은 알미늄 프레임의 자전거가 출하되어 있다. 그 자전거들은 결국은 전부 부러질 운명인가? 그렇지는 않다.
그럼 어떻게 이 문제를 해결할 것인가. 나는 이 점에 대해서, 이스튼 7005 베릴라이트 튜브를 설계한 찰즈 테셰이라 卿("Sir" Charles Teixeira, 평소에는 척Chuck라고 부르고 있지만)에게 물어 본 적이 있다. 그는 머리가 좋은 친구로, 소재에 관한 것이라면 모르는 것이 없다. 그는 튜브를 설계할 때 몇 가지 점에 유의한다. 그 중 하나가 필요한 곳에는 소재를 충분히 사용한다는 점이다. 이것은 간단하게 들릴 지 모르지만 실제로는 깜빡하기 쉬운 원칙이다. 스틸의 경우에는 벌써 1세기 전부터 이 원리(버티드 튜브(butted tube), 역주: 일부의 두께를 다르게 한 튜브)가 적용되고 있다.
제대로 설계된 버티드 튜브는 프레임을 가벼우면서도 강하게 할 수 있다. 스틸의 경우 어떤 사이즈의 튜브가 제대로 기능하는 가를공부함으로써 다른 소재에서는 어떤 식으로 하면 되는가에 관한 힌트를 얻을 수도 있다. 테셰이라는 베릴라이트를 설계할 때 이 점에 주목했다. 베릴라이트는 1990년에 발매되어, 최초는 덕 브레드베리(Doug Bradbury)의 마니토우(Manitou) 자전거에 사용되었다. 이것이 알미늄의 버티드 튜브가 널리 사용되기 시작한 최초의 예이다. 수년 전부터 트렉(Trek)은 알미늄 버티드 튜브를 이용한 자전거를 만들어 왔지만 최근까지는 널리 보급되지 않았다. 클라인(Klein)과 캐논데일(Cannondale)은 90년대 초반부터 이런 자전거를 만들기 시작해 1994년에는 스페셜라이즈드(Specialized)의 M2에도 버티드 튜브가 사용되기 시작했다.(역주: 이 글은 1994년에 쓰여졌다.)
베릴라이트 튜브는, 높은 應力이 가해지는 부위는 매우 두껍고, 應力이 약한 부분으로 갈수록 얇아진다. 이렇게 부하가 튜브 전체에 분산됨으로써 튜브의 수명이 늘어난다. 자전거 만들기는 로켓 과학이 아니다. 얼마나 훌륭하게 디자인하느냐의 문제인 것이다.
3.3. 알미늄의 장점을 살리려면 Optimizing Aluminum's Advantages
알미늄의 장점을 살리기 위해서는, 단점을 해결하지 않으면 안된다. 그 방법 중의 하나가, 허용오차의 범위를 넓게 잡는 것이다. 복잡한 얘기는 생략하고, 테셰이라에 의하면, 알미늄 튜브의 靜的强度는 스틸의 3배 정도로 잡아야 한다. 여기에는 다른 복잡한 요인들이 작용하기 때문에, 靜的强度를 강화하는 것만이 철칙이라고는 할 수 없다. 요컨대, 소재의 변형이 적을 수록 應力이 작아지고 피로의 가능성도 줄어든다. 負荷가 작은 부위에 응력을 분산하는 것도 필요하다. 이것이 버티드 튜브나 보조판이 필요한 이유다. 또한 응력을 튜브 전체에 분산시킴으로써 프레임의 탄력을 증가시켜 승차감을 좋게 한다.
또 한 가지, 인위적인 에이징에 실패하면 응력에 의한 부식도 문제가 된다. 알미늄은 의외로 복잡한 금속인 것이다.
알미늄의 장래는 어떻게 될까. 테셰이라에게 이 질문을 해 봤지만, 스페이스 셔틀의 베어링이나 F16 전투기의 딥스틱(자동차 오일의 깊이를 재는 봉)에 사용된다, 는 등의 신소재가 등장할 가능성은 매우 희박하다. 진보는 있겠지만, 광고 담당자의 선전 문구는 이제 거의 한계에 달하고 있다. 전체적으로 볼 때, 역시 6061을 능가하는 신소재가 등장할 가능성은 희박하다. 6061은 가장 융통성이 있는 합금으로, 알미늄 중에서도 특히 강인하고 伸張性도 좋다. 고급 크로몰리와 보통의 크로몰리를 비교하면서, 어느 경우에든 좋은 자전거를 만들 수 있는 가능성이 있으며, 소재의 질이 아니라 튜브 단계에서 얼마나 뛰어나게 디자인하느냐가 중요하다는 얘기를 한 적이 있다. 알미늄도 마찬가지다. 보다 强度가 높은 알미늄 합금도 존재하는데, 여기에 대해서는 티타늄과 카본에 대해서 논한 다음 6章에서 다시 언급하기로 하겠다. 다음 章의 주제는 티타늄이다.
4. 티타늄 Titanium
티타늄개발협회(Titanium Development Association)는, 티타늄을 "선택받은 소재"라고 부르는데, 자전거 업계 관계자 중에는 여기에 동의하는 사람도 많을 것이다. 4章에서는 이 수수께끼에 덮인 고가의 소재 티타늄에 대해서 논한다. 가볍고 강인하며 피로를 일으키지 않으며, 마법과 같은 승차감, 게다가 엄청난 가격... 업계 내에서 티타늄에 대한 평가는 높다. 티타늄이 이렇게 높게 평가받는지 그 물성을 조사해 보자.
티타늄은 생각보다 희귀한 금속이 아니다. 알미늄, 스틸, 마그네슘 등에 이어서 풍부한 금속 중의 하나다. 자전거용 스틸의 합금 재료로서 불가결한 크롬과 몰리브덴보다 훨씬 풍부하게 존재한다.
4.1. 티타늄의 物性
4.1.1. 밀도와 剛性 Density and Stiffness
위에서 설명한 바 있듯이, 알미늄의 최대의 장점은 밀도다. 티타늄의 경우에도 밀도는 장점에 해당한다. 티타늄의 밀도는 알미늄의 2배 정도 되지만 그래도 스틸의 56% 정도에 지나지 않는다.
다음으로는 剛性, 즉 영率이다. 자전거 프레임에 널리 사용되는 티타늄의 영率은 1500만psi로 스틸의 약 반이다. 즉, 스틸과 티타늄의 중량 당 剛性은 거의 같다. 프레임의 剛性은 소재의 물성뿐만 아니라 설계에도 관계가 있다는 사실은 이미 설명한 바 있지만, 티타늄의 경우에도 마찬가지다. 설계에 따라 부드럽게도 딱딱하게도 될 수 있다. 높은 强度, 낮은 밀도, 중간 정도의 剛性이라는 티타늄의 성질에 기초해, 대부분의 자전거 메이커는 부드러우면서도 충격 흡수성이 좋은 승차감을 실현할 수 있도록 프레임을 설계한다. 그런데, 티타늄으로 초경량 프레임을 만들려고 하면 剛性 부족으로 프레임이 너무 부드러워지는 위험이 발생한다. 초경량 프레임을 실현하는 것은 어떤 소재의 경우에도 어려운 일이지만 티타늄의 경우에도 마찬가지다.
4.1.2. 티타늄의 최대 장점: 伸張性과 引張强度 Ti's Real Plus: Elongation and Tensile Strength
티타늄은 스틸이나 알미늄과 비교해서 밀도와 剛性에 있어서 2위를 기록하고 있다는 것을 알았다. 여기서 伸張性에 눈을 돌려 보면, 티타늄이 스틸과 알미늄에 비해 압도적으로 뛰어나다는 사실을 알 수 있다. 복습하자면, 伸張性이란, 소재가 파괴되기 전에 얼마나 휘는가를 나타내는 것으로서, 프레임과 프레임 빌더에게 있어서 안전성의 중요한 척도가 된다.
티타늄의 신장률은 대체로 20-30% 정도다. 참고로, 스틸은 10-15%, 고强度의 스틸은 6% 정도로 매우 낮다. 알미늄은 보통 6-12% 정도의 범위에 있는 경우가 많으며, 고强度의 알미늄의 신장률은 10% 이하다. 신장률이 낮은 소재는 부서지기 쉽다고 하는데, 부서지기 쉽다는 것은 프레임 소재로서 바람직하지 않은 점이다.
티타늄은 引張强度 역시 매우 뛰어나다. 자전거에 많이 이용되는 3/2.5 티타늄 합금의 冷間鍛造시의 應力緩和降伏点은 보통, 100-130ksi, 혹은 약간 높은 정도인데, 이것은 스틸의 수치를 능가한다. 또한 이 수치가, 뛰어난 延性과 스틸의 반 정도의 밀도와 함께 얻어진다는 사실을 잊지 않기 바란다. 게다가 耐破壞性과 피로强度에 관해서도 아직 중요한 점이 남아 있다.
4.1.3. 피로强度 Fatigue Strength
피로强度 역시 티타늄의 뛰어난 점 중의 하나다(여기까지 읽은 독자 여러분들은, 과연 내가 티타늄에 대해 나쁜 평가를 내릴 때가 있을까, 하고 생각할 지도 모르겠다). 앞에서도 설명한 바 있지만, 프레임의 소재가 실제 자전거에서 있어서 얼마나 오래 견딜 수 있는가를 측정하는 결정적인 방법은 존재하지 않는다. 자전거는 부정기적으로 다양한 負荷를 받는데, 티타늄이나 스틸에는 부하가 일정 레벨 이하인 경우에는 파괴되지 않는 한계가 존재한다. 자전거에 사용되는 알미늄 합금의 거의 전부(메탈 매트릭스를 포함해서)와 마그네슘, 베릴륨 등과 같은 금속은 그런 한계가 없기 때문에, 앞에서 설명한 것처럼 설계가 중요하다.
4.2. 하지만 나쁜 뉴스도... Now for the Bad News...
하지만 티타늄에는 몇 가지 단점이 있어서 티타늄이 시장을 독점하는 일은 없을 것이다. 먼저 티타늄은 비싸다. 그 이유는, 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.
얼마 전, 캑터스 컵(Cactus Cup) 레이스에서, 코너를 돈 직후 헤드 튜브가 부러져버린 티타늄 자전거를 본 적이 있다. 잠시 조사해 본 결과, 내가 생각한 대로 원인은 용접할 때 불순물이 들어간 것이 원인이었다. 티타늄은, 가공에 따라 이상적인 프레임이 될 수도 있고 악몽이 될 수도 있다. 정확한 작업 속도, 소재, 절삭장치를 사용하면 문제가 없지만.
스틸의 가장 큰 단점이 밀도, 알미늄이 强度라면, 티타늄은 뭐가 문제일까. 剛性이다. 6/4 티타늄과 같은 고强度 소재를 사용해도, 티타늄의 영率은 변화하지 않는다. 직경이 크고 두께가 얇아질 수록 剛性은 높아지고 무게는 적어진다. 하지만, 초경량의 프레임을 현재의 가공법으로 만들려고 하면, 맥주 캔 효과를 피할 수가 없다. 이 문제를 해결하기 위해 몇몇 메이커에서는 튜브의 안팎에 버티드 가공을 하거나, 튜브를 변형시키거나, 혹은 一體成形(monocoque) 을 하거나, 혹은 이런 방법들을 조합한 자전거를 선보이고 있다. 가볍고 强度가 높으면서 剛性도 충분한 프레임을 디자인하는 것은 지금부터의 과제다.
프레임 소재로서 티타늄의 장래는 어떨까? 마법의 금속으로서의 티타늄의 평가는 당분간은 변하지 않을 것이다. 하지만, 제조기술이 진보해, 强度와 가격의 양면에서 뛰어난 품질을 제공하게 될 알미늄이 앞으로 티타늄의 자리를 위협하게 될 것이 틀림없다. 물론 티타늄 자전거 메이커도 손을 높고 구경만 하고 있지는 않을 것이다. 티타늄 자전거의 거인인 라이트스피드(Litespeed)사는 1,000 달러 정도의 가격으로 뛰어난 로드 레이서와 MTB를 제공하기 시작하고 있다. 초저가격의 티타늄 자전거는 아마 등장하지 않겠지만, 튜브나 자전거 제조기술이 꾸준히 발전할 것이므로, 티타늄의 수요와 평가는 일정 기간 떨어지지 않을 것으로 생각된다.
다음 章에서는 카본을 다루기로 하자.
5. 카본의 압도적인 잠재성 Carbon Fiber Boasts Tremendous Potential
4章까지 읽었다면, 스틸, 알미늄, 티타늄 자전거를 만들 때 중요한 物性에 대해 많은 것을 배웠을 것이다. 이 章에서는 비금속인 카본을 사용한 프레임에 대해서 공부해 보기로 하자.
5.1. 복합재 카본의 놀라운 세계 The Wonderful World of Composites
복합재라는 용어와 카본이라는 용어는 동의어로 사용되는 경우가 많은데, 모든 복합재가 카본인 것은 아니다. 합판이나 콘크리트도 복합재다. 복합재란, 소재를 조합함으로써 개개의 소재에는 없는 새로운 성질을 부여한 것을 말한다. 예를 들면, 콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈, 물로 이루어진 복합재다.
좀 더 과학적으로 말하면, 복잡재란, 입자, 短섬유, 長섬유가 매트릭스 속에 존재하는 물건을 말한다. 예를 들면 스페셜라이즈드의 M2에 사용되는 듀랄캔 메탈 매트릭스(Duralcan metal matrix)는, 산화 알미늄의 미세한 섬유가 6061 알미늄 내부에 분산되어 있는 구조로 이루어져 있다. 자전거에 사용되는 선진 복합재는, 보통 에폭시 수지에 접착한 매트릭스에 長섬유를 조합한 것이다. 선진적인 복합재가 되기 위해서는, 일반적으로 섬유가 길고, 體積과 섬유의 비율이 50% 이상이 되며, 유리섬유(글래스 파이버)보다 기계적 성질이 뛰어나야 한다.
섬유에는 카본, 케블라, 보론, 세라믹, 실리콘 카바이드, 수정, 폴리에칠렌 등 여러가지가 있다. 그 외에 내가 잘 모르는 것들도 있다.
5.2. 간단한 용어집 A Simple Lexicon
여기서, 이 章에서 사용되는 용어들에 대해서 간단하게 정의하고 넘어가자. 섬유란, 일렬로 늘어선 강화소재를 의미한다. 이런 평행한 섬유 다발을 접착제(매트릭스)를 이용해서 한 데 묶는다. 단층의 매트릭스를 層, 여러 층으로 이루어진 것을 積層(라미네이트)라고 한다. 각각의 층을 다른 방향으로 겹침으로써 積層의 성질을 변화시킬 수가 있다. 引張强度나 伸張性과 같은 용어를 벌써 잊어버렸다면 다시 한 번 1章을 복습해 주기를 바란다. 이 용어들은 지금부터의 설명을 이해하는 데 있어서 불가결하기 때문이다.
5.3. 더할 나위 없는 수치 The Numbers Look Good
카본의 仕樣表를 보면, 다른 소재로 자전거를 만든다는 것이 아무 의미가 없을 정도로 훌륭한 소재다. 하지만 자전거 바보 학교의 학생인 여러분들은, 세상만사 수치가 전부가 아니고, 읽기 힘들 정도로 작은 글씨로 인쇄된 주의사항도 중요하다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 그리고 한 가지 더. 카본에 관해서는 지금까지 여러분들이 배워 온 모든 사실들이 적용되지 않는다는 점도 유의해 주기 바란다.
프레임 소재로서의 복합재의 잠재성은 확실히 대단하다. 그러나 불행하게도, 복합재로 프레임을 만드는 것은 쉬운 일이 아니다. 복합재 프레임이 지금까지 해결하지 못하고 있는 높은 파괴율에는 이유가 있는데, 그것은 소재 자체의 문제가 아니다. 믿기 힘든 일이지만, 로켓 과학자조차도 실수를 하는 수가 있다. 복합재가 놓여져 있는 상황은, 70년대에 티타늄이 처해 있던 상황과 비슷하다. 당시 텔레다인(Teledyne)사가 만든 티타늄 프레임은 잘 부러졌는데, 그것은 티타늄 자체에 문제가 있어서가 아니고, 설계, 보다 정확히 얘기하면 디자인을 실제 프레임에 적용하는 공정이 나빴기 때문이었다. 카본의 경우도 마찬가지여서, 놀라운 잠재성이 충분히 실현되지 못하고 있다.
프레임 디자이너가 프레임의 복잡성을 경시하는 경우가 있는 것도 문제다. 카본의 구조는 금속과 달라서, 조금의 실수도 용납되지 않기 때문에 설계와 조립이 매우 중요하다. 경우에 따라서는, 설계와 조립 이외의 부분으로부터도 문제가 초래될 수도 있다(예를 들면, 다운 튜브에 돌이 부딪히는 경우). 이런 충격에 의해, 비록 튜브가 부러지지는 않는다고 하더라도, 충격의 영향은 프레임 내부에 축적되는 경우가 있다. 카본 매트릭스 내부에 미세한 금이 가서, 결국은 부하를 흡수하는 능력을 감소시킨다. 금속 프레임도 예고 없이 부러지는 경우가 있지만, 이 점에 있어서는 그래도 카본보다는 금속이 낫다.
5.4. 積層방법이 모든 것을 결정한다 It's All in the Lay-Up
한 가지 강조하고 싶은 점은, 복합재는 매우 복잡한 물건이어서, 금속보다 취급이 복잡하다는 사실이다. 소재 자체가 매우 복잡한 데다, 금속과는 달리 구조가 단순하지가 않다. 위에서 읽었겠지만, 금속 프레임을 디자인할 때는, 소재와 설계(튜브의 직경이나 두께 등)의 2가지를 고려하면 된다. 하지만 복합재의 경우에는, 여기에 더해 積層방법이라는 문제를 해결하지 않으면 안된다. 같은 소재와 같은 설계의 프레임이라도, 層구조가 다르면 전혀 다른 물건이 되어버린다는 사실을 잊지 말아 주기 바란다. 剛性은 말할 것도 없고, 파괴應力과 부러지는 양상도 달라진다. 부러지는 원인(積層의 폭발, 제1층의 파괴, 매트릭스가 섬유에서 벗겨지거나, 매트릭스에 금이 가는 경우도 있고, 층이 벗겨지는 일도 있다)도 금속과는 비교할 수 없을 정도로 다양하다,
또 한 가지 문제는 프레임의 형상이다. 트렉(Trek)이나 자이언트(Giant)처럼 접착하는 것도 가능하고, 케스트렐(Kestrel)이나 룩(Look )처럼 독자적인 방법으로 조립할 수도 있다. 접착을 이용한 프레임이라면 적어도 금속 프레임을 참고할 수 있다. 하지만 전혀 새로운 형상을 만들려면 모든 계산을 처음부터 다시 하지 않으면 안된다.
5.5. 카본의 物性
5.5.1. 引張强度, 압축强度 Tensile and Compressive Strength
카본의 物性을 알미늄, 티타늄, 스틸과 비교해 보자. 引張强度는 소재가 부러질 때까지 잡아당기는 실험으로 측정한다. 한 다발의 카본 섬유를 잡아당기는 실험을 하면 그 결과는 어떨까. 꽤 좋은(엄청나게 좋은) 결과가 나온다.
그럼, 여러 다발의 카본 섬유를 압축한 경우에는 어떻게 될까. 실망스럽게도 결과는 별로다. 스파게티처럼 물렁물렁해진다. 그래서, 카본은 厭縮强度를 높여줄 필요가 있다. 여기에 사용하는 접착제가 매트릭스인데, 여러 다발의 섬유를 연결해서 섬유와 섬유, 층과 층 사이에서 負荷를 전달하는 역할을 한다. 매트릭스와 섬유가 결합된 구조물이 복합재인데, 이하에서는 이 두가지를 한 덩어리로 보기로 한다.
5.5.2. 밀도와 剛性 Density and Modulus
사과와 밀감을 비교하는 게 될 지 모르겠지만, 카본의 積層에 대한 일반적인 개요를 설명하기로 하겠다. 카본을 설명하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만, 여기서는 다른 章들과 가능한 한 비슷한 관점에서 비교할 필요가 있어서 이 방법을 택하기로 한다. 카본 섬유의 적층 밀도는 대략 평방 피트 당 0.056 파운드인데, 이 수치는 자전거 프레임용 금속 중에 가장 가벼운 알미늄의 60% 정도이다. 보급형 카본의 영率은 30-33msi(역주: 단위는 不明)로, 스틸보다 10% 정도 높다. 카본이 얼마나 단단하면서도 가벼운 소재인지 이제 아셨을 것이다.
다음으로, 카본에 에폭시를 첨가하면 어떻게 될까. 잘 만들어진 積層은 전 체적 중 62-65%의 섬유를 포함한다. 매트릭스는 負荷를 전달하는 역할을 하고, 기계적 성질은 거의 전부 섬유에 의존하기 때문에, 剛性은 섬유의 비율에 비례한다. 따라서, 섬유의 영率이 30msi라도 섬유의 비율을 65%로 유지하면 결과적으로 영率은 2/3 정도에 불과하게 된다. 하지만 그래도 티타늄의 1/3의 밀도에 剛性이 25% 높기 때문에, 아직 剛性은 뛰어나다. 위의 영率의 수치는, 0도 방향, 즉 섬유와 평행한 방향의 경우다. 그러나, 당연한 일이지만, 자전거에는 다양한 방향에서 應力이 가해지고, 負荷의 强度도 일정하지 않다. 매트릭스는 부하를 분산시키기 위해 섬유를 접착시키는 역할을 하는데, 섬유의 방향과 직각 방향의 剛性을 측정하면 영率은 겨우 1.51msi밖에 안된다. 게다가, 영率은 방향이 0-30도 사이에서 급격하게 떨어지기 때문에, 대부분의 방향으로부터의 負荷에 대해서는 剛性이 낮아지게 된다. 자전거에는 水平應力뿐만 아니라 비틀기 應力도 작용하기 때문에, 이건 문제가 된다.
이 문제를 어떻게 해결할까. 답은, 각 층을 제1층과 다른 각도(보통 45도)로 겹치는 것이다. 결과적으로 剛性은 대략 10-14msi 정도가 된다. 아직 그렇게 나쁜 수치는 아니다. 積層의 장점은, 튜브와 프레임의 성질을 어떤 식으로든 조작할 수 있다는 점이다. 비틀어지지는 않지만 잘 휘는 튜브, 비틀림과 휨에 유연한 튜브, 딱딱한 튜브,,, 어떤 식으로든 가능하다. 이런 성질을 異方性이라고 하는데, 금속에서는 볼 수 없는 성질이다. 이런 성질을 결정하는 것은 소재(의 物性)가 아니라 프레임 디자이너다.
5.5.3. 약점: 伸張性 The Weak Link: Elongation
이번에는 카본의 약점에 대해서다. 카본의 약점은 伸張性이다. 伸張性은 자전거 프레임의 안전도의 척도라고 할 수 있는데, 카본의 신장률은 놀라울 정도로 낮다. 45도 積層으로 어느 정도의 伸張性을 확보하는 것은 가능하지만, 카본의 延性은 본질적으로 적기 때문에 한계가 있다. 복합재는 휘어지는 성질이 약하고, 부서질 때는 조금씩이 아니라 한꺼번에 뚝 부러진다. 따라서 설계자는 알미늄 프레임의 경우와 마찬가지로, 이 문제에 대한 대책을 세우지 않으면 안된다. 대부분의 메이커는 積層방법을 기업비밀로 유지하기 때문에 정보가 부족하지만, 트렉(Trek)의 기술 매뉴얼에는 탄성계수, 즉 영率/밀도의 수치가 나와 있다. 트렉의 OCLV 모델의 영率은 약 8msi다.
첨단 카본의 强度는 매우 높다. 표준적인 카본 유니테이프(carbon unitape, 積層의 단위)의 0도 방향의 强度는 300ksi 이상이고, 좀 질이 낮은 카본을 포함해서 평균을 내더라도, 强度는 100ksi 이상이다. 게다가 밀도가 매우 낮다. 트렉의 예를 보면, 평균 115를 기록한다. 트렉의 카본 프레임은, 알미늄과 비교해서, 剛性이 20 % 정도 높고, 强度가 2배 정도이며, 약 40%나 가볍다. 놀라운 수치다.
5.6. 밝은 미래 A Brilliant Future
첨단 카본의 미래는 어떤 모습일까? 카본에 대한 평가는 계속 올라가고 있다. 실패를 거듭하고 있던 카본 프레임 제작은 최근 들어 많은 성공을 거두고 있다. 현시점(1994년 현재)에서 가장 유력한 모델은 트렉(Trek)의 OCLV와, 자이언트(Giant)라고 할 수 있다. 업계 관계자 몇명에게 들은 얘기를 바탕으로 하면, 카본 프레임의 판매량은 티타늄의 2-3배에 달한다. 티타늄에 대한 높은 평가에 비하면 의외의 감도 없지 않지만, 트렉과 자이언트가 낮은 가격으로 프레임을 제공하고 있다는 점을 고려하면 당연한 결과인지도 모르겠다.
카본 프레임의 장래는 알미늄과 비슷할 것이다. 즉, 소재 자체의 진보보다는, 그것을 최대한 활용하는 처리와 공법이 더욱 중요해질 것이다.
이 章의 집필에 있어서, 슈윈(Schwinn)사의 기술 메니저인 스티브 레빈(Steve Levin)에게서 많은 도움을 받았다. 이 자리를 빌어서 감사를 대신한다.
다음 章에서는 특수한 소재를 다루기로 하겠다.
6. 특수한 소재 Exotic Materials
이 章에서는 좀 특수한 소재를 소개하겠다. 마지막에는 전체를 종합한 다음, 한 가지 수수께끼의 소재를 소개할 것이다. 자 그럼 시작합시다.
6.1. 서모 플라스틱 복합재 Thermoplastic Composites
5章에서는 카본에 대해서 설명했는데, 이 章에서는 같은 복합재인 서모 플라스틱에 대해서 살펴 보자. 혼란을 피하기 위해 5章에서는 언급을 피했지만, 카본과 서모 플라스틱과의 큰 차이는, 전자가 熱硬化性소재, 후자가 熱可塑性소재라는 점이다. 熱可塑性소재는 熱硬化性소재보다 등장 시기가 늦다. 양자의 차이는, 빵과 초코렛의 차이에 비교할 수 있다.
熱硬化性 소재는 빵에 해당한다. 원재료(빵은 밀가루, 물, 효모)를 섞어서 틀에 부은 다음 열을 가해서 반응을 일으킨다. 이 과정은 逆行 불가능하다. 즉, 빵을 녹여서 다시 새로운 빵을 만들 수는 없다.
서모 플라스틱도 원재료를 섞어서 만드는 것에는 변함 없지만, 相變化(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(劣化를 일으키지 않고 몇번 반복할 수 있는가는 소재에 따라 다르다). 또 한 가지, 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, 熱硬化性 소재와 비교해서 耐충격성이 강하다는 점이다. 이와 비교해, 熱硬化樹脂 에폭시는 비교적 무른데, 무르다는 것은 자전거의 소재로서 바람직한 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.
6.2. 마그네슘 Magnesium
알미늄의 반의 밀도(1.54), 6061 알미늄보다 뛰어난 强度, 알미늄과 동등 내지 뛰어난 10-11%의 伸張性을 겸비한 금속이 마그네슘인데, 현재 이스튼(Easton)社가 테스트 중이다. 마그네슘의 延性은 그렇게 뛰어나지 않지만, 이스튼사는 10-11%라는 수치는 유망하다고 주장한다. 마그네슘의 剛性 역시, 6msi 정도로 높지는 않은 편이지만, 이건 큰 문제는 아니다. 알미늄도 剛性은 비교적 낮지만 그렇다고 해서 剛性이 뛰어난 알미늄 프레임을 만들 수 없는 것은 아니기 때문이다. 마그네슘도 이와 마찬가지로, 오히려 剛性이 낮은 것은 환영할 만한 성질이기도 하다.
마그네슘의 경우 해결해야 할 과제는, 극도로 腐蝕에 약하다는 점이다. 마그네슘 파편을 빗속에 방치해 두면, 塗裝하지 않은 스틸 다음으로 빨리 녹슬어 버린다. 이 문제는 塗裝이나 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.
6.3. 알미늄 메탈 매트릭스 복합재 Aluminum Metal-Matrix Composites
알미늄 메탈 매트릭스 복합재(MMC)에 관해서는 여러분도 잘 알고 있을 것이다. 스페셜라이즈드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. 듀랄캔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 剛性은 높아지지만 伸張性과 靭性은 낮아진다. M2의 프레임은 전 중량의 10%의 산화알미늄을 포함하고 있는데, 이 경우, 알미늄과 비교해서 항복점 强度는 8%, 剛性은 20% 높다. 역으로 伸張性은 알미늄보다 낮아지지만 메이커 발표의 수치는 10%로, 허용범위 이내다.
이렇게까지 하지 않아도 알미늄 프레임은 충분한 剛性이 있지 않느냐고 할 지도 모르겠다. 물론 옳은 말씀이다. 하지만, 이미 위에서 설명한 대로, 剛性은 설계에 따라서 달라진다. 예를 들어서 당신이 리어 엔드를 설계한다고 해보자. 일정 수준의 剛性과 함께, 진흙, 발뒤꿈치, 타이어, 체인 링에 대해 충분한 간격을 확보하려면 직경이 작은 튜브가 좋지만, 튜브의 직경을 작게 하면서도 剛性이 충분한 튜브를 만들기 위해서는 剛性이 높은 소재가 바람직하다. 剛性이 높은 소재를 사용하면, 메인 프레임의 직경을 줄일 수 있다.
부위에 따라 剛性을 다르게 하는 것의 이점으로서는, 무엇보다도, 높은 剛性이 요구되는 부분에는 높은 剛性의 소재를 사용하고, 역으로 헤드 튜브의 접합부와 같이 높은 延性이 요구되는 부분에는 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 强度는 별 차이 없지만 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.
6.4. 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, 强度, 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, 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 强度와 剛性을 볼 때 주의해야 할 것은 T-8(열처리, 에이징, 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.
6.5. 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 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 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 보론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)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 强度가 52-56ksi, 極限强度가 65-72ksi, 영率이 14-15msi, 伸張性이 4.5-6% 정도다. 6013 알미늄은 고强度의 합금으로, 알미늄 합금 중에서 뛰어난 靭性을 가지지만, 세라믹의 하나인 보론 카바이드를 배합하면 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.
6.6. 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 比强度(强度/밀도)는 매우 높고, 比剛性(영率/밀도)은 지구상의 모든 금속 중 가장 뛰어나다. 하지만, 베릴륨은 매우 희귀하다. 얼마나 비싸냐 하면, 알미늄의 200배나 된다.
역자: 원문에는 베릴륨의 物性에 대한 설명이 얼마 정도 더 있지만, 아마 베릴륨 자전거를 (있다면) 탈 수 있는 사람은 전무할 걸로 생각해서, 이하는 생략합니다.
6.7. 에어멧 100 AerMet 100
에어멧 100은 유망한 소재로, 최근 자전거 업계의 주목을 모으고 있다. 철계의 합금인데, 카펜터 테크놀로지(Carpenter Technolog Corporation)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 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), 强度에서는, 용접가능한 스틸과 그외 다른 소재를 능가한다. 카펜터 테크놀로지社가 제공한 소재로 Velonews가 1993년 12월 13일호에서 실시한 테스트에서, 에어멧 100은 최저 261ksi의 항복점强度와 300ksi의 極限强度를 기록했다. 놀라울 정도의 기록이다.
伸張性 또한 뛰어난데, 위의 테스트에서는 10%를 기록했다. 영率의 경우에는, 스틸로서는 평균적인 28msi를 기록했다. 카펜터 테크놀로지社에 의하면, 이 합금은, 높은 强度와 靭性, 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 테크놀로지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 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.
6.8. 수수께끼의 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
항복점强度: 510ksi 알미늄의 12배
영率: 18msi 알미늄의 1.8배
比强度: 알미늄의 14배
이 소재로 프레임을 만든다고 가정해 보자. 영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 伸張性이 거의 0에 가까운 것이다.
이 소재(금속)의 이름은? 스스로 답을 찾아 보시도록. 도전하실 분은 메일 주세요. 채점해서 보내드리겠습니다.
힌트: 지금 여러분이 이 페이지를 보기 위해서 사용하고 있는 컴퓨터의 핵심 부품. 이게 없으면 컴퓨터는 두뇌 없는 고물덩어리에 불과함.
내용출처 : www.corearoadbike.com 에서 가져 왔습니다.
손님
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