예전에 왈바에서 어떤분이 올리신 글 복사해놓은게 있어서 올립니다.
어떤분인지 잘 기억이 안나는데...혹시 코호시스 님이셨는지....
아니면 kohosis님 아뒤로 검색해보시면 프레임에 관해 잘 설명해놓은게 있을껍니다

제목 : 산악자전거 프레임 소재별 특성 및 용접방법

조사목적 : 평소에 취미로 하던 산악자전거의 소재별 제조법 조사로 인해 용접을 이해하며 더욱더 전문적인 지식을 얻는다.

조사내용 :

1. 산악자전거의 유래 및 개발자
캘리포니아를 한마디로 말하면 서핑(Surfing)의 메카라고 할 수 있다. 그러나 서핑을 즐길수 있을 만한 파도가 일지 않을때는 서퍼들은 서프보드(Surf Board) 대신 자전거를 탄다.드넓게 펼쳐진 평평한 모래사장을 달리는 것 뿐이므로 번거로운 변속기는 필요없다. 두껍고 직경이 넓어 모래에 빠지지 않는 타이어, 모래를 씹지않는 페달, 역회전식 코스타 브레이크 등 해변에 알맞는 스타일링, 이것이 비치크루저였다. 1970년대초 아이들을 중심으로 해서 20인치 BMX(Bicycle Motorcross)가 성행하고 있을때 BMX 감각의 경주를 즐기고 싶다고 생각한 열광자들은 비치크루저에 BMX 부품을 정착하여 경주를 즐겼다. 그러나 한 개의 프리기어로 모래사장 같은 평평한 코스의 경주에 식상해진 그들은 비치크루저에 변속기를 붙여 마린카운티 구릉지대로 필드를 옮겼다. 비치크루저를 즐기는 또 하나의 방법, 즉 투어링을 개발하게 된 것이다. 이 투어링의 1인자가게리 피셔였다. 현재에도 미국의 MTB 일류 메이커로 군림하고 있는 게리 피셔, 톰 리치, 조 브리즈 등은 자신의 이름을 그대로 브랜드 이름으로 해서 강한 오리지널리티를 끊임없이 발휘하고 있다. 캘리포니아주 샌프란시스코 북쪽의 넓은 구릉지대인 마린카운티가 그들의 사이클 필드였다.특히 게리 피셔는 비치크루저에 변속기를 붙이고 산불방지를 위하여 만들어진 파이어 로드(Fire Road)를 달린 최초의 MTB 라이더였다. 게리 피셔의 적극성에 자극을 받았던 톰 리치와 조 브리즈는 로드 레이서의 프레임 빌더로서 활약하고 있었는데, 그 경험이 MTB 전용프레임을 탄생시킨 계기가 되었다. 뛰어난 빌더인 톰 리치와 조 브리즈는 티그 용접과 피레트 피니슈 가공을 멎지게 완성시킨 것이다. MTB에 대한 정열이 끝이 없는 톰 리치는 오리지널 부품 브랜드인 <리치 로지크>를 감독하고 있다. 가볍고 기능이 뛰어난 로지크의 부품은 경주에 있어서 우승을 위한 필수 부품으로 압도적인 인기를 얻고 있다. MTB의 고안자는 게리 피셔이다. 그가 1974년에 만든 크랭커는 그 시작이라고 불리며, 캘리포니아주 마린카운티에 있는 델머페이산을 내려오기 위하여 그가 제조한 자전거는 MTB의 제 1 호로 되어 있다. 그의 이름을 딴 <게리 피셔>사는 오버 사이즈 튜빙이나 빅 포크, 리어 서스펜션의 채용 등 유행의 선구적 역할을 하고 있다. 게리 피셔는 단순한 프레임 빌더만은 아니다. 그는 컨셉터이며 라이더로서 지금도 세계선수권대회에 참가하고 있다. 최고의 MTB 프레임 제작자는 게리 피셔의 친구인 조 브리즈이다. 1977년에 만들어진 조 브리즈의 MTB는 오클랜드에 있는 박물관에 세계 최초의 MTB로서 전시 되어 있다. 그것은 게리피셔가 개조한 크랭커에 비해 중량이 약 1/2 정도 가볍다. 또 이 MTB는 크랭커에는 변속기가 없었던 것에 비해 18단 변속기를 장비하는 등의 발달을 거둔 MTB이다.

2. 산악자전거의 소재별 장·단점
⑴ 크로몰리(주철) : 산악자전거 뿐만 아니라 사이클의 소재로도 많이 쓰이며 충격을 흡수하며 분산 시키는 능력이 뛰어나다. 물기에 대한 부식에 약하며 녹이 슬며 무게가 많이 나가는 것이 단점이다.
⑵ 알루미늄 합금 : 산악자전거의 소재로 가장 널리 쓰이며 물기에 부식이 없고 가벼운 것이 장점이다. 장기간 사용하게 되면 피로의 누적으로 인해 용접부분에 균열이 발생하는 것이 단점이다.
⑶ 티타늄 합금 : 충격흡수력이 알루미늄과 크로몰리의 중간정도이며 물기에 대한 부식력도 강하며 반영구적인 것이 장점이나 가격이 비싼 것이 단점이다.
⑷ 카본 : 알루미늄보다 가벼운 것이 장점이며 소재의 특성상 녹이 절대 나지 않지만 제작단가가 비싸고 충격에 약해 금이가거나 주행시 충격이나 페달링시 반동이 약한 것이 단점이다.
이상 대표적인 4가지 소재를 알아보았으나 금속가공을 연구하는 과목 특성상 카본소재는 제외하고 나머지 3가지 소재의 용접법 및 특성을 알아보기로 하겠다.


표 1. 각종 금속 재료의 용접 난이 일람표

(A : 보통 사용, B : 가끔 사용, C : 드물게 사용, D : 사용하지 않음)

3. 주철(Cast Iron)
:( ※산악자전거의 소재로는 코로몰리강이 쓰이나 참고 자료의 부족으로 그와 비슷한 주철에 관해 조사하여 대체한다. )

⑴ 주철의 종류
주철은 Fe를 주 성분으로 하는 합금이라고 구분할 수 있다. 주요 합금 원소는 2% 이하의 탄소 (C), 1 ∼ 3% 정도의 Silicon (Si) 그리고 1% 이하의 Manganese (Mn)를 포함한다. 주철은 강에 비하여 많은 탄소를 함유하며, 가격이 저렴하고 형상 제한이 거의 없으며 조직내의 탄소가 흑연으로 존재하면 주조성, 절삭성이 좋아 주물 제품으로 많이 이용되고 그 흑연의 형상에 따라서도 그 성질은 크게 변화한다. 주철은 기계적 특성과 용접성에 영향을 미치는 조직의 구조에 따라 많은 종류로 구분되며 각각 다양한 특성들을 보이고 있다. 많이 사용되는 주철의 특성에 따라 크게 다음과 같이 구분한다.










⑵ 주철의 용접성
주철의 용접성은 조직과 그에 따른 기계적 특성에 의해 다양한 특징을 보인다. 예를 들어 Gray cast irons은 조직의 특성상 취약(Brittle)하고 용접 과정에서 발생되는 응력을 견디기 어려운 특성을 가지고 있다. 편상으로 늘어선 Gray cast iron의 Graphite flake에 의한 효과가 없는 가단 주철(Malleable cast iron)이나 구상 흑연 주철(Nodular cast iron)은 연성이 좋아 용접성이 좋다.
용접성은 용접 열영향부에 발생하는 경(Hard)하고 취약한 미세 조직의 형성에 의해 영향을 받는다. 백주철은 매우 경(Hard)하고 탄화물(Fe3C)을 함유하고 있어서 일반적으로 용접이 불가능한 것으로 평가된다.

1) 용접 방법
용접 균열을 예방하기 위해 Braze Welding이 주로 사용된다. 산화물 및 불순물등은 용융에 의해 제거되지 않는다. 용접 과정에서 발생되는 표면의 Graphite는 기계적인 방법 혹은 Salt Bath등에 장입하여 제거한다.
용접 방법으로는 산소-아세틸렌, SMAW, MIG/FCAW등 대부분의 용융 용접 방법이 모두 적용 가능하다. 용접 입열을 작게 하고, 폭넓게 예열을 실시하며 급냉을 피해서 HAZ부의 균열을 방지한다.
① 산소-아세틸렌 용접은 낮은 용접 입열로 인해 SMAW에 비해 더 큰 예열을 필요로 한다. 용입(Penetration)과 확산(Dillution)이 작으면서도 열전달이 빨라 열영향부가 커지게 된다. 서냉을 하면 강도가 낮은 조직이 얻어진다.
② SMAW는 열 집중과 빠른 용접 속도 그리고 낮은 용접 입열로 인해 주조물의 제작과 보수 용접에 많이 사용된다. 하지만 큰 용탕(Melting Pool)이 형성되고 모재의 확산(Dillution)이 큰 단점이 있다.
③ MIG/FCAW는 용입을 제한 하면서도 빠른 용착 속도가 장점이다.

2) 용접 재료
탄소의 함유량이 높은 주철의 용접과정에서 발생되는 문제점은 대부분 Nickel 혹은 Nickel 합금의 용접 재료는 Graphite를 미세하게 분산하고 기공의 발생을 최소화하면서 기계 가공성을 가지도록 한다.
① 산소-아세틸렌 용접에 사용되는 용접봉은 용접 금속의 기계적 특성 향상을 위해 약간 높은 수준의 탄소와 Silicon을 함유한다.
② 주철의 SMAW 용접에 적용되는 용접봉은 Nickel, Nickel-iron, Nickel-Copper 합금이 사용된다. 이들 용접 재료는 모재로 부터의 높은 수준의 탄소 확산을 고용하여 연성이 좋은 용접 금속을 만들게 된다.
③ MIG 용접에 적용되는 용접 재료는 Nickel, Monel 및 Copper 합금이 적용된다. FCAW용으로는 Nickel-iron-manganese 합금의 용접재료가 사용된다.
3) 용접 결함
전술한 바와 같이 주철의 용접에는 Nickel 혹은 Nickel 합금의 용접 재료가 우수한 용접 금속의 특성으로 인해 널리 사용된다. 하지만, 용접 과정에서 모재로 부터 확산되어 오는 많은 양의 황(Sulfur)과 인(Phosphorus)은 Nickel 용접 금속의 응고 과정에 응고 균열을 발생시킬 수 있는 위험성이 있다.
주철의 용접시에는 딱딱하고 취약한 열영향부 조직의 생성 때문에 용접후 냉각과정에서 균열이 발생하는 경향이 많다. 이를 해결하기 위해서는 적절한 에열과 냉각속도의 지연이 유효하다. 예열을 통해 냉각 속도를 지연시킬 수 있으며 열영향부의 Martensite 조직 생성을 줄일 수 있다. 주철의 조직에 다른 예열 조건은 다음의 추천 사항을 따른다.
표 2. 주철의 용접시 적용되는 예열 조건



RT : Room Temperature, * 200℃ if high C core involved

균열은 불균일한 용접부 팽창에서 그 원인이 있다. 특히 복잡한 형상의 구조물이나 커다란 구조물에 연결되어 있는 작은 용접 대상물을 예열할 경우에는 점진적이고, 균일한 예열과 용접 후 냉각이 이루어 지도록 주의하여 작업해야 한다. 국부적인 과도한 열구배(Thermal Gradient
)는 피해야 한다. 적절한 예열과 냉각 관리가 어려울 경우에는 용접부를 급냉하는 것도 한가지 방법이다. 이때에는 아직 용접부에 열이 남아 있을 때, 용접부를 두들겨서 (Hammer Peening) 용접 금속의 갑작스런 응고 과정에서 발생하는 응고 수축에 의한 응력을 최소화 한다.

4) 주철의 보수 용접
주철은 주조 과정의 결함 발생과 취성이 큰 조직의 특성으로 인해 결함 보수 작업이 자주 필요하게 된다. 작은 크기의 결함은 기존의 SMAW, 산소-아세틸렌 용접, Bronze 용접 등의 방법으로 수정이 가능하다.
결함 부위를 Grinder 혹은 Gouging 등의 방법으로 깨끗하게 한다. Gouging 으로 결함 부위를 제거할 때는 300℃ 정도로 예열을 하는 것이 좋다. Gouging후에는 용접 작업 전에 경화된 표면을 제거하기 위해 Grind 작업을 실시하는 것을 추천한다.
용접은 Nickel이나 Monel로 완전히 제거하고, 용접 금속이 식기전에 Peening을 실시하여 응고 과정에서 발생하는 잔류 응력을 최소화 하는 작업이 필요하다. 또한 응고 과정중의 잔류 응력에 의한 균열 발생을 최소화 하기 위해 용접부를 보온재로 덮어 냉각이 서서히 일어나도록 주의 하여야 한다.

4. 알루미늄

⑴ 알루미늄(aluminum)의 특징 :
알루미늄과 그 합금은 항공 우주 산업이나 가정용 기물 외에 일반 공업용 차량, 토목, 건축, 조선, 화학 및 식품 등 많은 공업 분야에 널리 사용된다. 알루미늄은 pH 4.5 ∼ 8.5의 환경에서 산화 피막이 모재를 보호하기 때문에 내식성은 우수하나 이온화 경향이 커서 부식 환경하에서 Fe, Cu, Pb 등과 접촉하면 심하게 부식되고 수은은 ppm 단위만 있어도 심하게 부식된다. 순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 각종 원소 (Mn, Si, Mg, Cu, Zn, Cr 등)를 첨가하여 주로 석출 경화에 의한 강도 향상을 도모하여 사용한다. 자성이 없으며 일반 탄소강에 비해 열 및 전기 전도도는 약 4배 정도로 크고, 선팽창게수는 약 2배 정도 커서 용접성은 많이 떨어지는 재료이다. 구체적인 특징은 나열하면 아래와 같다.
① 비중이 작다. (2.6989)
② 용융점이 낮다. (660.2℃)
③ 전기의 전도율이 좋다.
④ 가볍고 전연성이 커서 가공이 쉽다.
⑤ 은백색의 아름다운 광택이 있다.
⑥ 변태점이 없다.
⑦ 시효 경화가 일어난다.
⑵ 알루미늄 합금의 종류
1) 알루미늄 합금은 그 합금 원소의 성분에 따라 아래 표와 같이 1000시리즈부터 7000 시리즈까지 나뉘어 표시되어 있다. 각각의 첫 번째 숫자가 의미하는 내용은 다음과 같이 구분된다.

Al 순도 99.0% 또는 그 이상의 순 Al 1XXX
Al-Cu계 합금 2XXX
Al-Mn계 합금 3XXX
Al-Si계 합금 4XXX
Al-Mg계 합금 5XXX
Al-Mg-Si계 합금 6XXX
Al-Zn(Mg, Cu)계 합금 7XXX
기타 합금 원소 8XXX
사용되지 않는 강종 (예비 번호) 9XXX ..

꼬리말 치곤 너무 길었나요?^^죄송....더불어 이글 원본주인님께 무단으로 써서 죄송하단 말씀드립니다