알루미늄 합금 경도 차트: HW, HB, HV, HRB, HBA
프로젝트에 적합한 알루미늄 합금을 선택하는 방법에 대해 궁금한 적이 있나요? 각각 고유한 특성을 가진 다양한 옵션이 있기 때문에 어려운 작업이 될 수 있습니다....
전기 산업에서 알루미늄 합금과 구리 도체 사이의 논쟁이 왜 그렇게 중요한가요? 도체 재료로서 두 재료 모두 고유한 장점과 단점이 있습니다. 이 문서에서는 이러한 재료의 성능, 비용 효율성 및 응용 분야를 살펴보고 기계적 및 전기적 특성에 대한 통찰력을 제공합니다. 독자들은 알루미늄 합금이 어떻게 구리를 대체할 수 있는 대안으로 부상하여 송전 및 배전 시스템을 잠재적으로 변화시키고 있는지 이해할 수 있을 것입니다. 어떤 도체가 전기 인프라의 미래를 이끌 수 있는지 자세히 알아보세요.
인류가 구리를 사용한 것은 1만 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 8,700년 전의 유물인 구리 이어컵이 이라크 북부에서 발굴되었고, 4,000여 년 전 중국에서는 샤유 시대에 청동기가 존재했습니다.
구리를 전도체로 사용한 역사는 18세기 후반 전기를 발견하고 응용한 이래 200년이 넘었습니다.
비교적 최근에 개발된 금속인 알루미늄은 19세기 중반에는 금보다 더 귀한 '은금'으로 알려졌지만, 1886년 미국의 과학자 홀이 전해 알루미늄 방법을 독자적으로 개발하면서 산업 생산의 길을 열었습니다.
알루미늄을 전도체로 사용한 것은 1896년 영국의 윌리엄 크룩스 경이 볼턴에 세계 최초의 가공 알루미늄 연선을 세우면서 시작되었습니다.
1910년, 미국 알루미늄 협회의 후프가 나이아가라 폭포 위에 세워진 강철심 알루미늄 연선을 발명했습니다. 그 이후로 가공 고압 송전선은 점차 강철심 알루미늄 연선으로 대체되었습니다.
또한, 서구 선진국에서는 알루미늄 도체 1910년 배전선으로 구리 도체를 대체하기 위해 개발되었습니다.
현재 전 세계에서 생산되는 알루미늄 중 약 14%가 전기 재료로 사용되고 있으며, 전선용 알루미늄 사용량은 미국이 약 35%로 선두를 달리고 있습니다.
중국 전기 부서에서 사용하는 알루미늄의 양은 전체 알루미늄 소비량의 약 3분의 1을 차지하며 주로 고압 송전에 사용되는 반면 배전에 사용되는 알루미늄 도체의 비율은 5% 미만입니다. 구리 또는 알루미늄을 도체로 사용하는 것은 역사적, 국가적, 자원적 조건의 영향을 받습니다.
1950년대 구리 가격이 급격히 상승하면서 전 세계 전선 및 케이블 업계는 구리를 알루미늄으로 대체할 것을 제안했습니다. 동일한 전기적 성능을 달성하려면 알루미늄 도체의 단면적은 구리 도체에 비해 두 단계 더 커지거나 50% 증가해야 합니다.
1960년대와 1970년대에도 같은 이유로 구리를 알루미늄으로 대체하자는 제안이 있었습니다. 2005년부터 현재까지 구리를 알루미늄으로 대체하자는 제안이 다시 제기되었습니다.
기술의 발전으로 이번에 구리를 알루미늄으로 대체하는 것은 주로 구리를 알루미늄 합금으로 대체하는 것을 의미합니다. 구리를 알루미늄으로 대체할 경우 어떤 전망이 있을까요? 알루미늄 합금, 구리 및 알루미늄의 특성에 대해 더 많이 이해해야 합니다.
| 성능 | 알루미늄 | 알루미늄 | 구리 | 구리 | |
| 어닐링 (0) | 하드(H8) | Annealed | 하드 | ||
| 원자 무게 | 26.98 | 63.54 | |||
| 밀도/kgm-3 | 2700 | 8890 | |||
| 저항률/nΩ-m | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| 전도성/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| 온도 저항 계수/(nΩ-m)-K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| 인장 강도/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| 영탄성계수/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| 선형 팽창 계수/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| 비열 용량 | /J(kg-K)-1 | 900 | 392 | ||
| /J(℃ -cm3)-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| 열전도율/W-(m-K) | 231 | 436 | |||
| 열 저항/K-W-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| 수은 전극 전위/V | -0.75 | -0.22 | |||
| 브리넬 경도 | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| 녹는점/℃ | 600 | 1083 | |||
| 녹는 열/ × 105J - kg-1 | 3.906 | 2.142 | |||
참고: 데이터는 "알루미늄 합금과 그 가공 핸드북" 제2판에서 가져온 것입니다.
케이블 생산 표준의 관점에서 모든 전원 케이블 제조는 GB12706.1-2008 "정격 전압이 1kV(Um=1.2kV) ~ 35kV(Um=40.5kV)인 압출 절연 전원 케이블 및 액세서리"를 따릅니다: 파트 1: 케이블의 도체가 GB/T3956-2008에 따라 생산되는 정격 전압이 1kV(Um=1.2kV) 및 3kV(Um=3.6kV)인 케이블".
GB/T3956-2008 "케이블의 도체"에는 명시적인 규정이 있어 첫 번째 또는 두 번째 유형의 금속 코팅 또는 비금속 코팅 어닐링 구리 도체, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도체의 사용을 허용합니다.
전기 알루미늄의 인장 강도 및 전기 전도성
| 상태 | σb/MPa | 최대 저항률(Ω-mm2/m) | 전도도(최소) / %IACS |
| 1350-0 | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 또는 H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 또는 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 또는 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
참고: 데이터는 "알루미늄 합금과 그 가공 핸드북" 제2판에서 가져온 것입니다.
60년대와 70년대에는 전 세계적으로 구리 가격이 치솟았습니다. 정치적 요인으로 인해 구리는 전략물자로 규제되었고, 국내에서는 알루미늄이 송전 케이블의 주요 도체 재료로 널리 사용되었습니다.
'구리를 알루미늄으로 대체'하는 정책은 전기 업계에서 일반적인 기술 정책이 되었으며, 구리 도체 케이블을 사용하려면 신고 신청을 해야 했습니다.
따라서 민간 건물의 메인 라인과 지선은 모두 순수 알루미늄 케이블을 사용했습니다. 순수 알루미늄 도체(AA1350)의 단점은 주로 다음과 같은 측면에 반영되어 있습니다:
(1) 기계적 강도가 약하고 쉽게 파손됩니다,
(2) 크리프가 발생하기 쉬우므로 나사를 자주 조여야 합니다,
(3) 과부하 상태에서 쉽게 과열되어 안전 위험을 초래할 수 있습니다,
(4) 전환 연결 문제 구리 및 알루미늄 는 잘 해결되지 않습니다.
이러한 문제는 국내뿐만 아니라 전 세계 케이블 업계에도 널리 퍼져 있습니다. 그러나 국제 관계가 개선되고 중국의 개혁 개방이 시행되면서 해외에서 대량의 구리 자원을 수입할 수 있게 되었고 구리와 알루미늄의 가격 차이가 미미해지면서 국내에서는 '알루미늄의 구리 대체' 추세가 점차 사라지게 되었습니다.
동시에 외국에서는 합금 도체와 단자 사이의 연결 문제를 해결하기 위해 새로운 알루미늄 합금 도체를 적극적으로 개발했습니다.
결국 미국과 유럽은 배전선에 알루미늄 합금 도체를 광범위하게 사용하게 되었습니다.
미국 국가 전기 규정 [5] NEC330.14에 따르면 "단면적 8, 10, 12AWG(국내 규격 8.37mm2, 5.26mm2, 3.332mm2에 해당)의 고체 도체는 AA8000 시리즈 전기 등급 알루미늄 합금 재료로 만들어야 합니다.
8AWG(국내 규격 8.37mm2에 해당)에서 1000kcmil(국내 규격 506.7mm2에 해당)의 연선 도체(유형 RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THHN, 서비스 입구 유형 SE 스타일 U 및 SE 스타일 R로 표시)는 AA-8000 시리즈 전기 등급 알루미늄 합금 도체 재료로 만들어야 합니다"라고 규정하고 있습니다.
도체로 사용되는 알루미늄 합금의 급속한 발전은 1960년대와 1970년대에 구리 가격이 크게 상승하면서 촉발되었습니다. 알루미늄 협회의 합금 명칭 중 도체로 사용되는 알루미늄 합금의 주요 유형에는 AA1000 시리즈(순수 알루미늄), AA6000 시리즈, AA8000 시리즈가 있습니다.
AA1000 시리즈는 주로 고전압 가공선에 사용됩니다. AA6000 Al-Mg-Si(알루미늄-마그네슘-실리콘 합금) 시리즈는 주로 고전압 가공선 및 알루미늄 버스 바에 사용되며, 두 유형의 도체 모두 단단한 상태로 존재하며 주로 용접을 통해 연결됩니다.
AA8000 Al-Mg-Cu-Fe(알루미늄-마그네슘-구리-철 합금) 시리즈는 배전선에 사용되는 실제 연질 알루미늄 합금을 나타냅니다. AA8000 알루미늄 시리즈 합금은 1960년대와 1970년대에 수많은 특허를 획득했습니다.
| 합금 이름 | 미국 특허 번호 | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| 알루미늄 합금 | 품질에 따른 화학 성분 비율 | |||||||||
| ANSI | UNS | 알루미늄 | 실리콘 | Iron | 구리 | 마그네슘 | 아연 | 붕소 | 기타 (합계) | 기타 (합계) |
| 8017 | A98017 | 잔여물 | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | 잔여물 | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | 잔여물 | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | 잔여물 | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | 잔여물 | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | 잔여물 | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
A: 최대 리튬 함량은 0.03입니다.
B: 최대 실리콘 및 철 함량은 1.0입니다.
C: 최대 갈륨 함량은 0.03입니다.
참고: 알루미늄 전도체 핸드북 - 3판에서 가져온 데이터입니다.
구리, 철, 마그네슘 원소의 첨가는 합금에서 중요한 역할을 합니다:
구리: 고온에서 합금의 전기 저항 안정성을 향상시킵니다.
철: 크리프 저항과 압축 강도가 280% 증가하여 크리프에 의한 풀림으로 인한 문제를 방지합니다.
마그네슘: 동일한 인터페이스 압력에서 접촉점을 늘리고 더 높은 인장 강도를 제공할 수 있습니다.
연성 전선용 알루미늄 합금의 성능
| 브랜드 또는 제품 이름 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% | 브랜드 또는 제품 이름/%IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| 트리플 E | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
| Super -T | 95 | 67.6 | 33 | 62.5 |
| X8076 | 108.8 | 60.8 | 22 | 61.5 |
| Stabiloy | 113.8 | 53.9 | 20 | 61.8 |
| NiCo | 108.8 | 67.7 | 26 | 61.3 |
| X8130 | 102.0 | 60.8 | 21 | 62.1 |
참고: 데이터는 "알루미늄 합금과 그 가공 핸드북" 제2판에서 가져온 것입니다.
(1) 기계적 강도: 표에서 볼 수 있듯이 AA1350 순수 알루미늄 도체와 비교하여 AA8000 시리즈 도체의 인장 강도는 순수 알루미늄의 약 150%이며, 그 항복 강도 는 약 200%의 순수 알루미늄입니다.
(2) 크리프 저항: 500시간 크리프 테스트에서 AA8000 시리즈 합금의 크리프 저항은 AA1350 순수 알루미늄 도체의 약 280%로, 본질적으로 구리 도체와 동일한 수준에 도달한다는 것이 분명합니다.
| 지휘자 특성 | 전기 구리(Cu) | AA8000 알루미늄 합금 |
| 밀도(g/mm³) | 8.89 | 2.7 |
| 녹는점(℃) | 1083 | 660 |
| 선형 팽창 계수 | 17*10-6 | 23*10-6 |
| 전기 저항률(Ω*mm²/m) | 0.017241 | 0.0279 |
| 전기 전도도 IACS% | 100 | 61.8 |
| 인장 강도(MPa) | 220-270 | 113.8 |
| 항복 강도(MPa) | 60-80 | 53.9 |
| 신장률(%) | 30-45 | 30 |
AA8000 알루미늄 합금 도체와 구리 도체를 비교하면 저항률의 차이로 인해 국제 어닐드 구리 표준(IACS) 값이 달라지는 것을 알 수 있습니다.
AA8000 알루미늄 합금은 구리 값의 61.8%입니다. 알루미늄 합금 도체의 단면을 두 등급 높이거나 구리 도체 단면적의 150%로 높이면 전기적 성능이 일치하게 됩니다.
인장 강도 측면에서 알루미늄 합금 도체는 구리 도체의 절반에 불과합니다(113.8 대 220 MPa).
그러나 AA8000 알루미늄 합금의 밀도는 구리 도체의 30.4%에 불과하기 때문에 알루미늄 합금 도체의 단면적은 구리 도체의 150%로 증가하더라도 알루미늄 합금 도체의 무게는 구리 도체의 45%에 불과합니다.
이러한 상황은 알루미늄 합금 도체가 구리 도체보다 인장 강도 면에서 특정 이점을 제공합니다.
AA8000 알루미늄 합금 도체의 항복 강도는 구리 도체와 비슷하여 알루미늄 합금 도체의 크리프 특성이 구리 도체와 거의 비슷합니다.
파단 연신율 측면에서 알루미늄 합금 도체와 구리 도체는 본질적으로 동일합니다.
알루미늄 합금 도체와 구리 도체의 팽창 계수가 다르기 때문에 직접 연결에는 적합하지 않습니다. 다음과 같은 방법을 통해 연결의 안정성을 보장합니다.
전력 케이블 도체에 대한 크림프형 구리 및 알루미늄 단자 및 연결 튜브 표준 GB14315-2008이 공식적으로 시행되었습니다.
이 표준에서는 구리-알루미늄 전환 단자도 공식적으로 통합되어 합금 케이블을 구리 버스바 및 전기 장비에 연결할 수 있는 이론적 근거를 제공합니다.
구리-알루미늄 전환의 주요 현재 방법은 다음과 같습니다:
1) 합금 케이블 + 구리-알루미늄 전환 단자 (단자가 직접 연결됨) 구리 부스바).
2) 합금 케이블 + 알루미늄 단자(알루미늄 단자와 주석 도금 구리 모선을 연결할 때 국가 표준에서 제공하는 토크 값에 따라 나사를 조이고 열팽창 및 수축 중에 구리와 알루미늄의 효과적인 연결을 유지하기 위해 디스크 와셔를 추가합니다.)
3) 합금 케이블 + 알루미늄 단자 + 바이메탈 와셔(와셔의 알루미늄 부분은 알루미늄 단자와 연결되고 구리 부분은 구리 버스바와 연결됨).
이러한 연결 방식은 모두 IEC61238-2008 또는 GB9327-2008에 따라 30년 사용을 시뮬레이션하는 1,000회 열 사이클 테스트를 거쳐 케이블 연결의 신뢰성을 보장합니다.
미국 조지아 전력위원회와 상하이 케이블 연구소에서 실시한 열 사이클 테스트에 따르면 합금 케이블의 연결은 안전하고 신뢰할 수 있는 것으로 나타났습니다. 실험 보고서 데이터에 따르면 구리 도체보다 신뢰성이 훨씬 더 안정적이라고 합니다.
미국 지질조사국(USGS)의 데이터에 따르면 지각의 구리 함량은 0.01% 미만인 반면 알루미늄은 7.73%를 차지합니다.
따라서 알루미늄 함량은 구리의 1000배가 넘습니다. 현재 소비율과 연평균 성장률 3%를 고려할 때 전 세계 구리 자원은 앞으로 32년 더 지속될 것입니다.
그러나 현재 알루미늄 추출 규모(약 1억 4천만 톤/년)를 고려할 때, 현재 매장된 보크사이트는 약 180년 동안 전 세계 알루미늄 산업의 수요를 충족시킬 수 있습니다.
알루미늄 합금 도체의 우수한 전기적, 기계적 특성을 고려하여 알루미늄 연결의 불안정성, 불충분한 기계적 강도, 크리프 발생을 개선했습니다.
이러한 도체는 기계적 성능이 구리와 유사하며 단면을 늘리면 구리와 동일한 전도도를 얻을 수 있어 저전압 배전 시스템에 널리 적용될 수 있습니다.
국내 시장에서 알루미늄 합금 도체의 홍보는 국가가 상당한 양의 구리 자원을 절약하고, 외국 구리 자원에 대한 의존도를 줄이고, 상당한 양의 외환을 절약하고, 사용자에게 일정한 경제적 절감 효과를 제공하여 설치자가 쉽게 설치할 수 있도록 도울 수 있습니다.
많은 장점이 있기 때문에 저전압 전력 케이블에 알루미늄 합금 도체를 적용하는 것이 널리 받아들여질 것이라고 믿는 것이 합리적입니다. 구리를 알루미늄으로 대체하는 추세는 잠재적으로 케이블 산업에 변화를 일으킬 수 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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