프레임 제질

알루미늄합금 [aluminium alloy] - 사실 알루미늄 합금은 스틸재질에 비교하여 그 강성이 상당히 낮은 것이 사실입니다. 하지만 지름이 큰 튜브를 사용하여 그 강도를 보강하였으며 열처리 및 용접 방법을 개선하여 보다 튼튼한 소재로 거듭나게 되었습니다. MTB 및 사이클에 가장 많이 사용되는 알미늄합금은 6000번대와 7000번으로 자전거부품 스펙중 6061 또는 7075같은 표기를 보았을 것입니다. 이는 순수한 알미늄에 다른 금속을 섞었다는 것을 의미하는 것으로 6061이라는 소재는 마그네슘 + 실리콘 +구리+크롬 을 혼합한 알루미늄 합금이며 7075소재는 구리 + 크롬 + 아연 + 마그네슘 이 섞인 합금입니다. 6061합금은 가공성이 좋아 다양한 형태의 프레임 제작에 유리하며 7075 합금은 강도는 좋은 반면 가공성형이 어렵기 때문에 하드테일과 같은 간단한 프레임에 많이 적용되고 있습니다.

이렇게 가공된 알루미늄 프레임은 열처리를 통해 보다 강한 프레임으로 거듭날 수 있습니다. 보통 6061 T6 라는 명칭을 볼 수 있는데 여기서 T6란 열처리를 어떤 과정으로 했는가를 알려주는 표시입니다. 알루미늄 합금은 다른 소재의 프레임에 비해 가격대비가 가장 좋으며 도색 및 가공성이 용이하여 다양한 디자인의 프레임을 생산할 수 있습니다.

카본 [carbon] - 카본 이라는 말은 주위에서도 많이 들어 보셨을 것입니다. 카본은 탄소 섬유를 여러겹 쌓아 접착제 또는 강한 압력을 가하여 제작하는 제품입니다. 카본은 성형재료에 따라 팬 , 피치 , 레이온 3가지로 분류되는데 자전거에 사용되는 것은 팬계열의 소재로서 다른 소재보다 만들기 쉬우며 가격이 저렴한 편입니다. 카본 프레임을 사용한 자전거를 보면 대부분 부드러운 곡선을 그리며 디자인된 것이 많습니다. 이것은 프레임의 제작과정에 있어 그많큼 자유도가 높다는 것을 의미합니다. 프레임을 성형하는 과정은 먼저 일반 천과 같은 형태의 카본섬유를 여러 겹을 쌓아 1차 성형한 뒤 미리 제작된 틀에 원하는 강도만큼의 재료를 넣은 후 강한 열과 압력을 가해 프레임을 찍어 내는것입니다. 카본 프레임은 알루미늄 프레임보다 가볍고 강한 것이 사실이지만 한계 이상의 힘이 가해지면 찢어지는 형태로 파손됩니다. 카본 소재 프레임의 장점은 탄성이 매우좋아 승차감이 좋다는 것과 타소재에 비해 가벼운 편이며 무엇보다 다양한 곡선의 디자인으로 프레임을 제작할 수 있는 장점이 있습니다.

티타늄 [titanium] - 티타늄 프레임은 여러 소재의 장점을 두루 갖춘 소재로 볼 수 있습니다. 가볍고 튼튼하며 부식되지 않기 때문에 그 수명이 긴 것이 장점이지만 소재의 특성상 대량으로 생산하지 못합니다. 순수한 티타늄은 강도가 높지 않기 때문에 다른 소재와 섞어 합금으로 만들어야 하며 제작과정이 복잡합니다. 그러나 이렇게 성형된 티타늄 프레임은 알루미늄 프레임보다 약 15%더 강합니다. 최근에는 여러 브랜드에서 비교적 저렴한 가격의 티타늄 프레임을 생산하고 있지만 아직까지는 그 가격대가 다른 소재의 자전거와 비교하여 높은 것이 사실입니다.

Association)는, 티타늄을 "선택받은 소재"라고 부르는데, 자전거 업계 관계자 중에는 여기에 동의하는 사람도 많을 것이다.  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.

 

* 티타늄의 물성

 

. 밀도와 강성 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 강성, 즉 영률이다. 자전거 프레임에 널리 사용되는 티타늄의 영률은 1500만psi로 스틸의 약 반이다. 즉, 스틸과 티타늄의 중량 당 강성은 거의 같다. 프레임의 강성은 소재의 물성뿐만 아니라 설계에도 관계가 있다는 사실은 이미 설명한 바 있지만, 티타늄의 경우에도 마찬가지다. 설계에 따라 부드럽게도 딱딱하게도 될 수 있다. 높은 강도, 낮은 밀도, 중간 정도의 강성이라는 티타늄의 성질에 기초해, 대부분의 자전거 메이커는 부드러우면서도 충격 흡수성이 좋은 승차감을 실현할 수 있도록 프레임을 설계한다. 그런데, 티타늄으로 초경량 프레임을 만들려고 하면 강성 부족으로 프레임이 너무 부드러워지는 위험이 발생한다. 초경량 프레임을 실현하는 것은 어떤 소재의 경우에도 어려운 일이지만 티타늄의 경우에도 마찬가지다.

 

.*  티타늄의 최대 장점:   

                                   신장성과 인장강도 Ti's Real Plus: Elongation and Tensile Strength

티타늄은 스틸이나 알미늄과 비교해서 밀도와 강성에 있어서 2위를 기록하고 있다는 것을 알았다. 여기서 신장성에 눈을 돌려 보면, 티타늄이 스틸과 알미늄에 비해 압도적으로 뛰어나다는 사실을 알 수 있다. 복습하자면, 신장성이란, 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%, 고강도의 스틸은 6% 정도로 매우 낮다. 알미늄은 보통 6-12% 정도의 범위에 있는 경우가 많으며, 고강도의 알미늄의 신장률은 10% 이하다. 신장률이 낮은 소재는 부서지기 쉽다고 하는데, 부서지기 쉽다는 것은 프레임 소재로서 바람직하지 않은 점이다.

티타늄은 인장강도 역시 매우 뛰어나다. 자전거에 많이 이용되는 3/2.5 티타늄 합금의 냉간단조시의 응력완화강복점은 보통, 100-130ksi, 혹은 약간 높은 정도인데, 이것은 스틸의 수치를 능가한다. 또한 이 수치가, 뛰어난 연성과 스틸의 반 정도의 밀도와 함께 얻어진다는 사실을 잊지 않기 바란다. 게다가 내파괴성과 피로강도에 관해서도 아직 중요한 점이 남아 있다.

 

*   피로강도 Fatigue Strength

 

피로강도 역시 티타늄의 뛰어난 점 중의 하나다(여기까지 읽은 독자 여러분들은, . 앞에서도 설명한 바 있지만, 프레임의 소재가 실제 자전거에서 있어서 얼마나 오래 견딜 수 있는가를 측정하는 결정적인 방법은 존재하지 않는다. 자전거는 부정기적으로 다양한 부하를 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.

 

* 단점

 

하지만 티타늄에는 몇 가지 단점이 있어서 티타늄이 시장을 독점하는 일은 없을 것이다. 먼저 티타늄은 비싸다. 그 이유는, 제련에 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 강도라면, 티타늄은 뭐가 문제일까. 강성이다. 6/4 티타늄과 같은 고강도 소재를 사용해도, 티타늄의 영률은 변화하지 않는다. 직경이 크고 두께가 얇아질 수록 강성은 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 일체성형(monocoque) 을 하거나, 혹은 이런 방법들을 조합한 자전거를 선보이고 있다. 가볍고 강도가 높으면서 강성도 충분한 프레임을 디자인하는 것은 지금부터의 과제다

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프레임 소재로서 티타늄의 장래는 어떨까? 마법의 금속으로서의 티타늄의 평가는 당분간은 변하지 않을 것이다. 하지만, 제조기술이 진보해, 강도와 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.