Design Practice · 재질 선정
기계 설계를 처음 시작하면 가장 헷갈리는 부분 중 하나가 바로 재질 선정입니다. 부품표를 작성할 때 “이 베이스 플레이트는 SS400을 써야 하나?”, “이 축은 S45C에 열처리를 해야 하나?” 한참을 고민하게 됩니다.
“현장에서 무조건 튼튼한 재료를 쓰는 것은 정답이 아닙니다.”
용도에 맞게 단가와 가공성을 고려해 최적의 소재를 선택하는 것이 설계자의 역할입니다. 이번 글에서는 기계 설계 3대장 재질인 SS400, S45C, AL6061의 특징과 용도를 비교하고, 비중을 활용한 무게 계산법까지 정리했습니다.
1. SS400 — “가장 저렴하고 만만한 기본 철판”
SS400은 현장에서 흔히 ‘생철’ 또는 ‘일반 철판’이라 불리는 가장 기본적인 철강 재료입니다. 이름 뒤의 400은 최소 인장강도 400MPa를 보증한다는 의미입니다.
- 비중: 7.85 / 인장강도: 400~510 MPa
- 특징: 재료비가 가장 저렴하고 구하기 쉬우며 용접성이 뛰어납니다. 다만 탄소 함유량이 적어(약 0.15~0.2%) 열처리를 통한 경도 향상이 불가능합니다.
- 적용 부품: 장비의 기본 뼈대(프레임), 베이스 플레이트, 브라켓, 커버 부품 등. 용접해서 뼈대를 조립하는 철판은 거의 다 SS400이라고 보시면 됩니다.
2. S45C — “강도와 내마모성, 열처리의 단짝”
SS400으로 감당할 수 없는 큰 힘을 받거나 마찰이 일어나는 부위에 사용합니다. “45”는 탄소 함유량이 약 0.45%라는 뜻으로, SS400보다 탄소가 2배 이상 많아 열처리로 경도를 올릴 수 있습니다.
- 비중: 7.85 / 인장강도: 570~690 MPa (열처리 전 기준)
- 특징: 고주파 열처리나 조질 처리(Q&T)가 가능해 표면을 단단하게 만들 수 있습니다. 단, 용접 시 크랙이 발생할 수 있으므로 용접 부품으로는 피하는 것이 원칙입니다.
- 적용 부품: 구동 축(Shaft), 기어, 핀, 가이드 레일 등 회전·마찰이 발생하는 부품.
3. AL6061-T6 — “가볍고 아름다운 표면 처리의 대명사”
가벼움이 생명인 현대 자동화 장비에서 필수 재질입니다. 뒤에 붙은 T6는 열처리로 강도를 최대한 끌어올린 상태를 의미하며, 시중에서 유통되는 AL6061은 대부분 T6 처리가 되어 있습니다.
- 비중: 2.7 (철의 약 1/3) / 인장강도: 약 310 MPa
- 특징: 재료 단가는 비싸지만 절삭 가공이 쉽고 빨라 가공비는 오히려 저렴할 때가 많습니다. 아노다이징(Anodizing) 표면처리로 경도를 올리고 다양한 색상을 입힐 수 있습니다.
- 적용 부품: 구동부 이동 플레이트, 로봇 팔, 클린룸 내부 장비, 장비 외관 부품 등.
| 재료 | 비중 | 인장강도 (MPa) | 열처리 | 용접성 | 단가 |
|---|---|---|---|---|---|
| SS400 | 7.85 | 400~510 | 불가 ✕ | 매우 좋음 ○ | 매우 저렴 |
| S45C | 7.85 | 570~690 | 가능 ○ | 나쁨 ✕ | 저렴 |
| AL6061-T6 | 2.7 | 약 310 | 아노다이징 | 까다로움 △ | 비쌈 |
| SUS304 | 7.93 | 약 520 | 거의 불가 | 좋음 ○ | 매우 비쌈 |
* SUS304는 부식 방지가 최우선일 때 사용하나, 가공성이 최악이라 가공비가 매우 비싸다는 특징이 있습니다.
4. 비중을 이용한 부품 무게 계산법
모터 용량 선정이나 자재비 산출을 위해 부품 무게를 알아야 할 때가 많습니다. 도면만 있는 상태에서는 아래 공식으로 직접 계산할 수 있습니다.
※ 도면 단위는 mm 기준이므로 cm로 변환 후 계산해야 g 단위가 바로 나옵니다.
예제 1) 가로 100mm × 세로 200mm × 두께 10mm 사각 플레이트
- 부피: 10cm × 20cm × 1cm = 200cm³
- SS400일 때: 200 × 7.85 = 1,570g (약 1.57kg)
AL6061일 때: 200 × 2.7 = 540g (약 0.54kg)
예제 2) 직경 30mm × 길이 200mm 원형 축(Shaft)
- 부피: π × 1.5² × 20 = 141.3cm³
- S45C일 때: 141.3 × 7.85 = 1,109g (약 1.11kg)
AL6061일 때: 141.3 × 2.7 = 382g (약 0.38kg)
위 계산에서 보듯, 철을 알루미늄으로 바꾸는 것만으로 무게를 약 1/3로 줄일 수 있습니다. 모터 부하를 줄여야 할 때 재질을 알루미늄으로 바꾸는 것이 1차 고려 대상이 되는 이유입니다.
마치며
좋은 설계는 무조건 비싼 재질을 고집하는 것이 아닙니다. 각 부품이 맡은 역할과 하중 상태에 따라 합당한 이유를 가지고 최적의 소재를 적재적소에 배치하는 것이 진짜 실력입니다.
다음 글에서는 S45C에서 잠깐 언급한 열처리의 종류(고주파, 침탄, 질화 등)를 더 깊이 비교해 보겠습니다.