이제 알루미늄 합금 제조의 에너지 효율성이 50% 향상되었습니다.

Jun 20, 2023

2022년 7월 20일

작성자: Alexandra Freibott, Pacific Northwest National Laboratory

차량이 가벼워지면 더 적은 에너지로 더 멀리 이동할 수 있으므로 더 가벼운 자동차 부품에 대한 수요가 증가합니다. 합금 7075와 같은 고성능 알루미늄 합금은 가장 가볍고 가장 강력한 옵션 중 하나이지만 에너지 집약적인 생산이 필요하므로 비용이 높아져 사용이 제한됩니다.

PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 연구에서는 고성능 알루미늄 부품을 제조하는 보다 효율적인 공정을 통해 이러한 에너지를 절반으로 줄였습니다. 에너지부 첨단 제조 사무소(Advanced Manufacturing Office)의 지원을 받아 연구원들은 ShAPE(전단 보조 가공 및 압출) 기술이 생산 공정에서 열처리 단계를 제거하여 상당한 에너지 절약과 배출 감소를 가져올 수 있다고 판단했습니다. ShAPE는 자동차 응용 분야에서 고성능 알루미늄 합금을 광범위하게 사용할 수 있는 친환경적이고 저렴한 제조 접근 방식입니다.

케이크를 굽는 것과 마찬가지로 금속 제조는 잘 혼합된 재료와 많은 열에 의존합니다. 기존 금속 생산에서는 열을 사용하여 개별 금속과 알루미늄, 구리, 마그네슘과 같은 합금 원소를 함께 녹여 더 가볍고 강하며 쉽게 형성할 수 있는 합금을 만듭니다. 이러한 요소가 잘 혼합되지 않으면 가공 중에 균열과 균열이 생겨 최종 제품의 특성이 손상될 수 있습니다. 덜 혼합되고 덩어리진 케이크 반죽으로 인해 부서지고 비참한 케이크가 되기 때문입니다. 금속 생산에서는 균질화라는 단계에서 합금의 개별 금속 요소가 잘 혼합되도록 하기 위해 열이 사용됩니다.

균질화 과정에서 빌렛이라고 불리는 대형 금속 주조물은 최대 24시간 동안 섭씨 500도(화씨 약 900도)로 가열됩니다. 이 열처리 단계는 케이크 반죽의 덩어리와 유사한 합금 응집물을 빌렛에 용해시켜 모든 금속 요소가 고르게 분포되거나 균질화되도록 합니다. 이는 최종 제품의 성능을 향상시킵니다. 균질화 후 금속 막대는 압출이라는 단계에서 추가 가열 및 성형을 거칩니다.

PNNL의 수석 재료 과학자이자 ShAPE의 공동 개발자인 Scott Whalen은 "균질화는 전체 금속 압출 공정에서 가장 큰 에너지 소비 단계입니다."라고 말했습니다.

ShAPE 기계는 가열과 변형(금속 자체의 모양 변화)을 결합하여 별도의 균질화 및 압출 단계가 필요하지 않습니다. ShAPE 기계에서는 금속 빌렛이 회전하는 다이의 작은 구멍을 통해 동시에 밀려납니다. 회전 운동과 변형은 금속 요소가 압출되는 동안 완전히 혼합됩니다. 기본적으로 ShAPE 공정은 금속 빌렛이 압출되기 직전 몇 초 안에 균질화합니다. 이는 하루 종일 예열 균질화 단계가 필요하지 않으며 압출 중에 빌렛을 가열하는 데 추가 에너지가 사용되지 않음을 의미합니다. 이를 통해 ShAPE를 사용하면 최대 50%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

ShAPE는 에너지 효율적이고 빠른 공정일 뿐만 아니라 개별 합금 원소가 얼마나 잘 혼합되는지 개선하여 더 나은 최종 제품을 만듭니다. 덩어리진 반죽이 케이크를 망칠 수 있는 것처럼, 압출 제조의 최종 제품은 요소가 잘 혼합될 때 더 나은 성능을 발휘하는 경우가 많습니다. 성능 테스트에 따르면 ShAPE로 처리된 알루미늄 합금으로 제작된 부품은 강도 및 연신율 측면에서 현재 미국 재료 시험 협회 표준을 초과하는 것으로 나타났습니다.

PNNL 재료 과학자이자 최근 논문의 주요 저자인 Tianhao Wang은 "우리는 전자 현미경을 사용하여 자세히 관찰한 결과 ShAPE가 합금 응집물을 분해하여 압출 전에 알루미늄 매트릭스에 용해시켜 압출성을 높이는 것을 확인했습니다."라고 말했습니다. 재료 및 디자인 분야. "이것은 더 나은 성능을 의미합니다. 우리의 알루미늄 7075 합금은 더 강하고 파손되기 전에 더 멀리 늘어납니다."