PNNL, Magna, 자동차 부품에 2차 알루미늄과 함께 ShAPE 사용 가능성 입증

Jun 05, 2023

에너지부 산하 태평양 북서부 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)는 수년 동안 금속 및 금속 합금으로 고강도 구조물을 보다 비용 효율적으로 생산할 수 있도록 ShAPE(전단 보조 가공 및 압출) 공정(이전 게시물)을 개발해 왔습니다. , 다양한 금속에 적용됩니다.

이제 PNNL은 Magna와 협력하여 ShAPE를 사용하여 2차 알루미늄으로 다중 셀 압출물을 제조하는 가능성을 입증했습니다. 올해 초 발표된 기술 보고서에서 PNNL과 Magna 엔지니어들은 다음과 같이 언급했습니다.

100% 2차 알루미늄으로 만든 자동차 부품은 기존 압출에 비해 제조 공정에서 에너지를 50% 이상 절약하고 CO2를 90% 이상 절감합니다. 2차 Al을 공급원료로 사용하면 환경친화적일 뿐만 아니라 부품 비용도 크게 절감할 수 있습니다. 이는 Fe를 1차 Al로 희석할 필요성이 제거되어 1차 알루미늄 생산과 관련된 에너지, 탄소 및 비용이 제거될 수 있기 때문입니다. 또한, Al 합금으로 제작된 경량 자동차 부품은 최첨단 고강도 강철에 비해 무게가 25% 감소합니다. 결과적으로 강철 부품은 가능한 경우 Al로 대체하는 것이 목표입니다.

재활용성을 향상시키기 위해 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)과 미국 마그나 서비스(Magna) 간의 CRADA(협력 연구 개발 협약)는 Al 산업 스크랩을 하위 규모의 자동차 부품으로 직접 전환할 수 있는 가능성을 입증하기 위해 ShAPE를 개발하는 것을 목표로 했습니다. .

Al 전기 자동차(EV) 배터리 구조는 기존 압출에 비해 저렴한 비용으로 동등하거나 향상된 성능을 기반으로 한 가지 가능한 삽입 기회를 제공합니다. 100% 2차 Al로 구성된 공급원료 사용의 잠재적인 비용 절감 및 환경적 이점은 잘 알려져 있습니다. 그러나 1차 Al을 첨가하지 않고 2차 스크랩을 사용하는 것은 금속간 분산 및 균일한 미세 구조와 관련된 근본적인 재료 문제로 인해 산업 공정으로 발전하지 못했습니다. 이러한 공정 제한은 ECAP(등 채널 각도 프레싱)와 같은 SPD(심각한 소성 변형) 기술을 사용하여 극복되었습니다. 과학적 관점에서는 성공했지만 ECAP 및 기타 SPD 프로세스는 산업 수준으로 확장할 수 없습니다. ShAPE는 SPD의 미세 구조적 장점과 기존 압출 공정의 확장성을 결합하여 업계 표준 속성 요구 사항을 충족하면서 Al 2차 스크랩을 자동차 부품으로 직접 변환하는 고유한 기술을 제공합니다.

PNNL의 ShAPE 공정은 기계를 사용하여 빌렛이나 벌크 금속 합금 덩어리를 회전시키고 마찰을 통해 충분한 열을 생성하여 재료를 부드럽게 만들어 다이를 통해 쉽게 압출하여 튜브, 막대 및 채널을 형성할 수 있도록 합니다. 회전 속도, 온도, 램 속도를 조절하여 열 발생 정도와 변형 영역의 깊이를 제어합니다.

동시 선형 및 회전력은 기존 공정에서 재료를 다이를 통해 밀어내는 데 일반적으로 필요한 힘의 10%만을 사용합니다.

이렇게 인력이 크게 줄어들면 생산 기계의 크기가 훨씬 작아지고 자본 지출과 운영 비용이 절감됩니다. 에너지 소비도 마찬가지로 낮습니다. 1피트 길이의 2인치 직경 튜브를 만드는 데 사용되는 전기의 양은 가정용 주방 오븐을 단 60초 동안 작동시키는 데 필요한 전력량과 거의 같습니다.

ShAPE를 2차 알루미늄과 함께 사용하기 위해 엔지니어들은 회전 ShAPE 프로세스 내에 현창 다이 구성을 통합했습니다. Manufacturing Letters에 발표된 논문에서 팀은 알루미늄 합금 6063 산업 스크랩에서 원형, 정사각형, 사다리꼴 및 2셀 사다리꼴 프로파일을 압출한다고 보고했습니다.

압출된 상태에서 평균 입자 크기가 6.7μm인 사다리꼴 프로파일에 대한 미세 구조 특성이 제시되었습니다. 원형 튜브는 산업 표준을 초과하는 항복 강도(246.9 ± 10.4 MPa), 최대 인장 강도(270.8 ± 9.6 MPa) 및 균일한 신율(16.5 ± 2.4%)을 달성했습니다.