アルミニウム合金製造のエネルギー効率が 50% 向上

Jun 20, 2023

2022 年 7 月 20 日

アレクサンドラ・フライボット著、太平洋岸北西部国立研究所

車両の軽量化により、より少ないエネルギーでより遠くまで移動できるため、より軽量な自動車部品への需要が高まります。 合金 7075 などの高性能アルミニウム合金は、最も軽くて丈夫な選択肢の 1 つですが、エネルギーを大量に消費する製造が必要でコストが上昇するため、使用が制限されます。

太平洋岸北西部国立研究所 (PNNL) の研究では、高性能アルミニウム部品を製造するためのより効率的なプロセスにより、そのエネルギーを半分に削減します。 エネルギー省の先進製造局の支援を受けて、研究者らは、せん断支援加工および押出（ShAPE）技術により製造プロセスの熱処理ステップを排除できるため、大幅なエネルギー節約と排出量削減が実現できると判断しました。 ShaPE は、自動車用途での高性能アルミニウム合金の幅広い使用を可能にする、グリーンで手頃な価格の製造アプローチです。

ケーキを焼くのと同じように、金属の製造はよく混ぜられた材料と大量の熱に依存します。 従来の金属製造では、熱を使用して個々の金属とアルミニウム、銅、マグネシウムなどの合金元素を一緒に溶かし、より軽く、より強く、または成形しやすい合金を作成します。 これらの要素が十分に混合されていない場合、加工中に亀裂や亀裂が発生し、最終製品の特性が損なわれる可能性があります。混合が不十分で塊状のケーキ生地を使用すると、崩れて悲惨なケーキができてしまいます。 金属の製造では、均質化と呼ばれるステップ中に、合金内の個々の金属元素がよく混合されるように熱が使用されます。

均質化中、ビレットと呼ばれる大きな金属鋳物は、摂氏 500 度近く (華氏約 900 度) まで最長 24 時間加熱されます。 この熱処理ステップでは、ビレット内の合金凝集体 (ケーキ生地の塊に似たもの) を溶解し、すべての金属元素が均一に分散または均質化されるようにします。 これにより、最終製品のパフォーマンスが向上します。 均質化の後、金属棒はさらに加熱され、押出と呼ばれるステップで成形されます。

「均質化は、金属押出プロセス全体の中で最もエネルギーを消費するステップです」と、PNNL の主任材料科学者であり ShAPE の共同開発者である Scott Whalen 氏は述べています。

ShaPE マシンは、加熱と変形、つまり金属自体の形状の変化を組み合わせることで、個別の均質化と押出のステップを不要にします。 ShaPE マシンでは、金属ビレットが回転するダイの小さな開口部に同時に押し込まれます。 回転運動と変形により、押し出される金属要素が完全に混合されます。 基本的に、ShAPE プロセスは、金属ビレットを押し出す直前に数秒で均質化します。 これにより、一日がかりの予熱均質化ステップの必要性がなくなり、押出中にビレットを加熱するために追加のエネルギーが使用されないことになります。 これらを組み合わせると、ShAPE を使用すると最大 50% のエネルギー節約になります。

ShaPE は、よりエネルギー効率が高く、より迅速なプロセスであるだけでなく、個々の合金元素の混合が改善され、より良い最終製品が得られます。 塊状の生地がケーキを台無しにする可能性があるのと同様に、押出成形製造における最終製品は、多くの場合、要素がよく混合されている場合にパフォーマンスが向上します。 性能試験の結果、ShAPE で処理されたアルミニウム合金製のコンポーネントは、強度と伸びに関して現在の米国材料試験協会の基準を超えていることがわかりました。

「電子顕微鏡を使用して詳しく観察したところ、ShAPE が合金の凝集体を分解し、押出前にアルミニウムのマトリックスに溶解し、押出性を高めていることがわかりました」と、PNNL の材料科学者であり、最近の出版物の筆頭著者である Tianhao Wang 氏は述べています。材料とデザインの専攻。 「これはパフォーマンスの向上につながります。当社のアルミニウム 7075 合金は強度が高く、破損する前にさらに伸びます。」