PNNL ShAPE는 알루미늄 압출 공정에 필요한 에너지를 절반으로 줄입니다.

더 가벼운 차량은 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.

이제 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 연구원들은 ShAPE(전단 보조 가공 및 압출) 기술(이전 게시물)이 생산 공정에서 열처리 단계를 제거하여 상당한 에너지 절약과 배출 감소를 가져올 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구에 대한 공개 논문은 Materials & Design 저널에 게재되었습니다.

기존 금속 생산에서는 열을 사용하여 개별 금속과 알루미늄, 구리, 마그네슘과 같은 합금 원소를 함께 녹여 더 가볍고 강하며 형성하기 쉬운 합금을 만듭니다. 이러한 요소가 잘 혼합되지 않으면 가공 중에 균열과 균열이 형성되어 최종 제품의 특성을 손상시킬 수 있습니다. 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 빌렛의 합금 집합체를 용해시켜 모든 금속 요소가 고르게 분포되거나 균질화되도록 합니다. 이는 최종 제품의 성능을 향상시킵니다. 균질화 후 금속 막대는 압출이라는 단계에서 추가 가열 및 성형을 거칩니다.

균질화는 전체 금속 압출 공정에서 가장 큰 에너지 소비 단계입니다.

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

PNNL 연구원들은 이제 ShAPE 기계가 가열과 변형(금속 자체의 모양 변화)을 결합함으로써 별도의 균질화 및 압출 단계가 필요하지 않다는 사실을 발견했습니다. 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.

7075 알루미늄(Al) 합금의 비균질화 주조물의 압출은 전단 보조 가공 및 압출(ShAPE)을 사용하여 수행되었습니다. ShAPE 중 소성 변형과 열 발생이 동시에 발생하면 Al-Zn-Mg-Cu의 수지상 간 및 입자 내 2차 상이 빠르게 파괴되고 용해되어 압출 전 용광로에서 몇 시간이 아닌 단 몇 초 만에 균질화가 달성됩니다. ShAPE는 기존 압출을 위한 주조 미세구조를 준비하는 데 필요한 에너지 집약적이고 시간이 많이 소요되는 균질화 단계를 제거합니다.

동시에, ShAPE 동안 동적 재결정화의 구배 활성화로 인해 광범위한 결정립 미세화가 발생하며, 이는 기존 압출 방법에 비해 압출 속도가 3배 증가합니다. 기존 압출 제품에 대한 ASTM 표준 값과 비교하여 ShAPE + T6 샘플의 기계적 특성이 확실히 향상되었습니다.

ShAPE 기계를 통과하기 전(A), 도중(B), 후(C)를 주사 전자 현미경으로 촬영한 알루미늄 합금 7075의 이미지는 압출 중 합금의 미세 구조가 어떻게 변하는지 보여줍니다. ShAPE 기계의 전단 효과는 입자를 훨씬 더 작은 조각으로 분해하여 보다 균일한 미세 구조를 만듭니다. (이미지 제공: Joshua Silverstein | Pacific Northwest National Laboratory)