PNNL Shape はアルミ押出加工に必要なエネルギーを半減します

車両が軽いと、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。

今回、パシフィック・ノースウェスト国立研究所 (PNNL) の研究者らは、同社のせん断支援加工および押出 (ShAPE) テクノロジー (以前の投稿) により、製造プロセスの熱処理ステップを排除し、大幅なエネルギー節約と排出削減につながることを示しました。この研究に関するオープンアクセス論文は、ジャーナル「マテリアルズ＆デザイン」に掲載されています。

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形成され、最終製品の特性が損なわれる可能性があります。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。

PNNL の ShaPE プロセスでは、機械を使用してバルク金属合金のビレットまたは塊を回転させ、摩擦によって十分な熱を発生させて材料を軟化させ、ダイから簡単に押し出してチューブ、ロッド、チャネルを形成できるようにします。直線力と回転力を同時に使用することで、従来のプロセスで材料を金型に押し込むのに通常必要な力の 10% しか使用しません。

PNNL の研究者らは、ShAPE マシンが加熱と変形、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が不要になることを発見しました。 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。

7075 アルミニウム (Al) 合金の均質化されていない鋳物の押出は、せん断支援加工および押出 (ShAPE) を使用して実現されています。 ShAPE 中の同時の塑性変形と発熱により、Al-Zn-Mg-Cu の樹枝状二次相と粒内二次相が急速に破壊および溶解され、押出前の炉内で数時間ではなく数秒で均質化が完了します。これにより、ShAPE は、従来の押出成形用の鋳放し微細構造を準備するために必要な、エネルギー集約的で時間のかかる均質化ステップを排除します。

同時に、ShAPE 中の動的再結晶化の勾配活性化により大幅な結晶粒微細化が発生し、従来の押出法と比較して押出速度の 3 倍の増加が促進されます。従来の押出製品の ASTM 標準値と比較して、ShAPE + T6 サンプルの機械的特性の明らかな向上が達成されています。

走査型電子顕微鏡で撮影されたアルミニウム合金 7075 の画像 (A)、ShAPE 機械での処理中 (B)、および処理後 (C) は、押出中に合金の微細構造がどのように変化するかを示しています。 ShaPE マシンのせん断効果により、粒子がより小さな断片に破壊され、より均一な微細構造が作成されます。 (画像提供: Joshua Silverstein | 太平洋岸北西部国立研究所)

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。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。

(a) ShAPE プロセスと (b) 押出後の残留ビレットにおける対応する材料応答の概略図 (縦方向の図)。王ら。

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マトリックスに溶解して、押出性を高めていることがわかりました。これにより、パフォーマンスが向上します。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。

最も高性能のアルミニウム合金は、製造に時間とエネルギーがかかるため、乗用車用途などの多くの市場で価格が高騰しています。 ShAPE プロセスは、製造時のエネルギー消費と温室効果ガスの排出を大幅に削減することで、高性能アルミニウム合金の製造における大きなハードルを取り除きます。

この研究は、エネルギー省の先端製造局の支援を受け、BOND Technologies, Inc. が製造した専用の ShAPE マシンを使用して実施されました。ShAPE プロセス、ツール、および技術はライセンス供与されています。

リソース

Tianhao Wang、Julian Escobar Atehortua、Miao Song、Md Reza-E-Rabby、Brandon Scott Taysom、Josh Silverstein、Timothy Roosendaal、Darrell Herling、Scott Whalen (2022) 「Extrusion of Unhomogenized Castings of 7075 Aluminium via ShaPE」、材料と設計、ボリューム 213、土井: 10.1016/j.matdes.2021.110374

投稿日: 2022 年 7 月 20 日カテゴリー: 製造, 市場の背景, 材料 | パーマリンク | コメント (0)