LOW CARBON FOOTPRINT ALUMINIUM COMPONENTS FOR E-MOBILITY

100% 재활용 스크랩으로 E-모빌리티 부품 생산? HPDC 알루미늄 재활용의 새로운 가능성

이 기술 요약은 Elisa Fracchia와 Claudio Mus가 저술하여 2024년 [Acta Metallurgica Slovaca]에 게재한 학술 논문 "[LOW CARBON FOOTPRINT ALUMINIUM COMPONENTS FOR E-MOBILITY]"를 기반으로 합니다.

Keywords

• Primary Keyword: HPDC 알루미늄 재활용
• Secondary Keywords: E-모빌리티 부품, AlSi9Cu3(Fe), 미세구조 분석, 기계적 특성, 저탄소 발자국, 2차 알루미늄, 배터리 하우징

Executive Summary

• The Challenge: E-모빌리티로의 전환이 가속화됨에 따라, 1차 알루미늄 생산의 높은 에너지 소비와 환경 영향을 줄이면서 고품질 부품을 제조해야 하는 과제가 대두되었습니다.
• The Method: 연구팀은 100% 자동차 스크랩에서 얻은 AlSi9Cu3(Fe) 합금(RESAL)을 사용하여 첨가제 없이 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정으로 복잡한 E-모빌리티 배터리 모듈 하우징을 생산했습니다.
• The Key Breakthrough: HPDC 공정의 빠른 냉각 속도 덕분에, 재활용 스크랩을 사용했음에도 불구하고 최종 부품에서 매우 미세하고 균일한 공정 실리콘 조직이 형성되어 신재(ingot)에 필적하는 품질을 확보했습니다.
• The Bottom Line: 본 연구는 HPDC 알루미늄 재활용 기술이 추가적인 합금 처리 없이도 얇고 복잡한 E-모빌리티 부품을 경제적이고 지속 가능하게 생산할 수 있는 실행 가능한 솔루션임을 입증했습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

E-모빌리티 시장의 급성장은 자동차 산업에 경량화와 지속 가능성이라는 두 가지 핵심 과제를 안겨주었습니다. 알루미늄은 이러한 요구를 충족시키는 핵심 소재이지만, 1차 알루미늄(Bauxite에서 추출) 생산은 막대한 양의 에너지를 소비하고 상당한 환경 발자국을 남깁니다. 이에 대한 해결책으로 알루미늄 스크랩 재활용이 주목받고 있으며, 이는 1차 생산 대비 에너지 소비를 95%까지 줄일 수 있습니다.

하지만 업계 전문가들은 100% 재활용 스크랩을 사용하여 까다로운 E-모빌리티 부품을 생산하는 데 주저해왔습니다. 스크랩의 불균일한 화학 성분과 불순물이 최종 부품의 기계적 특성과 미세구조를 저하시킬 수 있다는 우려 때문입니다. 특히, 철(Fe)과 같은 불순물은 취성을 유발하는 침상형 금속간 화합물을 형성하여 부품의 인성을 감소시킬 수 있습니다. 이 연구는 이러한 기술적 한계를 극복하고 HPDC 알루미늄 재활용의 실질적인 가능성을 탐구하기 위해 시작되었습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구의 신뢰성은 체계적인 실험 설계와 정밀한 분석에 기반합니다. 연구팀은 실제 산업 환경을 모사하여 재활용 스크랩의 잠재력을 평가했습니다.

• 소재: 두 가지 유형의 알루미늄 합금이 사용되었습니다.
  1. RESAL 합금: 자동차 부품 스크랩에서 선별된 AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) 합금.
  2. 신재(Ingot) 합금: 품질 비교를 위한 인증된 신재 합금.
• 부품 생산: 5톤 가스 용해로에서 용해된 RESAL 합금을 1350톤 HPDC 장비에 투입하여 혁신적인 배터리 모듈 하우징(BM-Basic Module)을 생산했습니다. 이때 주조 공정 변수는 금속 온도 710°C, 사출 속도 2.67m/s, 최대 압력 220bar로 설정되었습니다.
• 분석 방법:
  • 화학 성분 분석: 광학 방출 분광계(OES)를 사용하여 RESAL과 신재의 화학 성분을 비교 분석했습니다. (Table 1 참조)
  • 열 분석: 시차 주사 열량 측정(DSC)을 통해 합금의 용융 및 응고 거동과 금속간 화합물 형성 온도를 분석했습니다.
  • 기계적 특성 평가: ASTM E10-23 표준에 따라 브리넬 경도(Brinell hardness)를 측정하여 소재의 기계적 강도를 비교했습니다.
  • 미세구조 분석: 광학 현미경(OM)과 주사 전자 현미경(SEM/EDX)을 사용하여 공정 실리콘 및 금속간 화합물의 형태, 크기, 분포를 정밀하게 관찰했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

연구 결과는 HPDC 알루미늄 재활용이 단순한 가능성을 넘어, 고품질 부품 생산을 위한 효과적인 전략임을 명확히 보여줍니다.

Finding 1: HPDC 공정을 통한 미세구조의 극적인 개선

재활용 스크랩 자체의 미세구조는 비교적 조대하고 불균일했지만, HPDC 공정을 거친 최종 부품의 미세구조는 놀랍도록 개선되었습니다.

• 논문의 Figure 8은 RESAL 스크랩 단면의 미세구조를 보여주며, 크고 판상 형태의 공정 실리콘과 금속간 화합물이 관찰됩니다. 반면, Figure 9에 나타난 HPDC로 생산된 최종 배터리 하우징의 미세구조는 매우 미세하고 정제된 공정 조직을 보여줍니다. 이는 HPDC의 빠른 충전 및 급속 냉각 특성이 합금의 응고 과정을 제어하여 조직을 미세화했음을 의미합니다. 특히, 기계적 특성에 해로운 것으로 알려진 β-Al5FeSi(β-Fe) 상이 최종 부품에서는 더 가늘고 짧은 형태로 존재하여 그 부정적인 영향을 최소화했습니다.

Finding 2: 신재에 필적하는 기계적 특성 확보

100% 재활용 스크랩으로 만든 부품의 기계적 특성이 신재로 만든 부품과 대등한 수준임을 데이터가 입증합니다.

• Figure 6의 브리넬 경도 측정 결과에 따르면, 최종 주조 부품(Module battery housing)의 경도는 72 ±1.5 HB로, RESAL 스크랩(73 ±1.6 HB) 및 RESAL 태블릿(77.4±6 HB)과 유사한 수준을 보였습니다. 이는 신재 태블릿의 경도(78.1±1.8 HB)와 비교했을 때 약간 낮지만, 충분히 경쟁력 있는 기계적 강도를 가지고 있음을 시사합니다. 이는 적절한 HPDC 공정 제어를 통해 재활용 소재의 잠재적 단점을 극복하고 안정적인 품질을 확보할 수 있음을 보여주는 중요한 결과입니다.

Practical Implications for R&D and Operations

본 연구 결과는 다양한 산업 현장 전문가들에게 실질적인 통찰력을 제공합니다.

• For Process Engineers: 이 연구는 재활용 알루미늄 합금의 미세구조를 제어하는 데 [빠른 냉각 속도]가 결정적인 역할을 함을 시사합니다. 이는 [결함 감소 및 생산성 향상]에 기여할 수 있는 핵심 공정 변수입니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 [Figure 9]와 [Table 1] 데이터는 [원재료의 화학 성분]에 약간의 편차가 있더라도, 제어된 HPDC 공정을 통해 [핵심 기계적 특성(경도)]을 일관되게 유지할 수 있음을 보여줍니다. 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 유용한 정보가 될 수 있습니다.
• For Design Engineers: 연구 결과는 [1.5mm 미만의 얇은 벽]을 가진 복잡한 형상의 부품도 100% 재활용 스크랩으로 생산 가능하다는 것을 보여줍니다. 이는 응고 중 [결함 형성]에 영향을 미칠 수 있으므로, 초기 설계 단계에서 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.

Paper Details

LOW CARBON FOOTPRINT ALUMINIUM COMPONENTS FOR E-MOBILITY

1. Overview:

• Title: LOW CARBON FOOTPRINT ALUMINIUM COMPONENTS FOR E-MOBILITY
• Author: Elisa Fracchia, Claudio Mus
• Year of publication: 2024
• Journal/academic society of publication: ACTA METALLURGICA SLOVACA
• Keywords: Aluminium; High Pressure Die Casting; Aluminium Scrap; AlSi9Cu3(Fe); E-mobility; Recycling

2. Abstract:

In the fast-evolving E-mobility transformation, the circular economy is one of the key factors to make Europe carbon neutral by 2050, together with sustainability, achievable only with a synergic approach, from raw material choice to recycling, through product design for disassembly. In particular, aluminium alloys have a recent and always increasing exploitation in summary due to a leading significant CO2 savings. Their properties can satisfy engineering targets through optimized product design. Adopting a smart system layout, in which different sub-components contribute to the overall structural component's strength or functional purpose, is the future, thanks to easy disassembling can then guarantee a selective re-purposing and, finally, an environmentally friendly recycling of components. Innovative studies in this field have been developed and successfully produced by means of an improved high-pressure die-casting (HPDC) technology, adopting low carbon footprint raw materials supplied in innovative pre-ingot format. In this study, a housing component for an e-mobility module battery was manufactured using EN AC 46000 alloy (AlSi9Cu3(Fe)), sourced from automotive industry scraps. The selected scraps were melted and cast to form the battery housing. Subsequently, it has been analyzed and the resulting components have been comprehensive analysis to evaluate the alloy's quality. Chemical analyses, hardness tests, and microstructural observations were performed. The findings indicate a refined, high-quality microstructure in the die casting, affirming the viability of producing battery housing through High-Pressure Die Casting (HPDC) using exclusively recycled alloy.

3. Introduction:

Today, the automotive market is moving towards E-mobility, and aluminum and its alloy certainly guide the fast, clean and sustainable way to make the electric transition. In fact, aluminum is renowned as a recyclable material, having excellent specific properties, and, last but not least, is already highly used in the automotive industries [1]. As a matter of fact, aluminium recycling is not an innovation. Almost the entire amount of Al in the vast market comes from the recycling of scraps and end-of-life components. Aluminium remelting from end-user requires much less energy, high gas consumption and a remarkable environmental impact. The production of 1 ton of primary aluminium requires 4 tons of Bauxite and 14,000 kWh of energy consumption [2]; on the other hand, remelting recycled alloys needs only 5%of its energy [3]. Considering this information, the aluminium scraps can only gain more and more consideration. In an era where sustainability and environmental concerns are at the forefront of industrial practices, evaluating the environmental impact of various materials and manufacturing processes has become increasingly important. One area of particular interest is the production of aluminum alloy components in automotive [4]. Moreover, researches have proven the importance of Al-Si alloys through the Life Cycle Assessment (LCA) of secondary Al-Si alloys panorama, the alloy EN AC 46000 (also known as AlSi9Cu3(Fe)) finds extensive application in the automotive sector to cast thin-walled components through HPDC (High-Pressure Die Casting).

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄은 E-모빌리티 전환에 있어 핵심적인 경량화 및 지속가능성 소재입니다. 특히 알루미늄 재활용은 1차 알루미늄 생산 대비 에너지 소비를 5% 수준으로 줄일 수 있어 탄소 중립 목표 달성에 매우 중요합니다. 자동차 산업에서 널리 사용되는 AlSi9Cu3(Fe) 합금은 HPDC 공정을 통해 얇은 벽의 부품을 만드는 데 적합하여 재활용 잠재력이 큽니다.

Status of previous research:

기존 연구들은 재용해 횟수가 증가함에 따라 Al-Si 합금의 기계적 특성과 미세구조가 저하될 수 있음을 보여주었습니다. 특히 철(Fe) 함량이 높은 경우, 해로운 β-Fe 상이 형성되어 인성을 감소시키는 문제가 있었습니다. 또한, 얇은 벽과 복잡한 형상을 가진 E-모빌리티 부품을 100% 스크랩으로 생산하는 것에 대한 연구는 제한적이었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 자동차 산업 스크랩에서 공급된 AlSi9Cu3(Fe) 합금을 사용하여 추가적인 처리 없이 HPDC 공정만으로 E-모빌리티용 배터리 하우징 부품을 성공적으로 제조할 수 있는지 그 실행 가능성을 입증하는 것입니다. 이를 통해 재활용 합금의 품질, 미세구조, 기계적 특성을 종합적으로 평가하여 저탄소 순환 경제 모델의 실효성을 확인하고자 했습니다.

Core study:

핵심 연구 내용은 100% 재활용 AlSi9Cu3(Fe) 스크랩(RESAL)과 인증된 신재(ingot)를 비교 분석하는 것입니다. 두 재료로 각각 시험편과 실제 배터리 하우징 부품을 HPDC 공정으로 제작한 후, 화학 분석, 경도 시험, DSC 열 분석, 미세구조 관찰(OM, SEM/EDX)을 수행했습니다. 이를 통해 재활용 스크랩 사용이 최종 부품의 품질에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, HPDC 공정이 미세구조에 미치는 긍정적 효과를 규명했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 비교 실험 설계를 채택했습니다. 재활용 스크랩 합금(RESAL)과 표준 신재 합금(ingot)을 두 개의 실험군으로 설정하고, 동일한 HPDC 공정 조건 하에서 생산된 시험편과 최종 부품의 특성을 비교 분석했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 화학 성분: 광학 방출 분광법(OES)으로 정량 분석.
• 열적 특성: 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 가열 및 냉각 시의 상변태 온도 측정.
• 기계적 특성: 브리넬 경도 시험기를 사용하여 경도 값 측정.
• 미세구조: 광학 현미경과 SEM/EDX를 사용하여 금속 조직 및 금속간 화합물의 형태와 성분 분석.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 EN AC 46000 (AlSi9Cu3(Fe)) 합금의 재활용에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 HPDC 공정을 이용한 재활용 스크랩의 E-모빌리티 부품 적용 가능성 평가이며, 화학 성분, 기계적 특성(경도), 미세구조적 특성의 변화를 분석하는 것을 포함합니다.

6. Key Results:

Key Results:

• HPDC 공정으로 생산된 재활용 알루미늄 부품은 신재와 유사한 수준의 브리넬 경도(72 ±1.5 HB)를 보였습니다.
• HPDC의 빠른 냉각 속도는 재활용 스크랩의 조대한 조직을 매우 미세하고 균일한 공정 조직으로 개선시켰습니다.
• 유해한 것으로 알려진 β-Al5FeSi 상은 최종 부품에서 더 가늘고 짧게 형성되어 기계적 특성에 미치는 부정적인 영향이 감소했습니다.
• 별도의 개질제나 결정립 미세화제와 같은 주조 첨가제 없이도 고품질의 미세구조를 얻을 수 있었습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1 RESAL supply format [15].
• Fig. 2 Production of specimens for alloy characterization. a) casting; b) mould; c) obtained specimen [15].
• Fig. 3 BM- Basic Module battery housing.
• Fig. 4 DSC analyses - RESAL and Ingot tabs.
• Fig. 5 DSC analyses in the heating and cooling conditions for the Module battery housing alloy.
• Fig. 6 Brinell hardness results.
• Fig. 7 Optical Microscope images. RESAL tablets microstructures (a, c) and ingot microstructures (b, d).
• Fig. 8 Optical Microscope images. RESAL section microstructures. Magnification 20X (left) and 50X (right).
• Fig. 9 Optical Microscope images. Cast microstructures. Magnification 20X (left) and 50X (right).
• Fig. 10 SEM images. Ingot (left) and RESAL (right).
• Fig. 11 SEM image and EDX analysis in cast component (Fig. 3).

7. Conclusion:

In this work, the progress in the European project that involves Endurance Overseas (named IPCEI – BATTERIE 1) has been presented. The work involves the use of end-of-life alloy 46000 castings to produce new castings for use in the e-mobility sector without further treatment of the alloys. From the hardness and microstructural analyses, it is evident that the quality of the alloy appears to be preserved despite the additional re-casting steps, even without the use of casting additives such as modifiers or grain refiners. Furthermore, the microstructure, following the casting process, does not appear to be thickened; on the contrary, an extremely fine and uniformly distributed eutectic silicon phase is observed within the a-aluminium matrix in the casted component. In conclusion, at this state of the project, it was clearly demonstrated the feasibility of recycling Al scraps to realize new components at very low costs and only using scrap alloy. Further characterization improvement will regard the mechanical tests on the Basic Module battery housing to assess the whole quality of such components.

8. References:

• [List the references exactly as cited in the paper, Do not translate, Do not omit parts of sentences.]
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) 합금을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 네, 그렇습니다. 논문에 따르면 이 합금은 자동차 분야에서 HPDC를 통해 얇은 벽의 부품을 주조하는 데 광범위하게 사용됩니다. 따라서 폐차나 생산 공정에서 발생하는 스크랩의 양이 풍부하여 재활용 원료로서의 가용성이 높습니다. E-모빌리티용 부품 생산에 기존 자동차 산업의 자원을 순환시켜 활용할 수 있다는 점에서 이 합금은 연구에 매우 적합했습니다.

Q2: 논문에서 β-Al5FeSi 상이 해롭다고 언급했는데, HPDC 공정이 이 상에 구체적으로 어떤 영향을 미쳤나요?

A2: 논문의 미세구조 분석 결과(Fig. 7 및 Fig. 9 참조)에 따르면, HPDC 공정은 β-Al5FeSi 상의 형태를 긍정적으로 변화시켰습니다. 원재료인 RESAL 스크랩에서는 이 상이 비교적 크고 긴 침상 형태로 존재했지만, HPDC로 주조된 최종 부품에서는 훨씬 더 가늘고 짧은 형태로 관찰되었습니다. 이는 HPDC의 빠른 냉각 속도가 이 상의 성장을 억제하여, 기계적 특성에 미치는 부정적인 영향을 최소화했음을 의미합니다.

Q3: Table 1을 보면 RESAL 스크랩과 신재의 화학 성분에 약간의 차이가 있습니다. 이것이 최종 부품 품질에 어떤 영향을 미쳤나요?

A3: 성분상의 미세한 차이에도 불구하고, 최종 부품의 품질은 매우 안정적으로 유지되었습니다. 논문의 결론에 따르면, 제어된 HPDC 공정 덕분에 합금의 품질이 보존되었습니다. 특히, 브리넬 경도(Fig. 6)는 신재와 비교하여 경쟁력 있는 수준을 유지했으며, 미세구조(Fig. 9)는 오히려 더 미세하게 개선되었습니다. 이는 HPDC 공정 제어가 원재료의 미세한 성분 변화를 극복하고 일관된 품질을 보장할 수 있음을 보여줍니다.

Q4: 최종 부품에서 관찰된 미세한 조직을 얻기 위해 스트론튬(Sr)과 같은 개질제나 결정립 미세화제를 사용했나요?

A4: 아니요, 사용하지 않았습니다. 논문의 결론 부분에서는 "개질제나 결정립 미세화제와 같은 주조 첨가제를 사용하지 않고도" 합금의 품질이 보존되었다고 명확히 언급하고 있습니다. 이는 HPDC 공정 자체의 빠른 냉각 효과만으로도 매우 미세하고 균일하게 분포된 공정 실리콘 상을 얻을 수 있었음을 의미하며, 이는 공정 비용을 절감하고 지속 가능성을 높이는 중요한 발견입니다.

Q5: Figure 5의 최종 부품 DSC 분석(가열 곡선)에서는 주 용융 피크 하나만 보이는데, Figure 4의 시험편에서는 여러 개의 피크가 나타나는 이유는 무엇인가요?

A5: 논문의 토론(Discussion) 부분에서 그 이유를 설명합니다. 최종 부품은 벽 두께가 매우 얇아 HPDC 공정 중 냉각 속도가 극도로 빨랐습니다. 이로 인해 Cu 기반 금속간 화합물이 석출될 시간 없이 매우 미세한 조직이 형성되었습니다. 따라서 가열 곡선에서는 뚜렷한 석출 피크가 감지되지 않은 것입니다. 반면, 냉각 곡선에서는 Si 공정 피크와 함께 Cu 기반 금속간 화합물의 석출이 관찰되어, 합금 내에 해당 원소가 존재함을 확인할 수 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 지속 가능한 E-모빌리티 미래를 향한 중요한 이정표를 제시합니다. 핵심 과제는 100% 재활용 알루미늄 스크랩을 사용하여 환경적 부담을 줄이면서도 고품질의 복잡한 부품을 생산하는 것이었습니다. 본 연구의 핵심적인 돌파구는 HPDC 알루미늄 재활용 기술이 추가적인 합금 처리나 첨가제 없이도, 공정 자체의 빠른 냉각 속도를 통해 원재료의 잠재적 한계를 극복하고 미세하고 균일한 조직을 형성할 수 있음을 입증한 것입니다. 이는 R&D 및 운영팀에게 원가 절감, 탄소 발자국 감소, 그리고 안정적인 품질 확보라는 세 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 실질적인 길을 열어줍니다.

"CASTMAN에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper "LOW CARBON FOOTPRINT ALUMINIUM COMPONENTS FOR E-MOBILITY" by "Elisa Fracchia, Claudio Mus".
• Source: https://doi.org/10.36547/ams.30.1.1997

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