분말 야금 | 자동차 전동화 분야의 응용

분말 야금(PM)은 금속 또는 비금속 분말(또는 금속 분말과 비금속 분말의 혼합물)을 원료로 사용한 후, 압축, 성형 및 소결 등의 공정을 거쳐 금속 재료, 복합 재료 및 다양한 형상의 구조 제품을 제조하는 공정 기술입니다.

분말 야금 산업의 발전 기회는 자동차 산업과 밀접한 관련이 있습니다. 오늘날까지도 자동차 산업은 분말 야금 산업이 가장 주목하는 산업이자 가장 큰 잠재 시장입니다. 전 세계 선진 지역의 자동차 산업에서 분말 야금 부품이 사용되는 현황을 보면, 자동차 산업에서 분말 야금 부품이 사용되는 비율은 북미 약 70%, 일본 약 90%, 서유럽 약 80%, 중국 약 55%입니다. 이들 분말 야금 자동차 부품의 70%는 엔진과 변속기에 사용됩니다.

최근 몇 년 동안 신에너지 전기차의 발전으로 기존 내연기관 차량이 점차 대체되고 있습니다. 신에너지 차량이 전동화 및 지능화 방향으로 발전함에 따라 재료의 종합 성능에 대한 요구 수준도 높아지고 있습니다. 분말 야금 산업은 신에너지 전기차 산업의 수요에 맞춰 새로운 기술과 공정을 지속적으로 개발하고 축적하고 있으며, 린 자동화 제조 기술을 활용해 에너지 절약과 환경 보호라는 새로운 시대의 요구에 적응하고 신에너지 차량의 발전을 지원하고 있습니다. 동시에 신에너지 전기차의 발전은 분말 야금 산업에도 새로운 발전 기회를 제공하고 있습니다.

구리 합금 재료

국제구리협회 통계에 따르면 기존 자동차 내연기관에는 구리 23kg, 하이브리드 전기차에는 구리 40kg, 플러그인 하이브리드 전기차에는 구리 60kg, 전기차에는 구리 83kg이 사용됩니다.

구리 합금 재료는 순수 구리에 하나 이상의 다른 원소를 첨가한 합금을 의미합니다. 우수한 전기 전도성, 열전도성, 내식성 및 내마모성뿐만 아니라 높은 강도와 내피로성을 갖는 것이 특징입니다. 구리 합금 재료는 신에너지 차량의 발전기, 고전압 케이블, 개폐 장치, 변압기 등의 전기 부품을 제조하는 데 사용할 수 있으며, 싱크로 기어 링, 베어링, 제동 시스템 부품 등 자동차의 내마모성 및 내식성 부품을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 신에너지 차량의 보급이 확대됨에 따라 구리 합금 재료는 신에너지 차량용 와이어 하네스, 배터리 부속품 및 커넥터에 이상적인 재료로서 신에너지 차량의 냉각 시스템, 전력 전자 시스템, 제동 시스템 및 유압 시스템에 폭넓게 사용될 것입니다. 또한 자동차의 핵심 부품에 사용되는 중요한 기초 원자재입니다.

알루미늄 기반 복합 재료

경량화, 에너지 절약 및 배출가스 저감... 알루미늄 기반 브레이크 디스크의 다양한 장점으로 인해 기존 철제 디스크를 성공적으로 대체하며 신에너지 차량 산업의 새로운 주역으로 자리 잡았습니다.

시험 결과, 주철 브레이크 디스크와 비교해 알루미늄 기반 복합 재료는 우수한 제동 성능과 제어 성능을 보이며, 소음, 떨림, 제동력 부족 등의 문제가 없습니다. 또한 경량화, 전기 효율 향상, 제어성 및 내식성 측면에서 뚜렷한 장점을 갖습니다. 신에너지 차량의 주철 브레이크 디스크를 교체하면 제동 시스템만으로도 약 15kg의 중량을 줄일 수 있습니다. 이는 주행 거리 500km의 신에너지 승용차를 기준으로 할 때, 동일한 주행 거리를 유지하면서 배터리 부하를 3kWh 줄일 수 있다는 의미입니다. 연간 20,000km를 운행한다고 계산하면 전기차 한 대가 약 120kWh의 전력을 절약할 수 있으며, 이는 표준 석탄 48kg을 절약하고 이산화탄소 배출량을 약 120kg 줄이는 것과 같습니다. 100만 대의 전기차에 알루미늄 기반 복합 브레이크 디스크를 장착하면 연간 이산화탄소 배출량을 약 120,000톤 줄일 수 있습니다. 또한 알루미늄 기반 복합 브레이크 디스크는 배터리 수명도 향상시킵니다. 전기차 한 대당 약 1,000위안의 비용을 절감할 수 있으며, 전기차 10만 대를 기준으로 하면 관련 배터리 비용을 약 1억 위안 절약할 수 있는 것으로 추정됩니다.

연자성 복합 재료

연자성 재료는 여러 단계의 발전 과정을 거쳐 왔습니다:

기존 연자성 합금에서 연자성 페라이트 재료로 발전한 후, 1970년대에는 비정질/나노결정 연자성 합금이 개발되었습니다. 분말 야금 기술은 고성능 연자성 재료의 새로운 세대인 금속 연자성 분말 코어(MPC)를 탄생시켰으며, 이는 연자성 복합 재료(SMC)라고도 합니다.

금속 연자성 분말 코어는 금속 연자성 분말을 원료로 사용하고, 절연 코팅, 압축 및 열처리 공정을 통해 자심 부품으로 제조됩니다. 이를 통해 금속 연자성 재료의 투과율이 충분히 높지 않다는 단점을 개선할 수 있습니다.

SMC는 새로운 유형의 자성 재료입니다. 높은 포화 자기 유도 강도와 낮은 손실을 갖기 때문에 연자성 재료의 "4세대"로 불립니다. 고주파 모터, 고전력 고주파 스위칭 전원 공급 장치용 변압기, 고주파 고전력 에너지 저장 인덕터 등에서 뛰어난 응용 장점과 폭넓은 시장 전망을 갖고 있습니다. 전기차에서는 연자성 복합 재료를 주 구동 모터와 오일 펌프 및 냉각 펌프용 모터에 사용할 수 있습니다. 전기차 및 친환경 에너지로의 전환에 따라 전기 회로의 전력 전송 및 제어 수요가 크게 증가하면서 연자성 복합 재료에 대한 수요와 기술 공정의 빠른 반복을 촉진하고 있습니다. 태양광 발전과 가변 주파수 에어컨 등 기존의 강점이 있는 자성 재료 응용 분야에서 높은 성장세를 유지하는 동시에, 연자성 복합 재료는 전기차, 충전기 및 에너지 저장과 같은 새로운 응용 분야에서도 빠른 성장기에 진입하기 시작했습니다.

NdFeB 영구자석 재료

현재 신에너지 차량의 가장 일반적인 구동 모터는 영구자석 동기 모터와 AC 모터 중 농형 비동기 유도 모터입니다. 이 중 영구자석 동기 모터가 중국에서 가장 널리 사용되며, 차량 장착 비율은 94%에 달합니다.

영구자석 동기 모터에 사용되는 NdFeB 자성 재료는 우수한 자기 특성을 갖습니다. 자화 후에는 외부 에너지를 추가하지 않고도 강한 자기장을 형성할 수 있습니다. 동시에 자기장은 영구적인 특성을 가지며 여자, 즉 도체에 전류를 흘려 자기장을 생성하기 위한 추가 회로가 필요하지 않으므로 작은 부피와 가벼운 중량을 유지할 수 있습니다. 정격 출력에서 동일한 방열 조건과 절연 재료를 사용할 경우, 영구자석 동기 모터의 출력 밀도는 일반적으로 유도 비동기 모터의 두 배 이상입니다.

탄소-세라믹 복합 재료

자동차와 고속철도 등 현대 교통수단의 제동 재료는 석면 재료, 반금속 재료, 분말 야금 재료에서 탄소-탄소 복합 재료 및 탄소-세라믹 복합 재료로 발전해 왔습니다.

탄소-세라믹 복합 브레이크 재료는 1990년대에 개발된 새로운 유형의 복합 재료로, 탄소 섬유로 이루어진 3차원 펠트 또는 편조체를 보강 골격으로 하고 탄소와 탄화규소 세라믹의 연속 기지로 구성됩니다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 탄소-세라믹 브레이크 패드로 구성된 제동 시스템은 유망한 발전 전망을 갖고 있습니다. 전동화와 경량화 추세에 따라 탄소-세라믹 디스크는 중량을 줄이고 주행 거리 불안을 완화할 수 있습니다. 내연기관 차량과 비교하면 전기차에는 엔진과 변속기가 없지만 배터리 팩이 추가되며, 배터리 팩은 내연기관 차량보다 무겁습니다. 따라서 신에너지 차량의 중량을 줄이기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 많습니다. 탄소 세라믹 브레이크는 서스펜션 시스템 하부의 중량을 효과적으로 줄여 신에너지 차량에 더 잘 적응하고 주행 거리 불안을 완화할 수 있습니다.

새로운 기술, 새로운 공정 및 신에너지의 등장과 발전에 따라 분말 야금 제품의 새로운 응용 분야가 계속해서 등장할 것이며, 자동차 전동화 시대의 새로운 공정을 전폭적으로 지원할 것입니다.