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ORNL 연구원, 팀이 발전에 대한 영예를 얻었습니다.
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ORNL 연구원, 팀이 발전에 대한 영예를 얻었습니다.

Nov 01, 2023

DOE/오크리지 국립연구소

이미지: ORNL의 Dean Pierce는 Cummins와 협력하여 고강도 중탄소강 합금인 3Cr-XHTS 강철로 피스톤을 개발하고 제작했습니다.더보기

출처: ORNL, 미국 에너지부

에너지부 Oak Ridge 국립 연구소의 Dean Pierce와 ORNL의 Alex Plotkowski가 이끄는 연구팀은 극한 환경을 견딜 수 있는 새로운 고성능 합금 개발로 DOE의 차량 기술 사무소로부터 상을 받았습니다.

6월 12일에 가상으로 개최된 올해의 차량 기술 연례 우수 평가에서 VTO는 물리 과학 부서의 R&D 담당 과학자인 Pierce와 Plotkowski 산하의 DuAlumin-3D 연구팀을 표창했습니다.

VTO는 ORNL 합금 거동 및 설계 그룹의 일원인 Pierce에게 새로운 Three Chromium-eXtreme 고온 강도(3Cr-XHTS) 강철 개발에 대한 리더십을 인정하여 Distinguished Achievement 상을 수여했습니다. 강철 합금은 이름에 반영된 대로 재료 질량의 명목상 3%를 구성하는 크롬과 기타 합금 원소로 만들어집니다.

VTO ​​LightMAT 프로그램을 통해 ORNL 팀은 협력 연구 및 개발 계약 파트너인 Cummins와 긴밀히 협력하여 4년 이내에 내구성이 더 뛰어난 강철 합금을 개발했습니다.

Pierce는 “우리는 Cummins와 훌륭한 협력 관계를 유지해 왔으며 그들과 협력하여 ORNL과 Cummins의 고유한 전문 지식을 함께 모아 3Cr-XHTS를 개발할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. "4년간의 노력과 흥미로운 결과를 통해 우리 팀 전체가 인정을 받게 되어 매우 기뻤습니다."

3Cr-XHTS 강철은 차세대 고효율 중부하 내연기관용 고온, 높은 응력 및 장기간의 마모를 견딜 수 있는 피스톤에 사용하기 위해 만들어졌습니다. 현재 대형 엔진 피스톤용 최첨단 강철 합금인 4140 강철은 최고 금속 온도가 500°C 미만인 응용 분야로 제한되어 있어 미래의 고온 엔진에 사용하기에는 이 재료가 불충분합니다.

“피스톤 적용을 위해 우리는 고온에서 강하고 내산화성일 뿐 아니라 열을 잘 전도하는 강철을 설계해야 했습니다. 열을 전도하는 목적 중 하나는 작동 중에 재료가 파손되지 않도록 피스톤의 연소 표면 온도를 충분히 낮게 유지하는 것입니다.”라고 Pierce는 말했습니다. "이러한 특성은 종종 서로 충돌합니다. 즉, 한 가지 특성이 향상되면 다른 특성이 저하될 수 있으며, 우리 팀은 이러한 야금학적 설계 문제를 극복해야 했습니다."

새로운 고강도 중탄소강은 우수한 피로 및 내산화성을 위해 최적화되었습니다. 4140과 비교하여 3Cr-XHTS 강철은 피로 강도가 143% 증가하고 최고 작동 온도가 약 75°C 증가했습니다. 이 강은 또 다른 크롬 함유 고온합금인 H11 공구강에 비해 고주기, 고온 피로강도가 46% 향상됐다.

연구진은 3Cr-XHTS 강철을 사용하여 피스톤 상단 표면에 위치하며 연소 시 고온 가스 및 고압에 노출되는 엔진 부품인 풀사이즈 피스톤 크라운을 제작했습니다. 새로운 합금은 6기통 15리터 대형 엔진 내에서 500시간 동안 수정된 최고 출력 테스트인 Cummins의 가장 엄격한 엔진 테스트를 성공적으로 통과했습니다.

강철의 유리한 재료 특성 외에도 3Cr-XHTS 강철은 가격이 적당하며 잠재적으로 고가의 공구강을 대체할 수 있습니다. 이 합금은 다양한 차량 부문의 탈탄소화 노력에 응용될 수 있으며 천연가스, 수소, 합성 디젤, 재생 디젤 및 바이오 연료와 같은 미래 대형 차량에 채택될 수 있는 저탄소 연료와 호환됩니다.

Annual Merit Review에서 ORNL의 DuAlumin-3D 연구팀은 DOE Advanced Materials and Manufacturing Office와의 공동 노력으로 VTO 파워트레인 재료 핵심 프로그램에 따라 개발된 경량 알루미늄 합금인 DuAlumin-3D 개발을 인정하여 팀 상을 받았습니다. AMMTO. 작업은 AMMTO의 지도 하에 미국 제조 기술의 최첨단 기술을 발전시키기 위해 연구소와 협력하는 전국적인 협력자 그룹인 MDF 컨소시엄의 본거지인 ORNL의 제조 시연 시설에서 부분적으로 수행되었습니다.