金属生産は世界の二酸化炭素の 10% を占めています₂鉄の生産では2トンの二酸化炭素が排出される₂金属生産1トン当たり、ニッケル生産では14トンの二酸化炭素が排出される₂使用される鉱石によっては、1 トンあたり、さらにはそれ以上になります。

これらの金属は、インバーと呼ばれる、熱膨張が低い合金の基礎を形成します。これらは、航空宇宙、極低温輸送、エネルギー、精密機器の分野にとって重要です。

環境への被害を認識し、マックス・プランク持続可能材料研究所（MPI-SusMat）の科学者たちは、COを排出せずにインバー合金を製造する新しい方法を開発しました。₂膨大なエネルギーを節約しながら、金属抽出、合金化、熱機械加工を単一の反応器とプロセスステップに統合する単一ステップのプロセスでこれを達成します。

彼らのアプローチは、抽出冶金と物理冶金の間の古典的な境界の一部を解消し、単一のソリッドステート操作で酸化物から応用価値のある製品への直接変換を可能にします。彼らの発見は、出版された日記で自然。

ワンステップ冶金によりエネルギーと CO を節約₂

「私たちは自問しました。ほぼ最適化された微細構造と特性の組み合わせを備えた合金を、CO ゼロで鉱石または酸化物から直接製造できないかということです。₂MPI-SusMat のフンボルト研究員であり、この論文の筆頭著者である Shaolou Wei 博士は次のように述べています。

従来の合金の製造は通常 3 段階のプロセスで行われます。まず、鉱石を金属の形状に還元し、次に液化元素を混合して合金を作成し、最後に熱機械処理を適用して目的の特性を達成します。これらの各ステップはエネルギーを大量に消費し、エネルギーキャリアと還元剤の両方として炭素に依存するため、大量の CO が発生します。₂排出量。

「重要なアイデアは、各元素の熱力学と反応速度を理解し、約 700 ℃で同様の還元性と混合性を持つ酸化物を使用することです」とウェイ博士は続けます。「この温度はバルク融点よりもはるかに低いため、それでもなお、再加熱することなく、単一の固相プロセスステップで酸化物状態から金属を抽出し、合金に混合します。」

炭素を使用して鉱石を還元し、炭素汚染金属を生成する従来の方法とは異なり、研究チームの新しい方法では還元剤として水素を使用します。「炭素の代わりに水素を使用すると、4 つの重要な利点がもたらされます」と MPI-SusMat のマネージング ディレクターであり、この研究の責任著者である Dierk Raabe 教授は説明します。

「第一に、水素ベースの還元では副産物として水しか生成されないため、CO はゼロになります。₂排出量。第二に、純粋な金属が直接得られるため、最終製品から炭素を除去する必要がなくなり、時間とエネルギーが節約されます。第三に、比較的低温で固体状態でこのプロセスを実行します。第四に、従来の冶金プロセスの特徴である頻繁な冷却と再加熱を回避します。」

この技術を使用して製造されたインバー合金は、従来の方法で製造されたインバー合金の低熱膨張特性に匹敵するだけでなく、プロセスから自然に受け継がれた微細な結晶粒径により優れた機械的強度も提供します。

工業規模へのアップスケーリング

マックス プランクの科学者は、高速、カーボンフリー、エネルギー効率の高いプロセスによるインバー合金の製造が可能であるだけでなく、非常に有望であることを実証しました。ただし、この方法を産業の需要に合わせて拡張するには、次の 3 つの重要な課題が生じます。

まず、研究者らは概念実証研究に純粋な酸化物を使用しましたが、産業用途には従来の不純物を含む酸化物が含まれる可能性があります。これにより、合金の品質を維持しながら精製度の低い材料を処理できるようにプロセスを適応させる必要性が生じます。

第二に、還元プロセスでの純粋な水素の使用は効果的ではありますが、大規模な操作にはコストがかかります。研究チームは現在、水素の使用量とエネルギーコストの最適なバランスを見つけて、このプロセスを産業にとってより経済的に実行可能なものにするために、高温での水素濃度を下げた実験を行っている。

第三に、現在の方法では無加圧焼結が使用されていますが、細かく粗大なバルク材料を工業規模で製造するには、プレス工程の追加が必要になる可能性があります。同じプロセスに機械的変形を組み込むことで、生産の合理化を維持しながら、材料の構造的完全性をさらに高めることができます。

将来を見据えると、このワンステッププロセスの多用途性によって新たな可能性が開かれます。鉄、ニッケル、銅、コバルトはすべてこの方法で処理できるため、高エントロピー合金が次の焦点となる可能性があります。これらの合金は、幅広い組成にわたって独自の特性を維持できることで知られており、ハイテク用途に最適な軟磁性合金などの新材料を開発する可能性を秘めています。

もう 1 つの有望な方向性は、純粋な酸化物の代わりに冶金廃棄物の使用である可能性があります。このアプローチは、廃棄物から不純物を除去することにより、産業副産物を貴重な原料に変え、金属生産の持続可能性をさらに高めることができます。

高温の必要性を排除することで、化石燃料、このワンステップの水素ベースのプロセスは、合金製造の環境フットプリントを大幅に削減し、冶金学のより環境に優しい、より持続可能な未来への道を開く可能性があります。