国内の自動車サプライチェーンを強化する新しいORNLアルミニウム合金

October, 8, 2025, Oak Ridge--アルミニウム製の自動車車体スクラップの波は、今後10年間でサルベージシステムに入る予定である。このスクラップは不純すぎて、新しい重要な自動車部品に安全に再利用できないことが多く、その価値が制限される。エネルギー省(DOE)のオークリッジ国立研究所(ORNL)の研究チームが、低価値のスクラップを新しい自動車構造部品を製造するための高価値の国内サプライチェーンに変えるリッジ合金と呼ばれる革新的な新しいアルミニウム合金を開発したことにより、状況は変わりつつある。

DOE の重要材料リストには、アルミニウムが含まれている。エネルギーの生産、輸送、貯蔵、節約などのエネルギー技術にアルミニウムが不可欠だからである。

RidgeAlloy は、使用済みスクラップ アルミニウムを再溶解し、構造車両部品の強度、延性、耐衝撃性の基準を満たす材料に再鋳造することによって製造される。アルミニウム合金材料研究の世界的リーダーとして、ORNL はイノベーションを加速するための的を絞った設計方法を開発した。

「チームは、ペーパーコンセプトから、わずか15か月で新しい合金の本格的な部品デモンストレーションの成功に進んだ」と、ORNLの軽金属コアプログラムのディレクタ、Allen Haynesは話している。「これは、複雑な構造合金の開発における前代未聞のイノベーションのペースである。」

自動車スクラップアルミニウムの再利用の課題
アルミニウム集約型車両は2015年頃に米国市場に参入し、フォードのF-150トラックシリーズが最初に量産された。2030 年代初頭までに、これらの車両の多くは寿命を迎えると予測されており、北米では年間最大 350,000 万トンの高品質のアルミニウム ボディ シート スクラップが急増する。このシートスクラップの多くは、低品位の鋳物にダウンサイクルされるか、輸出されることが予想されており、これらの資源を高品質の国産アルミニウムの供給源として利用する機会を逃している。

「使用済みアルミニウムをエンジンブロックのような非構造的なものに再利用できる。しかし、より価値が高く、構造的に健全なボディ用途に必要な特性は備えていない」と、計算結合物理学のORNLグループリーダAlex Plotkowskiはコメントしている。

これは、車両の細断プロセスでは、リベットなどの留め具を含む様々な部品から鉄などの不純物が混入するためである。これにより、スクラップの化学的性質が予測不可能になり、商用自動車構造合金の性能が低下する。その結果、ほとんどの軽量部品は、エネルギー集約的なプロセスで原鉱石から製造される一次アルミニウムを使用して製造されている。

スクラップを国内サプライチェーンに変える
一次アルミニウムはほとんどが輸入されているが、米国には自動車の破砕とアルミニウムスクラップの回収のための世界最高のインフラがいくつかある。

「一次アルミニウムの代わりに再溶解スクラップを使用すると、部品の加工に必要なエネルギーが最大 95% 削減されると推定されている」と、ORNL の合金挙動および設計グループのリーダー Amit Shyam は話している。

これを可能にするために、チームは、ターゲット特性を持つ最適な合金組成を予測するための200万回以上の計算を含むハイスループットコンピューティングや、DOE科学局のユーザ施設であるORNLの破砕中性子源での材料特性評価と中性子回折などの世界クラスの科学ツールを適用した。これらのツールは、研究者が特定の不純物が合金の挙動にどのように影響するかを理解するのに役立った。中性子は、材料に損傷を与えることなく緻密な金属の奥深くまで浸透できるため、科学者が内部構造や原子スケールの変化を観察できるため、この種の研究に特に適している。

迅速な計算予測と実験室での試験を通じて目的のブレンドを特定した後、新しい合金は実際の環境でテストされた。シカゴにあるPSWグループのTrialco Aluminiumは、リサイクルされたアルミニウムインゴット、再溶解の準備ができている金属ブロック、混合された車体シートスクラップから鋳造され、RidgeAlloyの仕様に合わせて調整されたものを供給した。インゴットはミシガン州のファルコン レイクサイド マニュファクチャリングに出荷され、そこで高圧ダイカストを使用して自動車部品に鋳造されることに成功した。

「われわれが選んだ部分は中程度の大きさで、適度に複雑でした」とPlotkowskiは語った。「最終的な目標は、最終的にはより大きな部品、おそらく自動車用ギガ鋳造品を鋳造することだが、これが最初のステップである。」

鋳造部品は、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、鉄、マンガンからなるRidgeAlloyが、鉄とシリコンを多く含むリサイクルブレンドから作られた場合でも、構造車両鋳物に必要な特性の組み合わせを備えていることを確認した。強度、耐食性、延性を実現し、使用済みアルミニウムスクラップからアンダーボディ、フレームコンポーネント、その他の重要な部品の構造鋳物の製造を可能にする。この画期的な進歩は、北米の車体シートスクラップの選別と再利用の方法の価値方程式を再構築する機会を提供する。

国立研究所から現実世界への影響へ
「このチームは、国立研究所の世界クラスの機能を最大限に活用して、軽量自動車材料に対する理解における大きなギャップを迅速に埋める方法を見つけ出した」(Haynes)。

2030年代初頭までに、RidgeAlloyは、米国の年間一次アルミニウム生産量の少なくとも半分に相当する量で、リサイクル構造用鋳物を可能にすることができる。これにより、エネルギー使用量が削減され、コストが削減され、国内サプライチェーンが強化される。

「RidgeAlloyは、急速に迫り来る歴史的に大規模な国内の高品質のリサイクル自動車用アルミニウムシート合金の波の価値を取り戻すことができる最初の技術を提供する。それがわれわれのチームが目指したサプライチェーンへの影響の全体像である」(Haynes)。

また、産業機械、農業機械、航空宇宙、移動式発電設備、スノーモービルなどのオフロード車、オートバイ、ジェットスキーなどの船舶への応用も期待されている。