Ny tilgang gør det letteste bilmetal mere økonomisk, nyttig

Magnesium - det letteste af alle strukturelle metaller - har meget at gøre i jagten på at lave stadig lettere biler og lastbiler, der kører længere på en tank med brændstof eller batteriopladning.

Magnesium er 75 procent lettere end stål, 33 procent lettere end aluminium og er det fjerde mest almindelige element på jorden bag jern, silicium og ilt. Men på trods af dens lette vægt og naturlige overflod, bilproducenter er blevet forhindret i deres forsøg på at inkorporere magnesiumlegeringer i strukturelle bildele. For at give den nødvendige styrke har krævet tilføjelse af dyre, tungevridende sjældne grundstoffer såsom dysprosium, praseodym og ytterbium - indtil nu.

En ny proces udviklet ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, skulle gøre det mere muligt for bilindustrien at inkorporere magnesiumlegeringer i strukturelle komponenter. Metoden har potentiale til at reducere omkostningerne ved at eliminere behovet for sjældne jordarters elementer, samtidig med at materialets strukturelle egenskaber forbedres. Det er et nyt twist på ekstrudering, hvor metallet tvinges gennem et værktøj for at skabe en bestemt form, lidt ligesom dej presset gennem en pasta maker resulterer i forskellige former.

Indledende forskning, beskrevet for nylig i Materialevidenskab og teknik A , og magnesiumteknologi, fandt, at den PNNL-udviklede proces i høj grad forbedrer energiabsorptionen af ​​magnesium ved at skabe nye mikrostrukturer, som ikke er mulige med traditionelle ekstruderingsmetoder. Det forbedrer også en egenskab kaldet duktilitet - hvilket er hvor langt metallet kan strækkes, før det går i stykker. Disse forbedringer gør magnesium lettere at arbejde med og mere tilbøjelige til at blive brugt i strukturelle bildele. I øjeblikket, magnesiumkomponenter udgør kun omkring 1 procent, eller 33 pund, af en typisk bils vægt ifølge en DOE-rapport.

"I dag, mange bilproducenter bruger ikke magnesium på strukturelle steder på grund af de to Ps; pris og egenskaber, " sagde hovedefterforsker og maskiningeniør Scott Whalen. "Lige nu, fabrikanter vælger billigt aluminium i komponenter som kofangerbjælker og knusespidser. Ved at bruge vores proces, vi har forbedret magnesiums mekaniske egenskaber til det punkt, hvor det nu kan overvejes i stedet for aluminium til disse applikationer – uden de ekstra omkostninger ved sjældne jordarters grundstoffer."

Et nyt spin på tingene

Forskere teoretiserede, at spinning af magnesiumlegeringen under ekstruderingsprocessen ville skabe lige nok varme til at blødgøre materialet, så det nemt kunne presses gennem en matrice for at skabe rør, stænger og kanaler. Varme genereret fra mekanisk friktion, der deformerer metallet, giver al den varme, der er nødvendig for processen, eliminerer behovet for strømkrævende modstandsvarmere, der bruges i traditionelle ekstruderingspresser.

Formen på de kommende ting

PNNL-teamet designede og bestilte en industriel version af deres idé og modtog en enestående, specialbygget Shear Assisted Processing and Extrusion maskine - opfinder akronymet for ShAPE™.

Med det, de har med succes ekstruderet meget tyndvæggede runde rør, op til to tommer i diameter, fra magnesium-aluminium-zink legeringer AZ91 og ZK60A, forbedring af deres mekaniske egenskaber i processen. For eksempel, rumtemperatur duktilitet over 25 procent er blevet målt uafhængigt, hvilket er en stor forbedring i forhold til typiske ekstruderinger.

"I ShAPE™-processen, vi får meget raffinerede mikrostrukturer i metallet og, i nogle tilfælde, er endda i stand til at danne nanostrukturerede funktioner, " sagde Whalen. "Jo højere rotationer pr. minut, jo mindre bliver kornene, hvilket gør røret stærkere og mere duktilt eller bøjeligt. Derudover vi kan kontrollere orienteringen af ​​de krystallinske strukturer i metallet for at forbedre energiabsorptionen af ​​magnesium, så den er lig med aluminiums."

Skub til at spare energi

Barsterne eller bidder af bulk magnesiumlegeringer strømmer gennem formen i en meget blød tilstand, takket være de samtidige lineære og rotationskræfter fra ShAPE™-maskinen. Dette betyder, at kun en tiendedel af kraften er nødvendig for at skubbe materialet gennem en matrice sammenlignet med konventionel ekstrudering.

Denne betydelige reduktion i kraft ville muliggøre væsentligt mindre produktionsmaskiner, dermed sænke kapitaludgifter og driftsomkostninger for industrien, der vedtager denne patentanmeldte proces. Kraften er så lav, at mængden af ​​elektricitet, der bruges til at lave en en-fods længde af to-tommers diameter rør, er omtrent den samme, som det tager at køre en boligkøkkenovn i kun 60 sekunder.

Der spares energi, da den varme, der genereres ved barre/matrice-grænsefladen, er den eneste procesvarme, der kræves for at blødgøre magnesium. "Vi har ikke brug for gigantiske varmelegemer, der omgiver emnerne af magnesium som industrielle ekstruderingsmaskiner, sagde Whalen. "Vi opvarmer - kun med friktion - lige på det sted, der betyder noget."

Magna-Cosma, en global leverandør af reservedele til bilindustrien, samarbejder med PNNL om dette DOE-finansierede forskningsprojekt for at fremme lavpris magnesiumdele og, efterhånden som større rør udvikles, vil teste dem på et af deres produktionsanlæg nær Detroit.

PNNLs ShAPE™-teknologi er tilgængelig for licensering og kan hjælpe med at gøre et indhug i bilindustriens magnesiummål, og slanke biler, der i øjeblikket vejer i gennemsnit 3, 360 pund.