Kształtując przyszłość części samochodowych z magnezu

Kształtując przyszłość części samochodowych z magnezu

Magnez jest o 75 % lżejszy od stali, o 33 % lżejszy niż aluminium i jest czwartym najczęstszym pierwiastkiem na ziemi za żelazem, krzemem i tlenem. Pomimo niewielkiej wagi i naturalnej liczebności, próby włączenia stopów magnezu do strukturalnych części samochodowych spełzały na niczym. Aby zapewnić niezbędną siłę, konieczne było dodawanie kosztownych elementów, takich jak dysproz czy prazeodym. Do tej pory.

Nowy proces powinien sprawić, że przemysł motoryzacyjny będzie w stanie włączać stopy magnezu do elementów konstrukcyjnych. Metoda ma potencjał obniżenia kosztów poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania pierwiastków ziem rzadkich, jednocześnie poprawiając właściwości konstrukcyjne materiału. Jest to zwrot w wytłaczaniu, w którym metal jest zmuszany przez narzędzie do stworzenia pewnego kształtu.

Wskazuje się, że proces opracowany przez Pacific Northwest National Laboratory znacznie poprawia energię absorpcji magnezu przez tworzenie nowych mikrostruktur, które nie są możliwe przy użyciu tradycyjnych metod wytłaczania. Poprawia również właściwość zwaną ciągliwością – określa ona, jak daleko metal może być rozciągnięty, zanim się zerwie. Te ulepszenia sprawiają, że magnez jest łatwiejszy w obróbce i łatwiej go użyć w konstrukcji samochodów. Obecnie składniki magnezowe stanowią około 1 % lub 33 funty z masy typowego samochodu.

"Dzisiaj wielu producentów pojazdów nie używa magnezu w strukturalnych lokalizacjach z dwóch powodów: ceny i właściwości" - powiedział główny badacz i inżynier mechanik Scott Whalen. "Obecnie, do budowy takich elementów jak belki zderzakowe i ostrza do zgniatania, producenci wybierają tanie aluminium. Dzięki zastosowaniu naszego procesu udoskonaliliśmy mechaniczne właściwości magnezu do momentu, w którym można je rozpatrywać jako alternatywę dla aluminium w tych zastosowaniach - bez dodatkowych kosztów pierwiastków ziem rzadkich".

Naukowcy twierdzili, że obracanie stopu magnezu podczas procesu wytłaczania stworzy wystarczająco dużo ciepła, aby zmiękczyć materiał, dzięki czemu będzie można łatwo nacisnąć przez matrycę, aby utworzyć rurki, pręty i kanały. Ciepło generowane przez tarcie mechaniczne odkształcające metal, dostarcza całego ciepła potrzebnego do tego procesu, eliminując potrzebę stosowania oporowych grzałek o dużej mocy stosowanych w tradycyjnych prasach do wytłaczania.

Kształt przyszłości

Zespół PNNL zaprojektował i zlecił przemysłową wersję swojego pomysłu i otrzymał jedyny w swoim rodzaju, niestandardowy system wspomagania obróbki wykańczającej i wytłaczania - tworzący akronim ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion machine). Dzięki temu z powodzeniem wyciskali bardzo cienkościenne rury o średnicy do dwóch cali, ze stopów magnezu, aluminium i cynku, poprawiając ich właściwości mechaniczne. Na przykład, zmierzono ciągliwość powyżej 25 w temperaturze pokojowej, co stanowi dużą poprawę w porównaniu z typowymi wytłaczaniami.

"W procesie ShAPE otrzymujemy wyrafinowane mikrostruktury wewnątrz metalu, a w niektórych przypadkach są to nawet nanostruktury" - powiedział Whalen. "Im wyższe obroty na minutę, tym mniejsze ziarna, a one sprawiają, że przewód jest silniejszy i bardziej plastyczny. Dodatkowo możemy kontrolować orientację struktur krystalicznych w metalu w celu zwiększenia energii absorpcji magnezu, więc jest równa tej, która ma aluminium".

Nacisk na oszczędność energii

Kęsy lub kawałki stopów magnezu luzem przepływają przez matrycę w stanie bardzo miękkim, dzięki jednoczesnym siłom liniowym i obrotowym maszyny ShAPE. Oznacza to, że potrzebna jest tylko jedna dziesiąta siły potrzebnej konwencjonalnie, aby docisnąć materiał przez matrycę. To umożliwiłoby znacznie mniejsze maszyny produkcyjne, obniżając tym samym wydatki inwestycyjne i koszty operacyjne dla przemysłu.

Energia jest oszczędzana, ponieważ ciepło wytwarzane w interfejsie matrycy jest jedynym procesem wymaganym do zmiękczenia magnezu. "Nie potrzebujemy gigantycznych grzejników otaczających magnez jak w przemysłowych maszynach do wytłaczania" - powiedziała Whalen. "Podgrzewa się - tylko poprzez tarcie - to miejsce, które ma znaczenie".

Technologia PNNL jest dostępna do licencjonowania i może przyczynić się do zmniejszenia masy samochodów, które obecnie ważą już 3,360 funtów.

(KB)