PNNL e Magna demonstram viabilidade de uso de ShAPE com alumínio secundário para componentes automotivos

May 05, 2024

O Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia vem desenvolvendo o processo Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) (postagem anterior) para permitir uma produção mais econômica e energeticamente eficiente de estruturas de alta resistência a partir de metais e ligas metálicas há vários anos. , com aplicação em uma variedade de metais diferentes.

Agora, em colaboração com a Magna, o PNNL demonstrou a viabilidade do uso do ShAPE para fabricar extrusões multicélulas a partir de alumínio secundário. Num relatório técnico publicado no início deste ano, os engenheiros do PNNL e da Magna observaram que:

Componentes automotivos feitos 100% de alumínio secundário oferecem >50% de economia de energia e >90% de economia de CO2 durante o processo de fabricação em comparação com a extrusão convencional. O uso de Al secundário como matéria-prima não é apenas ecologicamente correto, mas pode reduzir significativamente o custo dos componentes. Isso ocorre porque a necessidade de diluir o Fe com Al primário pode ser eliminada, eliminando assim a energia, o carbono e o custo associados à produção de alumínio primário. Além disso, componentes automotivos leves feitos de ligas de Al oferecem economia de peso de 25% em comparação com o aço de alta resistência de última geração. Como resultado, os componentes de aço estão sendo alvo de substituição por Al sempre que viável.

Para melhorar a reciclabilidade, este Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) entre o Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) e a Magna Services of America (Magna) teve como objetivo desenvolver o ShAPE para demonstrar o potencial de conversão de sucata industrial de Al diretamente em componentes automotivos de subescala .

Todas as estruturas de baterias de veículos elétricos (EV) oferecem uma possível oportunidade de inserção com base em desempenho igual ou melhorado, a um custo reduzido em comparação com extrusões convencionais. A potencial redução de custos e os benefícios ambientais do uso de matéria-prima composta 100% de Al secundário estão bem estabelecidos. O uso de sucata secundária sem a adição de Al primário, no entanto, não se tornou um processo industrial devido aos desafios materiais fundamentais associados à dispersão intermetálica e à microestrutura uniforme. Essas limitações do processo foram superadas usando técnicas de deformação plástica severa (SPD), como prensagem angular de canal igual (ECAP). Embora bem sucedidos do ponto de vista científico, o ECAP e outros processos SPD não são escaláveis ​​a um nível industrial. O SHAPE combina as vantagens microestruturais do SPD com a escalabilidade de um processo de extrusão convencional para oferecer uma tecnologia exclusiva para converter sucata secundária de Al diretamente em componentes automotivos, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de propriedade padrão da indústria.

O processo ShAPE da PNNL usa uma máquina para girar tarugos ou pedaços de liga metálica a granel, criando calor suficiente por meio da fricção para amolecer o material para que possa ser facilmente extrudado através de uma matriz para formar tubos, hastes e canais. A extensão da geração de calor e a profundidade da zona de deformação são controladas pela regulação da velocidade de rotação, temperatura e velocidade do aríete.

As forças lineares e rotacionais simultâneas utilizam apenas 10% da força normalmente necessária para empurrar o material através da matriz em processos convencionais.

Esta redução significativa na força permite máquinas de produção substancialmente menores, reduzindo assim as despesas de capital e os custos operacionais. O consumo de energia é igualmente baixo. A quantidade de eletricidade usada para fazer um tubo de 30 cm de diâmetro e 5 cm de diâmetro é quase a mesma necessária para ligar um forno de cozinha residencial por apenas 60 segundos.

Para adaptar o ShAPE para uso com alumínio secundário, os engenheiros integraram uma configuração de matriz de vigia no processo rotativo do ShAPE. Em um artigo publicado na Manufacturing Letters, a equipe relata a extrusão de perfis circulares, quadrados, trapezoidais e trapezoidais de duas células a partir de sucata industrial de liga de alumínio 6063.

A caracterização microestrutural foi apresentada para um perfil trapezoidal com tamanho médio de grão de 6,7 µm na condição extrusada. Os tubos redondos alcançaram resistência ao escoamento (246,9 ± 10,4 MPa), resistência à tração final (270,8 ± 9,6 MPa) e alongamento uniforme (16,5 ± 2,4%) excedendo os padrões da indústria.