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

O Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste 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 de metais e ligas metálicas por vários anos , com aplicação em diversos metais.

Agora, em colaboração com a Magna, o PNNL demonstrou a viabilidade de usar o ShAPE para fabricar extrusões multicelulares de alumínio secundário. Em um 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 CO2 durante o processo de fabricação em comparação com a extrusão convencional. O uso de Al secundário como matéria-prima não é apenas ecológico, mas pode reduzir significativamente o custo dos componentes. Isso ocorre porque a necessidade de diluir Fe com Al primário pode ser eliminada, removendo assim a energia, o carbono e os custos associados à produção de alumínio primário. Além disso, os componentes automotivos leves feitos de ligas de alumínio oferecem 25% de economia de peso em comparação com o aço de alta resistência de última geração. Como resultado, os componentes de aço estão sendo substituídos por Al sempre que possível.

Para melhorar a reciclabilidade, este Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) entre o Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e a Magna Services of America (Magna) visa desenvolver o ShAPE para demonstrar o potencial de conversão de sucata industrial de alumínio diretamente em componentes automotivos de baixa escala .

Todas as estruturas de bateria de veículos elétricos (EV) fornecem uma oportunidade de inserção possível com base em desempenho igual ou melhorado, a um custo reduzido em comparação com as extrusões convencionais. A potencial redução de custos e os benefícios ambientais do uso de matéria-prima composta por 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 pressão angular de canal igual (ECAP). Embora bem-sucedidos do ponto de vista científico, o ECAP e outros processos SPD não são escaláveis ​​a 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, atendendo aos requisitos de propriedade padrão da indústria.

O processo SHAPE da PNNL usa uma máquina para girar tarugos ou pedaços de liga de metal a granel, criando apenas calor suficiente por fricção para amolecer o material, de modo 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 ram.

As forças lineares e rotacionais simultâneas usam 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 1 pé de comprimento de 2 polegadas 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 dentro do 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 da sucata industrial da liga de alumínio 6063.

A caracterização microestrutural foi apresentada para um perfil trapezoidal com tamanho médio de grão de 6,7 µm na condição extrudada. 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.