Производство алюминиевых сплавов теперь на 50% более энергоэффективно

Jun 20, 2023

20 июля 2022 г.

Александра Фрейботт, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Более легкие автомобили могут путешествовать дальше, потребляя меньше энергии, что стимулирует спрос на более легкие автомобильные компоненты. Высокопроизводительные алюминиевые сплавы, такие как сплав 7075, относятся к числу самых легких и прочных вариантов, но требуют энергоемкого производства, что повышает затраты и, следовательно, ограничивает их применение.

Исследования Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) сокращают эту энергию вдвое за счет более эффективного процесса производства высокопроизводительных алюминиевых компонентов. При поддержке Отдела передового производства Министерства энергетики исследователи определили, что технология обработки и экструзии со сдвигом (ShAPE) позволяет исключить этапы термообработки в производственном процессе, что приводит к значительной экономии энергии и сокращению выбросов. ShAPE — это экологичный и доступный производственный подход, который позволяет широко использовать высокопроизводительные алюминиевые сплавы в автомобильной промышленности.

Подобно выпечке торта, производство металлов зависит от хорошо смешанных ингредиентов и большого количества тепла. Обычное производство металлов использует тепло для плавления отдельных металлов и легирующих элементов, таких как алюминий, медь или магний, для создания сплавов, которые легче, прочнее или легче формуются. Если эти элементы плохо перемешаны, во время обработки могут образоваться трещины и трещины, которые ухудшают свойства конечного продукта, поскольку недостаточно перемешанное комковое тесто для торта приведет к крошению и катастрофическому разрушению торта. В производстве металлов тепло используется для обеспечения хорошего смешивания отдельных металлических элементов в сплаве на этапе, называемом гомогенизацией.

Во время гомогенизации крупные металлические отливки, называемые заготовками, нагреваются почти до 500 градусов по Цельсию (около 900 градусов по Фаренгейту) в течение 24 часов. На этом этапе термообработки агрегаты сплава, подобные комкам теста для кекса, растворяются в заготовке, обеспечивая равномерное распределение или гомогенизацию всех металлических элементов. Это улучшает характеристики конечного продукта. После гомогенизации металлические стержни подвергаются дальнейшему нагреву и формованию на этапе, называемом экструзией.

«Гомогенизация — это самый энергозатратный этап во всем процессе экструзии металлов», — сказал Скотт Уэлен, главный ученый-материаловед PNNL и соразработчик ShAPE.

Машина ШАПЭ исключает необходимость отдельных этапов гомогенизации и экструзии за счет совмещения нагрева и деформации — изменения формы самого металла. В машине ШАПЭ металлическая заготовка одновременно проталкивается через небольшое отверстие во вращающейся матрице. Вместе вращательное движение и деформация тщательно перемешивают металлические элементы во время их выдавливания. По сути, процесс ШАПЭ гомогенизирует металлическую заготовку за несколько секунд, непосредственно перед ее экструдированием. Это устраняет необходимость в однодневном этапе гомогенизации с предварительным нагревом и означает, что для нагрева заготовки во время экструзии не используется дополнительная энергия. В совокупности это приводит к экономии энергии до 50 процентов при использовании ShAPE.

ШАПЭ не только является более энергоэффективным и быстрым процессом, но также улучшает качество смешивания отдельных легирующих элементов, что приводит к повышению качества конечного продукта. Подобно тому, как комковое тесто может испортить торт, конечный продукт при экструзионном производстве часто получается лучше, если компоненты хорошо перемешаны. Испытания производительности показали, что компоненты, изготовленные из алюминиевых сплавов, обработанных ШАПЭ, превосходят действующие стандарты Американского общества испытаний и материалов по прочности и удлинению.

«Мы внимательно изучили их с помощью электронного микроскопа и увидели, что ShAPE разбивает агрегаты сплава и растворяет их в алюминиевой матрице перед экструзией, делая ее более экструдируемой», — сказал Тяньхао Ван, специалист по материалам PNNL и ведущий автор недавней публикации. в области материалов и дизайна. «Это приводит к повышению производительности: наши алюминиевые сплавы 7075 прочнее и дольше растягиваются, прежде чем сломаться».