El magnesio, el más ligero de todos los metales estructurales, tiene mucho que ver en la búsqueda de hacer autos y camiones cada vez más livianos que vayan más lejos en un tanque de combustible o carga de batería.
El magnesio es 75 por ciento más liviano que el acero, 33 por ciento más liviano que el aluminio y es el cuarto elemento más común en la tierra detrás del hierro, el silicio y el oxígeno. Pero a pesar de su peso ligero y abundancia natural, los fabricantes de automóviles se han visto obstaculizados en sus intentos de incorporaraleaciones de magnesio en partes estructurales del automóvil. Para proporcionar la resistencia necesaria se ha requerido la adición de elementos raros y costosos que tuercen la lengua, como disprosio, praseodimio e iterbio, hasta ahora.
Un nuevo proceso desarrollado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, debería hacer que sea más factible para la industria automotriz incorporar aleaciones de magnesio en componentes estructurales. El método tiene el potencial de reducir costos al eliminar la necesidad de elementos de tierras raras, al tiempo que mejora las propiedades estructurales del material. Es un nuevo giro en la extrusión, en el que el metal es forzado a través de una herramienta para crear una determinada forma, algo así como la masa empujada a través de una máquina de pasta da como resultado diferentes formas.
Investigación inicial, descrita recientemente en Ciencia e Ingeniería de Materiales A y Magnesium Technology, descubrieron que el proceso desarrollado por PNNL mejora en gran medida la absorción de energía del magnesio al crear nuevas microestructuras que no son posibles con los métodos tradicionales de extrusión. También mejora una propiedad llamada ductilidad, que es qué tan lejos puede llegar el metalestirado antes de que se rompa. Estas mejoras hacen que el magnesio sea más fácil de trabajar y sea más probable que se use en piezas estructurales de automóviles. Actualmente, los componentes de magnesio representan solo alrededor del 1 por ciento, o 33 libras, del peso de un automóvil típico según un informe del DOE.
"Hoy en día, muchos fabricantes de vehículos no usan magnesio en ubicaciones estructurales debido a las dos Ps; precio y propiedades", dijo el investigador principal e ingeniero mecánico Scott Whalen. "En este momento, los fabricantes optan por aluminio de bajo costo en componentes comovigas de parachoques y puntas de aplastamiento. Mediante nuestro proceso, hemos mejorado las propiedades mecánicas del magnesio hasta el punto de que ahora puede considerarse en lugar de aluminio para estas aplicaciones, sin el costo adicional de los elementos de tierras raras ".
Un nuevo giro en las cosas
Los investigadores teorizaron que hacer girar la aleación de magnesio durante el proceso de extrusión crearía el calor suficiente para ablandar el material y poder presionarlo fácilmente a través de una matriz para crear tubos, varillas y canales. El calor generado por la fricción mecánica que deforma el metal, proporciona tododel calor necesario para el proceso, eliminando la necesidad de calentadores de resistencia de alto consumo de energía utilizados en prensas de extrusión tradicionales.
La forma de lo que vendrá
El equipo de PNNL diseñó y encargó una versión industrial de su idea y recibió una máquina de extrusión y procesamiento asistido por cizalla única y personalizada, que acuñó el acrónimo de ShAPE ™.
Con él, han extruido con éxito tubos redondos de paredes muy delgadas, de hasta dos pulgadas de diámetro, de aleaciones de magnesio-aluminio-zinc AZ91 y ZK60A, mejorando sus propiedades mecánicas en el proceso. Por ejemplo, la ductilidad a temperatura ambiente por encima deEl 25 por ciento se ha medido de forma independiente, lo cual es una gran mejora en comparación con las extrusiones típicas.
"En el proceso ShAPE ™, obtenemos microestructuras altamente refinadas dentro del metal y, en algunos casos, incluso somos capaces de formar características nanoestructuradas", dijo Whalen. "A mayor rotación por minuto, más pequeños se vuelven los granos, lo que hace queel tubo más fuerte y más dúctil o flexible. Además, podemos controlar la orientación de las estructuras cristalinas en el metal para mejorar la absorción de energía del magnesio para que sea igual a la del aluminio ".
El impulso para ahorrar energía
Las palanquillas o trozos de aleaciones de magnesio a granel fluyen a través de la matriz en un estado muy blando, gracias a las fuerzas lineales y rotacionales simultáneas de la máquina ShAPE ™. Esto significa que solo se necesita una décima parte de la fuerza para empujar el material a través de unmorir en comparación con la extrusión convencional.
Esta reducción significativa en la fuerza permitiría una maquinaria de producción sustancialmente más pequeña, reduciendo así los gastos de capital y los costos de operación para la industria que adopta este proceso pendiente de patente. La fuerza es tan baja que la cantidad de electricidad utilizada para hacer una longitud de un pie de dos-tubería de diámetro de pulgada es casi lo mismo que se necesita para hacer funcionar un horno de cocina residencial por solo 60 segundos.
La energía se ahorra ya que el calor generado en la interfaz de palanquilla / troquel es el único calor de proceso requerido para ablandar el magnesio. "No necesitamos calentadores gigantes que rodeen las palanquillas de magnesio como las máquinas de extrusión industrial", dijo Whalen.calefacción - solo con fricción - justo en el lugar que importa "
Magna-Cosma, un proveedor mundial de piezas para la industria automotriz, se está asociando con PNNL en este proyecto de investigación financiado por el DOE para avanzar en piezas de magnesio de bajo costo y, a medida que se desarrollen tubos más grandes, las probará en una de sus instalaciones de producción cerca de Detroit.
La tecnología ShAPE ™ de PNNL está disponible para licencias y podría ayudar a hacer mella en el objetivo de magnesio de la industria automotriz, y adelgazar automóviles que actualmente pesan un promedio de 3,360 libras.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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