La produzione di leghe di alluminio ora è più efficiente dal punto di vista energetico del 50%.

Jun 20, 2023

20 luglio 2022

di Alexandra Freibott, Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale

I veicoli più leggeri possono viaggiare più lontano con meno energia, stimolando la domanda di componenti automobilistici più leggeri. Le leghe di alluminio ad alte prestazioni, come la lega 7075, sono tra le opzioni più leggere e resistenti, ma richiedono una produzione ad alta intensità energetica che aumenta i costi e quindi ne limita l’uso.

La ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) dimezza tale energia con un processo più efficiente per produrre componenti in alluminio ad alte prestazioni. Con il supporto dell'Ufficio di produzione avanzata del Dipartimento dell'Energia, i ricercatori hanno stabilito che la tecnologia Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) può eliminare le fasi di trattamento termico nel processo di produzione, con conseguente notevole risparmio energetico e riduzione delle emissioni. ShAPE è un approccio produttivo ecologico e conveniente che consente un ampio utilizzo di leghe di alluminio ad alte prestazioni nelle applicazioni automobilistiche.

Proprio come cuocere una torta, la produzione dei metalli si basa su ingredienti ben miscelati e molto calore. La produzione metallica convenzionale utilizza il calore per fondere insieme singoli metalli ed elementi di lega, come alluminio, rame o magnesio, per creare leghe più leggere, più resistenti o più facili da formare. Se questi elementi non sono ben miscelati, durante la lavorazione possono formarsi crepe e fratture che compromettono le proprietà del prodotto finale, poiché una pastella per torta poco miscelata e grumosa si tradurrà in una torta sbriciolante e disastrosa. Nella produzione dei metalli, il calore viene utilizzato per garantire che i singoli elementi metallici di una lega siano ben miscelati durante una fase chiamata omogeneizzazione.

Durante l'omogeneizzazione, grandi getti metallici chiamati billette vengono riscaldati a quasi 500 gradi Celsius (circa 900 gradi Fahrenheit) per un massimo di 24 ore. Questa fase di trattamento termico dissolve gli aggregati di lega, simili ai grumi nell'impasto della torta, nella billetta per garantire che tutti gli elementi metallici siano distribuiti uniformemente o omogeneizzati. Ciò migliora le prestazioni del prodotto finale. Dopo l'omogeneizzazione, le barre metalliche vengono sottoposte a ulteriore riscaldamento e formatura in una fase chiamata estrusione.

"L'omogeneizzazione è la fase che consuma più energia nell'intero processo di estrusione dei metalli", ha affermato Scott Whalen, capo scienziato dei materiali del PNNL e co-sviluppatore di ShAPE.

La macchina ShAPE elimina la necessità di fasi separate di omogeneizzazione ed estrusione combinando riscaldamento e deformazione, ovvero il cambiamento nella forma del metallo stesso. Nella macchina ShAPE, la billetta metallica viene contemporaneamente spinta attraverso una piccola apertura in una matrice che ruota. Insieme, il movimento rotatorio e la deformazione mescolano accuratamente gli elementi metallici mentre vengono estrusi. In sostanza, il processo ShAPE omogeneizza la billetta metallica in pochi secondi, immediatamente prima che venga estrusa. Ciò elimina la necessità di una fase di omogeneizzazione di preriscaldamento della durata di un giorno e significa che non viene utilizzata energia aggiuntiva per riscaldare la billetta durante l'estrusione. Insieme, ciò si traduce in un risparmio energetico fino al 50% utilizzando ShAPE.

ShAPE non solo è un processo più efficiente dal punto di vista energetico e più rapido, ma migliora anche il modo in cui i singoli elementi di lega vengono miscelati, portando a un prodotto finale migliore. Come una pastella grumosa può rovinare una torta, il prodotto finale nella produzione di estrusione spesso offre prestazioni migliori quando gli elementi sono ben miscelati. I test sulle prestazioni hanno dimostrato che i componenti realizzati con leghe di alluminio lavorate con ShAPE superavano gli attuali standard dell'American Society for Testing and Materials in termini di resistenza e allungamento.

"Abbiamo osservato più da vicino utilizzando un microscopio elettronico e abbiamo visto che ShAPE rompe gli aggregati di lega e li dissolve nella matrice di alluminio prima dell'estrusione, rendendola più estrudibile", ha affermato Tianhao Wang, scienziato dei materiali del PNNL e autore principale della recente pubblicazione. in Materiali e Design. "Ciò si traduce in prestazioni migliori: le nostre leghe di alluminio 7075 sono più resistenti e si allungano maggiormente prima di rompersi."