Magnésio - o mais leve de todos os metais estruturais - tem muito a seu favor na busca de fazer carros e caminhões cada vez mais leves que vão mais longe com um tanque de combustível ou carga de bateria.

O magnésio é 75 por cento mais leve que o aço, 33 por cento mais leve que o alumínio e é o quarto elemento mais comum na terra atrás do ferro, silício e oxigênio. Mas apesar de seu peso leve e abundância natural, os fabricantes de automóveis foram frustrados em suas tentativas de incorporar ligas de magnésio em peças estruturais de automóveis. Para fornecer a força necessária exigiu a adição de caro, elementos raros que distorcem a língua, como disprósio, praseodímio e itérbio - até agora.

Um novo processo desenvolvido no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, deve tornar mais viável para a indústria automobilística incorporar ligas de magnésio em componentes estruturais. O método tem potencial para reduzir custos, eliminando a necessidade de elementos de terras raras, ao mesmo tempo em que melhora as propriedades estruturais do material. É uma nova reviravolta na extrusão, em que o metal é forçado através de uma ferramenta para criar uma certa forma, tipo de massa empurrada através de um fabricante de macarrão resulta em formatos diferentes.

Pesquisa inicial, descrito recentemente em Ciência e Engenharia de Materiais A , e Tecnologia de Magnésio, descobriram que o processo desenvolvido pelo PNNL melhora muito a absorção de energia do magnésio, criando novas microestruturas que não são possíveis com os métodos de extrusão tradicionais. Também melhora uma propriedade chamada ductilidade - que é o quanto o metal pode ser esticado antes de quebrar. Esses aprimoramentos tornam o magnésio mais fácil de trabalhar e mais provável de ser usado em peças estruturais de automóveis. Atualmente, componentes de magnésio respondem por apenas cerca de 1 por cento, ou 33 libras, do peso de um carro típico de acordo com um relatório do DOE.

"Hoje, muitos fabricantes de veículos não usam magnésio em localizações estruturais por causa dos dois Ps; preço e propriedades, "disse o investigador principal e engenheiro mecânico Scott Whalen." Neste momento, os fabricantes optam por alumínio de baixo custo em componentes como travessas e pontas de esmagamento. Usando nosso processo, melhoramos as propriedades mecânicas do magnésio ao ponto em que agora ele pode ser considerado em vez do alumínio para essas aplicações - sem o custo adicional de elementos de terras raras. "

Uma nova visão das coisas

Os pesquisadores teorizaram que girar a liga de magnésio durante o processo de extrusão criaria apenas o calor suficiente para amolecer o material para que pudesse ser facilmente pressionado através de uma matriz para criar tubos, hastes e canais. Calor gerado por atrito mecânico deformando o metal, fornece todo o calor necessário para o processo, eliminando a necessidade de aquecedores de resistência que consomem muita energia usados ​​em prensas de extrusão tradicionais.

A forma das Coisas por vir

A equipe do PNNL projetou e encomendou uma versão industrial de sua ideia e recebeu uma versão única, Máquina de extrusão e processamento assistido por cisalhamento construída sob medida - cunhando a sigla para ShAPE ™.

Com isso, eles extrudaram com sucesso tubos redondos de paredes muito finas, até duas polegadas de diâmetro, das ligas de magnésio-alumínio-zinco AZ91 e ZK60A, melhorando suas propriedades mecânicas no processo. Por exemplo, a ductilidade da temperatura ambiente acima de 25 por cento foi medida de forma independente, o que é uma grande melhoria em comparação com extrusões típicas.

"No processo ShAPE ™, obtemos microestruturas altamente refinadas dentro do metal e, em alguns casos, são até mesmo capazes de formar recursos nanoestruturados, "disse Whalen." Quanto mais altas as rotações por minuto, quanto menores os grãos se tornam, o que torna o tubo mais forte e mais dúctil ou flexível. Adicionalmente, podemos controlar a orientação das estruturas cristalinas no metal para melhorar a absorção de energia do magnésio para que seja igual à do alumínio. "

O impulso para economizar energia

Os tarugos ou pedaços de ligas de magnésio a granel fluem através da matriz em um estado muito macio, graças às forças lineares e rotacionais simultâneas da máquina ShAPE ™. Isso significa que apenas um décimo da força é necessária para empurrar o material através de uma matriz em comparação com a extrusão convencional.

Esta redução significativa na força permitiria máquinas de produção substancialmente menores, reduzindo assim as despesas de capital e os custos operacionais para a indústria que adota esse processo de patente pendente. A força é tão baixa, que a quantidade de eletricidade usada para fazer um comprimento de trinta centímetros de um tubo de duas polegadas de diâmetro é aproximadamente a mesma necessária para ligar um forno de cozinha residencial por apenas 60 segundos.

A energia é economizada, pois o calor gerado na interface tarugo / matriz é o único calor do processo necessário para amolecer o magnésio. "Não precisamos de aquecedores gigantes em torno dos tarugos de magnésio como as máquinas de extrusão industriais, disse Whalen. "Estamos aquecendo - com fricção apenas - bem no lugar que importa."

Magna-Cosma, um fornecedor global de peças para a indústria automobilística, está se unindo ao PNNL neste projeto de pesquisa financiado pelo DOE para promover peças de magnésio de baixo custo e, conforme tubos maiores são desenvolvidos, irá testá-los em uma de suas instalações de produção perto de Detroit.

A tecnologia ShAPE ™ da PNNL está disponível para licenciamento e pode ajudar a reduzir o alvo de magnésio da indústria automotiva, e carros slim down que atualmente pesam em média 3, 360 libras.