PNNL研發(fā)ShAPE工藝 提升車用鎂合金部件的應(yīng)用
2017年08月25日 9:0 5374次瀏覽 來源: 中國有色網(wǎng) 分類: 鎂資訊
據(jù)外媒報道,美國能源部西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)研發(fā)了新款擠壓工藝(extrusion process)--剪切輔助加工及擠壓(Shear-Assisted Processing and Extrusion,ShAPE),該工藝有助于汽車行業(yè)采用鎂合金制作結(jié)構(gòu)件,提升了該方案的可行性。由于無需采用稀土金屬,可降低材料成本。與此同時,新工藝還提升了材料的結(jié)構(gòu)特性。
"鋼鋁之戰(zhàn)"或演變?yōu)?鋼鋁鎂混戰(zhàn)"
提升燃油經(jīng)濟性成為近期各大車企的重大目標(biāo)之一,因為距2025公司平均燃料經(jīng)濟性(Corporate Average Fuel Economy,CAFE)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行已越來越近。為此,輕量化成為其首選,半數(shù)車企尋求新的輕量化材料,提升車輛的燃油經(jīng)濟性,進而達(dá)到CAFE標(biāo)準(zhǔn)的要求。
在汽車業(yè)內(nèi),一度打響了"鋼鋁之戰(zhàn)(battle of steel vs. aluminum)",如今又研發(fā)了新的擠壓成型法(method of extrusion),或?qū)⑹规V材也加入到角逐中。
在所有結(jié)構(gòu)金屬中,鎂材比鋼材輕75%,比鋁材輕了33%,是地球上第四大最常見元素,其排名只落后于鐵、硅及氧三大元素。盡管鎂材質(zhì)地較輕,且天然豐度(natural abundance)較大,但車企卻難以將鎂合金用于車用結(jié)構(gòu)件,因為該材質(zhì)的使用需要配合鏑(dysprosium)、鐠(praseodymium)、鐿(ytterbium)等稀土元素(rare-earth elements),提升其強度。
剪切輔助加工及擠壓
美國能源部的工程師及材料學(xué)家闡述道,在擠壓過程中,旋轉(zhuǎn)鎂合金將因機械摩擦而生熱,使該材料軟化,進而將其壓入模具內(nèi),制作鎂合金管材、棒材及槽鎂(magnesium channels)。與傳統(tǒng)型擠壓機不同,該技術(shù)方案無配置耗能的電阻加熱器。
該團隊設(shè)計工業(yè)版剪切輔助加工及擠壓機并開展了試運行。該研究團隊采用該機器,采用擠壓技術(shù)制作了薄壁圓管,其最大直徑為2英寸,所采用的原材料為鎂鋁鋅合金AZ91和ZK60A。
首席研究員兼機械工程師Scott Whalen表示:"在剪切輔助加工及擠壓過程中,我們獲得高度精制的微觀金屬結(jié)構(gòu),在某些情況下,甚至能產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)特性。每分鐘轉(zhuǎn)速越高,顆粒就越小,制作的管材硬度越高,其延展性(ductile)或柔韌性(pliable)也越好。此外,團隊人員可控制金屬內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)的方向,提升鎂合金的能量吸收,使其可媲美鋁材。"
鎂合金坯料以極為柔軟的狀態(tài)流入模具,這得益于ShAPE工藝同時施加的線性力及旋轉(zhuǎn)力。為此,相較于傳統(tǒng)的擠壓工藝,只需用原先1/10的力就能將原材料擠入模具。
由于擠壓力大幅減小,若采用該項技術(shù),企業(yè)就能啟用小型生產(chǎn)機械,進而下調(diào)資本支出(capital expenditures)及運營成本。目前,該項技術(shù)目前尚在申請專利中。
Whalen表示:"與工業(yè)用擠壓機不同,采用我方提供的ShAPE設(shè)備后,無需在鎂合金坯料周邊放置體積巨大的加熱器。"
實現(xiàn)汽車輕量化的鎂材
據(jù)美國能源部報告,鎂制組件如今僅占常規(guī)車輛總車重的1%,而ShAPE機器的出現(xiàn),或?qū)⒏淖冞@一狀況。
Whalen表示:"許多車企未采用鎂合金結(jié)構(gòu)件,主要原因有兩點:鎂材的價格和屬性。目前,制造商采用低成本鋁材制作保險杠等部件。若采用我方的工藝,可強化鎂材的材料特性,用于替換上述應(yīng)用中的鋁材,且無需新增稀土元素,不會增加成本開支。"
麥格納正與PNNL合作,研發(fā)低成本鎂制零部件。該公司目前在底特律的生產(chǎn)設(shè)施中測試其研發(fā)的大型管材,PNNL的ShAPE技術(shù)還可提供授權(quán)使用許可。
責(zé)任編輯:淮金
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