Il magnesio, il più leggero di tutti i metalli strutturali, ha molto da offrire nella ricerca di auto e camion sempre più leggeri che vadano più lontano con un pieno di carburante o la carica della batteria.

Il magnesio è il 75% più leggero dell'acciaio, 33 percento più leggero dell'alluminio ed è il quarto elemento più comune sulla terra dopo il ferro, silicio e ossigeno. Ma nonostante la sua leggerezza e la sua naturale abbondanza, le case automobilistiche sono state ostacolate nei loro tentativi di incorporare le leghe di magnesio nelle parti strutturali dell'auto. Per fornire la forza necessaria ha richiesto l'aggiunta di costosi, elementi rari che fanno storcere la lingua come disprosio, praseodimio e itterbio, fino ad ora.

Un nuovo processo sviluppato presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, dovrebbe rendere più fattibile per l'industria automobilistica l'integrazione di leghe di magnesio nei componenti strutturali. Il metodo ha il potenziale per ridurre i costi eliminando la necessità di elementi di terre rare, migliorando contemporaneamente le proprietà strutturali del materiale. È una nuova svolta nell'estrusione, in cui il metallo è forzato attraverso uno strumento a creare una certa forma, un po' come l'impasto passato attraverso una macchina per la pasta si traduce in forme diverse.

Ricerca iniziale, descritto di recente in Scienza e ingegneria dei materiali A , e tecnologia del magnesio, hanno scoperto che il processo sviluppato dal PNNL migliora notevolmente l'assorbimento di energia del magnesio creando nuove microstrutture che non sono possibili con i metodi di estrusione tradizionali. Migliora anche una proprietà chiamata duttilità, ovvero fino a che punto il metallo può essere allungato prima che si rompa. Questi miglioramenti rendono il magnesio più facile da lavorare e più probabile che venga utilizzato nelle parti strutturali dell'auto. Attualmente, i componenti di magnesio rappresentano solo l'1% circa, o 33 libbre, del peso di un'auto tipica secondo un rapporto DOE.

"Oggi, molti produttori di veicoli non usano il magnesio nelle posizioni strutturali a causa delle due P; prezzo e proprietà, " ha detto il ricercatore principale e ingegnere meccanico Scott Whalen. "In questo momento, i produttori optano per l'alluminio a basso costo in componenti come travi del paraurti e punte di schiacciamento. Utilizzando il nostro processo, abbiamo migliorato le proprietà meccaniche del magnesio al punto che ora può essere considerato al posto dell'alluminio per queste applicazioni, senza il costo aggiuntivo degli elementi delle terre rare".

Un nuovo giro sulle cose

I ricercatori hanno teorizzato che la rotazione della lega di magnesio durante il processo di estrusione creerebbe abbastanza calore per ammorbidire il materiale in modo che possa essere facilmente pressato attraverso uno stampo per creare tubi, canne e canali. Calore generato dall'attrito meccanico che deforma il metallo, fornisce tutto il calore necessario al processo, eliminando la necessità di riscaldatori a resistenza affamati di energia utilizzati nelle tradizionali presse di estrusione.

La forma delle cose a venire

Il team PNNL ha progettato e commissionato una versione industriale della loro idea e ha ricevuto un pezzo unico, macchina per la lavorazione e l'estrusione assistita da taglio su misura, che ha coniato l'acronimo di ShAPE™.

Con esso, hanno estruso con successo tubi tondi con pareti molto sottili, fino a due pollici di diametro, dalle leghe magnesio-alluminio-zinco AZ91 e ZK60A, migliorare le loro proprietà meccaniche nel processo. Per esempio, la duttilità a temperatura ambiente superiore al 25% è stata misurata in modo indipendente, che è un grande miglioramento rispetto alle tipiche estrusioni.

"Nel processo ShAPE™, otteniamo microstrutture altamente raffinate all'interno del metallo e, in alcuni casi, sono persino in grado di formare caratteristiche nanostrutturate, " ha detto Whalen. "Più alte sono le rotazioni al minuto, più piccoli diventano i grani, il che rende il tubo più forte e più duttile o flessibile. Inoltre, possiamo controllare l'orientamento delle strutture cristalline nel metallo per migliorare l'assorbimento di energia del magnesio, quindi è uguale a quello dell'alluminio".

La spinta per risparmiare energia

Le billette o pezzi di leghe di magnesio sfuse fluiscono attraverso lo stampo in uno stato molto morbido, grazie alle forze lineari e rotazionali simultanee della macchina ShAPE™. Ciò significa che è necessario solo un decimo della forza per spingere il materiale attraverso uno stampo rispetto all'estrusione convenzionale.

Questa significativa riduzione della forza lavoro consentirebbe macchinari di produzione sostanzialmente più piccoli, riducendo così le spese in conto capitale e i costi operativi per l'industria che adotta questo processo in attesa di brevetto. La forza è così bassa, che la quantità di elettricità utilizzata per realizzare una lunghezza di un piede di un tubo di due pollici di diametro è circa la stessa necessaria per far funzionare un forno da cucina residenziale per soli 60 secondi.

L'energia viene risparmiata poiché il calore generato all'interfaccia billetta/matrice è l'unico calore di processo necessario per ammorbidire il magnesio. "Non abbiamo bisogno di riscaldatori giganti che circondano le billette di magnesio come le macchine di estrusione industriale, disse Whalen. "Stiamo riscaldando, solo con l'attrito, proprio nel punto che conta".

Magna-Cosma, un fornitore globale di componenti per l'industria automobilistica, sta collaborando con PNNL su questo progetto di ricerca finanziato dal DOE per far progredire le parti in magnesio a basso costo e, man mano che si sviluppano tubi più grandi, li testerà in uno dei loro impianti di produzione vicino a Detroit.

La tecnologia ShAPE™ di PNNL è disponibile per la licenza e potrebbe aiutare a intaccare l'obiettivo del magnesio dell'industria automobilistica, e auto snelle che attualmente pesano in media 3, 360 libbre.