PNNL SHAPE reduce a la mitad la energía necesaria para el proceso de extrusión de aluminio

Los vehículos más livianos pueden viajar más lejos con menos energía, lo que impulsa la demanda de componentes automotrices más livianos. Las aleaciones de aluminio de alto rendimiento, como la aleación 7075, se encuentran entre las opciones más ligeras y resistentes, pero requieren una producción intensiva en energía que eleva los costos y, por lo tanto, limita su uso.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han demostrado que su tecnología de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento (ShAPE) (publicación anterior) puede eliminar los pasos de tratamiento térmico en el proceso de producción, lo que resulta en ahorros de energía significativos y emisiones reducidas. Un artículo de acceso abierto sobre el estudio se publica en la revista Materials & Design.

La producción de metales convencional usa calor para fundir metales individuales y elementos de aleación juntos, como aluminio, cobre o magnesio, para crear aleaciones que son más livianas, más fuertes o más fáciles de formar. Si estos elementos no se mezclan bien, se pueden formar grietas y fracturas durante el procesamiento que comprometen las propiedades del producto final. En la producción de metales, el calor se usa para asegurar que los elementos metálicos individuales en una aleación se mezclen bien durante un paso llamado homogeneización.

Durante la homogeneización, las piezas grandes de metal llamadas palanquillas se calientan a casi 500 grados Celsius (alrededor de 900 grados Fahrenheit) durante un máximo de 24 horas. Este paso de tratamiento térmico disuelve los agregados de aleación en la palanquilla para garantizar que todos los elementos metálicos se distribuyan u homogeneicen uniformemente. Esto mejora el rendimiento del producto final. Después de la homogeneización, las varillas de metal se calientan y forman más en un paso llamado extrusión.

La homogeneización es el paso que más energía consume en todo el proceso de extrusión de metales.

El proceso SHAPE de PNNL utiliza una máquina para hacer girar palanquillas o trozos de aleación de metal a granel, creando suficiente calor a través de la fricción para ablandar el material para que pueda extruirse fácilmente a través de una matriz para formar tubos, varillas y canales. Las fuerzas lineales y de rotación simultáneas utilizan solo el 10 % de la fuerza que normalmente se necesita para empujar el material a través de la matriz en los procesos convencionales.

Los investigadores del PNNL ahora han descubierto que la máquina ShAPE elimina la necesidad de pasos separados de homogeneización y extrusión al combinar calentamiento y deformación, el cambio en la forma del metal mismo. En la máquina SHAPE, el tocho de metal se empuja simultáneamente a través de una pequeña abertura en un troquel que gira. Juntos, el movimiento de rotación y la deformación mezclan completamente los elementos metálicos a medida que se extruyen. Esencialmente, el proceso ShAPE homogeneiza la palanquilla de metal en unos pocos segundos, inmediatamente antes de que se extruya. Esto elimina la necesidad de un paso de homogeneización de precalentamiento de un día de duración y significa que no se utiliza energía adicional para calentar la palanquilla durante la extrusión. Juntos, esto da como resultado un ahorro de energía de hasta un 50 % utilizando ShAPE.

La extrusión de piezas fundidas no homogeneizadas de la aleación de aluminio (Al) 7075 se ha logrado mediante extrusión y procesamiento asistidos por cizalla (ShAPE). La deformación plástica y la generación de calor simultáneas durante ShAPE fracturan y disuelven rápidamente las fases secundarias interdendríticas e intragranulares de Al-Zn-Mg-Cu, logrando la homogeneización en segundos en lugar de muchas horas en un horno antes de la extrusión. Por lo tanto, SHAPE elimina el paso de homogeneización que consume mucho tiempo y energía y que se requiere para preparar microestructuras as-cast para la extrusión convencional.

Al mismo tiempo, se produce un gran refinamiento del grano debido a la activación del gradiente de la recristalización dinámica durante ShAPE, lo que facilita un aumento del triple en la velocidad de extrusión en comparación con el método de extrusión convencional. Se logra una mejora evidente de las propiedades mecánicas de las muestras ShAPE + T6, en comparación con los valores estándar de ASTM para productos de extrusión convencionales.

Las imágenes de la aleación de aluminio 7075 tomadas con un microscopio electrónico de barrido antes (A), durante (B) y después (C) de pasar por la máquina ShAPE muestran cómo cambia la microestructura de la aleación durante la extrusión. El efecto de corte de la máquina ShAPE rompe las partículas en piezas mucho más pequeñas para crear una microestructura más uniforme. (Imagen de Joshua Silverstein | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

ShAPE no solo es un proceso más eficiente y rápido desde el punto de vista energético, sino que también mejora la mezcla de los elementos de aleación individuales, lo que conduce a un mejor producto final. Las pruebas de rendimiento mostraron que los componentes hechos de aleaciones de aluminio procesadas con ShAPE excedieron los estándares actuales de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales en cuanto a resistencia y elongación.

Esquemas de (a) el proceso ShAPE y (b) la respuesta del material correspondiente en el tocho remanente después de la extrusión (vista longitudinal). Wang et al.

Echamos un vistazo más de cerca usando un microscopio electrónico y vimos que ShAPE rompe los agregados de aleación y los disuelve en la matriz de aluminio antes de la extrusión, haciéndola más extruible. Esto se traduce en un mejor rendimiento: nuestras aleaciones de aluminio 7075 son más fuertes y se estiran más antes de romperse.

Las aleaciones de aluminio de más alto rendimiento requieren mucho tiempo y energía para fabricarse, lo que las excluye de muchos mercados, como las aplicaciones en vehículos de pasajeros. El proceso ShAPE elimina un obstáculo importante en la producción de aleaciones de aluminio de alto rendimiento al reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero durante la fabricación.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía y se llevó a cabo utilizando una máquina ShAPE especialmente diseñada y fabricada por BOND Technologies, Inc. El proceso, las herramientas y las técnicas de ShAPE están disponibles para obtener licencias.

Recursos

Tianhao Wang, Julian Escobar Atehortua, Miao Song, Md Reza-E-Rabby, Brandon Scott Taysom, Josh Silverstein, Timothy Roosendaal, Darrell Herling, Scott Whalen (2022) "Extrusión de fundiciones no homogeneizadas de aluminio 7075 a través de ShAPE", Materiales y diseño , Volumen 213, doi: 10.1016/j.matdes.2021.110374

Publicado el 20 de julio de 2022 en Fabricación, Antecedentes del mercado, Materiales | Enlace permanente | Comentarios (0)