Magnez jest o 75 % lżejszy od stali, o 33 % lżejszy niż aluminium i jest czwartym najczęstszym pierwiastkiem na ziemi za żelazem, krzemem i tlenem. Mimo to, próby włączenia stopów magnezu do strukturalnych części samochodowych dotąd spełzały na niczym. Aby zapewnić niezbędną siłę, konieczne było zawsze dodawanie kosztownych elementów, takich jak dysproz czy prazeodym.
Rurka magnezowa otrzymana w procesie ShAPE
Nowy proces wytłaczania magnezu opracowany przez naukowców z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) może sprawić, że przemysł motoryzacyjny będzie w stanie włączać stopy magnezu do elementów konstrukcyjnych. Metoda może pomóc obniżać koszty poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania pierwiastków ziem rzadkich, jednocześnie poprawiając właściwości konstrukcyjne materiału.
Proces opracowany przez PNNL znacznie poprawia energię absorpcji magnezu przez tworzenie nowych mikrostruktur, które nie są możliwe przy użyciu tradycyjnych metod wytłaczania. Poprawia również ciągliwość, która określa, jak daleko metal może być rozciągnięty, zanim się zerwie. Dzięki temu teraz ma być łatwiej zastosować magnez w konstrukcji samochodów. Obecnie składniki magnezowe stanowią około 1 % masy typowego samochodu.
– Dzisiaj wielu producentów pojazdów nie używa magnezu w strukturalnych lokalizacjach z dwóch powodów: ceny i właściwości – powiedział główny badacz i inżynier mechanik Scott Whalen – Obecnie, do budowy takich elementów jak belki zderzakowe i ostrza do zgniatania, producenci wybierają tanie aluminium. Dzięki zastosowaniu naszego procesu udoskonaliliśmy mechaniczne właściwości magnezu do momentu, w którym można go rozpatrywać jako alternatywę dla aluminium w tych zastosowaniach – bez dodatkowych kosztów pierwiastków ziem rzadkich.
Naukowcy stwierdzili, że obracanie stopu magnezu podczas procesu wytłaczania stworzy wystarczająco dużo ciepła, aby zmiękczyć materiał, dzięki czemu będzie można łatwiej wyciskać profile przez matrycę: rurki, pręty, kanały itp. Ciepło generowane przez tarcie mechaniczne odkształcające metal, dostarcza całego ciepła potrzebnego do tego procesu, eliminując potrzebę stosowania oporowych grzałek o dużej mocy stosowanych w tradycyjnych prasach do wytłaczania.
Zespół PNNL zaprojektował i stworzył przemysłową wersję swojego pomysłu – system wspomagania obróbki wykańczającej i wytłaczania ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion machine). – W procesie ShAPE otrzymujemy wyrafinowane mikrostruktury wewnątrz metalu, a w niektórych przypadkach są to nawet nanostruktury – powiedział Whalen – Im wyższe obroty na minutę, tym mniejsze ziarna, a one sprawiają, że przewód jest silniejszy i bardziej plastyczny. Dodatkowo możemy kontrolować orientację struktur krystalicznych w metalu.
Kawałki stopów magnezu przechodzą przez matrycę w stanie bardzo miękkim, dzięki jednoczesnym siłom liniowym i obrotowym wytwarzanym w procesie ShAPE. Teraz wystarczy tylko jedna dziesiąta siły potrzebnej konwencjonalnie, aby przecisnąć materiał przez matrycę. Dzięki temu możliwe będzie znaczne zmniejszanie gabarytów maszyn produkcyjnych, a to może skutkować obniżaniem wydatków inwestycyjnych i kosztów.
Energia jest oszczędzana, ponieważ wytwarzanie ciepła w matrycy jest jedynym procesem wymaganym do zmiękczenia magnezu. – Nie potrzebujemy gigantycznych grzejników podgrzewających magnez jak w przemysłowych maszynach do wytłaczania – powiedziała Whalen – Podgrzewa się (tylko poprzez tarcie) to miejsce, które ma znaczenie.
Technologia PNNL jest dostępna do licencjonowania i może przyczynić się do znacznego zmniejszenia masy samochodów.
