El magnesio, el más liviano de todos los metales estructurales, tiene mucho que ofrecer en la búsqueda de fabricar automóviles y camiones cada vez más livianos que vayan más lejos con un tanque de combustible o carga de batería.

El magnesio es un 75 por ciento más ligero que el acero, 33 por ciento más liviano que el aluminio y es el cuarto elemento más común en la tierra detrás del hierro, silicio y oxígeno. Pero a pesar de su peso ligero y abundancia natural, Los fabricantes de automóviles se han visto obstaculizados en sus intentos de incorporar aleaciones de magnesio en las piezas estructurales de los automóviles. Para proporcionar la resistencia necesaria se ha requerido la adición de costosos, retorcer la lengua elementos raros como disprosio, praseodimio e iterbio, hasta ahora.

Un nuevo proceso desarrollado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, debería hacer más factible para la industria automotriz incorporar aleaciones de magnesio en componentes estructurales. El método tiene el potencial de reducir costos al eliminar la necesidad de elementos de tierras raras, al mismo tiempo que mejora las propiedades estructurales del material. Es un nuevo giro en la extrusión, en el que el metal se fuerza a través de una herramienta para crear una determinada forma, algo parecido a la masa empujada a través de una máquina para hacer pasta da como resultado diferentes formas.

Investigación inicial, descrito recientemente en Ciencia e Ingeniería de Materiales A , y tecnología de magnesio, descubrió que el proceso desarrollado por PNNL mejora en gran medida la absorción de energía del magnesio al crear nuevas microestructuras que no son posibles con los métodos de extrusión tradicionales. También mejora una propiedad llamada ductilidad, que es cuánto se puede estirar el metal antes de romperse. Estas mejoras facilitan el trabajo con el magnesio y hacen que sea más probable que se utilice en piezas estructurales de automóviles. En la actualidad, Los componentes de magnesio representan solo alrededor del 1 por ciento, o 33 libras, del peso de un automóvil típico según un informe del DOE.

"Hoy dia, muchos fabricantes de vehículos no utilizan magnesio en ubicaciones estructurales debido a las dos P; precio y propiedades, ", dijo el investigador principal e ingeniero mecánico Scott Whalen." En este momento, Los fabricantes optan por el aluminio de bajo costo en componentes como las vigas de los parachoques y las puntas de aplastamiento. Usando nuestro proceso, hemos mejorado las propiedades mecánicas del magnesio hasta el punto en que ahora se puede considerar en lugar del aluminio para estas aplicaciones, sin el costo adicional de los elementos de tierras raras ".

Un nuevo giro en las cosas

Los investigadores teorizaron que hacer girar la aleación de magnesio durante el proceso de extrusión crearía el calor suficiente para ablandar el material, de modo que podría presionarse fácilmente a través de un troquel para crear tubos. varillas y canales. Calor generado por la fricción mecánica que deforma el metal, proporciona todo el calor necesario para el proceso, eliminando la necesidad de calentadores de resistencia que consumen mucha energía utilizados en las prensas de extrusión tradicionales.

La forma de las cosas por venir

El equipo de PNNL diseñó y encargó una versión industrial de su idea y recibió una Máquina de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento hecha a medida, acuñando el acrónimo de ShAPE ™.

Con eso, han extruido con éxito tubos redondos de paredes muy delgadas, hasta dos pulgadas de diámetro, de aleaciones de magnesio-aluminio-zinc AZ91 y ZK60A, mejorando sus propiedades mecánicas en el proceso. Por ejemplo, La ductilidad a temperatura ambiente superior al 25 por ciento se ha medido de forma independiente. que es una gran mejora en comparación con las extrusiones típicas.

"En el proceso ShAPE ™, obtenemos microestructuras altamente refinadas dentro del metal y, en algunos casos, incluso pueden formar entidades nanoestructuradas, "dijo Whalen." Cuanto mayor sea la rotación por minuto, cuanto más pequeños se vuelven los granos, lo que hace que la tubería sea más fuerte y más dúctil o flexible. Adicionalmente, podemos controlar la orientación de las estructuras cristalinas en el metal para mejorar la absorción de energía del magnesio para que sea igual a la del aluminio ".

El impulso para ahorrar energía

Las palanquillas o trozos de aleaciones de magnesio a granel fluyen a través de la matriz en un estado muy suave, gracias a las fuerzas simultáneas lineales y de rotación de la máquina ShAPE ™. Esto significa que solo se necesita una décima parte de la fuerza para empujar el material a través de una matriz en comparación con la extrusión convencional.

Esta reducción significativa de la fuerza permitiría una maquinaria de producción sustancialmente más pequeña, reduciendo así los gastos de capital y los costos operativos para la industria que adopta este proceso pendiente de patente. La fuerza es tan baja que la cantidad de electricidad utilizada para fabricar una tubería de un pie de largo de dos pulgadas de diámetro es aproximadamente la misma que se necesita para hacer funcionar un horno de cocina residencial durante solo 60 segundos.

Se ahorra energía ya que el calor generado en la interfaz tocho / troquel es el único calor de proceso necesario para ablandar el magnesio. "No necesitamos calentadores gigantes que rodeen las palanquillas de magnesio como las máquinas de extrusión industriales, dijo Whalen. "Estamos calentando, solo con fricción, justo en el lugar que importa".

Magna-Cosma, un proveedor global de repuestos para la industria automotriz, se está asociando con PNNL en este proyecto de investigación financiado por el DOE para promover piezas de magnesio de bajo costo y, a medida que se desarrollan tubos más grandes, los probará en una de sus instalaciones de producción cerca de Detroit.

La tecnología ShAPE ™ de PNNL está disponible para licencia y podría ayudar a hacer mella en el objetivo de magnesio de la industria automotriz. y adelgazar automóviles que actualmente pesan un promedio de 3, 360 libras.