PNNL ShaPE halbiert den Energiebedarf für den Aluminiumextrusionsprozess

Leichtere Fahrzeuge können mit weniger Energie eine größere Distanz zurücklegen, was die Nachfrage nach leichteren Automobilkomponenten steigert. Hochleistungsaluminiumlegierungen wie die Legierung 7075 gehören zu den leichtesten und stärksten Optionen, erfordern jedoch eine energieintensive Produktion, die die Kosten erhöht und daher ihren Einsatz einschränkt.

Jetzt haben Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) gezeigt, dass ihre Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE)-Technologie (früherer Beitrag) Wärmebehandlungsschritte im Produktionsprozess eliminieren kann, was zu erheblichen Energieeinsparungen und reduzierten Emissionen führt. Ein Open-Access-Artikel zu der Studie ist in der Zeitschrift Materials & Design veröffentlicht.

Bei der konventionellen Metallproduktion werden einzelne Metalle und Legierungselemente – wie Aluminium, Kupfer oder Magnesium – mithilfe von Hitze zusammengeschmolzen, um Legierungen zu erzeugen, die leichter, fester oder einfacher zu formen sind. Wenn diese Elemente nicht gut vermischt sind, können sich während der Verarbeitung Risse und Brüche bilden, die die Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigen. Bei der Metallproduktion wird Wärme verwendet, um sicherzustellen, dass einzelne Metallelemente in einer Legierung in einem als Homogenisierung bezeichneten Schritt gut vermischt werden.

Bei der Homogenisierung werden große Metallgussteile, sogenannte Knüppel, bis zu 24 Stunden lang auf fast 500 Grad Celsius – etwa 900 Grad Fahrenheit – erhitzt. Dieser Wärmebehandlungsschritt löst Legierungsaggregate im Barren auf, um sicherzustellen, dass alle Metallelemente gleichmäßig verteilt oder homogenisiert sind. Dies verbessert die Leistung des Endprodukts. Nach der Homogenisierung werden die Metallstäbe in einem als Extrusion bezeichneten Schritt weiter erhitzt und geformt.

Die Homogenisierung ist der energieintensivste Schritt im gesamten Metallextrusionsprozess.

Das ShAPE-Verfahren von PNNL verwendet eine Maschine, um Knüppel oder Brocken einer massiven Metalllegierung zu drehen, wobei durch Reibung gerade genug Wärme erzeugt wird, um das Material zu erweichen, sodass es leicht durch eine Düse extrudiert werden kann, um Rohre, Stäbe und Kanäle zu formen. Die gleichzeitigen linearen und rotatorischen Kräfte verbrauchen nur 10 % der Kraft, die normalerweise erforderlich ist, um das Material bei herkömmlichen Verfahren durch die Matrize zu drücken.

PNNL-Forscher haben nun herausgefunden, dass die ShAPE-Maschine separate Homogenisierungs- und Extrusionsschritte überflüssig macht, indem sie Erhitzen und Verformung – die Änderung der Form des Metalls selbst – kombiniert. Bei der ShAPE-Maschine wird der Metallbarren gleichzeitig durch eine kleine Öffnung in einer rotierenden Matrize gedrückt. Durch die Rotationsbewegung und die Verformung werden die Metallelemente beim Extrudieren gründlich vermischt. Im Wesentlichen homogenisiert der ShAPE-Prozess den Metallbarren in wenigen Sekunden, unmittelbar bevor er extrudiert wird. Dadurch entfällt ein tagelanger Vorwärm-Homogenisierungsschritt und es wird keine zusätzliche Energie zum Erhitzen des Barrens während der Extrusion verbraucht. Zusammengenommen führt dies zu einer Energieeinsparung von bis zu 50 % durch den Einsatz von ShAPE.

Die Extrusion nichthomogenisierter Gussteile der Aluminiumlegierung (Al) 7075 wurde mithilfe der scherunterstützten Verarbeitung und Extrusion (ShAPE) durchgeführt. Durch die gleichzeitige plastische Verformung und Wärmeerzeugung während des ShAPE werden interdendritische und intragranulare Sekundärphasen von Al-Zn-Mg-Cu schnell gebrochen und aufgelöst, wodurch eine Homogenisierung in Sekunden statt vielen Stunden in einem Ofen vor der Extrusion erreicht wird. ShAPE eliminiert dadurch den energieintensiven und zeitaufwändigen Homogenisierungsschritt, der zur Vorbereitung von Mikrostrukturen im Gusszustand für die herkömmliche Extrusion erforderlich ist.

Gleichzeitig kommt es aufgrund der Gradientenaktivierung der dynamischen Rekristallisation während ShAPE zu einer umfassenden Kornverfeinerung, was eine Verdreifachung der Extrusionsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Extrusionsverfahren ermöglicht. Im Vergleich zu den ASTM-Standardwerten für herkömmliche Extrusionsprodukte wird eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von ShAPE + T6-Proben erreicht.

Bilder der Aluminiumlegierung 7075, die mit einem Rasterelektronenmikroskop vor (A), während (B) und nach (C) durch die ShAPE-Maschine aufgenommen wurden, zeigen, wie sich die Mikrostruktur der Legierung während der Extrusion verändert. Durch die Scherwirkung der ShAPE-Maschine werden Partikel in viel kleinere Stücke zerkleinert, um eine gleichmäßigere Mikrostruktur zu erzeugen. (Bild von Joshua Silverstein | Pacific Northwest National Laboratory)

ShAPE ist nicht nur ein energieeffizienterer und schnellerer Prozess, sondern verbessert auch die Vermischung der einzelnen Legierungselemente, was zu einem besseren Endprodukt führt. Leistungstests zeigten, dass Komponenten aus Aluminiumlegierungen, die mit ShAPE verarbeitet wurden, die aktuellen Standards der American Society for Testing and Materials für Festigkeit und Dehnung übertrafen.

Schematische Darstellung (a) des ShAPE-Prozesses und (b) der entsprechenden Materialreaktion im Restbarren nach der Extrusion (Längsansicht). Wang et al.

Wir haben uns mit einem Elektronenmikroskop genauer angeschaut und festgestellt, dass ShAPE die Legierungsaggregate aufbricht und sie vor der Extrusion in der Aluminiummatrix auflöst, wodurch diese besser extrudierbar wird. Dies führt zu einer besseren Leistung – unsere Aluminium 7075-Legierungen sind stärker und dehnen sich weiter, bevor sie brechen.

Die Herstellung der leistungsstärksten Aluminiumlegierungen ist zeit- und energieintensiv und verteuert sie daher auf vielen Märkten, beispielsweise bei Anwendungen in Personenkraftwagen. Der ShAPE-Prozess beseitigt eine große Hürde bei der Herstellung von Hochleistungsaluminiumlegierungen, indem er den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen während der Herstellung deutlich reduziert.

Diese Forschung wurde vom Advanced Manufacturing Office des Energieministeriums unterstützt und mit einer speziell angefertigten ShAPE-Maschine durchgeführt, die von BOND Technologies, Inc. hergestellt wurde. Der ShAPE-Prozess, die Werkzeuge und Techniken stehen zur Lizenzierung zur Verfügung.

Ressourcen

Tianhao Wang, Julian Escobar Atehortua, Miao Song, Md Reza-E-Rabby, Brandon Scott Taysom, Josh Silverstein, Timothy Roosendaal, Darrell Herling, Scott Whalen (2022) „Extrusion von unhomogenisierten Gussteilen aus 7075-Aluminium über ShAPE“, Materialien und Design , Band 213, doi: 10.1016/j.matdes.2021.110374

Gepostet am 20. Juli 2022 in Fertigung, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (0)