PNNL研發(fā)ShAPE工藝 提升車用鎂合金部件的應(yīng)用

據(jù)外媒報道，美國能源部西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）研發(fā)了新款擠壓工藝（extrusion process）——剪切輔助加工及擠壓（Shear-Assisted Processing and Extrusion，ShAPE），該工藝有助于汽車行業(yè)采用鎂合金制作結(jié)構(gòu)件，提升了該方案的可行性。由于無需采用稀土金屬，可降低材料成本。與此同時，新工藝還提升了材料的結(jié)構(gòu)特性。
 

提升燃油經(jīng)濟性成為近期各大車企的重大目標之一，因為距2025公司平均燃料經(jīng)濟性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）標準的執(zhí)行已越來越近。為此，輕量化成為其首選，半數(shù)車企尋求新的輕量化材料，提升車輛的燃油經(jīng)濟性，進而達到CAFE標準的要求。
 

在汽車業(yè)內(nèi)，一度打響了“鋼鋁之戰(zhàn)（battle of steel vs. aluminum）”，如今又研發(fā)了新的擠壓成型法（method of extrusion），或?qū)⑹规V材也加入到角逐中。
 

在所有結(jié)構(gòu)金屬中，鎂材比鋼材輕75%，比鋁材輕了33%，是地球上第四大最常見元素，其排名只落后于鐵、硅及氧三大元素。盡管鎂材質(zhì)地較輕，且天然豐度（natural abundance）較大，但車企卻難以將鎂合金用于車用結(jié)構(gòu)件，因為該材質(zhì)的使用需要配合鏑（dysprosium）、鐠（praseodymium）、鐿（ytterbium）等稀土元素（rare-earth elements），提升其強度。

 

美國能源部的工程師及材料學(xué)家闡述道，在擠壓過程中，旋轉(zhuǎn)鎂合金將因機械摩擦而生熱，使該材料軟化，進而將其壓入模具內(nèi)，制作鎂合金管材、棒材及槽鎂（magnesium channels）。與傳統(tǒng)型擠壓機不同，該技術(shù)方案無配置耗能的電阻加熱器。
 

該團隊設(shè)計工業(yè)版剪切輔助加工及擠壓機并開展了試運行。該研究團隊采用該機器，采用擠壓技術(shù)制作了薄壁圓管，其最大直徑為2英寸，所采用的原材料為鎂鋁鋅合金AZ91和ZK60A。
 

 

首席研究員兼機械工程師Scott Whalen表示：“在剪切輔助加工及擠壓過程中，我們獲得高度精制的微觀金屬結(jié)構(gòu)，在某些情況下，甚至能產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)特性。每分鐘轉(zhuǎn)速越高，顆粒就越小，制作的管材硬度越高，其延展性（ductile）或柔韌性（pliable）也越好。此外，團隊人員可控制金屬內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)的方向，提升鎂合金的能量吸收，使其可媲美鋁材。”
 

鎂合金坯料以極為柔軟的狀態(tài)流入模具，這得益于ShAPE工藝同時施加的線性力及旋轉(zhuǎn)力。為此，相較于傳統(tǒng)的擠壓工藝，只需用原先1/10的力就能將原材料擠入模具。
 

由于擠壓力大幅減小，若采用該項技術(shù)，企業(yè)就能啟用小型生產(chǎn)機械，進而下調(diào)資本支出（capital expenditures）及運營成本。目前，該項技術(shù)目前尚在申請專利中。
 

Whalen表示：“與工業(yè)用擠壓機不同，采用我方提供的ShAPE設(shè)備后，無需在鎂合金坯料周邊放置體積巨大的加熱器。”
 

 

據(jù)美國能源部報告，鎂制組件如今僅占常規(guī)車輛總車重的1%，而ShAPE機器的出現(xiàn)，或?qū)⒏淖冞@一狀況。
 

Whalen表示：“許多車企未采用鎂合金結(jié)構(gòu)件，主要原因有兩點：鎂材的價格和屬性。目前，制造商采用低成本鋁材制作保險杠等部件。若采用我方的工藝，可強化鎂材的材料特性，用于替換上述應(yīng)用中的鋁材，且無需采用稀土元素，導(dǎo)致增加成本開支。”