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行业动态

PNNL研发ShAPE工艺提升车用镁合金部件的应用

2017-08-28 15:12:32.0 来源:中国有色网

据外媒报道,美国能源部西北太平洋国家实验室(PacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)研发了新款挤压工艺(extrusionprocess)--剪切辅助加工及挤压(Shear-AssistedProcessingandExtrusion,ShAPE),该工艺有助于汽车行业采用镁合金制作结构件,提升了该方案的可行性。由于无需采用稀土金属,可降低材料成本。与此同时,新工艺还提升了材料的结构特性。

"钢铝之战"或演变为"钢铝镁混战"

提升燃油经济性成为近期各大车企的重大目标之一,因为距2025公司平均燃料经济性(CorporateAverageFuelEconomy,CAFE)标准的执行已越来越近。为此,轻量化成为其首选,半数车企寻求新的轻量化材料,提升车辆的燃油经济性,进而达到CAFE标准的要求。

在汽车业内,一度打响了"钢铝之战(battleofsteelvs.aluminum)",如今又研发了新的挤压成型法(methodofextrusion),或将使镁材也加入到角逐中。

在所有结构金属中,镁材比钢材轻75%,比铝材轻了33%,是地球上第四大最常见元素,其排名只落后于铁、硅及氧三大元素。尽管镁材质地较轻,且天然丰度(naturalabundance)较大,但车企却难以将镁合金用于车用结构件,因为该材质的使用需要配合镝(dysprosium)、镨(praseodymium)、镱(ytterbium)等稀土元素(rare-earthelements),提升其强度。

剪切辅助加工及挤压

美国能源部的工程师及材料学家阐述道,在挤压过程中,旋转镁合金将因机械摩擦而生热,使该材料软化,进而将其压入模具内,制作镁合金管材、棒材及槽镁(magnesiumchannels)。与传统型挤压机不同,该技术方案无配置耗能的电阻加热器。

该团队设计工业版剪切辅助加工及挤压机并开展了试运行。该研究团队采用该机器,采用挤压技术制作了薄壁圆管,其最大直径为2英寸,所采用的原材料为镁铝锌合金AZ91和ZK60A。

首席研究员兼机械工程师ScottWhalen表示:"在剪切辅助加工及挤压过程中,我们获得高度精制的微观金属结构,在某些情况下,甚至能产生纳米结构特性。每分钟转速越高,颗粒就越小,制作的管材硬度越高,其延展性(ductile)或柔韧性(pliable)也越好。此外,团队人员可控制金属内的晶体结构的方向,提升镁合金的能量吸收,使其可媲美铝材。"

镁合金坯料以极为柔软的状态流入模具,这得益于ShAPE工艺同时施加的线性力及旋转力。为此,相较于传统的挤压工艺,只需用原先1/10的力就能将原材料挤入模具。

由于挤压力大幅减小,若采用该项技术,企业就能启用小型生产机械,进而下调资本支出(capitalexpenditures)及运营成本。目前,该项技术目前尚在申请专利中。

Whalen表示:"与工业用挤压机不同,采用我方提供的ShAPE设备后,无需在镁合金坯料周边放置体积巨大的加热器。"

实现汽车轻量化的镁材

据美国能源部报告,镁制组件如今仅占常规车辆总车重的1%,而ShAPE机器的出现,或将改变这一状况。

Whalen表示:"许多车企未采用镁合金结构件,主要原因有两点:镁材的价格和属性。目前,制造商采用低成本铝材制作保险杠等部件。若采用我方的工艺,可强化镁材的材料特性,用于替换上述应用中的铝材,且无需新增稀土元素,不会增加成本开支。"

麦格纳正与PNNL合作,研发低成本镁制零部件。该公司目前在底特律的生产设施中测试其研发的大型管材,PNNL的ShAPE技术还可提供授权使用许可。


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