澳门新蒲京app下载美研发新型铝合金制造工艺 可一步成形并提高延展性

by admin on 2020年3月12日

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盖世汽车讯 据外媒报道,美国能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest
National Laboratory,PNNL)研发了新款挤压工艺(extrusion
process)——剪切辅助加工及挤压(Shear-Assisted Processing and
Extrusion,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。

6月28日,据外媒报道,美国太平洋西北国家实验室的研究人员展示先进的制造工艺,利用高性能铝合金粉,直接一步制成纳米结构铝棒和管。研究小组采用全新固相加工方法,减去传统铝合金粉末挤压加工的若干步骤,同时显著提高产品的延展性,即材料断裂前的拉伸距离。这对汽车等行业来说是个好消息。长期以来,航空航天领域一直利用由粉末制成的高性能铝合金,制造轻量级部件。然而,对于汽车工业来说,使用这些合金的成本过高。

“钢铝之战”或演变为“钢铝镁混战”

传统铝合金粉末挤压工艺耗能高、工序复杂,需要多个步骤才能批量生产材料。首先,必须把松散的粉末装进罐里,然后真空抽气,这叫做“脱气”。接着密封罐体,热压,预加热,放入挤压机。挤出后,移除罐体或“倒空”,露出由固结粉末构成的挤出部分。在这项研究中,研究小组去除很多步骤,使用剪切辅助加工和挤压技术,只需一步,便可直接从粉末中挤出纳米结构铝棒。将粉末倒入开放容器中,然后将旋转的挤压模具压入粉末中,在粉末与模具的交界面产生热量。该材料软化后易于挤出,不需要罐装、脱气、热压、预热和除罐。本例中的Al-12.4TM铝合金粉末,由凯美拉国际材料公司的分公司SCM金属制品公司提供。

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(Corporate
Average Fuel
Economy,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。

PNNL材料科学家Scott
Whalen领导这项研究。他说:“这是首次公开发表的此类实例,使用ShAPE之类单步工艺,将铝合金粉末固化成纳米结构挤压件。减少加工步骤和加热过程,将大大减少生产时间,同时降低成本和产品内部吸收的能量,可以帮助汽车制造商,生产更便宜、更轻、更省油的乘用车。”

在汽车业内,一度打响了“钢铝之战(battle of steel vs.
aluminum)”,如今又研发了新的挤压成型法(method of
extrusion),或将使镁材也加入到角逐中。

除了提供Al-12.4TM粉末,SCM金属制品公司还进行机械测试,验证挤出材料的性能。目前,PNNL和SCM金属制品公司正在与美国能源部的技术转型办公室合作开发项目,以扩大加工规模,实现更大直径挤压。

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(natural
abundance)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-earth
elements),提升其强度。

传统高性能铝合金通常强度高,但延展性差。然而,研究小组发现,采用ShAPE技术挤出的铝合金,延展性明显得到改善,是常规挤压产品的二至三倍,而且强度相当。为了解其中原因,研究人员采用透射电子显微镜,观察粉末和挤出材料的微观结构。结果表明,ShAPE技术能够细化非铝材料的微小强化颗粒,使其尺寸缩减至纳米级,并均匀分布在铝基体上,从而提高延展性。

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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(magnesium
channels)。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。

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首席研究员兼机械工程师Scott
Whalen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,其延展性或柔韧性也越好。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(capital
expenditures)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。”

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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,且无需采用稀土元素,导致增加成本开支。”

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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