Fabricação de liga de alumínio agora é 50% mais eficiente em termos energéticos

Jun 20, 2023

20 de julho de 2022

por Alexandra Freibott, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

Veículos mais leves podem viajar mais longe com menos energia, impulsionando a demanda por componentes automotivos mais leves. As ligas de alumínio de alto desempenho, como a liga 7075, estão entre as opções mais leves e resistentes, mas exigem uma produção que consome muita energia, o que aumenta os custos e, portanto, limita seu uso.

A pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) reduz essa energia pela metade com um processo mais eficiente para fabricar componentes de alumínio de alto desempenho. Com o apoio do Escritório de Fabricação Avançada do Departamento de Energia, os pesquisadores determinaram que a tecnologia Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) pode eliminar etapas de tratamento térmico no processo de produção, resultando em economias significativas de energia e redução de emissões. ShAPE é uma abordagem de fabricação ecológica e acessível que permite o amplo uso de ligas de alumínio de alto desempenho em aplicações automotivas.

Assim como fazer um bolo, a fabricação de metais depende de ingredientes bem misturados e de muito calor. A produção convencional de metal usa calor para fundir metais individuais e unir elementos de liga – como alumínio, cobre ou magnésio – para criar ligas que são mais leves, mais fortes ou mais fáceis de formar. Se esses elementos não estiverem bem misturados, podem se formar rachaduras e fraturas durante o processamento que comprometem as propriedades do produto final - já que uma massa de bolo mal misturada e grumosa resultará em um bolo desastroso e esfarelado. Na produção de metais, o calor é usado para garantir que os elementos metálicos individuais de uma liga sejam bem misturados durante uma etapa chamada homogeneização.

Durante a homogeneização, grandes peças fundidas de metal chamadas tarugos são aquecidas a quase 500 graus Celsius – cerca de 900 graus Fahrenheit – por até 24 horas. Esta etapa de tratamento térmico dissolve agregados de liga – semelhantes a grumos na massa do bolo – no tarugo para garantir que todos os elementos metálicos sejam distribuídos uniformemente ou homogeneizados. Isso melhora o desempenho do produto final. Após a homogeneização, as hastes metálicas passam por novo aquecimento e formação em uma etapa chamada extrusão.

“A homogeneização é a etapa que mais consome energia em todo o processo de extrusão de metais”, disse Scott Whalen, cientista-chefe de materiais do PNNL e co-desenvolvedor do ShAPE.

A máquina ShAPE elimina a necessidade de etapas separadas de homogeneização e extrusão, combinando aquecimento e deformação – a mudança na forma do próprio metal. Na máquina ShAPE, o tarugo de metal é empurrado simultaneamente através de uma pequena abertura em uma matriz que gira. Juntos, o movimento rotacional e a deformação misturam completamente os elementos metálicos à medida que são extrudados. Essencialmente, o processo ShAPE homogeneiza o tarugo metálico em poucos segundos, imediatamente antes de ser extrudado. Isto elimina a necessidade de uma etapa de homogeneização de pré-aquecimento que dura um dia inteiro e significa que nenhuma energia adicional é usada para aquecer o tarugo durante a extrusão. Juntos, isso resulta em economia de energia de até 50% usando ShAPE.

O ShAPE não é apenas um processo mais eficiente em termos energéticos e mais rápido, mas também melhora a forma como os elementos de liga individuais são misturados, levando a um produto final melhor. Assim como a massa grumosa pode estragar um bolo, o produto final na fabricação por extrusão geralmente tem melhor desempenho quando os elementos estão bem misturados. Os testes de desempenho mostraram que os componentes feitos de ligas de alumínio processados ​​com ShAPE excederam os padrões atuais da Sociedade Americana de Testes e Materiais em termos de resistência e alongamento.

"Observamos mais de perto usando um microscópio eletrônico e vimos que o ShAPE quebra os agregados de liga e os dissolve na matriz de alumínio antes da extrusão, tornando-a mais extrudável", disse Tianhao Wang, cientista de materiais do PNNL e autor principal da publicação recente. em Materiais e Design. "Isso se traduz em melhor desempenho: nossas ligas de alumínio 7075 são mais fortes e esticam mais antes de quebrar."