La fabricación de aleaciones de aluminio ahora es un 50% más eficiente energéticamente

Jun 20, 2023

20 de julio de 2022

por Alexandra Freibott, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

Los vehículos más livianos pueden viajar más lejos con menos energía, lo que impulsa la demanda de componentes automotrices más livianos. Las aleaciones de aluminio de alto rendimiento, como la aleación 7075, se encuentran entre las opciones más ligeras y resistentes, pero requieren una producción que consume mucha energía, lo que eleva los costos y, por lo tanto, limita su uso.

La investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) reduce esa energía a la mitad con un proceso más eficiente para fabricar componentes de aluminio de alto rendimiento. Con el apoyo de la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía, los investigadores determinaron que la tecnología de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento (ShAPE) puede eliminar los pasos de tratamiento térmico en el proceso de producción, lo que resulta en importantes ahorros de energía y reducción de emisiones. ShAPE es un enfoque de fabricación ecológico y asequible que permite un uso amplio de aleaciones de aluminio de alto rendimiento en aplicaciones automotrices.

Al igual que hornear un pastel, la fabricación de metales se basa en ingredientes bien mezclados y mucho calor. La producción de metales convencional utiliza calor para fundir metales individuales y elementos de aleación (como aluminio, cobre o magnesio) para crear aleaciones que sean más ligeras, más fuertes o más fáciles de formar. Si estos elementos no están bien mezclados, se pueden formar grietas y fracturas durante el procesamiento que comprometan las propiedades del producto final, ya que una masa de pastel mal mezclada y grumosa dará como resultado un pastel desastroso y que se desmorona. En la producción de metales, el calor se utiliza para garantizar que los elementos metálicos individuales de una aleación se mezclen bien durante un paso llamado homogeneización.

Durante la homogeneización, grandes piezas fundidas de metal llamadas palanquillas se calientan a casi 500 grados Celsius (aproximadamente 900 grados Fahrenheit) durante hasta 24 horas. Este paso de tratamiento térmico disuelve los agregados de aleación, similares a grumos en la masa de la torta, en el tocho para garantizar que todos los elementos metálicos se distribuyan u homogeneicen uniformemente. Esto mejora el rendimiento del producto final. Después de la homogeneización, las varillas de metal se calientan y forman adicionalmente en un paso llamado extrusión.

"La homogeneización es el paso que más energía consume en todo el proceso de extrusión de metales", dijo Scott Whalen, científico jefe de materiales de PNNL y codesarrollador de ShAPE.

La máquina ShAPE elimina la necesidad de pasos separados de homogeneización y extrusión al combinar calentamiento y deformación: el cambio en la forma del metal mismo. En la máquina ShAPE, el tocho de metal se empuja simultáneamente a través de una pequeña abertura en una matriz que gira. Juntos, el movimiento de rotación y la deformación mezclan completamente los elementos metálicos a medida que se extruyen. Básicamente, el proceso ShAPE homogeneiza el tocho de metal en unos segundos, inmediatamente antes de su extrusión. Esto elimina la necesidad de un paso de homogeneización de precalentamiento de un día de duración y significa que no se utiliza energía adicional para calentar la palanquilla durante la extrusión. En conjunto, esto da como resultado un ahorro de energía de hasta el 50 por ciento usando ShAPE.

ShAPE no solo es un proceso más rápido y con mayor eficiencia energética, sino que también mejora la mezcla de los elementos de aleación individuales, lo que conduce a un mejor producto final. Así como la masa con grumos puede arruinar un pastel, el producto final en la fabricación por extrusión a menudo funciona mejor cuando los elementos están bien mezclados. Las pruebas de rendimiento mostraron que los componentes fabricados con aleaciones de aluminio procesadas con ShAPE excedieron los estándares actuales de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales en cuanto a resistencia y alargamiento.

"Echamos un vistazo más de cerca usando un microscopio electrónico y vimos que ShAPE rompe los agregados de aleación y los disuelve en la matriz de aluminio antes de la extrusión, haciéndolo más extruible", dijo Tianhao Wang, científico de materiales de PNNL y autor principal de la reciente publicación. en Materiales y Diseño. "Esto se traduce en un mejor rendimiento: nuestras aleaciones de aluminio 7075 son más fuertes y se estiran más antes de romperse".

Las aleaciones de aluminio se valoran en las industrias automotriz y aeroespacial porque son fuertes y livianas. La fabricación de las aleaciones de aluminio de mayor rendimiento requiere mucho tiempo y energía, lo que las excluye de muchos mercados, como las aplicaciones en vehículos de pasajeros. El proceso ShAPE elimina un obstáculo importante en la producción de aleaciones de aluminio de alto rendimiento al reducir drásticamente el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero durante la fabricación.

"Este es un paso importante para desbloquear el potencial de la fabricación de metales de próxima generación para producir productos mejores, más baratos y más ecológicos para el futuro", afirmó Whalen.

Más información: Tianhao Wang et al, Extrusión de piezas fundidas no homogeneizadas de aluminio 7075 mediante ShAPE, Materials & Design (2021). DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110374

Sertac Akar et al, Análisis tecnoeconómico para el procesamiento y extrusión asistidos por cizallamiento (ShAPE) de aleaciones de aluminio de alta resistencia, (2022). DOI: 10.2172/1846614

Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico