Un tube de 50 mm de diamètre avec une épaisseur de paroi de 1,5 mm créé à partir d'un morceau solide d'alliage de magnésium à l'aide du procédé d'extrusion ShAPE™ de PNNL. Crédit :PNNL
Le magnésium, le plus léger de tous les métaux de structure, a beaucoup à offrir dans la quête pour fabriquer des voitures et des camions toujours plus légers qui vont plus loin avec un réservoir de carburant ou une charge de batterie.
Le magnésium est 75 pour cent plus léger que l'acier, 33 pour cent plus léger que l'aluminium et est le quatrième élément le plus commun sur terre derrière le fer, silicium et oxygène. Mais malgré sa légèreté et son abondance naturelle, les constructeurs automobiles ont été bloqués dans leurs tentatives d'incorporer des alliages de magnésium dans les pièces structurelles des voitures. Pour fournir la force nécessaire a nécessité l'ajout de coûteux, éléments rares de torsion de la langue tels que le dysprosium, praséodyme et ytterbium—jusqu'à maintenant.
Un nouveau procédé mis au point au Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie, devrait permettre à l'industrie automobile d'incorporer plus facilement des alliages de magnésium dans les composants structurels. La méthode a le potentiel de réduire les coûts en éliminant le besoin d'éléments de terres rares, tout en améliorant simultanément les propriétés structurelles du matériau. C'est une nouvelle tournure de l'extrusion, dans lequel le métal est forcé à travers un outil pour créer une certaine forme, un peu comme la pâte poussée dans une machine à pâtes donne différentes formes.
Recherche initiale, décrit récemment dans Science et génie des matériaux A , et la technologie du magnésium, ont découvert que le procédé développé par le PNNL améliore considérablement l'absorption d'énergie du magnésium en créant de nouvelles microstructures qui ne sont pas possibles avec les méthodes d'extrusion traditionnelles. Il améliore également une propriété appelée ductilité, c'est-à-dire jusqu'où le métal peut être étiré avant de se briser. Ces améliorations rendent le magnésium plus facile à utiliser et plus susceptible d'être utilisé dans les pièces structurelles des voitures. Actuellement, les composants de magnésium ne représentent qu'environ 1 pour cent, ou 33 livres, du poids d'une voiture type selon un rapport du DOE.
"Aujourd'hui, de nombreux constructeurs automobiles n'utilisent pas de magnésium dans les emplacements structurels à cause des deux P; prix et propriétés, " a déclaré le chercheur principal et ingénieur en mécanique Scott Whalen. " En ce moment, les fabricants optent pour l'aluminium à faible coût dans les composants tels que les poutres de pare-chocs et les pointes d'écrasement. En utilisant notre processus, nous avons amélioré les propriétés mécaniques du magnésium au point qu'il peut désormais être considéré à la place de l'aluminium pour ces applications, sans le coût supplémentaire des éléments de terres rares. »
Le procédé d'extrusion ShAPE™ de PNNL a produit ce tube de 7,5 mm de diamètre avec une épaisseur de paroi de 0,75 mm à partir de flocons d'un alliage de magnésium. Crédit :PNNL
Une nouvelle tournure des choses
Les chercheurs ont émis l'hypothèse que le filage de l'alliage de magnésium pendant le processus d'extrusion créerait juste assez de chaleur pour ramollir le matériau afin qu'il puisse être facilement pressé à travers une matrice pour créer des tubes, tiges et canaux. Chaleur générée par les frottements mécaniques déformant le métal, fournit toute la chaleur nécessaire au processus, éliminant le besoin de résistances chauffantes énergivores utilisées dans les presses d'extrusion traditionnelles.
La forme des choses à venir
L'équipe du PNNL a conçu et commandé une version industrielle de son idée et a reçu une pièce unique, machine de traitement et d'extrusion assistée par cisaillement construite sur mesure, à l'origine de l'acronyme de ShAPE™.
Avec ça, ils ont extrudé avec succès des tubes ronds à parois très minces, jusqu'à deux pouces de diamètre, en alliages magnésium-aluminium-zinc AZ91 et ZK60A, l'amélioration de leurs propriétés mécaniques dans le processus. Par exemple, la ductilité à température ambiante supérieure à 25 % a été mesurée indépendamment, ce qui est une grande amélioration par rapport aux extrusions typiques.
"Dans le processus ShAPE™, nous obtenons des microstructures hautement raffinées dans le métal et, dans certains cas, sont même capables de former des caractéristiques nanostructurées, " dit Whalen. " Plus les rotations par minute sont élevées, plus les grains deviennent petits, ce qui rend le tube plus solide et plus ductile ou pliable. En outre, nous pouvons contrôler l'orientation des structures cristallines dans le métal pour améliorer l'absorption d'énergie du magnésium afin qu'elle soit égale à celle de l'aluminium."
La poussée pour économiser l'énergie
Les billettes ou morceaux d'alliages de magnésium en vrac traversent la filière dans un état très mou, grâce aux forces linéaires et de rotation simultanées de la machine ShAPE™. Cela signifie qu'un dixième de la force est nécessaire pour pousser le matériau à travers une matrice par rapport à l'extrusion conventionnelle.
Cette réduction significative de la force permettrait des machines de production sensiblement plus petites, réduisant ainsi les dépenses d'investissement et les coûts d'exploitation pour l'industrie adoptant ce procédé en instance de brevet. La force est si faible, que la quantité d'électricité utilisée pour fabriquer une longueur d'un pied de tube de deux pouces de diamètre est à peu près la même que celle qu'il faut pour faire fonctionner un four de cuisine résidentiel pendant seulement 60 secondes.
L'énergie est économisée puisque la chaleur générée à l'interface billette/matrice est la seule chaleur de traitement requise pour ramollir le magnésium. "Nous n'avons pas besoin de réchauffeurs géants entourant les billettes de magnésium comme les machines d'extrusion industrielles, dit Whalen. "Nous chauffons - avec friction seulement - juste à l'endroit qui compte."
Magna-Cosma, un fournisseur mondial de pièces détachées pour l'industrie automobile, fait équipe avec PNNL sur ce projet de recherche financé par le DOE pour faire progresser les pièces en magnésium à faible coût et, au fur et à mesure que des tubes plus gros se développent, les testera dans l'une de leurs installations de production près de Detroit.
La technologie ShAPE™ de PNNL est disponible pour une licence et pourrait aider à faire une brèche dans la cible de magnésium de l'industrie automobile, et amincir les voitures qui pèsent actuellement en moyenne 3, 360 livres.
