Magnesium – den lättaste av alla strukturella metaller – har mycket att göra i strävan efter att göra allt lättare bilar och lastbilar som går längre på en tank med bränsle eller batteriladdning.

Magnesium är 75 procent lättare än stål, 33 procent lättare än aluminium och är det fjärde vanligaste grundämnet på jorden efter järn, kisel och syre. Men trots sin lätta vikt och naturliga överflöd, biltillverkare har hindrats i sina försök att införliva magnesiumlegeringar i strukturella bildelar. För att tillhandahålla den nödvändiga styrkan har krävt tillägg av kostsamma, tungvridande sällsynta element som dysprosium, praseodym och ytterbium — fram till nu.

En ny process utvecklad vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, bör göra det mer möjligt för bilindustrin att införliva magnesiumlegeringar i strukturella komponenter. Metoden har potential att minska kostnaderna genom att eliminera behovet av sällsynta jordartsmetaller, samtidigt som materialets strukturella egenskaper förbättras. Det är en ny twist på extrudering, där metallen tvingas genom ett verktyg för att skapa en viss form, ungefär som en deg som trycks genom en pastamaskin resulterar i olika former.

Inledande forskning, beskrivits nyligen i Materialvetenskap och teknik A , och magnesiumteknologi, fann att den PNNL-utvecklade processen avsevärt förbättrar energiabsorptionen av magnesium genom att skapa nya mikrostrukturer som inte är möjliga med traditionella extruderingsmetoder. Det förbättrar också en egenskap som kallas duktilitet - vilket är hur långt metallen kan sträckas innan den går sönder. Dessa förbättringar gör magnesium lättare att arbeta med och mer sannolikt att användas i strukturella bildelar. För närvarande, magnesiumkomponenter står bara för cirka 1 procent, eller 33 pund, av en typisk bils vikt enligt en DOE-rapport.

"I dag, många fordonstillverkare använder inte magnesium på strukturella platser på grund av de två Ps; pris och fastigheter, " sa chefsutredaren och maskiningenjören Scott Whalen. "Just nu, Tillverkarna väljer lågprisaluminium i komponenter som stötfångarbalkar och krossspetsar. Genom att använda vår process, vi har förbättrat de mekaniska egenskaperna hos magnesium till den punkt där det nu kan övervägas istället för aluminium för dessa applikationer – utan den extra kostnaden för sällsynta jordartsmetaller."

En ny snurr på saker

Forskare ansåg att spinning av magnesiumlegeringen under extruderingsprocessen skulle skapa precis tillräckligt med värme för att mjuka upp materialet så att det lätt kunde pressas genom en form för att skapa rör, stavar och kanaler. Värme som genereras från mekanisk friktion som deformerar metallen, ger all värme som behövs för processen, eliminerar behovet av kraftkrävande motståndsvärmare som används i traditionella extruderingspressar.

Formen på saker som kommer

PNNL-teamet designade och beställde en industriell version av sin idé och fick en unik, specialbyggd Shear Assisted Processing and Extrusion maskin – myntar förkortningen för ShAPE™.

Med det, de har framgångsrikt extruderat mycket tunnväggiga runda rör, upp till två tum i diameter, från magnesium-aluminium-zink-legeringar AZ91 och ZK60A, förbättra sina mekaniska egenskaper i processen. Till exempel, duktilitet i rumstemperatur över 25 procent har mätts oberoende, vilket är en stor förbättring jämfört med typiska profiler.

"I ShAPE™-processen, vi får mycket raffinerade mikrostrukturer inom metallen och, i vissa fall, kan till och med bilda nanostrukturerade funktioner, " sa Whalen. "Ju högre rotationer per minut, ju mindre kornen blir vilket gör slangen starkare och mer formbar eller böjlig. Dessutom, vi kan styra orienteringen av de kristallina strukturerna i metallen för att förbättra energiabsorptionen av magnesium så att den är lika med aluminium."

Trycket för att spara energi

Ämnen eller bitarna av bulkmagnesiumlegeringar strömmar genom formen i ett mycket mjukt tillstånd, tack vare de samtidiga linjära och rotationskrafterna från ShAPE™-maskinen. Detta innebär att endast en tiondel av kraften behövs för att trycka materialet genom en form jämfört med konventionell extrudering.

Denna betydande minskning av kraften skulle möjliggöra avsevärt mindre produktionsmaskiner, vilket sänker kapitalutgifterna och driftskostnaderna för industrin som antar denna patentsökta process. Kraften är så låg, att mängden elektricitet som används för att göra en en fot lång slang med två tums diameter är ungefär densamma som det tar att köra en köksugn i ett bostadshus i bara 60 sekunder.

Energi sparas eftersom värmen som genereras vid gränssnittet mellan ämne och form är den enda processvärme som krävs för att mjuka upp magnesiumet. "Vi behöver inte jättelika värmare som omger ämnen av magnesium som industriella extruderingsmaskiner, sa Whalen. "Vi värmer - med endast friktion - precis på den plats som betyder något."

Magna-Cosma, en global reservdelsleverantör för bilindustrin, samarbetar med PNNL i detta DOE-finansierade forskningsprojekt för att främja lågkostnadsdelar av magnesium och, allt eftersom större rör utvecklas, kommer att testa dem på en av deras produktionsanläggningar nära Detroit.

PNNL:s ShAPE™-teknologi är tillgänglig för licensiering och kan hjälpa till att göra ett inhopp i bilindustrins magnesiummål, och slimmade bilar som för närvarande väger i genomsnitt 3, 360 pund.