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據(jù)外媒報(bào)道，美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)研發(fā)了新款擠壓工藝(extrusion process)——剪切輔助加工及擠壓(Shear-Assisted Processing and Extrusion，ShAPE)，該工藝有助于汽車行業(yè)采用鎂合金制作結(jié)構(gòu)件，提升了該方案的可行性。由于無需采用稀土金屬，可降低材料成本。與此同時(shí)，新工藝還提升了材料的結(jié)構(gòu)特性。
“鋼鋁之戰(zhàn)”或演變?yōu)椤颁撲X鎂混戰(zhàn)”
提升燃油經(jīng)濟(jì)性成為近期各大車企的重大目標(biāo)之一，因?yàn)榫?025公司平均燃料經(jīng)濟(jì)性(Corporate Average Fuel Economy，CAFE)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行已越來越近。為此，輕量化成為其首選，半數(shù)車企尋求新的輕量化材料，提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而達(dá)到CAFE標(biāo)準(zhǔn)的要求。
在汽車業(yè)內(nèi)，一度打響了“鋼鋁之戰(zhàn)(battle of steel vs. aluminum)”，如今又研發(fā)了新的擠壓成型法(method of extrusion)，或?qū)⑹规V材也加入到角逐中。
在所有結(jié)構(gòu)金屬中，鎂材比鋼材輕75%，比鋁材輕了33%，是地球上第四大最常見元素，其排名只落后于鐵、硅及氧三大元素。盡管鎂材質(zhì)地較輕，且天然豐度(natural abundance)較大，但車企卻難以將鎂合金用于車用結(jié)構(gòu)件，因?yàn)樵摬馁|(zhì)的使用需要配合鏑(dysprosium)、鐠(praseodymium)、鐿(ytterbium)等稀土元素(rare-earth elements)，提升其強(qiáng)度。
剪切輔助加工及擠壓
美國能源部的工程師及材料學(xué)家闡述道，在擠壓過程中，旋轉(zhuǎn)鎂合金將因機(jī)械摩擦而生熱，使該材料軟化，進(jìn)而將其壓入模具內(nèi)，制作鎂合金管材、棒材及槽鎂(magnesium channels)。與傳統(tǒng)型擠壓機(jī)不同，該技術(shù)方案無配置耗能的電阻加熱器。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)工業(yè)版剪切輔助加工及擠壓機(jī)并開展了試運(yùn)行。該研究團(tuán)隊(duì)采用該機(jī)器，采用擠壓技術(shù)制作了薄壁圓管，其最大直徑為2英寸，所采用的原材料為鎂鋁鋅合金AZ91和ZK60A。
輕量化，產(chǎn)能布局，黑科技，前瞻技術(shù)，鋁合金擠壓工藝,能源部研發(fā)擠壓工藝,ShAPE擠壓工藝,,ShAPE輕量化鋁材
首席研究員兼機(jī)械工程師Scott Whalen表示：“在剪切輔助加工及擠壓過程中，我們獲得高度精制的微觀金屬結(jié)構(gòu)，在某些情況下，甚至能產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)特性。每分鐘轉(zhuǎn)速越高，顆粒就越小，制作的管材硬度越高，其延展性(ductile)或柔韌性(pliable)也越好。此外，團(tuán)隊(duì)人員可控制金屬內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)的方向，提升鎂合金的能量吸收，使其可媲美鋁材。”
鎂合金坯料以極為柔軟的狀態(tài)流入模具，這得益于ShAPE工藝同時(shí)施加的線性力及旋轉(zhuǎn)力。為此，相較于傳統(tǒng)的擠壓工藝，只需用原先1/10的力就能將原材料擠入模具。
由于擠壓力大幅減小，若采用該項(xiàng)技術(shù)，企業(yè)就能啟用小型生產(chǎn)機(jī)械，進(jìn)而下調(diào)資本支出(capital expenditures)及運(yùn)營成本。目前，該項(xiàng)技術(shù)目前尚在申請專利中。
Whalen表示：“與工業(yè)用擠壓機(jī)不同，采用我方提供的ShAPE設(shè)備后，無需在鎂合金坯料周邊放置體積巨大的加熱器。”
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的鎂材
據(jù)美國能源部報(bào)告，鎂制組件如今僅占常規(guī)車輛總車重的1%，而ShAPE機(jī)器的出現(xiàn)，或?qū)⒏淖冞@一狀況。
Whalen表示：“許多車企未采用鎂合金結(jié)構(gòu)件，主要原因有兩點(diǎn)：鎂材的價(jià)格和屬性。目前，制造商采用低成本鋁材制作保險(xiǎn)杠等部件。若采用我方的工藝，可強(qiáng)化鎂材的材料特性，用于替換上述應(yīng)用中的鋁材，且無需采用稀土元素，導(dǎo)致增加成本開支?！?
麥格納正與PNNL合作，研發(fā)低成本鎂制零部件。該公司目前在底特律的生產(chǎn)設(shè)施中測試其研發(fā)的大型管材，PNNL的ShAPE技術(shù)還可提供授權(quán)使用許可。
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