Die Herstellung von Aluminiumlegierungen ist jetzt um 50 % energieeffizienter

Jun 20, 2023

20. Juli 2022

von Alexandra Freibott, Pacific Northwest National Laboratory

Leichtere Fahrzeuge können mit weniger Energie eine größere Distanz zurücklegen, was die Nachfrage nach leichteren Automobilkomponenten steigert. Hochleistungsaluminiumlegierungen wie die Legierung 7075 gehören zu den leichtesten und stärksten Optionen, erfordern jedoch eine energieintensive Produktion, die die Kosten erhöht und daher ihren Einsatz einschränkt.

Forschungen des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) halbieren diesen Energieverbrauch durch einen effizienteren Prozess zur Herstellung von Hochleistungsaluminiumkomponenten. Mit Unterstützung des Advanced Manufacturing Office des Energieministeriums stellten Forscher fest, dass die Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE)-Technologie Wärmebehandlungsschritte im Produktionsprozess eliminieren kann, was zu erheblichen Energieeinsparungen und reduzierten Emissionen führt. ShAPE ist ein umweltfreundlicher, erschwinglicher Fertigungsansatz, der den breiten Einsatz von Hochleistungsaluminiumlegierungen in Automobilanwendungen ermöglicht.

Ähnlich wie beim Backen eines Kuchens kommt es bei der Metallherstellung auf gut gemischte Zutaten und viel Hitze an. Bei der konventionellen Metallproduktion werden einzelne Metalle und Legierungselemente – wie Aluminium, Kupfer oder Magnesium – mithilfe von Hitze zusammengeschmolzen, um Legierungen zu erzeugen, die leichter, fester oder einfacher zu formen sind. Wenn diese Elemente nicht gut vermischt werden, können sich während der Verarbeitung Risse und Brüche bilden, die die Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigen – denn ein unzureichend vermischter, klumpiger Kuchenteig führt zu einem zerbröckelnden, katastrophalen Kuchen. Bei der Metallproduktion wird Wärme verwendet, um sicherzustellen, dass einzelne Metallelemente in einer Legierung in einem als Homogenisierung bezeichneten Schritt gut vermischt werden.

Bei der Homogenisierung werden große Metallgussteile, sogenannte Knüppel, bis zu 24 Stunden lang auf fast 500 Grad Celsius – etwa 900 Grad Fahrenheit – erhitzt. Dieser Wärmebehandlungsschritt löst Legierungsaggregate – ähnlich wie Klumpen im Kuchenteig – im Barren auf, um sicherzustellen, dass alle Metallelemente gleichmäßig verteilt oder homogenisiert sind. Dies verbessert die Leistung des Endprodukts. Nach der Homogenisierung werden die Metallstäbe in einem als Extrusion bezeichneten Schritt weiter erhitzt und geformt.

„Die Homogenisierung ist der energieintensivste Schritt im gesamten Metallextrusionsprozess“, sagte Scott Whalen, leitender Materialwissenschaftler bei PNNL und Mitentwickler von ShAPE.

Die ShAPE-Maschine macht separate Homogenisierungs- und Extrusionsschritte überflüssig, indem sie Erwärmung und Verformung – die Änderung der Form des Metalls selbst – kombiniert. Bei der ShAPE-Maschine wird der Metallbarren gleichzeitig durch eine kleine Öffnung in einer rotierenden Matrize gedrückt. Durch die Rotationsbewegung und die Verformung werden die Metallelemente beim Extrudieren gründlich vermischt. Im Wesentlichen homogenisiert der ShAPE-Prozess den Metallbarren in wenigen Sekunden, unmittelbar bevor er extrudiert wird. Dadurch entfällt ein tagelanger Vorwärm-Homogenisierungsschritt und es wird keine zusätzliche Energie zum Erhitzen des Barrens während der Extrusion verbraucht. Zusammengenommen ergibt sich mit ShAPE eine Energieeinsparung von bis zu 50 Prozent.

ShAPE ist nicht nur ein energieeffizienterer und schnellerer Prozess, sondern verbessert auch die Vermischung der einzelnen Legierungselemente, was zu einem besseren Endprodukt führt. So wie klumpiger Teig einen Kuchen ruinieren kann, erzielt das Endprodukt bei der Extrusionsherstellung oft eine bessere Leistung, wenn die Elemente gut vermischt sind. Leistungstests zeigten, dass Komponenten aus Aluminiumlegierungen, die mit ShAPE verarbeitet wurden, die aktuellen Standards der American Society for Testing and Materials für Festigkeit und Dehnung übertrafen.

„Wir haben mit einem Elektronenmikroskop genauer hingeschaut und festgestellt, dass ShAPE die Legierungsaggregate aufbricht und sie vor der Extrusion in der Aluminiummatrix auflöst, wodurch diese besser extrudierbar wird“, sagte Tianhao Wang, PNNL-Materialwissenschaftler und Hauptautor der aktuellen Veröffentlichung in Materialien und Design. „Das führt zu einer besseren Leistung – unsere Aluminium 7075-Legierungen sind stärker und dehnen sich weiter, bevor sie brechen.“

Aluminiumlegierungen werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie geschätzt, weil sie stabil und leicht sind. Die leistungsstärksten Aluminiumlegierungen sind zeit- und energieintensiv in der Herstellung und daher in vielen Märkten nicht mehr erhältlich, beispielsweise für Anwendungen in Personenkraftwagen. Der ShAPE-Prozess beseitigt eine große Hürde bei der Herstellung von Hochleistungsaluminiumlegierungen, indem er den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen während der Herstellung drastisch reduziert.

„Dies ist ein wichtiger Schritt zur Erschließung des Potenzials der Metallherstellung der nächsten Generation zur Herstellung besserer, billigerer und umweltfreundlicherer Produkte für die Zukunft“, sagte Whalen.

Mehr Informationen: Tianhao Wang et al., Extrusion nichthomogenisierter Gussteile aus 7075-Aluminium über ShAPE, Materials & Design (2021). DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110374

Sertac Akar et al., Technoökonomische Analyse für die scherunterstützte Verarbeitung und Extrusion (ShAPE) hochfester Aluminiumlegierungen, (2022). DOI: 10.2172/1846614

Bereitgestellt vom Pacific Northwest National Laboratory