PNNL SHAPE reduz pela metade a energia necessária para o processo de extrusão de alumínio

Veículos mais leves podem viajar mais longe com menos energia, aumentando a demanda por componentes automotivos mais leves. As ligas de alumínio de alto desempenho, como a liga 7075, estão entre as opções mais leves e resistentes, mas exigem uma produção com uso intensivo de energia que aumenta os custos e, portanto, limita seu uso.

Agora, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mostraram que sua tecnologia Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) (post anterior) pode eliminar etapas de tratamento térmico no processo de produção, resultando em economia significativa de energia e emissões reduzidas. Um artigo de acesso aberto sobre o estudo foi publicado na revista Materials & Design.

A produção de metal convencional usa calor para derreter metais individuais e elementos de liga juntos - como alumínio, cobre ou magnésio - para criar ligas mais leves, mais fortes ou mais fáceis de formar. Se esses elementos não forem bem misturados, podem ocorrer rachaduras e fraturas durante o processamento que comprometem as propriedades do produto final. Na produção de metais, o calor é usado para garantir que os elementos metálicos individuais em uma liga sejam bem misturados durante uma etapa chamada homogeneização.

Durante a homogeneização, grandes peças fundidas de metal chamadas tarugos são aquecidas a quase 500 graus Celsius - cerca de 900 graus Fahrenheit - por até 24 horas. Esta etapa de tratamento térmico dissolve os agregados da liga no tarugo para garantir que todos os elementos metálicos sejam distribuídos ou homogeneizados uniformemente. Isso melhora o desempenho do produto final. Após a homogeneização, as hastes metálicas passam por um novo aquecimento e conformação em uma etapa denominada extrusão.

A homogeneização é a etapa que mais consome energia em todo o processo de extrusão de metais.

O processo SHAPE da PNNL usa uma máquina para girar tarugos ou pedaços de liga de metal a granel, criando apenas calor suficiente por fricção para amolecer o material, de modo que possa ser facilmente extrudado através de uma matriz para formar tubos, hastes e canais. As forças lineares e rotacionais simultâneas usam apenas 10% da força normalmente necessária para empurrar o material através da matriz em processos convencionais.

Os pesquisadores do PNNL descobriram agora que a máquina ShAPE elimina a necessidade de etapas separadas de homogeneização e extrusão, combinando aquecimento e deformação - a mudança na forma do próprio metal. Na máquina SHAPE, o lingote de metal é empurrado simultaneamente através de uma pequena abertura em uma matriz que gira. Juntos, o movimento rotacional e a deformação misturam completamente os elementos metálicos à medida que são extrudados. Essencialmente, o processo ShAPE homogeneíza o tarugo de metal em poucos segundos, imediatamente antes de ser extrudado. Isso elimina a necessidade de uma etapa de homogeneização de pré-aquecimento de um dia inteiro e significa que nenhuma energia adicional é usada para aquecer o tarugo durante a extrusão. Juntos, isso resulta em uma economia de energia de até 50% usando o ShAPE.

A extrusão de peças fundidas não homogeneizadas da liga de alumínio 7075 (Al) foi realizada usando processamento assistido por cisalhamento e extrusão (ShAPE). A deformação plástica simultânea e a geração de calor durante o ShAPE fraturam rapidamente e dissolvem as fases secundárias interdendríticas e intragranulares de Al-Zn-Mg-Cu, realizando a homogeneização em segundos, em vez de muitas horas em um forno antes da extrusão. Com isso, o ShAPE elimina a etapa de homogeneização demorada e com uso intensivo de energia necessária para preparar microestruturas fundidas para extrusão convencional.

Ao mesmo tempo, ocorre um extenso refinamento de grão devido à ativação do gradiente de recristalização dinâmica durante o ShAPE, o que facilita um aumento de três vezes na velocidade de extrusão em comparação com o método de extrusão convencional. O aprimoramento evidente das propriedades mecânicas das amostras ShAPE + T6 é alcançado, em comparação com os valores padrão ASTM para produtos de extrusão convencionais.

Imagens da liga de alumínio 7075 tiradas com um microscópio eletrônico de varredura antes (A), durante (B) e depois (C) passando pela máquina ShAPE mostram como a microestrutura da liga muda durante a extrusão. O efeito de cisalhamento da máquina ShAPE quebra as partículas em pedaços muito menores para criar uma microestrutura mais uniforme. (Imagem de Joshua Silverstein | Pacific Northwest National Laboratory)