Новый материал, превращающий лом в высокопроизводительные детали

Ожидается, что в течение следующих десяти лет через системы переработки будет проходить большой поток алюминиевого автомобильного лома. Значительная часть этого материала содержит слишком много примесей для безопасного повторного использования в высокопроизводительных автомобильных компонентах, что значительно снижает его стоимость.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США разработали решение: новый алюминиевый сплав RidgeAlloy. Этот сплав позволяет перерабатывать низкосортный лом в материал, подходящий для производства прочных и надежных деталей конструкции автомобилей, создавая ценную внутреннюю цепочку поставок.

Алюминий включен в список критически важных материалов Министерства энергетики США , поскольку он играет ключевую роль в технологиях генерации, транспортировки, хранения и сбережения энергии.

RidgeAlloy производится путём переплавки алюминиевого лома и его переработки в состав, соответствующий отраслевым стандартам прочности, пластичности и ударопрочности. Многолетнее лидерство ORNL в исследованиях алюминиевых сплавов позволило команде использовать целенаправленную стратегию проектирования, которая ускорила разработку.

«Всего за 15 месяцев команда прошла путь от концепции на бумаге до успешной полномасштабной демонстрации нового сплава», — сказал Аллен Хейнс, директор основной программы лёгких металлов ORNL. «Это неслыханные темпы инноваций в разработке сложных конструкционных сплавов».

Проблема повторного использования алюминиевого лома транспортных средств

Автомобили с тяжёлым алюминиевым кузовом начали появляться на рынке США примерно в 2015 году, и одним из первых, кто начал массовое производство, стал Ford F-150. К началу 2030-х годов многие из этих автомобилей выработают свой ресурс, производя до 350 000 тонн алюминиевого кузовного лома ежегодно в Северной Америке. Ожидается, что вместо того, чтобы возвращаться в качестве ценного материала, большая часть этого лома будет перерабатываться в низкосортное литьё или отправляться за границу, что упустит возможности для внутреннего производства.

«Можно перерабатывать алюминий из вторичных материалов, например, из блоков двигателей», — сказал Алекс Плотковски, руководитель группы ORNL по вычислительной физике. «Но он не будет обладать свойствами, необходимыми для более дорогостоящих и прочных кузовных конструкций».

Основная проблема — загрязнение. В процессе измельчения лом захватывает примеси, такие как железо из крепежа и смешанных компонентов, что приводит к образованию непредсказуемых и слабых химических соединений, непригодных для коммерческих конструкционных сплавов. В результате большинство высокопрочных автомобильных деталей по-прежнему изготавливаются из первичного алюминия, для производства которого требуется сырая руда и энергоёмкий процесс.

Превращение лома в отечественную цепочку поставок

Хотя первичный алюминий в основном импортируется, в США имеется одна из лучших в мире инфраструктур по утилизации транспортных средств и переработке алюминиевого лома.

«Использование переплавленного лома вместо первичного алюминия, по оценкам, позволяет сократить энергозатраты на обработку детали на 95%», — сказал Амит Шьям, руководитель группы по исследованию поведения и проектирования сплавов ORNL.

Чтобы это стало возможным, группа использовала передовые научные инструменты, такие как высокопроизводительные вычисления, включавшие более двух миллионов вычислений для прогнозирования оптимального состава сплава с заданными свойствами, а также исследования характеристик материалов и нейтронной дифракции на установке Spallation Neutron Source в ORNL, являющейся пользовательским оборудованием Управления науки Министерства энергетики США. Эти инструменты помогли исследователям понять, как конкретные примеси влияют на поведение сплавов. Нейтроны идеально подходят для подобных исследований, поскольку они способны проникать глубоко в плотные металлы, не повреждая их, что позволяет ученым наблюдать внутреннюю структуру и изменения на атомном уровне.

После определения необходимой смеси с помощью быстрых вычислительных прогнозов и лабораторных испытаний новый сплав был испытан в реальных условиях. Чикагское предприятие Trialco Aluminum, входящее в группу PSW, поставило переработанные алюминиевые слитки – готовые к переплавке металлические заготовки, отлитые из смешанного автомобильного листового лома и изготовленные в соответствии со спецификациями RidgeAlloy. Слитки были отправлены на завод Falcon Lakeside Manufacturing в Мичигане, где из них были успешно отлиты автомобильные детали методом литья под высоким давлением.

«Мы выбрали деталь среднего размера и умеренной сложности», — сказал Плотковски. «Конечная цель — в конечном итоге отливать более крупные детали, возможно, даже автомобильные гигантские литьё, но это только первый шаг».

Литые детали подтвердили, что сплав RidgeAlloy, состоящий из алюминия, магния, кремния, железа и марганца, обладает комплексом свойств, необходимым для конструкционных автомобильных отливок, даже при изготовлении из переработанных смесей с повышенным содержанием железа и кремния. Он обеспечивает прочность, коррозионную стойкость и пластичность, позволяя производить конструкционные отливки днищ, элементов рамы и других критически важных деталей из переработанного алюминиевого лома. Это достижение открывает возможность изменить подход к сортировке и повторному использованию автомобильных кузовных листов в Северной Америке.

От национальной лаборатории до реального воздействия

«Эта команда придумала, как в полной мере воспользоваться первоклассным набором возможностей национальной лаборатории, чтобы быстро заполнить огромный пробел в наших знаниях о легких автомобильных материалах», — сказал Хейнс.

К началу 2030-х годов компания RidgeAlloy сможет производить переработанные литые конструкции в объемах, равных не менее половине годового производства первичного алюминия в США. Это позволит сократить потребление энергии, сократить расходы и укрепить внутренние цепочки поставок.

«RidgeAlloy предлагает первую технологию, способную восстановить ценность быстро приближающегося и исторически огромного потока высококачественных переработанных автомобильных алюминиевых листов отечественного производства», — сказал Хейнс. «Именно такого влияния на цепочку поставок в целом и добивалась наша команда».

Также существует потенциал для будущего применения в промышленном оборудовании, сельскохозяйственном оборудовании, аэрокосмической отрасли, мобильном энергетическом оборудовании, внедорожных транспортных средствах, таких как снегоходы, мотоциклы и морские транспортные средства, включая гидроциклы.

Финансирование: Данное исследование было поддержано Программой по легким металлам Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.

Материал RidgeAlloy был разработан в рамках основной программы лёгких металлов Управления транспортных технологий. В состав проектной группы ORNL входили Алекс Плотковски, Амит Шьям, Аллен Хейнс, Суньонг Квон, Ин Ян, Сумит Бал, Ник Рихтер, Северин Камбье, Элис Перрен и Джерри Кнапп.

Источник: https://scitechdaily.com/ridgealloy-the-new-material-transforming-scrap-into-high-performance-parts/