拿著一束使用ShAPE工藝制成的高級(jí)鋁合金管。來(lái)源:Scott Taysom |太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

福特在2014年開(kāi)始生產(chǎn)以鋁制車(chē)身為主的F-150時(shí)，這款廣受歡迎的卡車(chē)瘦了約700磅。這一改變旨在提高汽油行駛里程，節(jié)省燃油泵費(fèi)用。在車(chē)頂橫梁、橫梁、副車(chē)架和其他結(jié)構(gòu)部件上使用先進(jìn)的鋁合金可以節(jié)省更多的重量。但這并沒(méi)有發(fā)生，因?yàn)檫@些合金價(jià)格昂貴，部分原因是傳統(tǒng)擠壓工藝的制造速度較慢。

然而，這些高科技合金剛剛發(fā)布了個(gè)人最好的，使用了一種新的擠壓方法，極大地提高了它們的制造速度。剪切輔助加工和擠壓，或形狀，使用顯著更少的能源，可以交付產(chǎn)品的速度是傳統(tǒng)擠壓的10倍以上，在質(zhì)量上沒(méi)有犧牲。不僅如此，它還可以提高鋁合金的力學(xué)性能，稱(chēng)為7075合金。

7075合金的強(qiáng)度重量比比普通乘用車(chē)的合金高85%;然而，它的制造成本比常用的“6000系列”合金高出約30%。

幫助太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)開(kāi)發(fā)ShAPE的材料科學(xué)家斯科特·惠倫(Scott Whalen)表示:“在航空航天應(yīng)用中，這種價(jià)格差異是可以接受的。在航空航天應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)更好的燃料效率、提高機(jī)動(dòng)性和降低發(fā)射成本，更輕的材料優(yōu)于更高的成本。”“但在汽車(chē)領(lǐng)域，這是我們希望改變的一個(gè)限制因素。”

對(duì)速度的需求

這種高成本主要是由于合金7075難以擠壓成結(jié)構(gòu)部件。事實(shí)上，7075被廣泛認(rèn)為是所有商用鋁合金中最難擠壓的。

傳統(tǒng)的7075擠壓過(guò)程緩慢，需要費(fèi)力地將固體金屬打入模具。緩慢的擠壓速度只有每分鐘1到2米(3到6英尺)，再加上更高的能量需求，使得7075比6000系列鋁合金更貴，6000系列鋁合金的擠壓速度超過(guò)每分鐘20米(65英尺)。

ShAPE是一種高效節(jié)能的擠壓工藝，可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品，最近的一項(xiàng)研究表明，它還可以更快地?cái)D壓高強(qiáng)度鋁合金。研究結(jié)果發(fā)表在11月出版的《制造過(guò)程》雜志上。

“廣泛的測(cè)試表明，PNNL的工藝可以將這種合金的擠壓速度提高大約10倍，使用大約一半的能量，”Whalen說(shuō)，他是通訊作者。“我們的工藝可以每分鐘擠壓約12米而沒(méi)有撕裂或開(kāi)裂，而傳統(tǒng)的擠壓限制在每分鐘1至2米，我們的工藝甚至提高了一些材料的性能。”

形狀可以擠壓管，電線和棒材的強(qiáng)度性能，滿(mǎn)足重要的工業(yè)ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ASM典型值。7075合金的伸長(zhǎng)率(斷裂前的伸長(zhǎng)率)比傳統(tǒng)擠壓的伸長(zhǎng)率高50%，這有助于在碰撞過(guò)程中吸收能量。專(zhuān)利的ShAPE工藝在傳統(tǒng)的線性擠壓中增加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)加熱金屬，使其在通過(guò)模具時(shí)流動(dòng)和變形，從而形成產(chǎn)品形狀。

研究人員表示，在較低溫度下擠壓的能力是ShAPE能夠?qū)崿F(xiàn)7075合金產(chǎn)量的原因之一，而在傳統(tǒng)擠壓中，7075合金會(huì)撕裂材料。

重塑制造業(yè)的能源使用

除了提高速度外，ShAPE工藝還可以消除傳統(tǒng)擠壓過(guò)程中所需要的高能量熱處理步驟，為7075合金的擠壓節(jié)省大約50%的能量。在傳統(tǒng)的擠壓中，大的金屬坯料必須首先在400°C(750°F)以上的溫度下進(jìn)行大約一天的熱處理，以均勻地均勻分布不同的元素，如鎂和銅。ShAPE能夠在不均勻化的情況下擠壓鋼坯，節(jié)省大約5%的ShAPE產(chǎn)品的總成本。

此外，在常規(guī)擠壓中，在擠壓前需要在熔爐中預(yù)熱以軟化坯料。對(duì)于ShAPE，不需要預(yù)熱，因?yàn)樗斜匾臒崃慷紒?lái)自過(guò)程本身。其他擠壓后熱處理也被取消或減少，導(dǎo)致整體節(jié)能50%。

ShAPE提高了擠壓速度，同時(shí)降低了能源消耗，從而降低了碳排放，使輕質(zhì)7075合金對(duì)乘用車(chē)市場(chǎng)具有成本效益。通過(guò)提高內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的燃料效率和增加電動(dòng)汽車(chē)每次充電的行駛距離，輕型汽車(chē)最終也有助于減少交通部門(mén)的碳排放。