PNNL研发ShAPE工艺 提升车用镁合金部件的应用

据外媒报道，美国能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)研发了新款挤压工艺(extrusion process)——剪切辅助加工及挤压(Shear-Assisted Processing and Extrusion，ShAPE)，该工艺有助于汽车行业采用镁合金制作结构件，提升了该方案的可行性。由于无需采用稀土金属，可降低材料成本。与此同时，新工艺还提升了材料的结构特性。

 

“钢铝之战”或演变为“钢铝镁混战”

提升燃油经济性成为近期各大车企的重大目标之一，因为距2025公司平均燃料经济性(Corporate Average Fuel Economy，CAFE)标准的执行已越来越近。为此，轻量化成为其首选，半数车企寻求新的轻量化材料，提升车辆的燃油经济性，进而达到CAFE标准的要求。

在汽车业内，一度打响了“钢铝之战(battle of steel vs. aluminum)”，如今又研发了新的挤压成型法(method of extrusion)，或将使镁材也加入到角逐中。

在所有结构金属中，镁材比钢材轻75%，比铝材轻了33%，是地球上第四大最常见元素，其排名只落后于铁、硅及氧三大元素。尽管镁材质地较轻，且天然丰度(natural abundance)较大，但车企却难以将镁合金用于车用结构件，因为该材质的使用需要配合镝(dysprosium)、镨(praseodymium)、镱(ytterbium)等稀土元素(rare-earth elements)，提升其强度。

剪切辅助加工及挤压

美国能源部的工程师及材料学家阐述道，在挤压过程中，旋转镁合金将因机械摩擦而生热，使该材料软化，进而将其压入模具内，制作镁合金管材、棒材及槽镁(magnesium channels)。与传统型挤压机不同，该技术方案无配置耗能的电阻加热器。

该团队设计工业版剪切辅助加工及挤压机并开展了试运行。该研究团队采用该机器，采用挤压技术制作了薄壁圆管，其最大直径为2英寸，所采用的原材料为镁铝锌合金AZ91和ZK60A。

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首席研究员兼机械工程师Scott Whalen表示：“在剪切辅助加工及挤压过程中，我们获得高度精制的微观金属结构，在某些情况下，甚至能产生纳米结构特性。每分钟转速越高，颗粒就越小，制作的管材硬度越高，其延展性(ductile)或柔韧性(pliable)也越好。此外，团队人员可控制金属内的晶体结构的方向，提升镁合金的能量吸收，使其可媲美铝材。”

镁合金坯料以极为柔软的状态流入模具，这得益于ShAPE工艺同时施加的线性力及旋转力。为此，相较于传统的挤压工艺，只需用原先1/10的力就能将原材料挤入模具。

由于挤压力大幅减小，若采用该项技术，企业就能启用小型生产机械，进而下调资本支出(capital expenditures)及运营成本。目前，该项技术目前尚在申请专利中。

Whalen表示：“与工业用挤压机不同，采用我方提供的ShAPE设备后，无需在镁合金坯料周边放置体积巨大的加热器。”

实现汽车轻量化的镁材

据美国能源部报告，镁制组件如今仅占常规车辆总车重的1%，而ShAPE机器的出现，或将改变这一状况。

Whalen表示：“许多车企未采用镁合金结构件，主要原因有两点：镁材的价格和属性。目前，制造商采用低成本铝材制作保险杠等部件。若采用我方的工艺，可强化镁材的材料特性，用于替换上述应用中的铝材，且无需采用稀土元素，导致增加成本开支。”

麦格纳正与PNNL合作，研发低成本镁制零部件。该公司目前在底特律的生产设施中测试其研发的大型管材，PNNL的ShAPE技术还可提供授权使用许可。