Desarrollan proceso para fabricar aleaciones de aluminio ahorrando energía

El proceso apunta a eliminar las etapas de tratamiento térmico en el proceso de producción, lo que resulta en un ahorro de energía significativo y una reducción de las emisiones.

Según estimaciones de S&P Global, se espera que para 2035 la demanda de cobre se duplique, generando un alza en el precio y también un déficit en el suministro del metal clave para la transición energética. Ante ello, expertos como el director de AMTC, Christian Ihle, consideran que serán necesarias otras alternativas como el aluminio para suplir esta demanda en crecimiento. 

El aluminio es solo un tercio del precio y el peso del cobre, pero su capacidad conductora es de 60%. La conductividad relativamente baja del aluminio puede ser una limitación en algunas aplicaciones. Además, las alineaciones de cobre de alto rendimiento que son aplicables a más usos requieren de una producción intensiva en energía.

Ante este escenario, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL, por sus siglas en inglés) ha desarrollado un proceso que reduce a la mitad la energía requerida para fabricar aleaciones de aluminio de alto rendimiento.

Las y los investigadores determinaron que la tecnología de Procesamiento y Extrusión Asistidos por Cizallamiento (ShAPETM) puede eliminar las etapas de tratamiento térmico en el proceso de producción, lo que resulta en un ahorro de energía significativo y una reducción de las emisiones. ShAPE tiene un enfoque de fabricación ecológico y asequible que permite un amplio uso de aleaciones de aluminio de alto rendimiento en aplicaciones automotrices.

De acuerdo con el equipo, la producción de metales convencionales utiliza calor para fundir metales individuales y elementos de aleación, como aluminio, cobre o magnesio, para crear aleaciones más ligeras, más fuertes o más fáciles de formar. Si estos elementos no están bien mezclados, se pueden formar grietas y fracturas durante el procesamiento que comprometen las propiedades del producto final, ya que una masa de pastel poco mezclada y grumosa dará lugar a un pastel desmoronado y desastroso. En la producción de metales, el calor se utiliza para garantizar que los elementos metálicos individuales de una aleación estén bien mezclados durante un paso llamado homogeneización.

¿Cómo funciona?

Durante la homogeneización, las grandes piezas fundidas de metal llamadas palanquillas se calientan a casi 500 grados centígrados, unos 900 grados Fahrenheit, durante un máximo de 24 horas. Este paso de tratamiento térmico disuelve los agregados de aleación, similares a los grumos en la masa de la torta, en la palanquilla para garantizar que todos los elementos metálicos se distribuyan u homogenicen uniformemente. Esto mejora el rendimiento del producto final. Después de la homogeneización, las varillas metálicas se calientan y forman aún más en un paso llamado extrusión.

La tecnología de ShAPE elimina la necesidad de pasos separados de homogeneización y extrusión combinando el calentamiento y la deformación, el cambio en la forma del propio metal. En la máquina ShAPE, la palanquilla de metal se empuja simultáneamente a través de una pequeña abertura en un troquel que gira. Juntos, el movimiento de rotación y la deformación mezclan a fondo los elementos metálicos a medida que se extruyen.

En detalle, el proceso homogeneiza la palanquilla metálica en pocos segundos, inmediatamente antes de que se extruya. Esto elimina la necesidad de un paso de homogeneización de precalentamiento de un día de duración y significa que no se utiliza energía adicional para calentar la palanquilla durante la extrusión. 

"Miramos más de cerca usando un microscopio electrónico y vimos que ShAPE rompe los agregados de aleación y los disuelve en la matriz de aluminio antes de la extrusión, lo que lo hace más extruible (…) Esto se traduce en un mejor rendimiento: nuestras aleaciones de aluminio 7075 son más fuertes y se estiran más antes de romperse", explicó Tianhao Wang, científico de materiales del PNNL.

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