В ближайшее десятилетие системы переработки по всему миру ожидает огромный поток алюминия от стареющих автомобильных кузовов. Однако сегодня этот ценный материал часто не может быть повторно использован для изготовления критически важных деталей из-за загрязнения, которое делает его непредсказуемым и снижает механические свойства. В результате переработанный алюминий теряет в стоимости и часто отправляется на производство низкокачественных изделий или на экспорт. При этом в среднем около 50-70% алюминия, используемого в автомобильной промышленности, уже производится из переработанного сырья, что способствует снижению энергозатрат и выбросов углекислого газа. Но для ответственных структурных компонентов этот процент значительно ниже.
Чтобы решить эту проблему, исследователи Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США разработали инновационный сплав под названием RidgeAlloy. Его ключевая особенность в том, что он специально создан для преобразования низкокачественного переработанного алюминия, включая загрязненный, в надежный источник сырья для производства прочных структурных компонентов автомобилей, таких как элементы шасси и каркаса.
Масштаб предстоящей задачи огромен. Начиная примерно с 2015 года, на дорогах появилось множество автомобилей с алюминиевыми кузовами, например, пикапы Ford F-150. К началу 2030-х годов они начнут массово выходить из строя, и ежегодно только в Северной Америке на переработку может поступать до 350 тысяч тонн алюминиевого листового лома. Без новых технологий этот ресурс будет в значительной степени потерян для высокотехнологичных отраслей.
Главным техническим барьером является загрязнение, возникающее при измельчении старых автомобилей. Мелкие частицы железа от крепежных элементов смешиваются с алюминием, что делает его химический состав нестабильным и ухудшает эксплуатационные характеристики. Это не позволяет использовать такой материал для ответственных деталей, вынуждая производителей по-прежнему полагаться на энергоемкое первичное алюминиевое сырье.
Разработка RidgeAlloy стала возможной благодаря передовым научным инструментам. Исследователи использовали высокопроизводительные вычисления, выполнив более двух миллионов расчетов для прогнозирования оптимального состава сплава. Для изучения влияния примесей на атомном уровне применялась нейтронная дифракция в источнике SNS, а также другие методы анализа, такие как рентгеновская дифракция и электронная микроскопия. Этот комплексный подход позволил совершить невероятный скачок от концепции на бумаге до полноценной демонстрации всего за 15 месяцев.
Практическая проверка сплава прошла успешно. Американские производственные компании отлили из лома, соответствующего дизайну RidgeAlloy, пробные слитки, а затем методом литья под высоким давлением изготовили из них автомобильные компоненты. Испытания подтвердили, что новый сплав, даже с повышенным содержанием железа и кремния, обеспечивает необходимую прочность, пластичность и коррозионную стойкость для самых требовательных применений.
К началу 2030-х годов технология RidgeAlloy может позволить производить из вторсырья объемы конструкционного алюминия, сопоставимые с половиной текущего годового производства первичного металла в США. Это приведет к снижению энергопотребления до 95% на деталь, сокращению затрат и укреплению внутренних цепочек поставок. Потенциал технологии также распространяется на аэрокосмическую отрасль, промышленное оборудование и судостроение.
Источник: Scientists turn scrap car aluminum into high-performance metal for new vehicles