Leghe di Magnesio ternarie ad alte prestazioni per l

Si ringrazia la Commissione Europea per il co-finanziamento di questo
progetto svolto nell’ambito del programma LIFE+
Leghe di Magnesio ternarie ad alte prestazioni per
l'alleggerimento del settore dei trasporti
Risultati dei primi due anni del progetto Europeo "Green Metallurgy«
(EU LIFE09 ENV T 117)
Fabrizio D’Errico
(Project Coordinator «Green Metallurgy»)
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica
Indice delle presentazioni
• Strategie integrate di process-design e alloy-design per la
l’alleggerimento con materiali ad alta sostenibilità del
settore trasporti
• Il problema storico delle leghe di Magnesio
• Il progetto Europeo LIFE+ Green Metallurgy
• I materiali BAS
• I materiali AAS
• Conclusioni
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Prospettive di impiego di materiali a base Mg per la riduzione dei consumi nel settore
trasporti ed emissioni nel settore automotive
In base alla letteratura* 2.85 kg CO2eq è l’emissione media per 1 litro di carburante
impiegato per la trazione resa dai motori a combustione interna (ICE)
Massa veicolo (media EU)
Emissioni specifiche
Totale
1,300
Metrica
Kg
2.85
kg CO2eq/liter
8.5
liter / 100 km
48,450
kg CO2 eq per car
Consumo medio (media EU)
Totale emissioni CO2 su 200.000 km di ciclo di vita di un
automobile (media OCSE/EU)
*L. Ridge, EUCAR - Automotive LCA Guidelines - Phase 2, In: Total Life Cycle Conference and Exposition; Graz, SAE paper 982185,
193-204 (1998)
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Impatto su riduzione pesi mediante impiego di leghe di Mg convenzionali per riduzione
emissioni veicoli ICE
Ipotesi di lavoro:
10.83 kgCO2eq ogni 1000 km è il valore impiegato in letteratura per valutare la riduzione di emissioni per
ogni 100 kg di massa risparmiata su veicoli ICE (Media EU)
 se 200,000 km è la durata di vita espressa in km del ciclo di vita di veicoli ICE (media EU), si calcola un
totale di circa 2.166 kg CO2eq di emissioni risparmiate per ogni 100 kg risparmiati a bordo
Caratteristiche principali
Densità (kg/dm3)
Mg
1.81
Acciaio
7.87
Limite resistenza materiali (MPa)
170
450
Rapporto di impiego
2.65
1.0
Volume (dm3)
265
100
480
787
Massa totale (kg)
Massa totale risparmiata se 100 kg di leghe ferrose sono sostituiti mediante
leghe di Mg convenzionali (kg)
39
*L. Ridge, EUCAR - Automotive LCA Guidelines - Phase 2, In: Total Life Cycle Conference and Exposition; Graz, SAE paper 982185, 193-204 (1998)
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Impatto dell’impiego di leghe Mg convenzionali sulla riduzione emissioni settore
automotive (veicoli ICE)
Produzione di Mg primario e e
ciclo di fabbricazione delle
leghe specifiche
[kg CO2eq /kg]
Manufacturing e
assemblaggio
componentistica
[kg CO2eq /kg]
Hydro Magnesium
16.1
19.4
35.5
Tharumarajah et al.
Pigdeon (China)
43.3
19.4
62.7
Tharumarajah et al.
AM (Australia)
27.9
19.4
47.3
Ramakrishnan et al.
13.8
19.4
33.2
Cherubini et al.
17.6
19.4
37.0
Cherubini et al.
Impianto
Bolzano (Brazil)
Magnetherm (France)
Totale “cradle-to-gate” GWP
[kg CO2eq /kg]
Caratteristiche
Impiego leghe Mg (kg)
150 kg (USAMP target per il 2020)
Riduzione pesi (kg)
GWP totale calcolato con Mg prodotto da ciclo “Bolzano” (kgCO2eq)
(calcolata su di un totale di circa 48.450 KgCO2 stimati come emissioni prodotte nell’arco dei 200,000 km
di ciclo di vita medio di un veicolo ICE
Partership di progetto :
Scenarios
II
I
Totale percentuale di CO2 risparmiata sul ciclo di vita
Reference:
III
IV
93
125
219
256
60
80
140
165
-926
-176
2,004
3,405
-1.9%
-0,4%
4%
7%
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Strategie process-design e alloy-design integrate
Agire sul “dirty-side” del ciclo di vita del prodotto:
• Eliminazione di GHG (es: SF6, HFC 134a) impiegati durante
passaggi secondari (a valle cioè della produzione di Mg
primario)
• Favorire processi net-shaping per ridurre to reduce costi e
consumo energetico; i.e. riduzione della energia specifica per
kg componente finito (approcci di lean supply-chain)
• Ridurre/eliminare fasi di fusione secondaria (a parte la fase di
produzione di Mg primario) per ridurre GWP ed il consumo
energetico specifico per kg di materiale finito (impattante
anche su riduzione costi)
Agire sul “clean-side del ciclo di vita del prodotto:
Incrementare resistenza specifica (resistenza specifica materiale per kg usato impattante su
alleggerimento componenti) e la duttilità/tenacità (impattante su sicurezza del componente)
attraverso l’affinamento spinto della microstruttura  possibilità di ridurre il rapporto di impiego
delle nuove leghe Mg rispetto leghe ferrose
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Scenario alternativo: leghe Mg alto-performanti a basso impatto ambientale
Caratteristiche
Densità (kg/dm3)
Leghe Mg HP
1.81
Acciaio
7.87
250
450
Usage ratio
1.8
1.0
Volume (dm3)
180
100
Massa totale (kg)
325
787
Limite resistenza (MPa)
60
Massa totale risparmiata se 100 kg di leghe ferrose sono sostituiti mediante leghe di
Mg HP (kg)
Scenarios
Caratteristiche
Impiego leghe Mg (kg)
150 kg (USAMP target per il 2020)
Riduzione pesi (kg)
GWP totale calcolato con Mg prodotto da ciclo “Bolzano” (kgCO2eq)
Totale percentuale di CO2 risparmiata sul ciclo di vita
(calcolata su di un totale di circa 48.450 KgCO2 stimati come emissioni prodotte nell’arco dei
200,000 km di ciclo di vita medio di un veicolo ICE
Partership di progetto :
I
63
II
85
III
149
IV
175
59
121
211
247
1.260
3.556
5.592
6.891
2,6%
7,3%
11.5%
14,2%
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Magnesium alloys
candidates as the
ultralight-weight
metallic material
LIGHTWEIGHT
65% of aluminum volumic mass
Availability
Endless supplying (8th hearth element)
Highest specific strength (strength to volumic mass)
High castability
High speed machining
Case histories show
magnesium
automotive market
does not yet
exponentially start
Partership di progetto :
Low ductility
High costs
Low toughness
Low experience
Low corrosion resistance
Few specialist suppliers
Low creep resistance
Few specialist transformers
High flammability
Technical doubts
Lack of trust
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Courtesy of
Gossan
Resources,
CANADA
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Dati storici sulla produzione di Mg globale e
andamento del prezzo di Mg
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
12
Low toughness
of magnesium alloy
PRIMARY BRITTLESS
SECONDARY BRITTLESS
Intrinsic brittleness of HCP
depending mostly by
crystal lattice
presence of Mg17Al12
ACTION
ACTION
Hypothesis: REFINING
(Decreasing grain dimension)
Ternary alloy with refining elements
Partership di progetto :
Example: •
Rare Hearts,•
Sr, Si, etc
Reduce Mg17Al12 content
Reduce porosity
• Reduce shrinkage microcavities
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
L’approccio integrato del Green Metallurgy project
Background:
•
Leghe Mg ternarie sono state studiate ed ottimizzate presso il CENIM (Centro Nacional
Investigaciones Metalurgica, Madrid): sono i materiali BAS (Basic Alloy System) messi
a punto nel Green Metallurgy project;
•
Leghe commerciali Mg addizionate con CaO (sviluppate presso il Kitech, Korean Institute
of Industrial Technology) sono attualmente il materiale secondario AAS (Alternative
Alloy System) messi a punto dal KITECH e testati sul ciclo full-reciclying del Green
Metallurgy project
www.green-metallurgy.eu
Partership di progetto :
Co-Financed by:
Partnership:
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Green Manufacturing approach (life cycle thinking)
Mg chips
(BAS system)
Eco-Mg
Mg-RSP
Induction heating
PMT
Green compaction
SSB
Direct extrusion
Netshaping
Partership di progetto :
LCA is on development by University of
Manchester
Mg billets
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Route#1: BAS Materials
Raw Material
BAS 1
BAS 2
Partership di progetto :
SSB
PMT
BAS 1
BAS 2
BAS 1
Dimension grain size (nm)
BAS 1
BAS 2
437± 24
377± 39
440± 21
384± 18
BAS 2
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Second trials
BAS1
Mg-Zn6%-Y1% (a matrix // I-Phase)
Partership di progetto :
BAS2
Mg-Zn8%-Y1.5% (a matrix // I-Phase)
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Si ringrazia la Commissione Europea per il co-finanziamento di questo
progetto svolto nell’ambito del programma LIFE+
Produzione di semilavorati di Eco-Magnesium mediante
impiego di materiali di riciclo
Risultati ottenuti durante il progetto europeo "Green Metallurgy«
(LIFE09 ENV IT 117)
Fabrizio D’Errico
(Project Coordinator Green Metallurgy)
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica
Primo anno di attività: collaborazione
strategica con il KITECH per lo sviluppo e
testing materiali AAS (full-recycling supplychain)
•Il Korean Institute of Technology (KITECH),
recentemente ha sviluppato (e immesso sul
mercato far-East) leghe di Mg denominate
Eco-Magnesium®
•Basate su leghe commerciali (i.e. AZ91D,
AZ31, AM60, etc.) sono leghe con particolari
aggiunte di CaO.
•Il risultato è una lega a bassa reazione con
ossigeno, che non necessita di GHG (flussi di
copertura del bagno) per impedire ossidazione
e bruciatura della superficie del bagno
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Raw Material
Route#2: AAS Materials (Eco-Mg)
PMT
AZ31 alloy with 0.5, 1
and 1.5 % CaO
Partership di progetto :
SSB
AZ31+1.5 % CaO, Text=350 ºC,
2mm/s
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Process-lay out ottimizzato per sviluppo prototipo Buhler Group
Eco-Mg
BAS
(CaO added commercial alloys)
material)
Rapid solidified Powders
Recycled chips
Green Compaction
(PMT fabrication)
Green Compaction
(PMT fabrication)
Hot extrusion
(SSB fabrication)
Hot extrusion
(SSB fabrication)
Heat treatment
for ductilty
increase
Superplastic regime forging
for monolithic parts
Semifinished long
profiles
Warm Rolling
(sheets)
Deep warm/cold drawing
for panels
Complexity / cost-benefit level
low
high
Process lay-out attuale (semi-ottimizzato)
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Fase di costruzione prototipo del pilot plant presso Buhler (sito
Viernheim, Germania)
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Conclusioni e prospettive future
•Concluso il secondo anno di attività del progetto Green Metallurgy; i
risultati sono oltre le attese;
•Si intravede una importante possibilità di ridurre ulteriormente l’impatto
ambientale ed i costi di materia prima BAS mediante un lay-out di
processo con riciclo completo (AAS route);
•Possibilità di “derivare” dai risultati Green Metallurgy ulteriori campi di
applicazione e miglioramenti delle leghe BAS e AAS per impieghi
aeronautici
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment:
Grazie per l’attenzione
Fabrizio D’Errico
LIFE09 ENV IT 117 Green Metallurgy
Project Coordinator
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica
Via La Masa 34, Milano
[email protected]
Partership di progetto :
Progetto co-finanziato dalla Commissione Europea,
DG Environment: