Metallurgia delle polveri | Applicazione nel campo dell'elettrificazione automobilistica

La metallurgia delle polveri (PM) è una tecnologia di processo che utilizza polveri metalliche o non metalliche (o una miscela di polveri metalliche e non metalliche) come materie prime e, attraverso processi quali pressatura, formatura e sinterizzazione, produce materiali metallici, materiali compositi e prodotti strutturali di varie forme geometriche.

Le opportunità di sviluppo dell'industria della metallurgia delle polveri sono strettamente legate all'industria automobilistica. Ancora oggi, l'industria automobilistica è quella che desta maggiore interesse e rappresenta il più grande mercato potenziale per l'industria della metallurgia delle polveri. In base all'utilizzo di componenti in metallurgia delle polveri nell'industria automobilistica delle regioni sviluppate di tutto il mondo, la percentuale di componenti in metallurgia delle polveri utilizzati nell'industria automobilistica è: circa il 70% in Nord America, circa il 90% in Giappone, circa l'80% in Europa occidentale e circa il 55% nel nostro Paese. Il 70% di questi componenti automobilistici in metallurgia delle polveri viene utilizzato nei motori e nei cambi.

Negli ultimi anni, lo sviluppo dei veicoli elettrici a nuova energia sta gradualmente sostituendo i tradizionali veicoli con motore a combustione interna. Con l'evoluzione dei veicoli a nuova energia verso l'elettrificazione e l'intelligenza, vengono imposti requisiti più elevati alle prestazioni complessive dei materiali. L'industria della metallurgia delle polveri continua a sviluppare e riservare nuove tecnologie e processi in base alle esigenze del settore dei veicoli elettrici a nuova energia e, con l'aiuto di tecnologie di produzione automatizzata e snella, si adatta ai requisiti della nuova era in materia di risparmio energetico e tutela ambientale, contribuendo allo sviluppo dei veicoli a nuova energia. Allo stesso tempo, lo sviluppo dei veicoli elettrici a nuova energia offre anche una nuova opportunità per lo sviluppo dell'industria della metallurgia delle polveri.

Materiali in lega di rame

Secondo le statistiche dell'International Copper Association, i tradizionali motori a combustione interna delle automobili utilizzano 23 kg di rame, i veicoli elettrici ibridi utilizzano 40 kg di rame, i veicoli elettrici ibridi plug-in utilizzano 60 kg di rame e i veicoli elettrici utilizzano 83 kg di rame.

I materiali in lega di rame sono leghe in cui vengono aggiunti al rame puro uno o più elementi. Sono caratterizzati da eccellente conduttività elettrica, conducibilità termica, resistenza alla corrosione e all'usura, nonché da elevata resistenza meccanica e alla fatica. I materiali in lega di rame possono essere utilizzati per realizzare componenti elettrici quali generatori, cavi ad alta tensione, apparecchiature di commutazione e trasformatori sui veicoli a nuova energia, e possono anche essere impiegati per realizzare componenti resistenti all'usura e alla corrosione nelle automobili, come anelli sincronizzatori, cuscinetti e componenti dell'impianto frenante. Con la diffusione dei veicoli a nuova energia, i materiali in lega di rame saranno ampiamente utilizzati nei sistemi di raffreddamento, nei sistemi elettronici di alimentazione, negli impianti frenanti e nei sistemi idraulici dei veicoli a nuova energia, come materiale ideale per i cablaggi, gli accessori delle batterie e i connettori dei veicoli a nuova energia. Costituiscono materie prime di base fondamentali per componenti automobilistici importanti.

Materiali compositi a base di alluminio

Leggerezza, risparmio energetico e riduzione delle emissioni... I numerosi vantaggi dei dischi freno a base di alluminio hanno permesso loro di sostituire con successo i tradizionali dischi in ferro, diventando la nuova soluzione preferita dall'industria dei veicoli a nuova energia.

I test dimostrano che, rispetto ai dischi freno in ghisa, i materiali compositi a base di alluminio offrono buone prestazioni di frenata e di controllo, senza problemi di rumorosità, vibrazioni, forza frenante insufficiente e altri inconvenienti, oltre a presentare vantaggi evidenti in termini di leggerezza, miglioramento dell'efficienza elettrica, controllabilità e resistenza alla corrosione. Dopo la sostituzione dei dischi freno in ghisa dei veicoli a nuova energia, il solo impianto frenante può contribuire a ridurre il peso di circa 15 chilogrammi. Ciò significa che, prendendo come riferimento un'autovettura a nuova energia con un'autonomia di 500 chilometri, è possibile ridurre il carico della batteria di 3 kWh mantenendo la stessa autonomia. Calcolando un utilizzo annuale di 20.000 chilometri, un'auto elettrica può risparmiare circa 120 kWh di energia elettrica, equivalenti a 48 chilogrammi di carbone standard e a una riduzione di circa 120 chilogrammi delle emissioni di anidride carbonica. Dopo aver equipaggiato 1 milione di veicoli elettrici con dischi freno compositi a base di alluminio, le emissioni di anidride carbonica possono essere ridotte di circa 120.000 tonnellate all'anno. Inoltre, i dischi freno compositi a base di alluminio migliorano anche la durata della batteria. Si stima che un veicolo elettrico possa ridurre i costi di circa 1.000 yuan e che 100.000 veicoli elettrici possano far risparmiare circa 100 milioni di yuan sui relativi costi delle batterie.

Materiali compositi magnetici dolci

I materiali magnetici dolci hanno attraversato diverse fasi di sviluppo:

Dalle tradizionali leghe magnetiche dolci ai materiali in ferrite magnetica dolce, negli anni '70 sono state sviluppate leghe magnetiche dolci amorfe/nanocristalline; la tecnologia della metallurgia delle polveri ha dato origine a una nuova generazione di materiali magnetici dolci ad alte prestazioni, i nuclei in polvere metallica magneticamente dolce (MPC), noti anche come materiali compositi magnetici dolci (SMC).

I nuclei in polvere metallica magneticamente dolce sono realizzati a partire da polveri metalliche magneticamente dolci e trasformati in componenti di nucleo magnetico mediante processi di rivestimento isolante, pressatura e trattamento termico, migliorando il punto debole dei metalli magneticamente dolci, ovvero una permeabilità magnetica non sufficientemente elevata.

Gli SMC sono un nuovo tipo di materiale magnetico. Grazie all'elevata induzione magnetica di saturazione e alle basse perdite, sono noti come materiali magnetici dolci di "quarta generazione". Offrono notevoli vantaggi applicativi e ampie prospettive di mercato nei motori ad alta frequenza, nei trasformatori per alimentatori switching ad alta potenza e alta frequenza, negli induttori per l'accumulo di energia ad alta frequenza e alta potenza, ecc. Nei veicoli elettrici, i materiali compositi magnetici dolci possono essere utilizzati per i motori di trazione principali e per i motori delle pompe dell'olio e delle pompe di raffreddamento. Con la transizione verso veicoli elettrici ed energia verde, la domanda di trasmissione e controllo dell'energia nei circuiti elettrici è aumentata significativamente, catalizzando la rapida evoluzione della domanda e dei processi tecnici per i materiali compositi magnetici dolci. Oltre a mantenere un elevato livello di sviluppo nei tradizionali settori di applicazione dei materiali magnetici, come la generazione fotovoltaica e i condizionatori d'aria a frequenza variabile, i materiali compositi magnetici dolci hanno iniziato a entrare in una fase di rapida crescita in settori applicativi emergenti quali veicoli elettrici, colonnine di ricarica e sistemi di accumulo dell'energia.

Materiali magnetici permanenti NdFeB

Gli attuali motori di trazione più comuni dei veicoli a nuova energia sono i motori sincroni a magneti permanenti e i motori asincroni a gabbia di scoiattolo nei motori a corrente alternata. Tra questi, i motori sincroni a magneti permanenti sono i più diffusi in Cina e rappresentano il 94% delle installazioni sui veicoli.

Il materiale magnetico NdFeB utilizzato nei motori sincroni a magneti permanenti presenta eccellenti proprietà magnetiche. Dopo la magnetizzazione, può generare un forte campo magnetico senza l'aggiunta di energia esterna. Allo stesso tempo, il campo magnetico ha caratteristiche permanenti e non richiede circuiti aggiuntivi per l'eccitazione (ovvero per alimentare il conduttore e generare un campo magnetico), permettendo così di mantenere dimensioni ridotte e peso contenuto. Alla potenza nominale, la densità di potenza dei motori sincroni a magneti permanenti, a parità di condizioni di dissipazione del calore e di materiali isolanti, è solitamente più del doppio di quella dei motori asincroni a induzione.

Materiali compositi carbonio-ceramica

I materiali d'attrito dei veicoli moderni, come automobili e treni ad alta velocità, si sono evoluti dai materiali in amianto ai materiali semimetallici, ai materiali ottenuti mediante metallurgia delle polveri, ai materiali compositi carbonio-carbonio e ai materiali compositi carbonio-ceramica.

I materiali compositi carbonio-ceramica per freni sono un nuovo tipo di materiale composito sviluppato negli anni '90, costituito da una struttura di rinforzo tridimensionale in feltro o tessuto di fibra di carbonio e da una matrice continua di carbonio e carburo di silicio ceramico. La coppia frenante composta da dischi e pastiglie freno in carbonio-ceramica offre promettenti prospettive di sviluppo. Nel contesto dell'elettrificazione e della riduzione del peso, i dischi in carbonio-ceramica possono ridurre il peso e l'ansia da autonomia. Rispetto ai veicoli con motore a combustione interna, i veicoli elettrici non hanno motore e cambio, ma sono dotati di pacchi batteria aggiuntivi, più pesanti rispetto a quelli dei veicoli con motore a combustione interna. Pertanto, la riduzione del peso dei veicoli a nuova energia è ancora una sfida significativa. I freni in carbonio-ceramica possono ridurre efficacemente il peso al di sotto del sistema di sospensione, adattarsi meglio ai veicoli a nuova energia e ridurre l'ansia da autonomia.

Con la comparsa e i progressi delle nuove tecnologie, dei nuovi processi e delle nuove fonti di energia, continueranno a emergere nuovi campi di applicazione per i prodotti della metallurgia delle polveri, che sosterranno pienamente il nuovo processo dell'era dell'elettrificazione automobilistica.