Fabrizio D Errico (Project Coordinator «Green Metallurgy») Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica

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Beata Innocenti
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1 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

trasporti Risultati dei primi due anni del progetto Europeo "Green Metallurgy«(EU LIFE09 ENV T 117)

2 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

del settore trasporti Il problema storico delle leghe di Magnesio Il

4 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 CO 2 eq è l emissione media per 1 litro di carburante impiegato per la trazione resa dai motori a combustione interna (ICE) Totale Metrica Massa veicolo (media EU) 1,300 Kg Emissioni specifiche 2.85 kg CO 2eq /liter Consumo medio (media EU) Totale emissioni CO 2 su km di ciclo di vita di un automobile (media OCSE/EU) 8.5 liter / 100 km 48,450 kg CO 2 eq per car *L. Ridge, EUCAR - Automotive LCA Guidelines - Phase 2, In: Total Life Cycle Conference and Exposition; Graz, SAE paper , (1998)

1,300 Kg Emissioni specifiche 2.85 kg CO 2eq /liter Consumo medio (media EU) Totale emissioni CO 2 su 200.000 km di ciclo di vita di un automobile (media OCSE/EU) 8.

5 Impatto su riduzione pesi mediante impiego di leghe di Mg convenzionali per riduzione emissioni veicoli ICE Ipotesi di lavoro: kgco 2 eq 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 kg CO 2 eq di emissioni risparmiate per ogni 100 kg risparmiati a bordo Caratteristiche principali Mg Acciaio Densità (kg/dm 3 ) Limite resistenza materiali (MPa) Rapporto di impiego Volume (dm 3 ) Massa totale (kg) Massa totale risparmiata se 100 kg di leghe ferrose sono sostituiti mediante leghe di Mg convenzionali (kg) *L. Ridge, EUCAR - Automotive LCA Guidelines - Phase 2, In: Total Life Cycle Conference and Exposition; Graz, SAE paper , (1998)

espressa in km del ciclo di vita di veicoli ICE (media EU), si calcola un totale di circa 2.

6 Impatto dell impiego di leghe Mg convenzionali sulla riduzione emissioni settore automotive (veicoli ICE) Impianto Produzione di Mg primario e e ciclo di fabbricazione delle leghe specifiche Manufacturing e assemblaggio componentistica Totale cradle-to-gate GWP [kg CO2eq /kg] [kg CO2eq /kg] [kg CO2eq /kg] Reference: Hydro Magnesium Tharumarajah et al. Pigdeon (China) Tharumarajah et al. AM (Australia) Ramakrishnan et al. Bolzano (Brazil) Cherubini et al. Magnetherm (France) Cherubini et al. Caratteristiche Scenarios I II III IV Impiego leghe Mg (kg) 150 kg (USAMP target per il 2020) Riduzione pesi (kg) GWP totale calcolato con Mg prodotto da ciclo Bolzano (kgco2eq) ,004 3,405 Totale percentuale di CO 2 risparmiata sul ciclo di vita (calcolata su di un totale di circa KgCO 2 stimati come emissioni prodotte nell arco dei 200,000 km di ciclo di vita medio di un veicolo ICE -1.9% -0,4% 4% 7%

3 19.4 62.7 Tharumarajah et al. AM (Australia) 27.9 19.4 47.3 Ramakrishnan et al. Bolzano (Brazil) 13.8 19.4 33.2 Cherubini et al. Magnetherm (France) 17.6 19.4 37.0 Cherubini et al.

7 Strategie process-design e alloy-design integrate Agire sul dirty-side del ciclo di vita del prodotto: Eliminazione di GHG (es: SF 6, 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

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

8 Scenario alternativo: leghe Mg alto-performanti a basso impatto ambientale Caratteristiche Leghe Mg HP Acciaio Densità (kg/dm 3 ) Limite resistenza (MPa) Usage ratio Volume (dm 3 ) Massa totale (kg) Massa totale risparmiata se 100 kg di leghe ferrose sono sostituiti mediante leghe di Mg HP (kg) 60 Scenarios Caratteristiche I II III IV Impiego leghe Mg (kg) kg (USAMP target per il 2020) Riduzione pesi (kg) GWP totale calcolato con Mg prodotto da ciclo Bolzano (kgco2eq) Totale percentuale di CO 2 risparmiata sul ciclo di vita (calcolata su di un totale di circa KgCO 2 stimati come emissioni prodotte nell arco dei 200,000 km di ciclo di vita medio di un veicolo ICE 2,6% 7,3% 11.5% 14,2%

leghe Mg (kg) 63 85 149 175 150 kg (USAMP target per il 2020) 59 121 211 247 Riduzione pesi (kg) GWP totale calcolato con Mg prodotto da ciclo Bolzano (kgco2eq) 1.260 3.556 5.592 6.

9 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 Low ductility Low toughness Low corrosion resistance Low creep resistance High flammability Technical doubts High costs Low experience Few specialist suppliers Few specialist transformers Lack of trust

histories show magnesium automotive market does not yet exponentially start Low ductility Low toughness Low corrosion resistance Low

10 Courtesy of Gossan Resources, CANADA

11 Dati storici sulla produzione di Mg globale e andamento del prezzo di Mg

12 12 Low toughness of magnesium alloy PRIMARY BRITTLESS Intrinsic brittleness of HCP crystal lattice SECONDARY BRITTLESS depending mostly by presence of Mg 17 Al 12 ACTION ACTION Hypothesis: REFINING (Decreasing grain dimension) Ternary alloy with refining elements Example: Rare Hearts, Sr, Si, etc Reduce Mg 17 Al 12 content Reduce porosity Reduce shrinkage microcavities

Hypothesis: REFINING (Decreasing grain dimension) Ternary alloy with refining elements

13 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 Co-Financed by: Partnership:

addizionate con CaO (sviluppate presso il Kitech, Korean Institute of Industrial Technology) sono attualmente il materiale secondario AAS (Alternative

14 Green Manufacturing approach (life cycle thinking) Mg billets (BAS system) Mg-RSP Induction heating PMT Green compaction SSB Direct extrusion Netshaping Mg chips Eco-Mg LCA is on development by University of Manchester

Green compaction SSB Direct extrusion Netshaping Mg

15 Route#1: BAS Materials Raw Material PMT SSB BAS 1 BAS 2 BAS 1 BAS 1 BAS 2 BAS 2 Dimension grain size (nm) BAS 1 BAS 2 437± ± ± ± 18

16 Second trials BAS1 Mg-Zn6%-Y1% (a matrix // I-Phase) BAS2 Mg-Zn8%-Y1.5% (a matrix // I-Phase)

17 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

riciclo Risultati ottenuti durante il progetto europeo "Green Metallurgy«(LIFE09 ENV IT 117)

18 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

Basate su leghe commerciali (i.e. AZ91D, AZ31, AM60, etc.) sono leghe con particolari aggiunte di CaO.

19 Raw Material Route#2: AAS Materials (Eco-Mg) PMT SSB AZ31 alloy with 0.5, 1 and 1.5 % CaO AZ % CaO, Text=350 ºC, 2mm/s

20 Process-lay out ottimizzato per sviluppo prototipo Buhler Group BAS Rapid solidified Powders Eco-Mg (CaO added commercial alloys) material) Recycled chips Green Compaction (PMT fabrication) Green Compaction (PMT fabrication) Hot extrusion (SSB fabrication) Hot extrusion (SSB fabrication) Heat treatment for ductilty increase Warm Rolling (sheets) Superplastic regime forging for monolithic parts Semifinished long profiles Deep warm/cold drawing for panels Complexity / cost-benefit level low high Process lay-out attuale (semi-ottimizzato)

extrusion (SSB fabrication) Heat treatment for ductilty increase Warm Rolling (sheets) Superplastic regime forging for monolithic parts

21 Fase di costruzione prototipo del pilot plant presso Buhler (sito Viernheim, Germania)

22 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

23 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 fabrizio.derrico@polimi.it

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