Cirkulärt aluminium

Cirkulärt aluminium

Ett lätt material med stora möjligheter

I en värld där resurserna blir alltmer begränsade och behovet av att minska avfall, utsläpp och energiförbrukning är mer akut än någonsin, står aluminiumindustrin inför en stor utmaning eftersom aluminiumframställning har en betydande inverkan på vår miljö. Att ta fram primärmetall från bauxitmalm är särskilt energiintensivt, med en energiförbrukning som motsvarar den för en normalstor villa under ett år för att producera ett ton aluminium. Men det finns hopp. Återvunnet aluminium kan vara lösningen.

Aluminium är ett konstruktionsmaterial med många överlägsna egenskaper som hög hållfasthet, låg vikt och god korrosionsbeständighet. Men för att aluminium ska vara ett hållbart alternativ måste återvinningen öka och bli bättre. Återvinning av aluminium sparar energi samt minskar utsläpp och materialuttag. Det finns dock flera utmaningar i återvinningsprocessen som måste övervinnas för att säkerställa att det återvunna materialet har samma eller bättre egenskaper som det ursprungliga.

I denna artikel kommer vi att utforska några av dessa utmaningar och möjliga lösningar för att förbättra återvinningsprocessen och därmed öka kvaliteten på det återvunna aluminiumet. Genom att göra detta hoppas vi kunna öka medvetenheten om användandet av aluminium för plåtformade och gjutna komponenter på ett hållbart sätt, och främja diskussionen om hur vi kan förbättra hanteringen av detta värdefulla material.

Utmaningar med återvinning av olika legeringar

Trots att det ofta sägs att aluminium kan återvinnas hur många gånger som helst utan negativ inverkan på dess egenskaper, är verkligheten mer komplicerad. Återvunnet aluminium består av skrot - gamla produkter som smälts om för att ges nytt liv i nya komponenter. Aluminiumet i sig förändras inte när det smälts ned, men skrotet kan innehålla små mängder föroreningar som kan påverka materialets egenskaper. Hur vi smälter om materialet och hanterar smältan kan också påverka egenskaperna.

Sortering för optimerad renhet

För att bibehålla aluminiumets goda egenskaper, är det viktigt att bevara låglegerade aluminiumlegeringar så rena som möjligt även i återvinningsprocessen så att de inte försämras med tiden genom inblandning av mer höglegerade material. Det finns två huvudgrupper av aluminiumlegeringar: plastiska legeringar och gjutlegeringar. Plastiska legeringar används för att forma plåt och extrudera profiler, och har låga halter av kisel (under 1 %). De plastiska legeringarna behöver vara rena för att få hög duktilitet i materialet så det kan formas och då behövs renare skrot. Gjutlegeringar å andra sidan används för formgjutning, och har därför höga halter av kisel som ökar flytbarheten (upp till 10-12 % kisel). Därav blir det viktigt att noggrant sortera återgångs- material så att materialströmmarna inte blandas mer än nödvändigt.

Sortering av skrot behöver alltså genomföras på ett sätt som gör att man bibehåller de olika legeringarnas egenskaper i så hög utsträckning som möjligt. Sorteringen kan göras med hjälp av modern sensorik. Till exempel kan man använda röntgenfluorescens, röntgentransmission, laserinducerad spektroskopi (LIBS) eller induktion för att skilja på plastiska legeringar med högre renhet och gjutlegeringar med fler legeringsämnen.

En effektiv metod för att återvinna aluminium på ett kontrollerat sätt är att fokusera på en specifik komponent av en specifik legering. Då kan man rengöra och fragmentera komponenten i lagom stora bitar och därefter sälja den i storsäck. Ett exempel på ett företag som gör detta är Eccomelt, som återvinner aluminiumfälgar. Energiförbrukning i processen blir mindre än 1% av den som krävs för primärframställning, med ett utsläpp av bara 0,136 kg CO2 per kg aluminium. Här används 100 % ”post-consumer”-skrot, det vill säga skrot som kommer från slutanvändare och inte från industriell produktion.

Föroreningar påverkar materialegenskaper

En annan utmaning med att använda återvunnet aluminium är att när aluminiumskrot cirkulerar blir det förorenat på olika sätt. Så blir till exempel ofta järnhalten i de återvunna legeringarna högre. Detta ger mikroskopiska utskiljningar i materialet som kan ha en negativ inverkan på såväl korrosionsbeständighet som hållfasthet.

Aluminium har en naturligt god korrosionsbeständighet, tack vare att det bildas ett passivt oxidskikt på ytan i kontakt med luft. Men när materialet innehåller föroreningar som järn och koppar ökar risken för korrosionsangrepp. En form av korrosion är punktkorrosion, som är en lokaliserad attack som kan tränga igenom oxidskiktet och skapa frätgropar i metallen. Järn och koppar kan bilda intermetalliska föreningar som är mer mottagliga för korrosion, så kallad interkristallin korrosion. Slutligen kan oxidskiktet störas av galvaniska interaktioner mellan aluminium, järn och koppar vilket även det resulterar i korrosionsangrepp.

Återvunnet aluminium kan också få sämre hållfasthet. Det kan bero på järnföroreningar, men en annan anledning är att skrotet också kan innehålla oxider, som bildas när metallen kommer i kontakt med luft. Oxiderna kan vara bra för att skydda mot korrosion, men de kan också skapa defekter i materialet. När skrotet smälts om och hälls i formar kan oxider blandas in i smältan och bilda mikroskopiska inneslutningar som är svåra att upptäcka. Dessa kan skapa svaga punkter i materialet vilket påverkar komponenternas hållfasthet. Sådana defekter i det återvunna aluminiumet ger ofta upphov till en större spridning i materialets egenskaper jämfört med primärt utvunnen aluminium. För att hantera denna spridning är det viktigt att lära sig förstå hur olika föroreningar i skrotet påverkar materialets egenskaper, samt att vidareutveckla metoder för att mäta och förutsäga materialets beteende i olika tillämpningar.

Provning för att säkerställa optimal prestanda

I takt med en ökad användning av återvunnet aluminium, växer även antalet defekter i materialet, vilket orsakas av föroreningar av järn, spårämnen, oxider med mera. Dessa defekter får en direkt inverkan på materialets egenskaper och medför en ökad spridning som kräver noggrann hantering i konstruktionsprocessen av nya komponenter. För att kunna utnyttja återvunna aluminiumkvaliteter fullt ut kan det vara nödvändigt att fastställa gränser för tillåtna föroreningar.

Gränserna är kopplade till vilka egenskaper som är önskvärda i det slutliga materialet. För att öka förståelsen för hur föroreningarna påverkar materialegenskaperna behövs olika typer av provningar. Några exempel är utmattningsprestanda och statisk provning. För att säkerställa korrosionsskyddet hos återvunnet aluminium krävs andra metoder som exempelvis anpassade accelererade korrosionsprovningar, fältprovningar och avancerad analys av korrosionsprover.

Ett exempel på ett pågående forskningsprojekt som syftar till att öka förståelsen för återvunna aluminiumlegeringars egenskaper är ReCalCor*, som startade 2023 och pågår till 2026. I projektet deltar tolv industriaktörer. Målet är att i detalj lära sig hur sammansättningen hos återvunna gjutna aluminiumlegeringar inverkar på korrosionsegenskaperna.

När återvunnen aluminium ersätter primärt framställda legeringar kommer såväl konstruktionsmetoder som tillverkningsprocesser för olika komponenter att behöva förändras. Provning och experimentella studier behövs då för att ta fram materialmodeller som kan användas för att simulera tillverkningsprocessen, eller funktionaliteten när en komponent används. Materialmodellerna måste vara anpassade till de återvunna legeringarna och ta hänsyn till spridningen i egenskaper som kan uppstå på grund av föroreningar eller defekter. Materialmodellerna kan sedan valideras och utvärderas genom att jämföras med experimentella resultat.

Bättre än förväntat? Återvunna aluminiumlegeringar testas i forskningsprojekt

Måste man räkna med att återvunna aluminiumlegeringar har sämre prestanda än primärt framställda legeringar? Eller går det att få fram materialegenskaper hos återvunna aluminiumlegeringar som överträffar de som förväntas? Ett sätt att bedöma potentialen hos återvunna aluminiumlegeringar är att jämföra dem med sig själva, det vill säga jämföra verkliga provningsresultat med vad som anges i standarder.

Tittar vi på förlängningsvärdet för den mycket vanliga pressgjutlegeringen EN AC-46000, som bland annat används i motor- och växellådskomponenter, anger den europeiska standarden SS-EN 1706:2021 att förlängningen i denna aluminiumlegering ska vara mindre än 1 %. Det är dock ett informativt värde och det verkliga förlängningsvärdet kan vara betydligt högre.

I projektet GRETA*, som avslutades i november, dragprovades provstavar från en pressgjuten komponent i EN AC-46000, och det visade sig att medelvärdet på förlängningen var 4,6 % ± 0,8 % (en standardavvikelse). Detta är ett resultat som inte bara ligger långt över det värde som anges i standarden, utan också är stabilt över tid.

RISE har också utmattningsprovat en pressgjuten komponent av EN AC-46000, och funnit att dess verkliga livslängd var mer än 10 gånger den beräknade. Detta visar att det kan finnas en högre potential i återvunna legeringar, både vad gäller förlängningsvärden och utmattningsegenskaper, än den som redovisas i standarden eller vad man får fram vid beräkningar. Med en bra designprocess och optimerad tillverkningsmetod finns det alltså potential att få fram en komponent med egenskaper som överträffar de förväntade!

Även i plastiska legeringar kan legeringsämnen förorsaka försämringar i egenskaper. Här behövs mer forskning på hur de ingående legeringsämnena i plastiska legeringar påverkar hur aluminiumet kristalliserar sig, vilket i sin tur påverkar formbarheten.

KlimAl* är ett projekt som vill göra det möjligt att använda mer återvunnet aluminium i plåtformning. Genom att utveckla och testa olika legeringsprinciper för återvunnen aluminium till plåtprodukter vill man säkerställa gjutbarhet och valsningsbarhet, samtidigt som formbarheten bedöms genom varmformning.

Projektet kommer att ta fram en demonstratorkomponent genom gjutning, valsning och formning. Denna kommer att utvärderas bland annat utifrån en hållbarhetsanalys. För att testa materialegenskaperna kommer dragprov och tester för formbarhetsgränser göras. Testresultaten kan användas för att producera mer exakta indata till finita element (FE)-simuleringar av tillverkningsprocesser samt till material- och satsjämförelser vid undersökning av lösningar på problem i pågående produktion.

Återvunnet aluminium – för en hållbar framtid

Att använda mer återvunnet aluminium är inte bara ett alternativ utan en nödvändighet i vår strävan efter en hållbar och resilient framtid. Att ta till sig denna förändring kommer inte bara att minska vårt miljöavtryck utan också bana väg för en mer effektiv och välmående aluminiumindustri. Det är ett kollektivt ansvar att främja och stödja den utbredda användningen av återvunnet aluminium, och tillsammans kan vi bidra till ett mer hållbart samhälle.

Om du är intresserad av att veta mer om cirkulärt aluminium, eller om du har ett specifikt problem eller behov som du vill ha hjälp med, kan du läsa mer och kontakta oss på: www.ri.se/sv/vad-vi-gor/expertiser/ cirkulart-aluminium

* Influence of the composition of recycled cast aluminum alloys on their corrosion and fatigue corrosion performance, finansierat av industripartners

* Gjutna produkter med resurseffektiva tillverkningsprocesser och affärsmodeller, Finansiär Metalliska material – ett samarbete mellan Vinnova, Formas och Energimyndigheten

* Klimatsmart högpresterande aluminiumplåt, Koordinator Jönköping Tekniska Högskola, Finansiär Metalliska material –ett samarbete mellan Vinnova, Formas och Energimyndigheten

Text av Lluis Perez Caro, Torsten Sjögren, Anton Bjurenstedt, Bertrand Noharet, Johan Berglund, Marie Fredriksson, Flavien Vucko – RISE Research Institutes of Sweden

Text av Lluis Perez Caro, Torsten Sjögren, Anton Bjurenstedt, Bertrand Noharet, Johan Berglund, Marie Fredriksson, Flavien Vucko – RISE Research Institutes of Sweden