-1,16%L’ acciaio inossidabile: una famiglia versatile di materiali ingegneristici per i veicoli elettrici a batteria
Le priorità di progettazione degli alloggiamenti delle batterie per veicoli elettrici includono resistenza agli urti, sicurezza antincendio e, sempre più, riciclabilità, come richiesto dalle prossime normative europee. L’acciaio inossidabile offre un potenziale significativo ancora non sfruttato in questo campo. Aperam ha sviluppato prototipi per dimostrare queste capacità.
Le applicazioni includono involucri per celle, moduli, coperchi superiori e componenti strutturali critici per la sicurezza. Le proprietà meccaniche e fisiche degli acciai inossidabili li rendono particolarmente adatti a tali usi. Gli acciai inossidabili comprendono diverse famiglie, ciascuna con microstrutture e proprietà specifiche. Tre sono particolarmente rilevanti per le applicazioni automobilistiche:
- Grades austenitici: principalmente leghe al nichel, altamente resistenti alla corrosione, con eccellenti caratteristiche di formabilità e saldabilità.
- Grades ferritici: tipicamente privi di nichel, più economici, apprezzati per la resistenza al calore e le buone proprietà di imbutitura profonda.
- Grades duplex: combinano strutture austenitiche e ferritiche, offrono elevata resistenza alla corrosione e buone proprietà meccaniche a un costo moderato.
Contenimento del fuoco e isolamento termico
La capacità dell’acciaio inossidabile di contenere incendi è ben nota nel settore aerospaziale, dove viene utilizzato per gli involucri delle batterie agli ioni di litio. La sua resistenza meccanica alle alte temperature aumenta significativamente il tempo disponibile per intervenire in caso di incidenti termici. L’acciaio inossidabile ha un punto di fusione superiore a 1.500 °C, mentre i metalli leggeri fondono a circa 660 °C. Inoltre, mantiene il 70% della sua resistenza originale a 800 °C, rispetto solo al 15% degli acciai al carbonio alla stessa temperatura.
Un altro fattore critico è la conducibilità termica. I grades austenitici mostrano la conducibilità più bassa, contribuendo a ridurre l’influenza delle fluttuazioni termiche esterne e, di conseguenza, i requisiti energetici del veicolo per la gestione termica.
Resistenza combinata con deformazione plastica
Le qualità di acciaio inossidabile possono essere adattate a requisiti meccanici specifici. In condizioni ricotte, l’acciaio inossidabile austenitico è particolarmente duttile, raggiungendo allungamenti alla rottura superiori al 50% per gradi standard come 304 e 316L. I loro alti rapporti di imbutitura (LDR), talvolta superiori a 2,15, confermano un’eccellente formabilità per componenti stampati in profondo stampaggio.
Incrudimento per maggiore sicurezza e riduzione del peso
Gli acciai inossidabili austenitici si incrudiscono sotto sforzo, assorbendo energia di deformazione e aumentando la resistenza durante processi come la profilatura a rullo o l’imbutitura profonda. Questa proprietà consente pareti più sottili e progetti più leggeri senza compromettere l’integrità strutturale. Il materiale è disponibile in vari stati incruditi. Anche i gradi “full hard”, con resistenza a trazione di circa 1.000 MPa, restano sufficientemente formabili per l’uso automobilistico, consentendo risparmi di peso e costo.
Prototipi sviluppati in collaborazione con Ricardo hanno dimostrato che gli alloggiamenti in acciaio inossidabile possono fungere da parti strutturali integrate. Hanno superato i test di impatto laterale e di perforazione del sottoscocca. Aperam offre nastri e lamiere in larghezze fino a due metri. In combinazione con l’elevata formabilità, ciò consente la produzione di componenti grandi e complessi attraverso un processo produttivo semplificato. Tutte le tecniche di giunzione automobilistiche standard sono compatibili con l’acciaio inossidabile, incluse le connessioni imbullonate, che migliorano la riparabilità dei pacchi batteria. Sono disponibili misure protettive per giunzioni con metalli dissimili al fine di prevenire la corrosione galvanica. Sono inoltre possibili progetti multimateriale con polimeri e compositi.
Compatibilità e resistenza alla corrosione
Naturalmente resistente alla corrosione, l’acciaio inossidabile elimina la necessità di rivestimenti protettivi aggiuntivi, semplificando la logistica e riducendo i rischi su bordi tagliati e aree molto deformate. Test di esposizione a lungo termine in condizioni difficili, come campioni montati su camion, non hanno mostrato corrosione dopo due anni. L’acciaio inossidabile è anche compatibile con l’ambiente chimico delle batterie EV, resistendo agli attacchi dei fluidi dielettrici. L’R&D di Aperam supporta gli OEM nella selezione delle qualità più adatte.
Sebbene il costo €/t dell’acciaio inossidabile sia superiore a quello di altri materiali metallici, un approccio sistemico dimostra che esso fornisce il miglior costo totale di esercizio (TCOE) insieme a prestazioni tecniche superiori. Per aumentare ulteriormente la competitività, Aperam ha sviluppato il 316A, una variante ottimizzata in termini di costo del 316L. Sfruttando la sinergia tra silicio e altri elementi di lega nello strato passivo, il 316A riduce il contenuto di molibdeno mantenendo la resistenza alla corrosione e le caratteristiche di lavorazione del 316L.
Potenziale applicativo per i grades ferritici e duplex
I grades ferritici, privi di nichel, offrono un’alternativa più economica e mostrano una maggiore conducibilità termica, rendendoli adatti ai sistemi di raffreddamento delle batterie. Dimostrano inoltre una resistenza superiore alle alte temperature in scenari di thermal runaway. I grades duplex combinano un’eccellente resistenza alla corrosione con una resistenza meccanica significativamente superiore rispetto alle alternative austenitiche o ferritiche. Aperam fornisce acciaio inossidabile duplex in spessori fino ad uno spessore minimo di 0,5 mm, adatto per i coperchi degli alloggiamenti delle batterie.
Soluzioni europee a basse emissioni di carbonio
Gli acciai inossidabili Aperam per il mercato europeo sono prodotti in Francia e Belgio utilizzando forni elettrici ad arco e fino al 98% di contenuto riciclato (gamma Aperam infinite™). La loro vicinanza ai clienti automobilistici consente tempi di consegna brevi e forniture flessibili. Inoltre, i centri di servizio inossidabile di Aperam in tutta Europa semplificano la logistica, garantendo ulteriore reattività e affidabilità della fornitura.
Attraverso la sua controllata di riciclaggio ELG, Aperam raccoglie scarti di produzione dai clienti e li restituisce alle acciaierie per il riprocessamento. Dalle prestazioni meccaniche alla sicurezza antincendio, dalla resistenza alla corrosione alla riciclabilità, l’acciaio inossidabile offre una soluzione tecnicamente ed economicamente efficiente per gli alloggiamenti delle batterie EV, supportando il settore automobilistico nell’affrontare sfide di progettazione, produzione e sostenibilità.
