Versterkt met afval: eierschalen maken magnesiumlegeringen sterker en harder

Afgedankte eierschalen kunnen worden gebruikt om lichte magnesiumlegeringen betere mechanische eigenschappen te geven. Onderzoekers van North Carolina State University hebben een productieproces ontwikkeld waarbij fijngemalen eierschalen rechtstreeks in magnesium worden verwerkt. Door de warmte en wrijving tijdens het proces ontstaan calciumverbindingen die het materiaal versterken.

Eierschalen bestaan voor ongeveer 95 procent uit calciumcarbonaat. Dat maakt ze interessant voor de metaalindustrie, omdat calcium ook aan magnesiumlegeringen wordt toegevoegd om hun mechanische eigenschappen te verbeteren. Normaal gesproken worden daarvoor calciumhoudende grondstoffen gewonnen en vervolgens verwerkt, wat verschillende processtappen en energie kost. De onderzoekers wilden weten of die tussenstappen kunnen worden overgeslagen door calcium rechtstreeks uit biologisch afval te halen. Als proef gebruikten ze daarvoor fijngemalen eierschalen.

Wrijving

Centraal in het onderzoek staat een techniek die friction stir extrusion heet. Daarbij worden eerst gaten geboord in een cilindervormig blok magnesium. Deze worden gevuld met poeder van fijngemalen eierschalen. Het magnesiumblok wordt vervolgens in een stalen cilinder geplaatst. Een stalen gereedschap drukt van bovenaf op het materiaal en draait daarbij met 300 omwentelingen per minuut. De werking is enigszins vergelijkbaar met een vijzel: door de combinatie van druk, beweging en wrijving worden het magnesium en de eierschaaldeeltjes intensief met elkaar vermengd.

Die wrijving doet meer dan alleen de materialen mengen. Het calciumcarbonaat uit de eierschalen wordt tijdens het proces omgezet in calciumoxide en reactief calcium. Vervolgens kan in het magnesium de sterke verbinding Mg₂Ca ontstaan. Tegelijkertijd wordt het materiaal door een opening in het gereedschap naar buiten geperst. Aan het einde van het proces ontstaat zo een geëxtrudeerde staaf van de nieuwe magnesiumlegering.

Afval

Volgens de onderzoekers levert het proces een magnesiumcomposiet op dat sterker en harder is dan het uitgangsmateriaal. Magnesium is vanwege zijn lage gewicht interessant voor onder meer lucht- en ruimtevaart, voertuigen en elektronica. Verbetering van de mechanische eigenschappen kan het aantal toepassingen nog verder vergroten.

Het experiment is voorlopig een proof-of-concept, maar de methode is niet beperkt tot de combinatie van magnesium en eierschalen. De onderzoekers gebruikten de wrijvingstechniek eerder al om magnetisch poeder van samarium-kobalt in aluminiumafval te verwerken en zo magnetische composieten te maken.