ينطوي الصب شبه الصلب بالقالب (SSDC) على حقن ملاط معدني (20-60% صلب) عند درجة حرارة 580-620 درجة مئوية تحت ضغط 50-100 ميجا باسكال. ويشكل هذا بنية مجهرية كروية، مما يعزز القوة بنسبة تصل إلى 20%. عادةً ما تكون معدلات القص أقل من 10 ث -¹، مما يضمن ملء القالب بشكل متحكم فيه للحصول على أجزاء دقيقة. تشمل السبائك الشائعة الألومنيوم A356 والمغنيسيوم AZ91D.

تعرّف على سبب تفضيل SSDC للحصول على نتائج دقيقة. اكتشف كيف تعمل وما هي طرقها الرئيسية وتطبيقاتها ومزاياها.

ما هو الصب بالقالب شبه الصلب؟

شبه صلبة صب القوالب هي عملية تصنيع. تُستخدم لتشكيل المعدن في حالة شبه صلبة. وتكون هذه الأجزاء شبيهة بالعجين، وتحتوي على أشكال سائلة وصلبة على حد سواء. ويساعد هذا النوع من الملاط الشركة المصنعة على إنتاج أجزاء عالية الجودة ومعقدة. ويستخدم على نطاق واسع في الصناعات، سواء كانت السيارات أو الإلكترونيات الاستهلاكية. تتميز أجزاء SSDC بأنها أقوى ولا يوجد بها أي عيوب تقريبًا مقارنةً بالصب التقليدي.

 ثيكسوتروبية وريوبيريكسيتي

1. الصب المتغير الانسيابية (السلوك المتغير الانسيابي)

تبدأ عملية الصب بالحرارة بعد الحصول على سبيكة معدنية قياسية. يمكن أن تكون سبائك الألومنيوم A356. يقوم عمال المعادن بصهر هذه السبائك عند درجة حرارة أولية تبلغ 650 درجة مئوية في فرن.

عندما تبدأ هذه المادة المنصهرة في البرودة عند درجة حرارة شبه صلبة تبلغ 580 درجة مئوية، يستخدم العمال أداة تقليب ميكانيكية تدور بسرعة 500 دورة في الدقيقة. من خلال القيام بذلك، تتكسر الجسيمات الصلبة إلى كريات صغيرة. يبلغ حجمها 50-100 ميكرون.

يجعل التحريك سلوك متغيرة الانسيابية. هذا هو صب الحالة شبه الصلبة مع الجسيمات الصلبة 40%. يتدفق بسلاسة شديدة عند الدفع.

يُستخدم هذا الملاط لاحقًا في صب مكونات متعددة الاستخدامات في صناعات مثل مكونات تعليق السيارات.

2. ثيكسوكستينج (السلوك الانقسامي)

في الصب بالخرسانة، يستخدم المصنعون قضبانًا مسبقة الصنع. وهي نوع من السبائك مثل سبائك المغنيسيوم AZ91D. عادةً ما تكون هناك بالفعل بنية مجهرية كروية مناسبة في هذه المادة.

رأى صانعو المعادن هذه القضبان لأول مرة. تختلف أطوالها في كثير من الحالات، ولكنها تتراوح عادةً بين 150 مم. وقاموا بإعادة صهر هذه القضبان باستخدام درجة حرارة 575 درجة مئوية. وهذا يتماشى مع عملية الصبّ القياسية. وتستمر العملية لمدة 15 دقيقة في فرن الحث حتى تأخذ المادة شكلاً شبه صلب مثالي.

يدفع المصنعون هذه المادة في القالب بسرعة 1 م/ثانية. وهذا يختلف تمامًا عن المتغيرة الانسيابية لأنها ليست أرق. وبدلاً من ذلك، فهو نوع من الانسيابية.

تزيد هذه العملية من اللزوجة تحت القص (10%). وينتج عن ذلك انخفاض مخاطر التدفق المضطرب وانحباس الهواء. عند صب مكونات مثل أغلفة أجهزة الكمبيوتر المحمول، تنتج هذه الخصائص أسطحًا أكثر سلاسة.

كيف يتحكم معدل القص في التدفق؟

تحتوي المعادن شبه الصلبة على معدلات القص أقل من النطاق النموذجي 10 ث -¹. نظرًا لكونها حالة سميكة، فإنها تتحرك ببطء في تجويف القالب، وتملأ كل قسم بشكل صحيح، خاصةً في حالة الحاجة إلى صب رقيق.

يزداد القص عندما تدفع البوابات الضيقة المعدن بسرعات عالية. تملأ القالب في غضون 0.5 ثانية، وتصنع منتجات دقيقة.

ترقق القص هو المعلمة. وهذا يمكّن العمال من معالجة تدفق المعدن أثناء مراحل الصب المختلفة.

الكسر الصلب

الكسر الصلب (f_m_209B↩) هو نسبة المحتوى الصلب في SSDC. وهذا ما يحتفظ به المصنعون في نطاق ممكن من 20% و60%.

تؤدي الظروف المنخفضة التي تقل عن 20% إلى جعل المعدن سائلًا ومرتفعًا جدًا، أكثر من 60%، إلى شكل أكثر صلابة. ويسبب ذلك مشكلة في القالب.

تطور البنية المجهرية

بالمقارنة مع البنية التشعبية القديمة، فإن المعدن شبه الصلب له بنية مجهرية كروية أو تشبه الوردة. تكون الجسيمات مستديرة الشكل، مما يتيح تدفقًا أكثر سلاسة ويقلل من العيوب. إن القوة المحسنة والجودة الدقيقة هي النتائج الأساسية لهذه العملية في المخرجات النهائية.

عملية الصب بالقالب شبه الصلب

طرق توليد الطين

1. التنشيط الذائب المستحث بالإجهاد (SIMA):

بعد شراء القضبان القياسية، يقوم المصنعون بتصفيتها عند درجة حرارة 300 درجة مئوية، ثم يضعونها في أفران لإعادة تسخينها عند درجة حرارة 580 درجة مئوية. في هذه المصفوفة السائلة، تتشكل جسيمات كروية (50 ميكرومتر). وهذا جيد بما يكفي للمعالجة شبه الصلبة.

2. التحريك المغناطيسي الهيدروديناميكي (MHD)

تستخدم الملفات الكهرومغناطيسية تيار 500 أمبير. هذا هو العمل على جعل التحريك 600 دورة في الدقيقة بدون تلامس. تتشكل الحالة الصلبة المثالية 40% نتيجة لهذه العملية، مما يؤدي إلى تجنب التلوث.

3. صب منحدر التبريد

يتدفق الصانع إلى أسفل الحالة المنصهرة للمعدن عند 620 درجة مئوية على المنحدر. وهذا عادةً ما يكون منحدر نحاسي بزاوية 60 درجة.

يستخدمون تبريدًا أسرع للحصول على ملاط شبه صلب في أكثر من 3 ثوانٍ.

تعديلات وحدة الحقن

استخدام نوع خاص من الأكمام القصيرة ذات الطلاء الحراري الخزفي. فهي تحافظ على درجة حرارة الملاط عند 570 درجة مئوية. بحيث يمكنك صبها دون قلق طوال مرحلة الحقن.

بالإضافة إلى ذلك، تضمن الغطاسات المصممة بدقة ملء القالب بشكل متساوٍ. تعمل بسرعة حرجة تبلغ 0.3-0.8 م/ثانية. تعمل هذه الميزة على موازنة العمليات وتقلل من فصل الطور الضار. يحدث ذلك بين جزيئات الطين السائلة والصلبة.

اعتبارات تصميم القالب

يجب استخدام مساحة مقطع عرضي أكبر 30% من القوالب التقليدية في حالة أنظمة البوابات. سيساعد ذلك في الحفاظ على التدفق المناسب للمعادن شبه الصلبة.

بالنسبة لأنظمة العدائين، ادمج الانحناءات التدريجية. يكون نصف قطرها 20 مم كحد أدنى. من خلال القيام بذلك، ستحافظ التقنيات على التدفق المعدني الصفحي وتقلل من الاضطراب.

بالحديث عن فتحات التهوية، فهي مشكّلة بدقة بعرض 0.1 مم. وسوف تتحكم في انحباس الهواء أثناء الصب. حيث تتعامل أيضًا مع مشاكل التسرب.

مزايا الصب بالقالب شبه الصلب

أسطح أكثر نعومة ومقاسات دقيقة

يتدفق المعدن شبه الصلب إلى أقسام القالب بسرعة مضبوطة. وهذا أبطأ بكثير من المعدن السائل. وهذا يقلل أيضًا من فقاعات الهواء بنسبة تصل إلى 90 %.

بالمقارنة مع الصب العادي، تقلل هذه العملية من الانكماش (0.5%)، وهو أقل من 1.2% عند التبريد. يساعد ذلك أيضًا في صنع الأجزاء التي سناب فيت.

هيكل معدني أقوى

تتجمع الجزيئات الصغيرة المستديرة الشكل شبه الصلبة في حالة شبه صلبة معًا بإحكام شديد. وهذا يعني أن لها بنية أكثر كثافة مع 20% قوة أكبر عند التمدد.

يمكنك ثنيها بقوة أكبر 15% قبل أن تنكسر. تدوم هذه الأجزاء 30% لفترة أطول مع تحمل الضغط المتكرر.

عدد أقل من الثقوب والعيوب

هناك تقريبًا صفر من المساحات الفارغة (1 إلى 2 %) داخل SSDC. في حين أن الصب بالقالب العادي لديه فرصة من 5 إلى 8 في المائة.

يتم التخلص من فقاعات الهواء، والثقوب، والانكماش، والشقوق، والبقع السطحية الخشنة بسبب هذه العملية.

توفير الطاقة

يجب أن تعرف ميزة أو فائدة أخرى لهذه العملية وهي توفير الطاقة. فهي تقلل من استخدام الطاقة بعدة طرق. على سبيل المثال:

• يسخن المعدن عند 580 درجة مئوية بدلاً من 680 درجة مئوية.
• تستخدم التدفقات الأسرع (25%) طاقة أقل.
• يقلل من نفايات المواد بنسبة تصل إلى 15 في المائة أثناء التشغيل.

انخفاض تكاليف الإنتاج

نظرًا لأن الأجزاء شبه الصلبة تحتاج إلى عدد أقل من ماكينات الصقل، فإنها توفر ما يصل إلى 401 تيرابايت 4 تيرابايت.

من بين مخرجات إنتاجها، يمكن رفض 5% من الأجزاء. وهذا أقل من 15 % من تلك العمليات العادية.

يمكنك استخدام قوالب SSDC 50000 مرة أخرى بدلاً من 30000 مرة فقط.

تطبيقات الصب بالقالب شبه الصلب

مكونات السيارات الحرجة

أجزاء الصب بالقالب شبه الصلب في صناعة السيارات هي:

• مفاصل التوجيه
• حوامل المحرك
• حالات الإرسال
• ملاقط الفرامل

تنتج هذه العملية أجزاء معقدة للغاية بتفاصيل هيكلية. على سبيل المثال، الإطارات الفرعية وأذرع التعليق ذات التصميمات المجوفة.

في السيارات الكهربائية (EVs)، تكون الأجزاء عبارة عن علب البطاريات ومرفقات المحرك. فهي خفيفة الوزن ومتينة. كما أنها تتعامل مع الاهتزازات المستمرة والضغوط الحرارية.

قطع غيار الطيران عالية الأداء

تنتج الحالة شبه الصلبة مكونات فضائية بجودة عالية الدقة. وهذه هي:

• أقواس الأجنحة
• مكونات معدات الهبوط
• أجزاء المحرك التوربيني
• مبيتات الرادار
• حاويات إلكترونيات الطيران
• قمر صناعي

فهي متينة وذات وزن أقل. ويستفيد منها غلاف نظام توجيه الصواريخ لقدرتها. فهي تحافظ على تفاوتات ضيقة في البيئات الحرجة.

مكاسب الأداء المقاسة

في الاختبارات الميدانية، تدوم ملاقط المكابح المصبوبة شبه الصلبة 80000 كم قبل أن تتآكل بالطريقة القديمة. وعلاوة على ذلك، تحصل الأجزاء المصبوبة بالطائرات على مقاومة إجهاد أكبر بمقدار 25%.

تكتسب أجزاء قطاعات السيارات مقاومة أفضل للصدمات (15%) أثناء العمل في اختبارات التصادم.

تطبيقات السوق المتنامية

وبمرور الوقت، تستفيد تطبيقات السوق المتنامية من شركة SSDC لإنشاء:

• علب هوائيات 5G دقيقة مع موجهات موجية مقاس 0.05 مم.
• صينية الزرع الطبية التي تحتوي على أسطح مقاومة للبكتيريا.
• علب محرك الطائرة بدون طيار مع تبديد أفضل للحرارة.

وعلاوة على ذلك، تستخدم السيارات الكهربائية هذه العملية من حيث الحصول على تسطيح 0.2 مم. وذلك على امتداد 300 مم في ألواح تبريد البطارية.

المواد المستخدمة في الصب بالقالب شبه الصلب

التسميات المحددة للسبائك

الألومنيوم A356 (AlSi7Mg) والمغنيسيوم AZ91D هما السبائك التي تعمل بشكل أفضل في الصب شبه الصلب. فهي تذوب بشكل أسرع وأكثر توازناً، مما يخلق نسيجاً مثالياً.

نظرًا لوجود قوة عالية في سبيكة A356، ولهذا السبب عادةً ما تستخدمها شركات السيارات 70%. وفي الوقت نفسه، تتماشى سبيكة AZ91D بشكل جيد مع صب علب الإلكترونيات خفيفة الوزن.

الخواص الانسيابية

توضح الرسوم البيانية كيفية عمل سبائك SSDC في مراحل مختلفة وأجزاء صلبة متفاوتة (Fs). عند Fs=0.37. يُظهر انخفاضًا في اللزوجة عندما يرتفع معدل القص من 1 إلى 10 ث -¹.

الكسور مثل Fs=0.48، وهي أعلى، تحافظ على سماكة التدفق. فهي تستخدم قوة أكبر لملء القوالب. يوضّح هذا الرسم البياني الوضع الذي يجعل المصنعين يستخدمون Fs بين 0.40 و0.45 للحصول على أفضل ناتج.

سلوك التصلب

تبريد الصب A356 في نطاق 50 درجة مئوية. فهي تتيح لك وقتًا كافيًا لنشر المعدن داخل القالب.

لزيادة هذا النطاق، يمكنك إضافة 0.31 تيرابايت 4 تيرابايت من المغنيسيوم. وذلك لزيادته حتى 15 درجة مئوية لتحسين التدفق.

وعلى العكس من ذلك، تأخذ سبيكة AZ91D شكلًا صلبًا بالكامل بسرعة أكبر. ومع ذلك، فهي تصنع أجزاء ذات جدران أقوى وأرق. يصل سمكها إلى 2 مم.

المعالجة الثانوية

وغالبًا ما تحتاج الأجزاء إلى خطوات أقل من المعالجة الثانوية. وذلك لأنها تحتاج إلى إزالة سطح 0.1 مم مقابل 0.5 مم للمسبوكات التقليدية.

كما أن تمرير سبيكة A356 من خلال المعالجة الحرارية يجلب قوة محسنة تصل إلى 20% دون التواء.

الصب بالقالب شبه الصلب مقابل الصب بالقالب التقليدي

مقارنة معلمات العملية

الهيكل المادي

يعطي الهيكل الكروي في الصب شبه الصلب صلابة أعلى بنسبة 20 في المائة من هيكل الصب القديم. ويحتوي على حوالي 2 % مسامية؛ وعلى العكس من ذلك، 5.8%.

عوامل التكلفة

ومع ذلك، فإن التكلفة الأولية أعلى حتى 20%. وبغض النظر عن ذلك، يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة لأنها تقلل من نفايات المواد بحوالي 15% وتكاليف التصنيع بما يصل إلى 40%. وهذا يعوض نفقاتها الأولية.

متى تختار

اختاري المواد شبه الصلبة عند الحاجة:

اختر عملية صب القوالب شبه الصلبة عند الإنتاج:

• جدران رقيقة (<3 مم)
• قوة عالية (>250 ميجا باسكال)
• أحجام أكبر من 20,000 وحدة/سنة
• تشطيبات نهائية ناعمة (<3.2 ميكرومتر Ra)

الخلاصة:

يتم تصنيع الصب بالقالب شبه الصلب بجودة أعلى من الصلابة. كما أنها تضيف أيضًا تشطيبًا ممتازًا للسطح بأقل قدر من المسامية، حوالي 30% أقل من العملية العادية.

على الرغم من أن هذه التقنية تستخدم سبائك محددة وإعدادات أولية باهظة الثمن، إلا أنها تصبح فعالة من حيث التكلفة لتصنيع أجزاء تتجاوز 20000 وحدة.

يتطلع السوق القادم إلى توسيع نطاق تطبيقات SSDC في مجال السيارات والفضاء والتقنيات الناشئة. ويركز على اكتشاف التطورات في التحكم في العمليات والأدوات أيضًا.