Semi-Solid Die Casting (SSDC) indebærer indsprøjtning af en metalopslæmning (20-60% fast stof) ved 580-620 °C under 50-100 MPa tryk. Dette danner en kugleformet mikrostruktur, der øger styrken med op til 20%. Forskydningshastighederne er typisk under 10 s-¹, hvilket sikrer kontrolleret formfyldning til præcise dele. Almindelige legeringer omfatter aluminium A356 og magnesium AZ91D.

Lær, hvorfor SSDC er at foretrække for at opnå præcise resultater. Find ud af, hvordan det fungerer, og hvad de vigtigste metoder, anvendelser og fordele er.

Hvad er halvfast trykstøbning?

Halvfast trykstøbning er en fremstillingsproces. Den bruges til at forme metal til en halvfast tilstand. Disse dele er dejlignende og indeholder både flydende og faste former. Denne form for opslæmning hjælper producenten med at producere komplicerede dele i topkvalitet. Det bruges i vid udstrækning i industrien, uanset om det er bilindustrien eller forbrugerelektronik. SSDC-dele er stærkere og har næsten ingen defekter sammenlignet med traditionel støbning.

 Thixotropi og rheopexi

1. Rheocasting (tixotropisk adfærd)

Processen med rheocasting indledes, når man har en standard metalbarre. Det kan være aluminiumslegering A356. Metalarbejdere smelter disse barrer ved en begyndelsestemperatur på 650 °C i en ovn.

Når dette smeltede materiale begynder at køle ned til en halvfast temperatur på 580 °C, bruger arbejderne en mekanisk omrører, som roterer med 500 omdrejninger i minuttet. På den måde brydes de faste partikler op i bittesmå kugler. De er 50-100 mikrometer store.

Omrøringen skaber tiksotropisk adfærd. Det er støbning i halvfast tilstand med 40% faste partikler. Det flyder meget jævnt, når du skubber.

Denne slam bruges senere til støbning af alsidige komponenter i industrien, f.eks. komponenter til bilophæng.

2. Thixocasting (reopektisk adfærd)

Ved thixocasting bruger producenterne færdiglavede emner. Det er en slags legeringer som f.eks. magnesium AZ91D. Normalt er der allerede en ordentlig kugleformet mikrostruktur i dette materiale.

Metalarbejderne så først disse billets. Deres længder varierer i mange tilfælde, men de ligger normalt på 150 mm. De smeltede dem om ved en temperatur på 575 °C. Det stemmer overens med standard thixocasting. Processen varer 15 minutter i en induktionsovn, indtil materialet får en ideel halvfast form.

Producenterne skubber dette materiale ind i formen med 1 m/s. Det er helt anderledes end thixotropic, fordi det ikke er tyndere. I stedet er det en slags rheopexy.

Denne proces øger viskositeten under forskydning (10%). Dette resulterer i lav risiko for turbulent flow og luftindeslutning. Når de støber komponenter som kabinetter til bærbare computere, giver disse egenskaber glattere overflader.

Hvordan styrer forskydningshastigheden flowet?

De halvfaste metaller har forskydningshastigheder under det typiske interval på 10 s-¹. Da det er en tyk tilstand, bevæger det sig langsomt ind i et formhulrum og fylder hver sektion ordentligt, især ved behov for tynd støbning.

Forskydningen øges, når smalle porte skubber metallet ved høje hastigheder. Den fylder formen inden for 0,5 sekunder og fremstiller præcise produkter.

Forskydningstyndingen er parameteren. Det gør det muligt for arbejderne at håndtere metalflowet i de forskellige faser af støbningen.

Fast fraktion

Den faste fraktion (fₛ) er andelen af det faste indhold i SSDC. Det er det, producenterne holder inden for et muligt interval af 20% og 60%.

Lavere forhold end 20% gør metallet flydende, og for høje forhold, mere end 60%, resulterer i en hårdere form. Det giver problemer i formen.

Mikrostrukturens udvikling

I forhold til den gamle dendritiske struktur har halvfast metal en kugleformet eller rosetlignende mikrostruktur. Partiklerne er runde, hvilket giver et mere jævnt flow og minimerer defekter. Forbedret styrke og fin kvalitet er de grundlæggende resultater af denne proces i det endelige output.

Semi-fast trykstøbningsproces

Metoder til generering af gylle

1. Belastningsinduceret smelteaktivering (SIMA):

Når producenterne har købt standardblokke, filtrerer de dem ved 300° C. Derefter lægger de dem i ovne til genopvarmning ved 580° C. I denne flydende matrix dannes der sfæriske partikler (50 μm). Det er godt nok til halvfast forarbejdning.

2. Magnetohydrodynamisk (MHD) omrøring

Elektromagnetiske spoler bruger 500A strøm. Det giver en omrøring på 600 rpm uden kontakt. 40% ideel fast tilstand dannes som et resultat af denne proces, så man undgår kontaminering.

3. Støbning af kølehældning

Producenten lader det smeltede metal ved 620 °C flyde ned ad skråningen. Det er normalt en kobberhældning med en 60°-position.

De bruger hurtigere afkøling for at få en halvfast gylle på mere end 3 sekunder.

Modifikationer af indsprøjtningsenheden

Brug en særlig type kort ærme med keramisk termisk belægning. De holder temperaturen på opslæmningen på 570°C. Så du kan støbe den uden at bekymre dig under hele indsprøjtningsfasen.

Derudover sikrer præcisionsudviklede stempler, at formen fyldes jævnt. Den arbejder med en kritisk hastighed på 0,3-0,8 m/s. Denne funktion afbalancerer driften og reducerer skadelig faseseparation. Det sker mellem gyllens flydende og faste partikler.

Overvejelser om formdesign

Du skal bruge et 30% større tværsnitsareal end konventionelle matricer, når det drejer sig om slusesystemer. Det vil hjælpe med at opretholde et korrekt flow af halvfaste metaller.

Til løbesystemer skal der indbygges gradvise krumninger. Den skal have en radius på mindst 20 mm. Ved at gøre dette vil teknikkerne opretholde et laminært metalflow og minimere turbulens.

Når vi taler om udluftningsspalter, er de præcist bearbejdet til 0,1 mm bredde. Det vil kontrollere luftindeslutning under støbning. Heri håndterer de også problemer med lækage.

Fordele ved halvfast trykstøbning

Glattere overflader og præcise størrelser

Halvfast metal flyder ind i formsektioner med en kontrolleret hastighed. Det er meget langsommere end flydende metal. Det reducerer også luftboblerne med op til 90 %.

Sammenlignet med almindelig støbning reducerer denne proces svind (0,5%), hvilket er mindre end de 1,2% ved afkøling. Det hjælper også med at lave dele, der er Snap-fit.

Stærkere metalstruktur

De små, runde, formede partikler i halvfast tilstand pakker sig tæt nok sammen. Det betyder, at de har en tættere struktur med 20% større styrke, når de strækkes.

Du kan bøje den med mere kraft 15% før brud. Disse dele holder 30% længere med udholdenhed af gentagen stress.

Færre huller og defekter

Der er næsten ingen tomme pladser (1 til 2 %) inde i SSDC. I mellemtiden har almindelig trykstøbning en chance på 5 til 8 procent.

Luftbobler, huller, krympning, revner og ujævne overflader elimineres på grund af denne proces.

Energibesparelser

Du skal vide, at en anden funktion eller fordel ved denne proces er energibesparelse. Den reducerer energiforbruget på mange måder. For eksempel:

• Metallet opvarmes ved 580°C i stedet for 680°C.
• Hurtigere flows (25%) bruger mindre energi.
• Det reducerer materialespild med op til 15 procent under drift.

Lavere produktionsomkostninger

Fordi de halvfaste dele har brug for færre poleringsmaskiner, sparer man op til 40% på det.

Blandt deres produktionsoutput kan 5% dele blive afvist. Det er mindre end 15 % af de normale processer.

Du kan bruge SSDC-formene 50000 gange mere i stedet for kun 30000 gange.

Anvendelser af halvfast trykstøbning

Kritiske komponenter til biler

Delene af halvfast trykstøbning i bilindustrien er:

• Styretøjsled
• Motorophæng
• Transmissionskasser
• Bremsekalibre

Denne proces producerer meget komplekse dele med strukturelle detaljer. For eksempel underrammer og ophængningsarme med hule konstruktioner.

I elbiler er delene batterihuse og motorkabinetter. De er lette og holdbare. De håndterer også konstante vibrationer og termiske belastninger.

Højtydende dele til luft- og rumfart

Den halvfaste tilstand producerer rumfartskomponenter med præcisionskvalitet. Disse er:

• Vingebeslag
• Komponenter til landingsstel
• Dele til turbinemotorer
• Radarkasser
• Kabinetter til flyelektronik
• Satellit

De er holdbare og vejer mindre. Missilstyringssystemets kabinet udnytter det til sin formåen. De holder snævre tolerancer i kritiske miljøer.

Målte præstationsgevinster

I felttest holder halvfast støbte bremsekalibre 80000 km, før de slides op med den gamle metode. Desuden får støbte dele til fly 25% mere udmattelsesmodstand.

Delene til bilindustrien får bedre slagfasthed (15%), når de bruges i kollisionstests.

Voksende markedsapplikationer

Med tiden vil voksende markedsapplikationer udnytte SSDC til at skabe:

• Præcise 5G-antennehuse med 0,05 mm bølgeledere.
• Medicinsk implantatbakke med bakterieresistente overflader.
• Drone-motorhuse med bedre varmeafledning.

Desuden bruger elbiler denne proces til at opnå en planhed på 0,2 mm. Det er på tværs af 300 mm spændvidde i batteriets køleplader.

Materialer brugt i halvfast trykstøbning

Specifikke legeringsbetegnelser

Aluminium A356 (AlSi7Mg) og magnesium AZ91D er de legeringer, der fungerer bedst i halvfast trykstøbning. De smelter hurtigere og mere jævnt og skaber en ideel tekstur.

Fordi der er høj styrke i A356-legeringen, er det derfor, bilvirksomheder normalt bruger den 70%. I mellemtiden passer legeringen AZ91D godt til støbning af letvægtselektronikkasser.

Reologiske egenskaber

Diagrammerne viser, hvordan SSDC-legeringerne fungerer på forskellige stadier og med forskellige faststoffraktioner (Fs). Ved Fs=0,37. Det viser et fald i viskositeten, når forskydningshastigheden stiger fra 1 til 10 s-¹.

Fraktioner som Fs=0,48, som er højere, holder flowet tykkere. De bruger mere kraft til at fylde matricerne. Denne graf viser, hvorfor producenterne bruger Fs mellem 0,40 og 0,45 for at få det bedste output.

Opførsel ved størkning

A356-støbning afkøles i 50°C-området. De giver dig tid nok til at sprede metallet inde i formen.

For at øge dette interval kan du tilføje 0,3% magnesium. Det er for at øge temperaturen til 15 °C og få et bedre flow.

Omvendt får legeringen AZ91D hurtigere en helt fast form. Det giver dog dele med stærkere og tyndere vægge. De er op til 2 mm tykkere.

Sekundær forarbejdning

Delene har ofte brug for færre trin i den sekundære forarbejdning. Det skyldes, at det kræver 0,1 mm overfladefjernelse mod 0,5 mm for konventionelle støbninger.

Når A356-legeringen gennemgår varmebehandling, forbedres styrken op til 20% uden forvridning.

Halvfast trykstøbning vs. traditionel trykstøbning

Sammenligning af procesparametre

Materialestruktur

Den kugleformede struktur i halvfast støbning giver 20 procent højere sejhed end den gamle støbnings struktur. Den indeholder ca. 2 % porøsitet; omvendt 5,8%.

Omkostningsfaktorer

Startomkostningerne er dog højere op til 20%. Uanset hvad kan det være omkostningseffektivt, da det reducerer materialespild med omkring 15% og bearbejdningsomkostninger med op til 40%. Det opvejer de indledende omkostninger.

Hvornår skal man vælge

Vælg halvfast, når du har brug for det:

Vælg en halvfast trykstøbningsproces, når du producerer:

• Tynde vægge (<3mm)
• Høj styrke (>250 MPa)
• Mængder >20.000 enheder/år
• Glatte overflader (<3,2 μm Ra)

Konklusion:

Halvfast trykstøbning er lavet med en højere kvalitet af sejhed. Det giver også en fremragende overfladebehandling med minimal porøsitet, omkring 30% mindre end den almindelige proces.

Selvom teknikken bruger specifikke legeringer og dyre indledende opsætninger, bliver den omkostningseffektiv til fremstilling af dele, der overstiger 20000 enheder.

Det kommende marked ser frem til at udvide SSDC-applikationer på tværs af bilindustrien, luft- og rumfart og nye teknologier. Det fokuserer også på at opdage fremskridt inden for processtyring og værktøj.