Beim Semi-Solid-Druckguss (SSDC) wird ein Metallschlamm (20-60% fest) bei 580-620°C unter 50-100 MPa Druck eingespritzt. Dadurch entsteht eine kugelförmige Mikrostruktur, die die Festigkeit um bis zu 20% erhöht. Die Scherraten liegen in der Regel unter 10 s-¹, was eine kontrollierte Formfüllung für präzise Teile gewährleistet. Zu den gängigen Legierungen gehören Aluminium A356 und Magnesium AZ91D.

Erfahren Sie, warum SSDC bevorzugt wird, um präzise Ergebnisse zu erzielen. Entdecken Sie, wie es funktioniert und was seine wichtigsten Methoden, Anwendungen und Vorteile sind.

Was ist Semi-Solid-Druckguss?

Halbfest Druckguss ist ein Herstellungsverfahren. Es wird verwendet, um Metall in einen halbfesten Zustand zu bringen. Diese Teile sind teigartig und enthalten sowohl flüssige als auch feste Formen. Diese Art von Schlicker hilft dem Hersteller bei der Herstellung hochwertiger, komplizierter Teile. Sie ist in der Industrie weit verbreitet, sei es in der Automobilindustrie oder in der Unterhaltungselektronik. SSDC-Teile sind stabiler und weisen im Vergleich zum herkömmlichen Guss fast keine Fehler auf.

 Thixotropie und Rheopexie

1. Rheocasting (Thixotropes Verhalten)

Der Prozess des Rheogießens wird eingeleitet, nachdem man einen Standard-Metallbarren hat. Das kann die Aluminiumlegierung A356 sein. Metallverarbeiter schmelzen diese Barren bei einer Anfangstemperatur von 650 °C in einem Ofen.

Wenn dieses geschmolzene Material bei einer halbfesten Temperatur von 580 °C abzukühlen beginnt, verwenden die Arbeiter einen mechanischen Rührer, der mit 500 Umdrehungen pro Minute rotiert. Auf diese Weise zerfallen die festen Partikel in winzige Kügelchen. Sie haben eine Größe von 50-100 Mikrometern.

Das Rühren bewirkt ein thixotropes Verhalten. Das ist der halbfeste Guss mit 40%-Feststoffteilchen. Es fließt sehr sanft, wenn Sie drücken.

Dieser Schlicker wird später für das Gießen vielseitiger Komponenten in der Industrie verwendet, z. B. für die Aufhängung von Autos.

2. Thixocasting (rheopektisches Verhalten)

Beim Thixocasting verwenden die Hersteller vorgefertigte Knüppel. Dabei handelt es sich um eine Art von Legierungen wie Magnesium AZ91D. In der Regel weist dieses Material bereits ein kugelförmiges Gefüge auf.

Die Metallarbeiter sahen diese Knüppel zuerst. Ihre Länge variiert in vielen Fällen, liegt aber meist bei 150 mm. Sie schmelzen diese Knüppel bei einer Temperatur von 575 °C um. Das entspricht dem üblichen Thixocasting. Das Verfahren dauert 15 Minuten in einem Induktionsofen, bis das Material eine ideale halbfeste Form annimmt.

Die Hersteller drücken dieses Material mit 1 m/s in die Form. Das ist etwas ganz anderes als Thixotropie, weil es nicht dünner ist. Stattdessen handelt es sich um eine Art Rheopexie.

Dieser Prozess erhöht die Viskosität unter Scherung (10%). Dies führt zu einem geringen Risiko von Turbulenzen und Lufteinschlüssen. Beim Gießen von Komponenten wie Laptopgehäusen führen diese Eigenschaften zu glatteren Oberflächen.

Wie steuert die Scherrate den Durchfluss?

Die halbfesten Metalle haben Scherraten unter dem typischen Bereich von 10 s-¹. Da es sich um einen dicken Zustand handelt, bewegt es sich langsam in einen Formhohlraum und füllt jeden Abschnitt ordnungsgemäß aus, was insbesondere bei dünnen Gussstücken erforderlich ist.

Die Scherung erhöht sich, wenn schmale Anschnitte das Metall mit hoher Geschwindigkeit schieben. Sie füllt die Form innerhalb von 0,5 Sekunden und stellt präzise Produkte her.

Die Scherverdünnung ist der Parameter. Dies ermöglicht es den Arbeitern, das Fließen des Metalls in den verschiedenen Phasen des Gießens zu bewältigen.

Feststofffraktion

Der Feststoffanteil (fₛ) ist der Anteil des Feststoffgehalts in SSDC. Diesen Anteil halten die Hersteller in einem praktikablen Bereich von 20% und 60%.

Bei niedrigeren Bedingungen unter 20% wird das Metall flüssig und bei zu hohen Bedingungen über 60% wird es härter. Das verursacht Probleme in der Form.

Entwicklung der Mikrostruktur

Im Vergleich zu der alten dendritischen Struktur hat halbfestes Metall eine kugelförmige oder rosettenartige Mikrostruktur. Die Partikel sind rund, was einen gleichmäßigeren Fluss ermöglicht und Defekte minimiert. Höhere Festigkeit und bessere Qualität sind die grundlegenden Ergebnisse dieses Verfahrens bei den Endprodukten.

Semi-Solid-Druckgussverfahren

Methoden der Güllegewinnung

1. Dehnungsinduzierte Schmelzaktivierung (SIMA):

Nach dem Kauf von Standard-Knüppeln werden diese bei 300 °C gedehnt. Anschließend werden sie in Öfen bei 580 °C wieder erhitzt. In dieser flüssigen Matrix bilden sich kugelförmige Partikel (50μm). Das ist gut genug für die halbfeste Verarbeitung.

2. Magnetohydrodynamisches Rühren (MHD)

Elektromagnetische Spulen verwenden 500A Strom. Diese arbeiten, um 600 U/min berührungslos zu rühren. 40% idealen festen Zustand ist als Ergebnis mit diesem Prozess gebildet, die Vermeidung von Kontamination.

3. Kühlschräge Gießen

Der Hersteller lässt den geschmolzenen Zustand des Metalls bei 620°C auf der Schräge ablaufen. Das ist normalerweise ein Kupfergefälle mit einer 60°-Position.

Sie verwenden eine schnellere Kühlung, um einen halbfesten Schlamm in mehr als 3 Sekunden zu erhalten.

Änderungen an der Einspritzeinheit

Verwenden Sie einen speziellen Typ von Kurzmantel mit keramischer Wärmebeschichtung. Sie halten die Temperatur des Schlickers bei 570°C. So können Sie ihn während der gesamten Einspritzphase unbesorgt gießen.

Darüber hinaus sorgen präzisionsgefertigte Kolben für eine gleichmäßige Füllung der Form. Sie arbeitet mit einer kritischen Geschwindigkeit von 0,3-0,8 m/s. Diese Eigenschaft sorgt für einen gleichmäßigen Betrieb und reduziert die schädliche Phasentrennung. Diese findet zwischen den flüssigen und festen Partikeln des Schlickers statt.

Überlegungen zur Werkzeugkonstruktion

Bei Angusssystemen müssen Sie eine 30% größere Querschnittsfläche als bei herkömmlichen Matrizen verwenden. Dadurch wird der ordnungsgemäße Fluss von halbfesten Metallen unterstützt.

Bei Laufschienensystemen sollten Sie allmähliche Kurven einbauen. Diese haben einen Radius von mindestens 20 mm. Auf diese Weise wird der laminare Metallfluss aufrechterhalten und Turbulenzen werden minimiert.

Die Entlüftungsschlitze sind mit einer Breite von 0,1 mm präzise gefräst. Damit wird der Lufteinschluss beim Gießen kontrolliert. Außerdem werden dadurch Leckageprobleme gelöst.

Vorteile des Semi-Solid-Druckgusses

Glattere Oberflächen und präzisere Größen

Halbfestes Metall fließt mit kontrollierter Geschwindigkeit in die Formteile. Das ist viel langsamer als flüssiges Metall. Dadurch werden auch die Luftblasen um bis zu 90 % reduziert.

Im Vergleich zum regulären Gießen wird bei diesem Verfahren die Schrumpfung reduziert (0,5%), die geringer ist als die 1,2% beim Abkühlen. Das hilft auch bei der Herstellung von Teilen, die Einschnappbar.

Stärkere Metallstruktur

Die kleinen, runden, geformten Partikel des halbfesten Zustandes packen dicht genug zusammen. Dies bedeutet, dass sie eine dichtere Struktur mit 20% mehr Festigkeit haben, wenn sie gedehnt werden.

Sie können sie mit mehr Kraft 15% biegen, bevor sie brechen. Diese Teile dauern 30% länger mit Ausdauer der wiederholten Belastung.

Weniger Löcher und Defekte

Es gibt fast keine leeren Stellen (1 bis 2 %) innerhalb von SSDC. Beim normalen Druckguss liegt die Wahrscheinlichkeit bei 5 bis 8 Prozent.

Luftblasen, Löcher, Schrumpfungen, Risse und raue Oberflächenstellen werden durch dieses Verfahren beseitigt.

Energieeinsparung

Ein weiteres Merkmal oder ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Energieeinsparung. Es reduziert den Energieverbrauch in vielerlei Hinsicht. Zum Beispiel:

• Das Metall erhitzt sich bei 580°C statt bei 680°C.
• Schnellere Flüsse (25%) verbrauchen weniger Energie.
• Es reduziert den Materialabfall während des Betriebs um bis zu 15 Prozent.

Niedrigere Produktionskosten

Da die halbfesten Teile weniger Poliermaschinen benötigen, spart man bis zu 40% ein.

Von ihrer Produktionsleistung können 5% Teile zurückgewiesen werden. Das sind weniger als 15 % der normalen Prozesse.

Sie können die SSDC-Formen 50000 Mal statt nur 30000 Mal verwenden.

Anwendungen des Semi-Solid-Druckgusses

Kritische Automobilkomponenten

Die Teile des Semi-Solid-Druckgusses in der Automobilindustrie sind:

• Achsschenkel
• Motorhalterungen
• Getriebegehäuse
• Bremssättel

Bei diesem Verfahren entstehen hochkomplexe Teile mit strukturellen Details. Zum Beispiel Hilfsrahmen und Querlenker mit Hohlprofilen.

Bei Elektrofahrzeugen handelt es sich um Batteriegehäuse und Motorgehäuse. Sie sind leicht und langlebig. Außerdem halten sie ständigen Vibrationen und thermischen Belastungen stand.

Hochleistungsteile für die Luft- und Raumfahrt

Im halbfesten Zustand werden Bauteile für die Luft- und Raumfahrt in Präzisionsqualität hergestellt. Diese sind:

• Flügelhalterungen
• Fahrwerkskomponenten
• Teile für Turbinenmotoren
• Radar-Gehäuse
• Avionik-Gehäuse
• Satellit

Sie sind langlebig und haben ein geringes Gewicht. Das Gehäuse des Raketenleitsystems nutzt sie für seine Fähigkeit. Sie halten enge Toleranzen in kritischen Umgebungen ein.

Gemessene Leistungssteigerungen

In Feldversuchen halten halbfeste Gussbremssättel 80000 km, bevor sie nach der alten Methode verschleißen. Außerdem erhalten Flugzeuggussteile 25% mehr Ermüdungswiderstand.

Die Teile des Automobilsektors erhalten eine bessere Schlagfestigkeit (15%), wenn sie in Crashtests eingesetzt werden.

Wachsender Markt Anwendungen

Mit der Zeit werden immer mehr Marktanwendungen mit Hilfe von SSDC erstellt:

• Präzise 5G-Antennengehäuse mit 0,05 mm Hohlleitern.
• Medizinisches Implantat-Tablett mit bakterienresistenten Oberflächen.
• Drohnenmotorgehäuse mit besserer Wärmeableitung.

Außerdem wird dieses Verfahren bei Elektrofahrzeugen eingesetzt, um eine Ebenheit von 0,2 mm zu erreichen. Das entspricht einer Spannweite von 300 mm bei den Kühlplatten der Batterie.

Materialien für den Semi-Solid-Druckguss

Spezifische Legierungsbezeichnungen

Aluminium A356 (AlSi7Mg) und Magnesium AZ91D sind die Legierungen, die sich am besten für den Semi-Solid-Druckguss eignen. Sie schmelzen schneller und gleichmäßiger und erzeugen eine ideale Textur.

Da die Legierung A356 eine hohe Festigkeit aufweist, wird sie von Automobilherstellern in der Regel als 70% verwendet. Inzwischen ist die Legierung AZ91D geht gut mit dem Gießen von leichten Elektronikgehäuse.

Rheologische Eigenschaften

Die Diagramme zeigen, wie die Legierungen von SSDC in verschiedenen Stadien und bei unterschiedlichen Feststoffanteilen (Fs) funktionieren. Bei Fs=0,37. Es zeigt einen Rückgang der Viskosität, wenn die Scherrate von 1 auf 10 s-¹ ansteigt.

Höhere Fraktionen wie Fs=0,48 führen zu einer Verdickung des Flusses. Sie benötigen mehr Kraft, um die Formen zu füllen. Dieses Diagramm verdeutlicht, warum Hersteller Fs zwischen 0,40 und 0,45 verwenden, um die beste Leistung zu erzielen.

Erstarrungsverhalten

A356 Gussabkühlungen im Bereich von 50°C. So haben Sie genügend Zeit, um das Metall in der Form zu verteilen.

Um diesen Bereich zu vergrößern, können Sie 0,3% Magnesium hinzufügen. Das ist, um es bis zu 15 ° C für eine bessere Strömung zu erhöhen.

Umgekehrt nimmt die Legierung AZ91D schneller eine vollständig feste Form an. Sie ergibt jedoch Teile mit stärkeren, dünneren Wänden. Sie sind bis zu 2 mm dicker.

Sekundäre Verarbeitung

Die Teile benötigen oft weniger Schritte der Nachbearbeitung. Der Grund dafür ist, dass die Oberfläche nur 0,1 mm abgetragen werden muss, während bei herkömmlichen Gussteilen 0,5 mm erforderlich sind.

Außerdem bringt die Wärmebehandlung der Legierung A356 eine verbesserte Festigkeit bis zu 20% ohne Verzug.

Semi-solid Druckguss vs. Traditioneller Druckguss

Vergleich der Prozessparameter

Materielle Struktur

Die kugelförmige Struktur des halbfesten Gusses ergibt eine 20 % höhere Zähigkeit als die Struktur des alten Gusses. Sie enthält etwa 2 % Porosität; umgekehrt sind es 5,8%.

Kosten-Faktoren

Die anfänglichen Kosten sind jedoch mit bis zu 20% höher. Nichtsdestotrotz kann es kosteneffektiv sein, da es den Materialabfall um 15% und die Bearbeitungskosten um bis zu 40% reduziert. Das gleicht die anfänglichen Kosten aus.

Wann man wählen sollte

Entscheiden Sie sich im Bedarfsfall für halbfeste Produkte:

Entscheiden Sie sich für ein Semi-Solid-Druckgussverfahren, wenn Sie produzieren:

• Dünne Wände (<3mm)
• Hohe Festigkeit (>250 MPa)
• Volumina >20.000 Einheiten/Jahr
• Glatte Oberflächen (<3,2μm Ra)

Schlussfolgerung:

Semi-Solid-Druckguss wird mit einer höheren Qualität der Zähigkeit hergestellt. Außerdem wird eine hervorragende Oberflächenbearbeitung mit minimaler Porosität erreicht, die um 30% geringer ist als beim herkömmlichen Verfahren.

Obwohl die Technik spezielle Legierungen und teure Anfangsvorbereitungen erfordert, wird sie bei der Herstellung von Teilen mit mehr als 20000 Stück kosteneffektiv.

Der aufstrebende Markt freut sich auf die Ausweitung von SSDC-Anwendungen in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in neuen Technologien. Er konzentriert sich auch auf die Entdeckung von Fortschritten in der Prozesssteuerung und im Werkzeugbau.