Η ημιστερεά χύτευση (SSDC) περιλαμβάνει την έγχυση ενός μεταλλικού αιωρήματος (στερεό 20-60%) στους 580-620°C υπό πίεση 50-100 MPa. Αυτό σχηματίζει μια σφαιρική μικροδομή, ενισχύοντας την αντοχή έως και 20%. Οι ρυθμοί διάτμησης είναι συνήθως κάτω από 10 s-¹, εξασφαλίζοντας ελεγχόμενη πλήρωση καλουπιών για ακριβή εξαρτήματα. Τα συνήθη κράματα περιλαμβάνουν το αλουμίνιο A356 και το μαγνήσιο AZ91D.

Μάθετε γιατί το SSDC προτιμάται για να έχετε αποτελέσματα ακριβείας. Ανακαλύψτε πώς λειτουργεί και ποιες είναι οι βασικές μέθοδοι, οι εφαρμογές και τα πλεονεκτήματά της.

Τι είναι η ημι-στερεά χύτευση;

Ημιστερεά χύτευση σε μήτρα είναι μια διαδικασία κατασκευής. Χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση του μετάλλου σε ημιστερεά κατάσταση. Αυτά τα μέρη μοιάζουν με ζύμη, που περιέχει εξίσου τόσο υγρά όσο και στερεά σχήματα. Αυτό το είδος πολτού βοηθά τον κατασκευαστή να παράγει υψηλής ποιότητας, περίπλοκα εξαρτήματα. Χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανίες, είτε πρόκειται για την αυτοκινητοβιομηχανία είτε για τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Τα εξαρτήματα SSDC είναι ισχυρότερα και έχουν σχεδόν μηδενικά ελαττώματα σε σύγκριση με την παραδοσιακή χύτευση.

 Θιξοτροπία και ρεοπεξία

1. Ρεοχύτευση (Θιξοτροπική συμπεριφορά)

Η διαδικασία της ρεοχύτευσης ξεκινάει μετά την ύπαρξη ενός τυποποιημένου μεταλλικού πλινθίου. Αυτό μπορεί να είναι το κράμα αλουμινίου A356. Οι μεταλλουργοί λιώνουν αυτές τις ράβδους σε αρχική θερμοκρασία 650°C σε κλίβανο.

Όταν αυτό το λιωμένο υλικό αρχίζει να ψύχεται σε θερμοκρασία ημιστερεού υλικού 580°C, οι εργάτες χρησιμοποιούν έναν μηχανικό αναδευτήρα, περιστρέφοντάς τον με 500 στροφές ανά λεπτό. Με τον τρόπο αυτό, τα στερεά σωματίδια διασπώνται σε μικροσκοπικά σφαιρίδια. Το μέγεθός τους είναι 50-100 μικρόμετρα.

Η ανάδευση προκαλεί θιξοτροπική συμπεριφορά. Αυτή είναι η χύτευση σε ημιστερεά κατάσταση με στερεά σωματίδια 40%. Ρέει πολύ ομαλά όταν σπρώχνετε.

Αυτός ο πολτός χρησιμοποιείται αργότερα για τη χύτευση ευπροσάρμοστων εξαρτημάτων βιομηχανιών, όπως εξαρτήματα ανάρτησης αυτοκινήτων.

2. Thixocasting (Ρεοπηκτική συμπεριφορά)

Στη θιξοχύτευση, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν προκατασκευασμένα τεμάχια. Πρόκειται για κράματα όπως το μαγνήσιο AZ91D. Συνήθως, υπάρχει ήδη κατάλληλη σφαιρική μικροδομή σε αυτό το υλικό.

Οι μεταλλουργοί είδαν για πρώτη φορά αυτά τα μπλοκ. Το μήκος τους ποικίλλει σε πολλές περιπτώσεις, αλλά συνήθως κυμαίνεται από 150 mm. Έχουν επαναλιώσει αυτά τα κομμάτια, εφαρμόζοντας θερμοκρασία 575°C. Αυτό ευθυγραμμίζεται με την τυπική θιξοχύτευση. Η διαδικασία διαρκεί 15 λεπτά σε επαγωγικό κλίβανο μέχρι το υλικό να πάρει μια ιδανική ημιστερεά μορφή.

Οι κατασκευαστές ωθούν το υλικό αυτό στο καλούπι με ταχύτητα 1 m/s. Αυτό διαφέρει αρκετά από το θιξοτροπικό, επειδή δεν είναι λεπτότερο. Αντίθετα, πρόκειται για ένα είδος ρεοπεξίας.

Η διαδικασία αυτή αυξάνει το ιξώδες υπό διάτμηση (10%). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα χαμηλούς κινδύνους τυρβώδους ροής και παγίδευσης αέρα. Όταν χύνουν εξαρτήματα όπως τα περιβλήματα φορητών υπολογιστών, αυτά τα χαρακτηριστικά παράγουν πιο ομαλές επιφάνειες.

Πώς ο ρυθμός διάτμησης ελέγχει τη ροή;

Τα ημιστερεά μέταλλα έχουν ποσοστά διάτμησης κάτω από το τυπικό εύρος των 10 s-¹. Όντας μια παχιά κατάσταση, κινείται αργά μέσα σε μια κοιλότητα καλουπιού, γεμίζοντας κάθε τμήμα κατάλληλα, ειδικά όταν χρειάζεται λεπτή χύτευση.

Η διάτμηση αυξάνεται όταν οι στενές πύλες πιέζουν το μέταλλο με υψηλές ταχύτητες. Γεμίζει το καλούπι μέσα σε 0,5 δευτερόλεπτα, κατασκευάζοντας προϊόντα ακριβείας.

Η διατμητική αραίωση είναι η παράμετρος. Αυτό επιτρέπει στους εργαζόμενους να αντιμετωπίσουν τη ροή του μετάλλου κατά τα διάφορα στάδια της χύτευσης.

Στερεό κλάσμα

Το στερεό κλάσμα (fₛ) είναι η αναλογία του στερεού περιεχομένου στο SSDC. Αυτό είναι που οι κατασκευαστές διατηρούν σε ένα εφικτό εύρος 20% και 60%.

Χαμηλότερες συνθήκες κάτω από 20% κάνουν το μέταλλο ρευστό και πολύ υψηλές, πάνω από 60%, οδηγούν σε σκληρότερη μορφή. Προκαλεί προβλήματα στο καλούπι.

Εξέλιξη μικροδομής

Σε σύγκριση με την παλαιά δενδριτική δομή, το ημιστερεό μέταλλο έχει σφαιρική ή ροζέττα μικροδομή. Τα σωματίδια έχουν στρογγυλό σχήμα, επιτρέποντας την ομαλότερη ροή και ελαχιστοποιώντας τις ατέλειες. Η βελτιωμένη αντοχή και η λεπτή ποιότητα είναι τα βασικά αποτελέσματα αυτής της διαδικασίας στις τελικές εκροές.

Διαδικασία ημι-στερεάς χύτευσης

Μέθοδοι παραγωγής πολτού

1. Ενεργοποίηση τήξης λόγω τάσης (SIMA):

Αφού αγοράσουν τυποποιημένα billets, οι κατασκευαστές τα στραγγίζουν στους 300° C. Στη συνέχεια τα τοποθετούν σε κλιβάνους για αναθέρμανση στους 580° C. Σε αυτή την υγρή μήτρα σχηματίζονται σφαιρικά σωματίδια (50μm). Αυτό είναι αρκετά καλό για ημιστερεά επεξεργασία.

2. Μαγνητοϋδροδυναμική (MHD) ανάδευση

Τα ηλεκτρομαγνητικά πηνία χρησιμοποιούν ρεύμα 500Α. Αυτό λειτουργεί για να κάνει ανάδευση 600 στροφών ανά λεπτό χωρίς επαφή. 40% ιδανική στερεά κατάσταση σχηματίζεται ως αποτέλεσμα με αυτή τη διαδικασία, αποφεύγοντας τη μόλυνση.

3. Χύτευση κλίσης ψύξης

Ο κατασκευαστής ρέει κάτω από τη λιωμένη κατάσταση του μετάλλου στους 620°C στην κλίση. Αυτή είναι συνήθως μια κλίση χαλκού με θέση 60°.

Χρησιμοποιούν ταχύτερη ψύξη για να αποκτήσουν ένα ημιστερεό πολτό σε περισσότερο από 3 δευτερόλεπτα.

Τροποποιήσεις μονάδας έγχυσης

Χρησιμοποιήστε έναν ειδικό τύπο κοντού μανικιού με κεραμικές θερμικές επιστρώσεις. Διατηρούν τη θερμοκρασία του αιωρήματος στους 570°C. Έτσι ώστε να μπορείτε να το χύνετε χωρίς να ανησυχείτε καθ' όλη τη διάρκεια της φάσης έγχυσης.

Επιπλέον, τα έμβολα ακριβείας εξασφαλίζουν την ομοιόμορφη πλήρωση του καλουπιού. Λειτουργεί με κρίσιμη ταχύτητα 0,3-0,8 m/s. Αυτό το χαρακτηριστικό εξισορροπεί τις λειτουργίες και μειώνει τον επιζήμιο διαχωρισμό φάσεων. Αυτό συμβαίνει μεταξύ των υγρών και στερεών σωματιδίων του πολτού.

Σκέψεις σχεδιασμού μήτρας

Πρέπει να χρησιμοποιείτε 30% μεγαλύτερη επιφάνεια διατομής από τις συμβατικές μήτρες στην περίπτωση των συστημάτων πύλης. Αυτό θα βοηθήσει στη διατήρηση της σωστής ροής των ημιστερεών μετάλλων.

Για συστήματα δρομέων, ενσωματώστε σταδιακές καμπυλότητες. Αυτό έχει ελάχιστη ακτίνα 20 χιλιοστών. Με αυτόν τον τρόπο, οι τεχνικές θα διατηρήσουν τη στρωτή ροή του μετάλλου και θα ελαχιστοποιήσουν τις αναταράξεις.

Μιλώντας για τις σχισμές εξαερισμού, αυτές είναι επεξεργασμένες με ακρίβεια σε πλάτος 0,1 mm. Θα ελέγχουν τον εγκλωβισμό του αέρα κατά τη χύτευση. Όπου αντιμετωπίζουν επίσης θέματα διαρροής.

Πλεονεκτήματα της ημι-στερεάς χύτευσης

Ομαλότερες επιφάνειες και ακριβή μεγέθη

Το ημιστερεό μέταλλο ρέει σε τμήματα μήτρας με ελεγχόμενη ταχύτητα. Αυτό είναι πολύ πιο αργό από το υγρό μέταλλο. Αυτό μειώνει επίσης τις φυσαλίδες αέρα έως και 90 %.

Σε σύγκριση με την κανονική χύτευση, η διαδικασία αυτή μειώνει τη συρρίκνωση (0,5%), η οποία είναι μικρότερη από την 1,2% κατά την ψύξη. Αυτό βοηθά επίσης στην κατασκευή εξαρτημάτων που είναι snap-fit.

Ισχυρότερη μεταλλική δομή

Τα μικρά, στρογγυλά, διαμορφωμένα σωματίδια της ημιστερεάς κατάστασης συσσωρεύονται αρκετά σφιχτά μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι έχουν πυκνότερη δομή με 20% μεγαλύτερη αντοχή όταν τεντώνονται.

Μπορείτε να το λυγίσετε με μεγαλύτερη δύναμη 15% πριν από το σπάσιμο. Αυτά τα εξαρτήματα διαρκούν 30% περισσότερο με αντοχή στην επαναλαμβανόμενη καταπόνηση.

Λιγότερες οπές και ελαττώματα

Υπάρχουν σχεδόν μηδενικές κενές θέσεις (1 έως 2 %) στο εσωτερικό του SSDC. Εν τω μεταξύ, η κανονική χύτευση έχει πιθανότητα 5 έως 8 τοις εκατό.

Οι φυσαλίδες αέρα, οι οπές, η συρρίκνωση, οι ρωγμές και τα τραχιά σημεία της επιφάνειας εξαλείφονται λόγω αυτής της διαδικασίας.

Εξοικονόμηση ενέργειας

Πρέπει να γνωρίζετε ότι ένα άλλο χαρακτηριστικό ή όφελος αυτής της διαδικασίας είναι η εξοικονόμηση ενέργειας. Μειώνει τη χρήση ενέργειας με πολλούς τρόπους. Για παράδειγμα: Η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί με διάφορους τρόπους:

• Το μέταλλο θερμαίνεται στους 580°C αντί για 680°C.
• Οι ταχύτερες ροές (25%) χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια.
• Μειώνει τη σπατάλη υλικών έως και 15 τοις εκατό κατά τη λειτουργία.

Χαμηλότερο κόστος παραγωγής

Επειδή τα ημιστερεά μέρη χρειάζονται λιγότερες μηχανές στίλβωσης, εξοικονομούνται έως και 40%.

Μεταξύ της παραγωγής τους, 5% των εξαρτημάτων μπορούν να απορριφθούν. Αυτό είναι λιγότερο από 15 % αυτών των κανονικών διαδικασιών.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα καλούπια SSDC 50000 περισσότερες φορές αντί για 30000 φορές.

Εφαρμογές της ημιστερεάς χύτευσης

Κρίσιμα εξαρτήματα αυτοκινήτων

Τα μέρη της ημι-στερεάς χύτευσης στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι:

• Αρθρώσεις τιμονιού
• Βάσεις κινητήρα
• Περιβλήματα μετάδοσης κίνησης
• Δαγκάνες φρένων

Αυτή η διαδικασία παράγει εξαιρετικά πολύπλοκα εξαρτήματα με δομικές λεπτομέρειες. Για παράδειγμα, υποπλαίσια και βραχίονες ανάρτησης με κοίλα σχέδια.

Στα EV (ηλεκτρικά οχήματα), τα εξαρτήματα είναι τα περιβλήματα των μπαταριών και τα περιβλήματα των κινητήρων. Είναι ελαφριά και ανθεκτικά. Επίσης, διαχειρίζονται συνεχείς κραδασμούς και θερμικές καταπονήσεις.

Εξαρτήματα αεροδιαστημικής υψηλής απόδοσης

Η ημιστερεά κατάσταση παράγει αεροδιαστημικά εξαρτήματα με ποιότητα ακριβείας. Αυτά είναι:

• Βάσεις πτέρυγας
• Εξαρτήματα του συστήματος προσγείωσης
• Εξαρτήματα στροβιλοκινητήρων
• Περιβλήματα ραντάρ
• Περιβλήματα αεροναυπηγικής
• Δορυφόρος

Είναι ανθεκτικά και έχουν μικρότερο βάρος. Το περίβλημα του συστήματος καθοδήγησης πυραύλων το αξιοποιεί για την ικανότητά του. Διατηρούν στενές ανοχές σε κρίσιμα περιβάλλοντα.

Μετρούμενα κέρδη επιδόσεων

Σε δοκιμές πεδίου, οι δαγκάνες φρένων από ημι-στερεά χυτό υλικό διαρκούν 80000 χιλιόμετρα πριν φθαρούν με την παλιά μέθοδο. Επιπλέον, τα χυτά εξαρτήματα αεροσκαφών αποκτούν 25% μεγαλύτερη αντοχή στην κόπωση.

Τα εξαρτήματα των τομέων της αυτοκινητοβιομηχανίας αποκτούν καλύτερη αντοχή στην πρόσκρουση (15%), ενώ λειτουργούν σε δοκιμές πρόσκρουσης.

Αυξανόμενες εφαρμογές στην αγορά

Με την πάροδο του χρόνου, οι αυξανόμενες εφαρμογές της αγοράς αξιοποιούν το SSDC για να δημιουργήσουν:

• Ακριβή περιβλήματα κεραιών 5G με κυματοδηγούς 0,05 mm.
• Δίσκος για ιατρικά εμφυτεύματα που περιέχει επιφάνειες ανθεκτικές στα βακτήρια.
• Περιβλήματα κινητήρων drone με καλύτερη απαγωγή θερμότητας.

Επιπλέον, τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν αυτή τη διαδικασία για την επίτευξη επιπεδότητας 0,2 mm. Αυτό ισχύει για διαστάσεις 300 mm στις πλάκες ψύξης της μπαταρίας.

Υλικά που χρησιμοποιούνται στην ημιστερεά χύτευση

Ειδικές ονομασίες κραμάτων

Το αλουμίνιο A356 (AlSi7Mg) και το μαγνήσιο AZ91D είναι τα κράματα που λειτουργούν καλύτερα στην ημιστερεά χύτευση. Λιώνουν ταχύτερα και πιο ομοιόμορφα, δημιουργώντας μια ιδανική υφή.

Επειδή υπάρχει υψηλή αντοχή στο κράμα A356, γι' αυτό και οι αυτοκινητοβιομηχανίες το χρησιμοποιούν συνήθως 70%. Εν τω μεταξύ, το κράμα AZ91D ταιριάζει καλά με τη χύτευση ελαφρών περιπτώσεων ηλεκτρονικών συσκευών.

Ρεολογικές ιδιότητες

Τα διαγράμματα απεικονίζουν τον τρόπο λειτουργίας των κραμάτων SSDC σε διάφορα στάδια και διαφορετικά κλάσματα στερεών (Fs). Σε Fs=0,37. Παρουσιάζεται μείωση του ιξώδους όταν ο ρυθμός διάτμησης αυξάνεται από 1 έως 10 s-¹.

Κλάσματα όπως Fs=0,48, τα οποία είναι υψηλότερα, διατηρούν τη ροή πυκνότερη. Χρησιμοποιούν περισσότερη δύναμη για να γεμίσουν τις μήτρες. Αυτό το γράφημα δείχνει την κατάσταση για την οποία οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν Fs μεταξύ 0,40 και 0,45 για να έχουν την καλύτερη απόδοση.

Συμπεριφορά στερεοποίησης

A356 χύτευση ψύξης στην περιοχή των 50°C. Σας επιτρέπουν αρκετό χρόνο για να απλώσετε το μέταλλο μέσα στο καλούπι.

Για να αυξήσετε αυτό το εύρος, μπορείτε να προσθέσετε 0,3% μαγνήσιο. Αυτό είναι για να το αυξήσετε μέχρι τους 15°C για καλύτερη ροή.

Αντίθετα, το κράμα AZ91D παίρνει πιο γρήγορα μια πλήρως στερεή μορφή. Ωστόσο, κατασκευάζει εξαρτήματα με ισχυρότερα, λεπτότερα τοιχώματα. Έχουν πάχος έως και 2 χιλιοστά.

Δευτερογενής επεξεργασία

Τα εξαρτήματα χρειάζονται συχνά λιγότερα στάδια δευτερογενούς επεξεργασίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απαιτείται αφαίρεση επιφάνειας 0,1 mm έναντι 0,5 mm για τα συμβατικά χυτά.

Επίσης, το πέρασμα του κράματος A356 μέσω θερμικής επεξεργασίας φέρνει βελτιωμένη αντοχή μέχρι το 20% χωρίς στρέβλωση.

Ημι-στερεά χύτευση έναντι της παραδοσιακής χύτευσης

Σύγκριση παραμέτρων διεργασίας

Δομή υλικού

Η σφαιρική δομή στην ημι-στερεά χύτευση δίνει 20 τοις εκατό μεγαλύτερη ανθεκτικότητα από τη δομή της παλιάς χύτευσης. Περιέχει περίπου 2 % πορώδες- αντίστροφα, 5,8%.

Παράγοντες κόστους

Το αρχικό κόστος, ωστόσο, είναι υψηλότερο μέχρι το 20%. Ανεξάρτητα από αυτό, μπορεί να είναι οικονομικά αποδοτικό, καθώς μειώνει τη σπατάλη υλικού κατά περίπου 15% και το κόστος κατεργασίας έως και 40%. Αυτό αντισταθμίζει το αρχικό του κόστος.

Πότε να επιλέξετε

Επιλέξτε ημι-στερεά όταν χρειάζεται:

Επιλέξτε μια διαδικασία ημι-στερεάς χύτευσης όταν παράγετε:

• Λεπτά τοιχώματα (<3mm)
• Υψηλή αντοχή (>250 MPa)
• Όγκος >20.000 μονάδες/έτος
• Ομαλά φινιρίσματα (<3,2μm Ra)

Συμπέρασμα:

Η ημι-στερεά χύτευση γίνεται με υψηλότερη ποιότητα ανθεκτικότητας. Προσθέτει επίσης εξαιρετικό φινίρισμα της επιφάνειας με ελάχιστο πορώδες, περίπου 30% λιγότερο από την κανονική διαδικασία.

Αν και η τεχνική χρησιμοποιεί ειδικά κράματα και ακριβές αρχικές ρυθμίσεις, γίνεται οικονομικά αποδοτική για την κατασκευή εξαρτημάτων που υπερβαίνουν τις 20000 μονάδες.

Η επερχόμενη αγορά προσβλέπει στην επέκταση των εφαρμογών SSDC στην αυτοκινητοβιομηχανία, την αεροδιαστημική και τις αναδυόμενες τεχνολογίες. Επικεντρώνεται επίσης στην ανακάλυψη εξελίξεων στον έλεγχο της διαδικασίας και στην κατασκευή εργαλείων.