La fundición a presión semisólida (SSDC) consiste en inyectar una lechada metálica (20-60% sólido) a 580-620°C bajo una presión de 50-100 MPa. Se forma así una microestructura globular que aumenta la resistencia hasta 20%. Las velocidades de cizallamiento suelen ser inferiores a 10 s-¹, lo que garantiza un llenado controlado del molde para obtener piezas precisas. Las aleaciones más comunes son el aluminio A356 y el magnesio AZ91D.

Sepa por qué se prefiere la CSS para obtener resultados de precisión. Descubra cómo funciona y cuáles son sus principales métodos, aplicaciones y ventajas.

¿Qué es la fundición semisólida?

Semisólido fundición a presión es un proceso de fabricación. Se utiliza para formar metal en estado semisólido. Estas piezas tienen forma de masa, que contiene por igual formas líquidas y sólidas. Este tipo de pasta ayuda al fabricante a producir piezas intrincadas de la máxima calidad. Se utiliza mucho en la industria, ya sea de automoción o de electrónica de consumo. Las piezas SSDC son más resistentes y tienen casi cero defectos en comparación con la fundición tradicional.

 Tixotropía y reopexia

1. Fundición reticulada (comportamiento tixotrópico)

El proceso de refusión se inicia tras disponer de un lingote metálico estándar. Puede ser la aleación de aluminio A356. Los metalúrgicos funden estos lingotes a una temperatura inicial de 650 °C en un horno.

Cuando este material fundido empieza a enfriarse a una temperatura semisólida de 580°C, los trabajadores utilizan un agitador mecánico, haciéndolo girar a 500 rpm. Al hacerlo, las partículas sólidas se rompen en pequeños glóbulos. Su tamaño oscila entre 50 y 100 micras.

La agitación provoca un comportamiento tixotrópico. Es la fundición en estado semisólido con partículas sólidas 40%. Fluye muy suavemente cuando se empuja.

Este lodo se utiliza posteriormente para la fundición de componentes versátiles de industrias como los componentes de la suspensión de los automóviles.

2. Tixocasting (Comportamiento reopéctico)

En la fundición tixotrópica, los fabricantes utilizan tochos prefabricados. Se trata de aleaciones como el magnesio AZ91D. Normalmente, este material ya presenta una microestructura globular adecuada.

Los metalúrgicos vieron por primera vez estos tochos. Su longitud varía en muchos casos, pero suele oscilar entre 150 mm. Volvieron a fundir estos tochos, aplicando una temperatura de 575°C. Eso coincide con la fundición tixotrópica estándar. El proceso dura 15 minutos en un horno de inducción hasta que el material adquiere una forma semisólida ideal.

Los fabricantes introducen este material en el molde a 1 m/s. Es muy diferente del tixotrópico porque no es más fino. En cambio, es una especie de reopexia.

Este proceso aumenta la viscosidad bajo cizallamiento (10%). El resultado es un bajo riesgo de flujo turbulento y atrapamiento de aire. Cuando se funden componentes como carcasas de portátiles, estas características producen superficies más lisas.

¿Cómo controla el caudal la velocidad de cizallamiento?

Los metales semisólidos tienen índices de cizallamiento por debajo del rango típico de 10 s-¹. Al ser un estado de espesor, se mueve lentamente en una cavidad del molde, llenando cada sección correctamente, especialmente en necesidad de fundición fina.

El cizallamiento aumenta cuando unas compuertas estrechas empujan el metal a gran velocidad. Llena el molde en 0,5 segundos, fabricando productos precisos.

El adelgazamiento por cizallamiento es el parámetro Eso permite a los trabajadores abordar el flujo de metal durante las distintas fases de la fundición.

Fracción sólida

La fracción sólida (fₛ) es la proporción del contenido sólido en SSDC. Es lo que los fabricantes mantienen dentro de un rango factible de 20% y 60%.

Unas condiciones inferiores a 20% hacen que el metal se endurezca y unas demasiado altas, superiores a 60%, dan lugar a una forma más dura. Esto causa problemas en el molde.

Evolución de la microestructura

En comparación con la antigua estructura dendrítica, el metal semisólido tiene una microestructura globular o en roseta. Las partículas tienen forma redondeada, lo que permite un flujo más suave y minimiza los defectos. La mejora de la resistencia y la calidad fina son los resultados básicos de este proceso en los productos finales.

Proceso de fundición en molde semisólido

Métodos de generación de purines

1. Activación de la fusión inducida por la deformación (SIMA):

Tras comprar tochos estándar, los fabricantes los cuelan a 300 °C. A continuación, los introducen en hornos para recalentarlos a 580 °C. En esta matriz líquida se forman partículas esféricas (50μm). Eso es suficiente para el procesamiento semisólido.

2. Agitación magnetohidrodinámica (MHD)

Las bobinas electromagnéticas utilizan una corriente de 500 A. Este es el trabajo para hacer 600 rpm agitación sin contacto. 40% estado sólido ideal se forma como resultado con este proceso, evitando la contaminación.

3. Colada en pendiente de enfriamiento

El fabricante baja el estado fundido del metal a 620°C por la pendiente. Eso suele ser una pendiente de cobre con una posición de 60°.

Utilizan un enfriamiento más rápido para obtener una pasta semisólida en más de 3 segundos.

Modificaciones de la unidad de inyección

Utilice un tipo especial de manguito corto con revestimiento térmico cerámico. Mantienen la temperatura de la pasta a 570°C. Para que pueda moldearla sin preocupaciones durante toda la fase de inyección.

Además, los émbolos de precisión garantizan un llenado uniforme del molde. Funciona con una velocidad crítica de 0,3-0,8 m/s. Esta característica equilibra las operaciones y reduce la perjudicial separación de fases. Esto ocurre entre las partículas líquidas y sólidas del lodo.

Consideraciones sobre el diseño de matrices

En el caso de los sistemas de compuertas, debe utilizar una sección transversal 30% mayor que la de las matrices convencionales. Esto ayudará a mantener el flujo adecuado de metales semisólidos.

Para los sistemas de guías, incorpore curvaturas graduales. Que tengan un radio mínimo de 20 mm. De este modo, las técnicas mantendrán el flujo laminar del metal y minimizarán las turbulencias.

En cuanto a las ranuras de ventilación, están mecanizadas con precisión a 0,1 mm de ancho. Controlan el atrapamiento de aire durante la fundición. También se ocupan de los problemas de fugas.

Ventajas de la fundición a presión semisólida

Superficies más lisas y tamaños más precisos

El metal semisólido fluye hacia las secciones de la matriz a una velocidad controlada. Esto es mucho más lento que el metal líquido. Esto también reduce las burbujas de aire hasta en un 90 %.

En comparación con la fundición normal, este proceso reduce la contracción (0,5%), que es menor que la de 1,2% al enfriarse. Eso también ayuda a fabricar piezas encaje a presión.

Estructura metálica más resistente

Las partículas pequeñas, redondas y con forma de estado semisólido se empaquetan entre sí lo suficientemente apretadas. Esto significa que tienen una estructura más densa con 20% más fuerza cuando se estiran.

Se puede doblar con más fuerza 15% antes de la fractura. Estas piezas duran 30% más soportando esfuerzos repetidos.

Menos agujeros y defectos

Hay casi cero espacios vacíos (1 a 2 %) dentro del SSDC. Mientras tanto, la fundición a presión normal tiene entre un 5 y un 8% de posibilidades.

Gracias a este proceso se eliminan las burbujas de aire, los agujeros, la contracción, las grietas y las asperezas de la superficie.

Ahorro de energía

Usted debe saber otra característica o beneficio de este proceso es el ahorro de energía. Reduce el consumo de energía de muchas maneras. Por ejemplo:

• El metal se calienta a 580°C en lugar de a 680°C.
• Los flujos más rápidos (25%) consumen menos energía.
• Reduce el desperdicio de material hasta un 15% durante el funcionamiento.

Menores costes de producción

Como las piezas semisólidas necesitan menos máquinas de pulido, se ahorra hasta 40% en ello.

Entre su producción, 5% de piezas pueden ser rechazadas. Es decir, menos de 15 % de los procesos normales.

Puede utilizar los moldes SSDC 50000 veces más en lugar de sólo 30000 veces.

Aplicaciones de la fundición semisólida

Componentes críticos de automoción

Las piezas de fundición semisólida a presión en la industria del automóvil son:

• Manguetas de dirección
• Soportes del motor
• Cajas de transmisión
• Pinzas de freno

Este proceso produce piezas muy complejas con detalles estructurales. Por ejemplo, subchasis y brazos de suspensión con diseños huecos.

En los VE (vehículos eléctricos), las piezas son las carcasas de las baterías y los recintos de los motores. Son ligeras y duraderas. Además, soportan vibraciones constantes y tensiones térmicas.

Piezas aeroespaciales de alto rendimiento

El estado semisólido produce componentes aeroespaciales con calidad de precisión. Estos son:

• Soportes de ala
• Componentes del tren de aterrizaje
• Piezas de motores de turbina
• Carcasas de radar
• Armarios de aviónica
• Satélite

Son duraderos y tienen menos peso. La carcasa del sistema de guiado de misiles aprovecha su capacidad. Mantienen tolerancias estrictas en entornos críticos.

Ganancias de rendimiento medidas

En pruebas de campo, las pinzas de freno de fundición semisólida duran 80000 km antes de desgastarse con el método antiguo. Además, las piezas de fundición aeronáutica obtienen 25% más resistencia a la fatiga.

Las piezas de los sectores de automoción adquieren una mayor resistencia a los impactos (15%) en las pruebas de choque.

Aplicaciones de mercado en crecimiento

Con el tiempo, las crecientes aplicaciones de mercado aprovechan la CSS para crear:

• Carcasas precisas para antenas 5G con guías de ondas de 0,05 mm.
• Bandeja para implantes médicos con superficies resistentes a las bacterias.
• Carcasas de motor para drones con mejor disipación del calor.

Además, los vehículos eléctricos utilizan este proceso para conseguir una planitud de 0,2 mm. Eso en tramos de 300 mm en placas de refrigeración de la batería.

Materiales utilizados en la fundición a presión semisólida

Designaciones específicas de las aleaciones

El aluminio A356 (AlSi7Mg) y el magnesio AZ91D son las aleaciones que mejor funcionan en la fundición a presión semisólida. Funden más rápido y de forma más uniforme, creando una textura ideal.

La aleación A356 tiene una gran resistencia, por lo que las empresas de automoción suelen utilizarla 70%. Mientras tanto, la aleación AZ91D va bien con la fundición de cajas electrónicas ligeras.

Propiedades reológicas

Los gráficos muestran el funcionamiento de las aleaciones de SSDC en diferentes etapas y fracciones sólidas (Fs) variables. Con Fs=0,37 Muestra una disminución de la viscosidad cuando la velocidad de cizallamiento aumenta de 1 a 10 s-¹.

Las fracciones como Fs=0,48, que son más altas, mantienen el espesamiento del flujo. Utilizan más fuerza para llenar las matrices. Este gráfico demuestra la situación de por qué los fabricantes utilizan Fs entre 0,40 y 0,45 para obtener el mejor rendimiento.

Comportamiento de solidificación

A356 enfriamientos de colada en el rango de 50 ° C. Le permiten el tiempo suficiente para extender el metal dentro del molde.

Para aumentar este rango, puede añadir 0,3% de magnesio. Eso es para aumentarlo hasta 15°C para un mejor flujo.

Por el contrario, la aleación AZ91D adquiere más rápidamente una forma totalmente sólida. Sin embargo, produce piezas con paredes más fuertes y delgadas. Son hasta 2 mm más gruesas.

Tratamiento secundario

Las piezas suelen necesitar menos pasos de procesamiento secundario. Esto se debe a que necesita una eliminación de superficie de 0,1 mm frente a los 0,5 mm de las piezas de fundición convencionales.

Además, el paso de la aleación A356 por un tratamiento térmico aporta una resistencia mejorada hasta 20% sin alabeo.

Fundición semisólida frente a fundición tradicional

Comparación de parámetros de proceso

Estructura material

La estructura globular de la colada semisólida proporciona un 20% más de tenacidad que la estructura de la colada antigua. Contiene aproximadamente 2 % de porosidad; a la inversa, 5,8%.

Factores de coste

El coste inicial, sin embargo, es más elevado hasta 20%. No obstante, puede resultar rentable, ya que reduce el desperdicio de material en unas 15% y los costes de mecanizado en hasta 40%. Esto compensa su coste inicial.

Cuándo elegir

Opte por los semisólidos cuando lo necesite:

Elija un proceso de fundición a presión semisólida cuando produzca:

• Paredes finas (<3 mm)
• Alta resistencia (>250 MPa)
• Volúmenes >20.000 unidades/año
• Acabados lisos (<3,2μm Ra)

Conclusión:

La fundición a presión semisólida se fabrica con una mayor calidad de tenacidad. También añade un excelente acabado superficial con una porosidad mínima, alrededor de 30% menos que el proceso normal.

Aunque la técnica utiliza aleaciones específicas y costosas configuraciones iniciales, resulta rentable para fabricar piezas de más de 20000 unidades.

El futuro mercado espera ampliar las aplicaciones de la CSS en los sectores de automoción, aeroespacial y tecnologías emergentes. También se centra en descubrir avances en el control de procesos y el utillaje.