Puolikiinteässä painevalussa (Semi-Solid Die Casting, SSDC) ruiskutetaan metallilietettä (20-60% kiinteä aine) 580-620 °C:ssa 50-100 MPa:n paineessa. Tämä muodostaa pallomaisen mikrorakenteen, joka lisää lujuutta jopa 20%:llä. Leikkausnopeudet ovat tyypillisesti alle 10 s-¹, mikä takaa hallitun muotin täytön tarkkojen osien valmistamiseksi. Yleisiä seoksia ovat alumiini A356 ja magnesium AZ91D.

Lue, miksi SSDC on suositeltavin tapa saada tarkkoja tuloksia. Tutustu, miten se toimii ja mitkä ovat sen tärkeimmät menetelmät, sovellukset ja edut.

Mitä on puolikiinteä painevalu?

Puolikiinteä painevalu on valmistusprosessi. Sitä käytetään metallin muokkaamiseen puolikiinteään tilaan. Nämä osat ovat taikinamaisia, ja niissä on yhtä paljon sekä nestemäisiä että kiinteitä muotoja. Tällainen liete auttaa valmistajaa tuottamaan korkealaatuisia ja monimutkaisia osia. Sitä käytetään laajalti teollisuudessa, olipa kyse sitten autoteollisuudesta tai kulutuselektroniikasta. SSDC-osat ovat vahvempia ja niissä on lähes nolla vikaa verrattuna perinteiseen valuun.

 Tiksotropia ja reopeksia

1. Reocasting (tiksotrooppinen käyttäytyminen)

Reovaluprosessi aloitetaan tavallisen metalliharkon valmistuksen jälkeen. Se voi olla alumiiniseos A356. Metallityöntekijät sulattavat nämä harkot 650 °C:n alkulämpötilassa uunissa.

Kun tämä sula materiaali alkaa jäähtyä puolikiinteään 580 °C:n lämpötilaan, työntekijät käyttävät mekaanista sekoitinta, jota pyöritetään 500 kierrosta minuutissa. Näin kiinteät hiukkaset hajoavat pieniksi palloiksi. Niiden koko on 50-100 mikronia.

Sekoittaminen saa aikaan tiksotrooppisen käyttäytymisen. Se on puolikiinteän tilan valu 40%-kiintoainehiukkasilla. Se virtaa hyvin tasaisesti, kun työnnät.

Tätä lietettä käytetään myöhemmin teollisuuden monipuolisten osien, kuten auton jousituksen osien, valamiseen.

2. Tixovalaminen (reopektinen käyttäytyminen)

Valmistajat käyttävät thixocasting-menetelmässä valmiita aihioita. Ne ovat eräänlaisia seoksia, kuten magnesium AZ91D. Yleensä tässä materiaalissa on jo kunnollinen pallomainen mikrorakenne.

Metallityöntekijät näkivät nämä aihiot ensimmäisenä. Niiden pituudet vaihtelevat monissa tapauksissa, mutta ne ovat yleensä 150 mm. Nämä aihiot sulatettiin uudelleen 575 °C:n lämpötilassa. Tämä vastaa tavanomaista thixovalua. Prosessi kestää 15 minuuttia induktiouunissa, kunnes materiaali saa ihanteellisen puolikiinteän muodon.

Valmistajat työntävät tämän materiaalin muottiin 1 m/s nopeudella. Tämä eroaa huomattavasti tiksotrooppisesta, koska se ei ole ohuempaa. Sen sijaan se on eräänlainen reopexia.

Tämä prosessi lisää viskositeettia leikkauksessa (10%). Tämä johtaa siihen, että turbulenttisen virtauksen ja ilman takertumisen riski on pieni. Kun valetaan komponentteja, kuten kannettavien tietokoneiden koteloita, nämä ominaisuudet tuottavat sileämpiä pintoja.

Miten leikkausnopeus säätelee virtausta?

Puolikiinteillä metalleilla on leikkausnopeudet alle tyypillisen 10 s-¹. Koska se on paksu tila, se liikkuu hitaasti muottipesään ja täyttää jokaisen osan kunnolla, erityisesti ohuen valun tarpeessa.

Leikkaus kasvaa, kun kapeat portit työntävät metallia suurella nopeudella. Se täyttää muotin 0,5 sekunnissa ja valmistaa tarkkoja tuotteita.

Parametri on leikkausohennus. Sen avulla työntekijät voivat puuttua metallin virtaukseen valun eri vaiheissa.

Kiinteä fraktio

Kiintoaineosuus (fₛ) on SSDC:n kiintoainepitoisuuden osuus. Se on se, mitä valmistajat pitävät 20%:n ja 60%:n välillä.

Jos olosuhteet ovat alhaisemmat kuin 20%, metalli muuttuu juoksevaksi, ja jos olosuhteet ovat liian korkeat, yli 60%, metalli muuttuu kovemmaksi. Se aiheuttaa ongelmia muotissa.

Mikrorakenteen kehitys

Vanhaan dendriittiseen rakenteeseen verrattuna puolikiinteällä metallilla on pallomainen tai ruusukkeellinen mikrorakenne. Hiukkaset ovat pyöreän muotoisia, mikä mahdollistaa tasaisemman virtauksen ja minimoi virheet. Parempi lujuus ja hieno laatu ovat tämän prosessin perustuloksia lopputuotteissa.

Puolikiinteä painevaluprosessi

Lietteen tuotantomenetelmät

1. Jännityksen aiheuttama sulamisen aktivointi (SIMA):

Kun valmistajat ovat ostaneet vakioaihioita, ne siivilöivät ne 300 °C:ssa. Sitten ne laitetaan uuneihin, joissa ne lämmitetään uudelleen 580 °C:ssa. Tässä nestemäisessä matriisissa muodostuu pallomaisia hiukkasia (50μm). Se riittää puolikiinteän materiaalin käsittelyyn.

2. Magneettihydrodynaaminen (MHD) sekoittaminen

Sähkömagneettiset kelat käyttävät 500A virtaa. Tämä riittää 600 rpm sekoittamiseen ilman kosketusta. 40% ihanteellinen kiinteä olomuoto muodostuu tämän prosessin tuloksena, jolloin vältetään kontaminaatio.

3. Jäähdytysrinteen valu

Valmistaja virtaa 620 °C:n lämpötilassa olevan metallin sulassa tilassa alas rinteeseen. Se on yleensä kuparinen rinne, jossa on 60°-asento.

Niissä käytetään nopeampaa jäähdytystä, jotta saadaan puolikiinteä liete yli 3 sekunnissa.

Ruiskutusyksikön muutokset

Käytä erityyppisiä lyhyitä hihoja, joissa on keraamiset lämpöpinnoitteet.. Ne pitävät lietteen lämpötilan 570 °C:ssa. Näin voit valaa sitä huoletta koko ruiskutusvaiheen ajan.

Tämän lisäksi tarkkaan suunnitellut männät varmistavat, että muotti täyttyy tasaisesti. Kriittinen nopeus on 0,3-0,8 m/s. Tämä ominaisuus tasapainottaa toimintaa ja vähentää haitallista faasien erottumista. Sitä tapahtuu lietteen nestemäisten ja kiinteiden hiukkasten välillä.

Die suunnitteluun liittyviä näkökohtia

Porttijärjestelmissä on käytettävä 30% suurempaa poikkipinta-alaa kuin tavanomaisissa suulakkeissa. Tämä auttaa ylläpitämään puolikiinteiden metallien asianmukaista virtausta.

Juoksujärjestelmissä on käytettävä asteittaisia kaarevuuksia. Sen säde on vähintään 20 mm. Tällä tavoin tekniikat säilyttävät laminaarisen metallivirtauksen ja minimoivat turbulenssin.

Tuuletusaukoista puheen ollen, ne on työstetty tarkasti 0,1 mm leveiksi. Se hillitsee ilman sulkemista valun aikana. Jossa ne käsittelevät myös vuotokysymyksiä.

Puolikiinteän painevalun edut

Tasaisemmat pinnat ja tarkat koot

Puolikiinteä metalli virtaa muotin osiin hallitulla nopeudella. Tämä on paljon hitaampaa kuin nestemäinen metalli. Tämä vähentää myös ilmakuplia jopa 90 %.

Tavalliseen valuun verrattuna tämä prosessi vähentää kutistumista (0,5%), mikä on vähemmän kuin 1,2% jäähdytettäessä. Tämä auttaa myös valmistamaan osia, jotka ovat Snap-fit.

Vahvempi metallirakenne

Puolikiinteän tilan pienet, pyöreät ja muotoiset hiukkaset pakkautuvat riittävän tiiviisti yhteen. Tämä tarkoittaa, että niillä on tiheämpi rakenne, jolla on 20% enemmän lujuutta venytettäessä.

Voit taivuttaa sitä suuremmalla voimalla 15% ennen murtumista. Nämä osat kestävät 30% pidempään toistuvaa rasitusta.

Vähemmän reikiä ja vikoja

SSDC:n sisällä on lähes nolla tyhjää tilaa (1-2 %). Samaan aikaan tavallisessa painevalussa on 5-8 prosentin mahdollisuus.

Ilmakuplat, reiät, kutistuminen, halkeamat ja karheat pintakohdat poistuvat tämän prosessin ansiosta.

Energiansäästöt

Sinun on tiedettävä, että toinen tämän prosessin ominaisuus tai etu on energiansäästö. Se vähentää energiankulutusta monin tavoin. Esimerkiksi:

• Metalli kuumenee 580 °C:ssa 680 °C:n sijasta.
• Nopeammat virtaukset (25%) kuluttavat vähemmän energiaa.
• Se vähentää materiaalihukkaa jopa 15 prosenttia käytön aikana.

Pienemmät tuotantokustannukset

Koska puolikiinteät osat tarvitsevat vähemmän kiillotuskoneita, säästetään jopa 40%.

Niiden tuotantotuotannosta voidaan hylätä 5% osaa. Se on vähemmän kuin 15 % näistä normaaleista prosesseista.

Voit käyttää SSDC-muotteja 50000 kertaa enemmän kuin 30000 kertaa.

Puolikiinteän painevalun sovellukset

Kriittiset autoteollisuuden komponentit

Puolikiinteän painevalun osia autoteollisuudessa ovat:

• Ohjausnivelet
• Moottorin kiinnikkeet
• Voimansiirtokotelot
• Jarrusatulat

Tämä prosessi tuottaa erittäin monimutkaisia osia, joissa on rakenteellisia yksityiskohtia. Esimerkkinä voidaan mainita onttoja alikehyksiä ja jousitusvarret.

Sähköajoneuvoissa osat ovat akkukoteloita ja moottorikoteloita. Ne ovat kevyitä ja kestäviä. Lisäksi ne kestävät jatkuvaa tärinää ja lämpörasitusta.

Korkean suorituskyvyn ilmailu- ja avaruustekniikan osat

Puolikiinteässä tilassa valmistetaan tarkkuutta vaativia ilmailu- ja avaruustekniikan komponentteja. Nämä ovat:

• Siipikiinnikkeet
• Laskutelineen osat
• Turbiinimoottorin osat
• Tutkakotelot
• Ilmailutekniikan kotelot
• Satelliitti

Ne ovat kestäviä ja painavat vähemmän. Ohjuksen ohjausjärjestelmän kotelo hyödyntää sitä kykyjensä puolesta. Ne pitävät tiukat toleranssit kriittisissä ympäristöissä.

Mitatut suorituskyvyn parannukset

Kenttäkokeissa puolikiinteästi valetut jarrusatulat kestävät 80000 km ennen kuin ne kuluvat vanhalla menetelmällä. Lisäksi lentokoneiden valetut osat saavat 25% enemmän väsymiskestävyyttä.

Autoteollisuuden osat saavat paremman iskunkestävyyden (15%) törmäystesteissä.

Kasvavat markkinasovellukset

Ajan myötä kasvavat markkinasovellukset hyödyntävät SSDC:tä luodakseen:

• Tarkat 5G-antennikotelot 0,05 mm:n aaltojohtimilla.
• Lääketieteellinen implanttialusta, jossa on bakteereja kestävät pinnat.
• Drone-moottorikotelot, joissa on parempi lämmönpoisto.

Lisäksi sähköajoneuvot käyttävät tätä prosessia 0,2 mm:n tasaisuuden saavuttamiseksi. Tämä koskee akun jäähdytyslevyjen 300 mm:n jännevälejä.

Puolikiinteässä painevalussa käytettävät materiaalit

Erityiset seosainemerkinnät

Alumiini A356 (AlSi7Mg) ja magnesium AZ91D ovat seoksia, jotka toimivat parhaiten puolikiinteässä painevalussa. Ne sulavat nopeammin ja tasaisemmin luoden ihanteellisen rakenteen.

Koska A356-seoksessa on korkea lujuus, minkä vuoksi autoteollisuusyritykset käyttävät sitä yleensä 70%. Samaan aikaan seos AZ91D sopii hyvin kevyiden elektroniikkakoteloiden valamiseen.

Reologiset ominaisuudet

Kaavioissa kuvataan, miten SSDC-seokset toimivat eri vaiheissa ja eri kiintoaineosuuksilla (Fs). Kun Fs = 0,37. Viskositeetti laskee, kun leikkausnopeus nousee 1-10 s-¹.

Suuremmat osuudet, kuten Fs=0,48, pitävät virtauksen sakeana. Ne käyttävät enemmän voimaa muottien täyttämiseen. Tämä kuvaaja osoittaa tilanteen, miksi valmistajat käyttävät Fs:ää välillä 0,40-0,45 saadakseen parhaan tuotoksen.

Jähmettymiskäyttäytyminen

A356:n valu jäähtyy 50 °C:n lämpötilassa. Ne antavat riittävästi aikaa levittää metallia muotin sisään.

Voit lisätä tätä aluetta lisäämällä 0,3% magnesiumia. Se nostaa sitä 15 °C:een paremman virtauksen saavuttamiseksi.

Sitä vastoin seos AZ91D saavuttaa täysin kiinteän muodon nopeammin. Se tekee kuitenkin osia, joiden seinämät ovat vahvemmat ja ohuemmat. Ne ovat jopa 2 mm paksumpia.

Toissijainen jalostus

Osat tarvitsevat usein vähemmän jälkikäsittelyvaiheita. Tämä johtuu siitä, että pinnanpoisto on 0,1 mm, kun se perinteisissä valukappaleissa on 0,5 mm.

Myös A356-seoksen läpikäyminen lämpökäsittelyssä parantaa lujuutta 20%:hen asti ilman vääntymistä.

Puolikiinteä painevalu vs. perinteinen painevalu

Prosessiparametrien vertailu

Materiaalirakenne

Puolikiinteän valun pallomainen rakenne antaa 20 prosenttia suuremman sitkeyden kuin vanhan valun rakenne. Se sisältää noin 2 % huokoisuutta; päinvastoin 5,8%.

Kustannustekijät

Alkuperäiset kustannukset ovat kuitenkin korkeammat 20%:hen asti. Siitä huolimatta se voi olla kustannustehokas, koska se vähentää materiaalihukkaa noin 15% ja työstökustannuksia jopa 40%. Tämä kompensoi sen alkukustannukset.

Milloin valita

Valitse puolikiinteä, kun tarvitset:

Valitse puolikiinteä painevaluprosessi, kun tuotat:

• Ohuet seinämät (<3mm)
• Korkea lujuus (>250 MPa)
• Volyymit > 20 000 yksikköä/vuosi
• Sileät pinnat (<3,2μm Ra)

Johtopäätökset:

Puolikiinteä painevalu on valmistettu korkealaatuisemmalla sitkeydellä. Se lisää myös erinomaista pintakäsittelyä, jossa huokoisuus on minimaalinen, noin 30% vähemmän kuin tavallisessa prosessissa.

Vaikka tekniikka vaatii erityisiä seoksia ja kalliita alkuasetuksia, se on kustannustehokas, kun osia valmistetaan yli 20000 kappaletta.

Tulevat markkinat odottavat innolla SSDC-sovellusten laajentumista autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä kehittyvissä teknologioissa. Se keskittyy löytämään edistysaskeleita myös prosessinvalvonnassa ja työkaluissa.