Le moulage sous pression semi-solide (SSDC) consiste à injecter une suspension métallique (20-60% solide) à 580-620°C sous une pression de 50-100 MPa. Cela forme une microstructure globulaire, améliorant la résistance jusqu'à 20%. Les vitesses de cisaillement sont généralement inférieures à 10 s-¹, ce qui garantit un remplissage contrôlé des moules pour des pièces précises. Les alliages courants sont l'aluminium A356 et le magnésium AZ91D.

Apprenez pourquoi la CDS est privilégiée pour obtenir des résultats précis. Découvrez son fonctionnement et ses principales méthodes, applications et avantages.

Qu'est-ce que la coulée sous pression semi-solide ?

Semi-solide moulage sous pression est un procédé de fabrication. Il est utilisé pour transformer le métal en un état semi-solide. Ces pièces ont l'aspect d'une pâte, contenant à parts égales des formes liquides et solides. Ce type de boue aide le fabricant à produire des pièces complexes de qualité supérieure. Il est largement utilisé dans les industries, qu'il s'agisse de l'automobile ou de l'électronique grand public. Les pièces en SSDC sont plus résistantes et ne présentent pratiquement aucun défaut par rapport au moulage traditionnel.

 Thixotropie et rhéopexie

1. Rhéocasting (comportement thixotropique)

Le processus de rhéocoulage est initié après avoir obtenu un lingot de métal standard. Il peut s'agir d'un alliage d'aluminium A356. Les métallurgistes fondent ces lingots à la température initiale de 650°C dans un four.

Lorsque ce matériau en fusion commence à refroidir à une température semi-solide de 580°C, les ouvriers utilisent un agitateur mécanique qu'ils font tourner à 500 tours par minute. Ce faisant, les particules solides se brisent en minuscules globules. Leur taille est comprise entre 50 et 100 microns.

L'agitation permet d'obtenir un comportement thixotropique. C'est la coulée à l'état semi-solide avec des particules solides 40%. Elle s'écoule très doucement lorsque vous la poussez.

Cette boue est ensuite utilisée pour couler des composants polyvalents de l'industrie, tels que les composants de suspension des voitures.

2. Thixocasting (comportement rhéopectique)

Pour le thixocasting, les fabricants utilisent des billettes préfabriquées. Il s'agit d'alliages tels que le magnésium AZ91D. En général, ce matériau présente déjà une microstructure globulaire adéquate.

Les métallurgistes ont d'abord vu ces billettes. Leur longueur varie dans de nombreux cas, mais elle est généralement de 150 mm. Ils ont refondu ces billettes en appliquant une température de 575°C. Cela correspond à la thixocoulée standard. Le processus dure 15 minutes dans un four à induction jusqu'à ce que le matériau prenne une forme semi-solide idéale.

Les fabricants poussent ce matériau dans le moule à une vitesse de 1 m/s. Ce matériau est très différent du thixotropique car il n'est pas plus fin. Ce matériau est très différent du thixotropique car il n'est pas plus fin. Il s'agit plutôt d'une sorte de rhéopexie.

Ce procédé augmente la viscosité sous cisaillement (10%). Il en résulte de faibles risques d'écoulement turbulent et de piégeage de l'air. Lors du moulage de composants tels que les boîtiers d'ordinateurs portables, ces caractéristiques permettent d'obtenir des surfaces plus lisses.

Comment le taux de cisaillement contrôle-t-il le débit ?

Les métaux semi-solides ont taux de cisaillement en dessous de la fourchette typique de 10 s-¹. Comme il s'agit d'un état épais, il se déplace lentement dans la cavité d'un moule, remplissant chaque section correctement, ce qui est particulièrement nécessaire pour les coulées minces.

Le cisaillement augmente lorsque des portes étroites poussent le métal à grande vitesse. Elle remplit le moule en 0,5 seconde, ce qui permet de fabriquer des produits précis.

L'amincissement par cisaillement est le paramètre. Cela permet aux ouvriers de s'attaquer à l'écoulement du métal au cours des différentes étapes de la coulée.

Fraction solide

La fraction solide (fₛ) est la proportion du contenu solide dans le SSDC. C'est ce que les fabricants maintiennent dans une fourchette possible de 20% et 60%.

Des conditions inférieures à 20% rendent le métal liquide et des conditions trop élevées, supérieures à 60%, donnent une forme plus dure. Cela cause des problèmes dans les moules.

Évolution de la microstructure

Par rapport à l'ancienne structure dendritique, le métal semi-solide présente une microstructure globulaire ou en rosette. Les particules sont de forme ronde, ce qui permet un écoulement plus régulier et minimise les défauts. L'amélioration de la résistance et de la qualité sont les principaux résultats de ce processus dans les produits finis.

Processus de moulage sous pression semi-solide

Méthodes de production de boues

1. Activation de la fonte induite par la contrainte (SIMA) :

Après avoir acheté des billettes standard, les fabricants les filtrent à 300° C. Ils les placent ensuite dans des fours pour les réchauffer à 580° C. Dans cette matrice liquide, des particules sphériques se forment (50μm). C'est suffisant pour un traitement semi-solide.

2. Agitation magnétohydrodynamique (MHD)

Les bobines électromagnétiques utilisent un courant de 500A. Cela permet d'obtenir une agitation de 600 tours par minute sans contact. L'état solide idéal 40% est formé grâce à ce processus, ce qui évite toute contamination.

3. Coulée de la pente de refroidissement

Le fabricant fait couler l'état fondu du métal à 620°C sur la pente. Il s'agit généralement d'une pente en cuivre avec une position à 60°.

Ils utilisent un refroidissement plus rapide pour obtenir une bouillie semi-solide en plus de 3 secondes.

Modifications de l'unité d'injection

Utiliser un type spécial de manchon court avec des revêtements thermiques en céramique.. Ils maintiennent la température de la boue à 570°C. Vous pouvez ainsi la couler sans crainte pendant toute la phase d'injection.

En outre, des poussoirs conçus avec précision garantissent un remplissage uniforme du moule. Il fonctionne avec une vitesse critique de 0,3-0,8 m/s. Cette caractéristique permet d'équilibrer les opérations et de réduire la séparation des phases. Celle-ci se produit entre les particules liquides et solides de la suspension.

Considérations relatives à la conception des matrices

Dans le cas des systèmes à guillotine, vous devez utiliser une section transversale 30% plus grande que celle des filières conventionnelles. Cela permet de maintenir un flux correct de métaux semi-solides.

Pour les systèmes de couloirs, incorporez des courbes graduelles. Le rayon de courbure doit être d'au moins 20 mm. Ce faisant, les techniques permettent de maintenir un écoulement laminaire du métal et de minimiser les turbulences.

Quant aux fentes d'aération, elles sont usinées avec précision sur une largeur de 0,1 mm. Elles permettent de contrôler l'emprisonnement de l'air pendant la coulée. Elles permettent également de résoudre les problèmes de fuite.

Avantages de la coulée sous pression semi-solide

Surfaces plus lisses et tailles précises

Le métal semi-solide s'écoule dans les sections de la matrice à une vitesse contrôlée. Cette vitesse est beaucoup plus lente que celle du métal liquide. Cela permet également de réduire les bulles d'air jusqu'à 90 %.

Par rapport à la coulée classique, ce procédé réduit le retrait (0,5%), qui est inférieur au retrait de 1,2% lors du refroidissement. Cela permet également de fabriquer des pièces qui sont encliquetage.

Structure métallique plus solide

Les petites particules rondes de l'état semi-solide sont suffisamment serrées les unes contre les autres. Cela signifie que leur structure est plus dense et qu'elles 20% sont plus résistantes lorsqu'elles sont étirées.

Vous pouvez le plier avec plus de force 15% avant qu'il ne se fracture. Ces pièces durent 30% plus longtemps grâce à l'endurance à des contraintes répétées.

Moins de trous et de défauts

Il n'y a pratiquement aucun espace vide (1 à 2 %) à l'intérieur du SSDC. En revanche, le moulage sous pression classique a 5 à 8 % de chances d'aboutir.

Ce processus permet d'éliminer les bulles d'air, les trous, les rétrécissements, les fissures et les surfaces rugueuses.

Économies d'énergie

Vous devez savoir qu'une autre caractéristique ou un autre avantage de ce processus est l'économie d'énergie. Il permet de réduire la consommation d'énergie de plusieurs façons. Par exemple :

• Le métal chauffe à 580°C au lieu de 680°C.
• Les flux plus rapides (25%) consomment moins d'énergie.
• Il réduit les déchets de matériaux jusqu'à 15 % pendant le fonctionnement.

Réduction des coûts de production

Les pièces semi-solides nécessitant moins de machines de polissage, l'entreprise économise jusqu'à 40%.

Parmi leur production, 5% de pièces peuvent être rejetées. Cela représente moins de 15 % de ces processus normaux.

Vous pouvez utiliser les moules SSDC 50000 fois de plus au lieu de 30000 fois seulement.

Applications de la coulée sous pression semi-solide

Composants automobiles critiques

Les éléments du moulage sous pression semi-solide dans l'industrie automobile sont les suivants :

• Articulations de direction
• Supports de moteur
• Cas de transmission
• Étriers de frein

Ce procédé permet de produire des pièces très complexes avec des détails structurels. Par exemple, les sous-cadres et les bras de suspension avec des conceptions creuses.

Dans les VE (véhicules électriques), les pièces sont des boîtiers de batterie et des boîtiers de moteur. Ils sont légers et durables. Ils supportent également les vibrations constantes et les contraintes thermiques.

Pièces de haute performance pour l'aérospatiale

L'état semi-solide permet de produire des composants aérospatiaux d'une grande précision. Il s'agit de

• Supports d'aile
• Composants du train d'atterrissage
• Pièces pour moteurs à turbine
• Boîtiers de radar
• Boîtiers avioniques
• Satellite

Ils sont durables et moins lourds. Le boîtier du système de guidage des missiles en tire parti pour ses capacités. Ils maintiennent des tolérances serrées dans les environnements critiques.

Gains de performance mesurés

Lors d'essais sur le terrain, les étriers de frein en fonte semi-solide ont une durée de vie de 80000 km avant d'être usés par l'ancienne méthode. En outre, les pièces moulées pour l'aéronautique résistent 25% mieux à la fatigue.

Les pièces du secteur automobile bénéficient d'une meilleure résistance à l'impact (15%) lors des tests de collision.

Des applications de marché en plein essor

Au fil du temps, des applications commerciales de plus en plus nombreuses tirent parti du CDS pour créer :

• Boîtiers d'antennes 5G précis avec guides d'ondes de 0,05 mm.
• Plateau d'implants médicaux contenant des surfaces résistantes aux bactéries.
• Boîtiers de moteur de drone avec une meilleure dissipation de la chaleur.

En outre, les véhicules électriques utilisent ce procédé pour obtenir une planéité de 0,2 mm. Cela concerne les plaques de refroidissement de la batterie sur des portées de 300 mm.

Matériaux utilisés dans le moulage sous pression semi-solide

Désignations d'alliages spécifiques

L'aluminium A356 (AlSi7Mg) et le magnésium AZ91D sont les alliages qui fonctionnent le mieux dans le moulage sous pression semi-solide. Ils fondent plus rapidement et plus uniformément, créant ainsi une texture idéale.

L'alliage A356 est très résistant, c'est pourquoi les constructeurs automobiles l'utilisent généralement 70%. Par ailleurs, l'alliage AZ91D convient parfaitement au moulage de boîtiers électroniques légers.

Propriétés rhéologiques

Les graphiques illustrent le fonctionnement des alliages de SSDC à différents stades et à différentes fractions solides (Fs). À Fs=0,37. La viscosité diminue lorsque le taux de cisaillement passe de 1 à 10 s-¹.

Les fractions comme Fs=0,48, qui sont plus élevées, maintiennent l'épaississement du flux. Elles utilisent plus de force pour remplir les matrices. Ce graphique illustre la raison pour laquelle les fabricants utilisent des fractions Fs comprises entre 0,40 et 0,45 pour obtenir le meilleur rendement.

Comportement de solidification

Les refroidissements de la coulée A356 sont de l'ordre de 50°C. Ils vous laissent suffisamment de temps pour étaler le métal à l'intérieur du moule.

Pour augmenter cette plage, vous pouvez ajouter 0,3% de magnésium. Cela permet d'augmenter la température jusqu'à 15°C pour un meilleur écoulement.

À l'inverse, l'alliage AZ91D prend plus rapidement une forme entièrement solide. Il permet cependant d'obtenir des pièces aux parois plus solides et plus minces. Elles sont jusqu'à 2 mm plus épaisses.

Transformation secondaire

Les pièces nécessitent souvent moins d'étapes de traitement secondaire. En effet, l'enlèvement de la surface est de 0,1 mm, contre 0,5 mm pour les pièces moulées conventionnelles.

De plus, le traitement thermique de l'alliage A356 permet d'améliorer la résistance jusqu'à 20% sans déformation.

Moulage sous pression semi-solide et moulage sous pression traditionnel

Comparaison des paramètres du processus

Structure des matériaux

La structure globulaire de la coulée semi-solide donne une ténacité supérieure de 20 % à celle de l'ancienne coulée. Elle contient environ 2 % de porosité ; inversement, 5,8%.

Facteurs de coût

Le coût initial est toutefois plus élevé jusqu'à 20%. Néanmoins, il peut être rentable car il permet de réduire les déchets de matériaux d'environ 15% et les coûts d'usinage jusqu'à 40%. Cela compense son coût initial.

Quand choisir

Optez pour un produit semi-solide si vous en avez besoin :

Choisissez un procédé de moulage sous pression semi-solide pour votre production :

• Parois minces (<3mm)
• Haute résistance (>250 MPa)
• Volumes >20 000 unités/an
• Finitions lisses (<3,2μm Ra)

Conclusion :

Le moulage sous pression semi-solide est réalisé avec une plus grande qualité de ténacité. Il ajoute également une excellente finition de surface avec une porosité minimale, environ 30% de moins que le processus normal.

Bien que la technique utilise des alliages spécifiques et des configurations initiales coûteuses, elle devient rentable pour la fabrication de pièces de plus de 20000 unités.

Le marché à venir se réjouit de l'expansion des applications SSDC dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et des technologies émergentes. Il se concentre également sur la découverte d'avancées en matière de contrôle des processus et d'outillage.