A félszilárd öntés (SSDC) során fémiszapot (20-60% szilárd anyag) fecskendeznek 580-620°C-on 50-100 MPa nyomáson. Ez gömb alakú mikroszerkezetet képez, amely akár 20%-vel növeli a szilárdságot. A nyírási sebesség jellemzően 10 s-¹ alatt van, ami biztosítja a precíz alkatrészek ellenőrzött szerszámkitöltését. Gyakori ötvözetek közé tartozik az A356 alumínium és az AZ91D magnézium.

Ismerje meg, miért az SSDC az előnyösebb a precíziós eredmények eléréséhez. Fedezze fel, hogyan működik, és melyek a legfontosabb módszerei, alkalmazásai és előnyei.

Mi az a félszilárd öntés?

Félszilárd öntvényöntés egy gyártási folyamat. Fémek félszilárd állapotba történő formázására szolgál. Ezek az alkatrészek tésztaszerűek, egyformán tartalmaznak folyékony és szilárd formákat. Ez a fajta iszap segít a gyártónak kiváló minőségű, bonyolult alkatrészek előállításában. Széles körben használják az iparágakban, legyen szó autóiparról vagy szórakoztató elektronikáról. Az SSDC alkatrészek erősebbek és szinte nulla hibával rendelkeznek a hagyományos öntéshez képest.

 Tixotrópia és reopexia

1. Rheocasting (tixotróp viselkedés)

A reoöntési folyamatot egy szabványos fémtömb után indítják el. Ez lehet A356-os alumíniumötvözet. A fémmegmunkálók ezeket az ingotokat 650°C-os kezdeti hőmérsékleten olvasztják meg egy kemencében.

Amikor ez az olvadt anyag 580 °C-os félig szilárd hőmérsékleten kezd lehűlni, a munkások egy mechanikus keverőt használnak, amelyet 500 fordulat/perc sebességgel forgatnak. Ezáltal a szilárd részecskék apró gömböcskékre törnek. Ennek mérete 50-100 mikron.

A keverés tixotróp viselkedést eredményez. Ez a félig szilárd állapotú öntés 40% szilárd részecskékkel. Nagyon simán folyik, amikor nyomja.

Ezt az iszapot később sokoldalú ipari alkatrészek, például autófelfüggesztési alkatrészek öntésére használják.

2. Thixocasting (reopektikus viselkedés)

A thixocasting során a gyártók előre elkészített tuskókat használnak. Ezek olyan ötvözetek, mint például az AZ91D magnézium. Ebben az anyagban általában már megfelelő gömbölyded mikroszerkezet van.

A fémművesek látták először ezeket a tuskókat. Hosszuk sok esetben változik, de általában 150 mm között mozog. Ezeket a tuskókat 575 °C-os hőmérsékleten olvasztották újra. Ez megfelel a szabványos tixoköntésnek. A folyamat 15 percig tart egy indukciós kemencében, amíg az anyag ideális félszilárd formát vesz fel.

A gyártók ezt az anyagot 1 m/s sebességgel nyomják a formába. Ez egészen más, mint a tixotróp, mert nem vékonyabb. Ehelyett ez egyfajta reopexia.

Ez a folyamat növeli a nyírás alatti viszkozitást (10%). Ez a turbulens áramlás és a levegő beszorulásának alacsony kockázatát eredményezi. Amikor olyan alkatrészeket öntenek, mint a laptopok burkolata, ezek a jellemzők simább felületeket eredményeznek.

Hogyan szabályozza a nyírási sebesség az áramlást?

A félig szilárd fémek nyírási sebességek a tipikus 10 s-¹ tartomány alatt. Mivel vastag állapotú, lassan mozog a formaüregbe, megfelelően kitöltve minden egyes részt, különösen vékony öntvények esetén.

A nyírás akkor növekszik, amikor a keskeny kapuk nagy sebességgel nyomják a fémet. A szerszámot 0,5 másodperc alatt tölti ki, precíz termékeket gyártva.

A nyírási elvékonyodás a paraméter. Ez lehetővé teszi a dolgozók számára, hogy az öntés különböző szakaszaiban a fém áramlását kezeljék.

Szilárd frakció

A szilárd frakció (fₛ) az SSDC szilárdanyag-tartalmának aránya. Ezt a gyártók a 20% és 60% megvalósítható tartományon belül tartják.

A 20% alatti alacsonyabb feltételek a fémet folyékonnyá teszik, a túl magas, 60%-nél magasabb értékek pedig keményebb formát eredményeznek. Ez gondot okoz a penészben.

Mikroszerkezet fejlődése

A régi dendritikus szerkezethez képest a félig szilárd fém gömbölyded vagy rozettaszerű mikroszerkezetű. A részecskék kerek alakúak, ami simább áramlást tesz lehetővé és minimalizálja a hibákat. A jobb szilárdság és a finom minőség a végtermékekben ennek az eljárásnak az alapvető eredménye.

Félszilárd öntési folyamat

Hígtrágya előállítási módszerek

1. Húzás-indukált olvadás-aktiválás (SIMA):

A szabványos tuskók megvásárlása után a gyártók 300 °C-on rostálják őket. Ezután 580 °C-on történő újramelegítésre kemencékbe helyezik őket. Ebben a folyékony mátrixban gömb alakú részecskék képződnek (50μm). Ez elég jó a félszilárd feldolgozáshoz.

2. Magnetohidrodinamikai (MHD) keverés

Az elektromágneses tekercsek 500A áramot használnak. Ez a munka 600 fordulat/perces keverést tesz lehetővé érintkezés nélkül. A 40% ideális szilárd halmazállapot alakul ki ezzel a folyamattal, elkerülve a szennyeződést.

3. Hűtési lejtő öntése

A gyártó a 620 °C-os fém olvadt állapotában folyik le a lejtőn. Ez általában egy réz lejtő 60°-os állással.

Gyorsabb hűtést alkalmaznak, hogy több mint 3 másodperc alatt félszilárd iszapot kapjanak.

A befecskendező egység módosításai

Használjon speciális típusú rövid hüvelyt kerámia termikus bevonattal.. Az iszap hőmérsékletét 570 °C-on tartják. Így a befecskendezési fázis során aggodalom nélkül öntheti azt.

Ezen túlmenően a precíziósan megtervezett dugattyúk biztosítják a forma egyenletes kitöltését. 0,3-0,8 m/s kritikus sebességgel működik. Ez a tulajdonság kiegyensúlyozza a műveleteket és csökkenti a káros fázisszétválást. Ez az iszap folyékony és szilárd részecskéi között történik.

Szerszámtervezési megfontolások

A kapurendszerek esetében a hagyományos szerszámoknál 30% nagyobb keresztmetszetű szerszámokat kell használni. Ez segíti a félig szilárd fémek megfelelő áramlásának fenntartását.

A futórendszerek esetében építsen be fokozatos görbületeket. Ez legalább 20 mm sugarú. Ezzel a technikák fenntartják a lamináris fémáramlást és minimalizálják a turbulenciát.

A szellőzőnyílásokról szólva, ezek pontosan megmunkáltak 0,1 mm szélességűek. Ez szabályozza a levegő beszorulását az öntés során. Amelyben a szivárgási problémákat is kezelik.

A félszilárd öntés előnyei

Simább felületek és pontosabb méretek

A félig szilárd fém szabályozott sebességgel áramlik a szerszámrészekbe. Ez sokkal lassabb, mint a folyékony fém. Ez is csökkenti a légbuborékokat akár 90 %-vel.

A szokásos öntéshez képest ez az eljárás csökkenti a zsugorodást (0,5%), ami kisebb, mint a hűtés során fellépő 1,2%. Ez szintén segít olyan alkatrészek készítésében, amelyek pattintható.

Erősebb fémszerkezet

A félszilárd állapot apró, kerek, formás részecskéi elég szorosan összecsomagolódnak. Ez azt jelenti, hogy sűrűbb szerkezetűek, 20% nagyobb szilárdsággal rendelkeznek nyújtáskor.

A törés előtt nagyobb erővel 15% hajlíthatja meg. Ezek az alkatrészek 30% hosszabb ideig bírják az ismételt igénybevételt.

Kevesebb lyuk és hiba

Az SSDC-n belül szinte nulla üres hely van (1-2 %). Eközben a hagyományos öntvényeknél 5-8 százalék az esélye.

A légbuborékok, lyukak, zsugorodások, repedések és durva felületi foltok megszűnnek ennek a folyamatnak köszönhetően.

Energiamegtakarítás

Tudnia kell, hogy ennek a folyamatnak egy másik jellemzője vagy előnye az energiatakarékosság. Sokféleképpen csökkenti az energiafelhasználást. Például:

• A fém 680 °C helyett 580 °C-on melegszik fel.
• A gyorsabb áramlások (25%) kevesebb energiát használnak.
• Működés közben akár 15 százalékkal csökkenti az anyaghulladékot.

Alacsonyabb termelési költségek

Mivel a félszilárd alkatrészek kevesebb polírozógépet igényelnek, akár 40%-t is megtakarítanak rajta.

Termelési teljesítményük közül 5% alkatrész selejtes. Ez kevesebb, mint 15 % a normál folyamatok közül.

Az SSDC-formákat a 30000 alkalom helyett 50000-szor többször is használhatja.

A félszilárd öntés alkalmazásai

Kritikus autóipari alkatrészek

A félig szilárd öntvények az autóiparban a következők:

• Kormánycsuklók
• Motortartók
• Sebességváltóházak
• Féknyergek

Ez az eljárás rendkívül összetett, szerkezeti részletekkel rendelkező alkatrészeket eredményez. Például üreges kialakítású segédvázak és felfüggesztőkarok.

Az EV-kben (elektromos járművek) az alkatrészek az akkumulátorházak és a motorházak. Ezek könnyűek és tartósak. Emellett kezelik az állandó rezgéseket és a hőterhelést.

Nagy teljesítményű repülőgép-alkatrészek

A félszilárd állapot precíziós minőségű repülőgép-alkatrészeket eredményez. Ezek a következők:

• Szárnyas konzolok
• A futómű alkatrészei
• Turbinamotor alkatrészek
• Radarházak
• Avionikai burkolatok
• Műholdas

Tartósak és kisebb súlyúak. A rakétairányító rendszer burkolatának képességét kihasználja. Szoros tűréseket tartanak a kritikus környezetben.

Mérhető teljesítménynövekedés

A helyszíni tesztek szerint a félig szilárd öntött féknyergek a régi módszerrel 80000 km-t bírnak ki, mielőtt elkopnának. Továbbá a repülőgépek öntött alkatrészei 25% nagyobb fáradásállóságot kapnak.

Az autóipari ágazatok alkatrészei jobb ütésállóságot (15%) érnek el a töréstesztek során.

Növekvő piaci alkalmazások

Idővel a növekvő piaci alkalmazások kihasználják az SSDC-t, hogy létrehozzák:

• Precíz 5G antennaházak 0,05 mm-es hullámvezetőkkel.
• Baktériumálló felületeket tartalmazó orvosi implantátumtálca.
• Drónmotorházak jobb hőelvezetéssel.

Ezenkívül az elektromos járművek ezt az eljárást használják a 0,2 mm-es síkosság eléréséhez. Ez az akkumulátor hűtőlemezeinek 300 mm-es átmérőjénél van.

A félszilárd öntvényekben használt anyagok

Speciális ötvözet jelölések

Az A356 alumínium (AlSi7Mg) és az AZ91D magnézium ötvözetek a legjobban beváltak a félig szilárd öntvényeknél. Gyorsabban és egyenletesebben olvadnak, és ideális textúrát hoznak létre.

Mivel az A356 ötvözetben nagy szilárdság van, ezért az autóipari vállalatok általában 70%-t használnak. Eközben az AZ91D ötvözet jól megy a könnyű elektronikai tokok öntéséhez.

Reológiai tulajdonságok

A diagramok azt mutatják, hogyan működnek az SSDC ötvözetek különböző fázisokban és különböző szilárd frakciókban (Fs). Fs=0,37. A viszkozitás csökkenését mutatja, amikor a nyírási sebesség 1 és 10 s-¹ között emelkedik.

Az olyan frakciók, mint Fs=0,48, amelyek magasabbak, az áramlás sűrűsödését tartják fenn. Több erőt használnak a szerszámok kitöltéséhez. Ez a grafikon azt a helyzetet mutatja be, hogy a gyártók miért használnak 0,40 és 0,45 közötti Fs-t a legjobb teljesítmény elérése érdekében.

Megszilárdulási viselkedés

Az A356 öntés lehűlése az 50°C-os tartományban. Ezek elegendő időt biztosítanak a fém szétterítéséhez az öntőformában.

E tartomány növeléséhez 0,3% magnéziumot adhat hozzá. Ezzel 15°C-ig növelheti a jobb áramlás érdekében.

Ezzel szemben az AZ91D ötvözet gyorsabban veszi fel a teljesen szilárd formát. Ez azonban erősebb, vékonyabb falú alkatrészeket eredményez. Ezek akár 2 mm-rel vastagabbak is lehetnek.

Másodlagos feldolgozás

Az alkatrészek gyakran kevesebb másodlagos feldolgozási lépést igényelnek. Ennek oka, hogy 0,1 mm-es felületeltávolítás szükséges, szemben a hagyományos öntvények 0,5 mm-es felületeltávolításával.

Az A356 ötvözet hőkezelésen történő átvezetése szintén javítja a szilárdságot a 20%-ig, de nem vetemedik.

Félszilárd öntés vs. hagyományos öntés

Folyamatparaméterek összehasonlítása

Anyagszerkezet

A félszilárd öntvény gömbölyded szerkezete 20 százalékkal nagyobb szívósságot biztosít, mint a régi öntvény szerkezete. Körülbelül 2 % porozitást tartalmaz; fordítva, 5,8%.

Költségtényezők

A kezdeti költségek azonban 20%-ig magasabbak. Ettől függetlenül költséghatékony lehet, mivel körülbelül 15%-tel csökkenti az anyaghulladékot és 40%-ig csökkenti a megmunkálási költségeket. Ez ellensúlyozza a kezdeti költségeket.

Mikor válasszon

Válassza a félig szilárdat, ha szükséges:

A gyártás során válasszon félszilárd öntési eljárást:

• Vékony fal (<3mm)
• Nagy szilárdság (>250 MPa)
• Mennyiségek > 20 000 db/év
• Sima felületek (<3,2μm Ra)

Következtetés:

A félszilárd öntvények magasabb minőségű szívóssággal készülnek. Emellett kiváló felületkikészítést biztosít minimális porozitással, körülbelül 30%-vel kevesebbet, mint a hagyományos eljárás.

Bár a technika speciális ötvözeteket és drága kezdeti beállításokat használ, a 20000 darabot meghaladó alkatrészek gyártása esetén válik költséghatékonnyá.

A közelgő piac az SSDC alkalmazások bővülését várja az autóiparban, a repülőgépiparban és a feltörekvő technológiákban. A folyamatirányítás és a szerszámozás terén is a fejlesztések felfedezésére összpontosít.