La pressofusione semisolida (SSDC) prevede l'iniezione di un impasto metallico (20-60% solido) a 580-620°C con una pressione di 50-100 MPa. In questo modo si forma una microstruttura globulare che aumenta la resistenza fino a 20%. Le velocità di taglio sono tipicamente inferiori a 10 s-¹, garantendo un riempimento controllato dello stampo per pezzi precisi. Le leghe più comuni sono l'alluminio A356 e il magnesio AZ91D.

Scoprite perché l'SSDC è preferibile per ottenere risultati di precisione. Scoprite come funziona e quali sono i suoi metodi, applicazioni e vantaggi principali.

Che cos'è la pressofusione semisolida?

Semi-solido pressofusione è un processo di produzione. Viene utilizzato per formare il metallo in uno stato semi-solido. Questi pezzi sono simili a un impasto, che contiene sia forme liquide che solide. Questo tipo di impasto aiuta il produttore a produrre pezzi intricati e di alta qualità. È ampiamente utilizzato nelle industrie, sia nel settore automobilistico che in quello dell'elettronica di consumo. I pezzi SSDC sono più resistenti e presentano quasi zero difetti rispetto alla fusione tradizionale.

 Tixotropia e retopessi

1. Refusione (comportamento tixotropico)

Il processo di reocasting viene avviato dopo aver ottenuto un lingotto metallico standard. Può essere la lega di alluminio A356. Gli operai metallurgici fondono questi lingotti alla temperatura iniziale di 650°C in un forno.

Quando questo materiale fuso inizia a raffreddarsi a una temperatura semi-solida di 580°C, gli operatori utilizzano un agitatore meccanico, facendolo ruotare a 500 giri al minuto. In questo modo, le particelle solide si rompono in minuscoli globuli. Le dimensioni sono di 50-100 micron.

L'agitazione rende il comportamento tissotropico. Si tratta di una colata allo stato semisolido con particelle solide 40%. Quando si spinge, scorre in modo molto fluido.

Questo impasto viene successivamente utilizzato per la fusione di componenti versatili di industrie come i componenti delle sospensioni delle automobili.

2. Tixocasting (comportamento reopectico)

Nella tixocastellatura, i produttori utilizzano billette preconfezionate. Si tratta di leghe come il magnesio AZ91D. Di solito, in questo materiale è già presente una microstruttura globulare adeguata.

I metalmeccanici hanno visto per la prima volta queste billette. La loro lunghezza varia in molti casi, ma di solito è di 150 mm. Hanno rifuso queste billette, applicando una temperatura di 575 °C. Questo corrisponde alla tixocastrazione standard. Il processo dura 15 minuti in un forno a induzione, finché il materiale non assume una forma semisolida ideale.

I produttori spingono questo materiale nello stampo a 1 m/s. È molto diverso dal tixotropico, perché non è più sottile. Si tratta invece di una sorta di reopessi.

Questo processo aumenta la viscosità al taglio (10%). Ciò comporta un basso rischio di flusso turbolento e di intrappolamento dell'aria. Quando si fondono componenti come gli involucri dei computer portatili, queste caratteristiche producono superfici più lisce.

In che modo la velocità di taglio controlla il flusso?

I metalli semisolidi hanno tassi di taglio al di sotto dell'intervallo tipico di 10 s-¹. Essendo uno stato denso, si muove lentamente nella cavità di uno stampo, riempiendo adeguatamente ogni sezione, soprattutto quando si tratta di colate sottili.

Il taglio aumenta quando le porte strette spingono il metallo ad alta velocità. Riempie lo stampo in 0,5 secondi, realizzando prodotti precisi.

Il parametro è l'assottigliamento al taglio. Ciò consente ai lavoratori di gestire il flusso del metallo durante le varie fasi della colata.

Frazione solida

La frazione solida (fₛ) è la proporzione del contenuto solido in SSDC. È ciò che i produttori mantengono all'interno di un intervallo fattibile tra 20% e 60%.

Condizioni inferiori a 20% rendono il metallo fluido, mentre condizioni troppo elevate, superiori a 60%, danno luogo a una forma più dura. Ciò causa problemi di stampaggio.

Evoluzione della microstruttura

Rispetto alla vecchia struttura dendritica, il metallo semisolido ha una microstruttura globulare o a rosetta. Le particelle sono di forma rotonda, consentendo un flusso più fluido e riducendo al minimo i difetti. Una maggiore resistenza e una qualità superiore sono i risultati fondamentali di questo processo nei prodotti finali.

Processo di pressofusione semisolida

Metodi di generazione del liquame

1. Attivazione della fusione indotta da deformazione (SIMA):

Dopo aver acquistato billette standard, i produttori le filtrano a 300° C. Le mettono poi in forni per riscaldarle a 580° C. In questa matrice liquida si formano particelle sferiche (50μm). Questo è sufficiente per la lavorazione semisolida.

2. Agitazione magnetoidrodinamica (MHD)

Le bobine elettromagnetiche utilizzano una corrente di 500A. Questo permette di effettuare un'agitazione a 600 giri al minuto senza contatto. Con questo processo si forma lo stato solido ideale 40%, evitando la contaminazione.

3. Fusione della pendenza di raffreddamento

Il produttore fa scendere il metallo allo stato fuso a 620°C sul pendio. Di solito si tratta di un pendio in rame con una posizione di 60°.

Utilizzano un raffreddamento più rapido per ottenere un impasto semisolido in più di 3 secondi.

Modifiche all'unità di iniezione

Utilizzare un tipo speciale di manica corta con rivestimenti termici in ceramica. Mantengono la temperatura dell'impasto a 570°C. In modo da poterlo colare senza preoccupazioni durante tutta la fase di iniezione.

Inoltre, i pistoni di precisione garantiscono un riempimento uniforme dello stampo. Funziona con una velocità critica di 0,3-0,8 m/s. Questa caratteristica bilancia le operazioni e riduce la dannosa separazione di fase. Questa avviene tra le particelle liquide e solide dell'impasto.

Considerazioni sulla progettazione degli stampi

Nel caso di sistemi a cancello, è necessario utilizzare una sezione trasversale 30% maggiore rispetto agli stampi convenzionali. Ciò contribuirà a mantenere il corretto flusso dei metalli semisolidi.

Per i sistemi di guide, incorporare curvature graduali. Con un raggio minimo di 20 mm. In questo modo, le tecniche manterranno il flusso laminare del metallo e ridurranno al minimo la turbolenza.

Per quanto riguarda le fessure di ventilazione, sono lavorate con precisione con una larghezza di 0,1 mm. In questo modo si controlla l'intrappolamento dell'aria durante la colata. In questo modo si risolvono anche i problemi di tenuta.

Vantaggi della pressofusione semisolida

Superfici più lisce e dimensioni precise

Il metallo semisolido scorre nelle sezioni dello stampo a una velocità controllata. È molto più lento del metallo liquido. Questo riduce anche le bolle d'aria fino al 90 %.

Rispetto alla normale colata, questo processo riduce il ritiro (0,5%), che è inferiore a quello di 1,2% durante il raffreddamento. Questo aiuta anche a realizzare pezzi che sono montaggio a scatto.

Struttura metallica più resistente

Le particelle piccole, rotonde e sagomate dello stato semisolido si compattano in modo abbastanza stretto. Ciò significa che hanno una struttura più densa, con 20% maggiore resistenza quando vengono allungate.

È possibile piegarlo con più forza 15% prima della frattura. Queste parti durano 30% più a lungo con la resistenza alle sollecitazioni ripetute.

Meno fori e difetti

Ci sono quasi zero spazi vuoti (da 1 a 2 %) all'interno dell'SSDC. Nel frattempo, la normale pressofusione ha una probabilità del 5-8%.

Grazie a questo processo vengono eliminati bolle d'aria, fori, restringimenti, crepe e punti ruvidi della superficie.

Risparmio energetico

Un'altra caratteristica o vantaggio di questo processo è il risparmio energetico. Riduce il consumo di energia in molti modi. Per esempio:

• Il metallo si riscalda a 580°C invece che a 680°C.
• I flussi più veloci (25%) consumano meno energia.
• Riduce lo spreco di materiale fino al 15% durante il funzionamento.

Costi di produzione ridotti

Poiché i pezzi semisolidi necessitano di un minor numero di macchine per la lucidatura, è possibile risparmiare fino a 40%.

Tra la loro produzione, 5% di pezzi possono essere scartati. Si tratta di meno di 15 % di processi normali.

È possibile utilizzare gli stampi SSDC altre 50000 volte anziché solo 30000.

Applicazioni della pressofusione semisolida

Componenti automobilistici critici

I componenti della pressofusione semisolida nell'industria automobilistica sono:

• Snodi dello sterzo
• Supporti motore
• Casi di trasmissione
• Pinze freno

Questo processo produce pezzi molto complessi con dettagli strutturali. Ad esempio, sottotelai e bracci delle sospensioni con struttura cava.

Nei veicoli elettrici (EV), i componenti sono gli alloggiamenti delle batterie e le custodie dei motori. Sono leggeri e resistenti. Inoltre, gestiscono le vibrazioni e le sollecitazioni termiche costanti.

Parti aerospaziali ad alte prestazioni

Lo stato semisolido produce componenti aerospaziali con qualità di precisione. Questi sono:

• Staffe dell'ala
• Componenti del carrello di atterraggio
• Parti di motori a turbina
• Alloggiamenti per radar
• Custodie per avionica
• Satellite

Sono resistenti e hanno un peso ridotto. L'involucro del sistema di guida missilistico ne sfrutta le capacità. Mantengono tolleranze strette in ambienti critici.

Guadagni di prestazioni misurati

Nei test sul campo, le pinze dei freni in fusione semisolida durano 80000 km prima di usurarsi con il vecchio metodo. Inoltre, le parti fuse in aeronautica ottengono 25% una maggiore resistenza alla fatica.

I componenti del settore automobilistico ottengono una migliore resistenza agli urti (15%) durante i crash test.

Applicazioni di mercato in crescita

Nel tempo, le applicazioni di mercato in crescita sfruttano l'SSDC per creare:

• Alloggiamenti precisi per antenne 5G con guide d'onda da 0,05 mm.
• Vassoio per impianti medici contenente superfici resistenti ai batteri.
• Alloggiamenti per motori di droni con una migliore dissipazione del calore.

Inoltre, i veicoli elettrici utilizzano questo processo per ottenere una planarità di 0,2 mm. Questo su un arco di 300 mm nelle piastre di raffreddamento della batteria.

Materiali utilizzati nella pressofusione semisolida

Designazioni specifiche delle leghe

L'alluminio A356 (AlSi7Mg) e il magnesio AZ91D sono le leghe che funzionano meglio nella pressofusione semisolida. Fondono più rapidamente e in modo più uniforme, creando una struttura ideale.

Poiché la lega A356 presenta un'elevata resistenza, le aziende automobilistiche utilizzano solitamente la lega 70%. Nel frattempo, la lega AZ91D si sposa bene con la fusione di custodie per elettronica leggera.

Proprietà reologiche

I grafici illustrano il funzionamento delle leghe di SSDC a diversi stadi e a diverse frazioni solide (Fs). A Fs=0,37. Si nota un calo della viscosità quando la velocità di taglio aumenta da 1 a 10 s-¹.

Frazioni come Fs=0,48, che sono più alte, mantengono il flusso più denso. Utilizzano una forza maggiore per riempire gli stampi. Questo grafico illustra la situazione per cui i produttori utilizzano Fs tra 0,40 e 0,45 per ottenere la migliore produzione.

Comportamento di solidificazione

I tempi di raffreddamento delle colate A356 si aggirano intorno ai 50°C. Consentono di avere il tempo sufficiente per distribuire il metallo all'interno dello stampo.

Per aumentare questo intervallo, è possibile aggiungere 0,3% di magnesio. Questo per aumentare la temperatura fino a 15°C e migliorare il flusso.

Al contrario, la lega AZ91D assume più rapidamente una forma completamente solida. Tuttavia, produce pezzi con pareti più resistenti e più sottili. Lo spessore può arrivare fino a 2 mm.

Elaborazione secondaria

I pezzi hanno spesso bisogno di meno fasi di lavorazione secondaria. Questo perché è necessaria un'asportazione della superficie di 0,1 mm rispetto a 0,5 mm per le fusioni tradizionali.

Inoltre, il passaggio della lega A356 attraverso il trattamento termico migliora la resistenza fino a 20% senza deformazioni.

Pressofusione semisolida vs. pressofusione tradizionale

Confronto dei parametri di processo

Struttura del materiale

La struttura globulare della colata semisolida offre una tenacità superiore del 20% rispetto alla struttura della vecchia colata. Contiene circa 2 % di porosità; viceversa, 5,8%.

Fattori di costo

Il costo iniziale, tuttavia, è più elevato fino a 20%. Tuttavia, può risultare conveniente in quanto riduce gli scarti di materiale di circa 15% e i costi di lavorazione fino a 40%. Questo compensa le spese iniziali.

Quando scegliere

Optate per un semisolido quando ne avete bisogno:

Scegliete un processo di pressofusione semisolida quando producete:

• Pareti sottili (<3 mm)
• Alta resistenza (>250 MPa)
• Volumi >20.000 unità/anno
• Finiture lisce (<3,2μm Ra)

Conclusione:

La pressofusione semisolida è realizzata con una qualità superiore di tenacità. Aggiunge inoltre un'eccellente finitura superficiale con una porosità minima, circa 30% in meno rispetto al processo normale.

Sebbene la tecnica utilizzi leghe specifiche e costose configurazioni iniziali, diventa economicamente vantaggiosa per la fabbricazione di pezzi superiori a 20000 unità.

Il mercato in arrivo prevede l'espansione delle applicazioni SSDC nei settori automobilistico, aerospaziale e delle tecnologie emergenti. Si concentra inoltre sulla scoperta di progressi nel controllo di processo e nell'attrezzeria.