Semi-Solid Die Casting (SSDC) innebærer at en metallslurry (20-60% fast stoff) sprøytes inn ved 580-620 °C under 50-100 MPa trykk. Dette danner en kuleformet mikrostruktur som øker styrken med opptil 20%. Skjærhastigheten er vanligvis under 10 s-¹, noe som sikrer kontrollert formfylling for presise deler. Vanlige legeringer inkluderer aluminium A356 og magnesium AZ91D.

Finn ut hvorfor SSDC er å foretrekke for å oppnå presise resultater. Finn ut hvordan den fungerer og hvilke metoder, bruksområder og fordeler den har.

Hva er halvfast pressstøping?

Halvfast pressstøping er en produksjonsprosess. Den brukes til å forme metall til en halvfast tilstand. Disse delene er deiglignende, og inneholder både flytende og faste former. Denne typen slurry hjelper produsenten med å produsere intrikate deler av topp kvalitet. Det er mye brukt i industrien, enten det er bilindustrien eller forbrukerelektronikk. SSDC-deler er sterkere og har nesten ingen defekter sammenlignet med tradisjonell støping.

 Tiotropi og reopexi

1. Rheocasting (tiksotropisk oppførsel)

Prosessen med rheocasting initieres etter å ha en standard metallblokk. Det kan være aluminiumslegering A356. Metallarbeiderne smelter disse barrene ved en starttemperatur på 650 °C i en ovn.

Når det smeltede materialet begynner å kjøle seg ned til en halvfast temperatur på 580 °C, bruker arbeiderne en mekanisk omrører som roterer med 500 omdreininger i minuttet. På denne måten brytes de faste partiklene opp i bittesmå kuler. Størrelsen er 50-100 mikrometer.

Omrøringen gjør tiksotropisk oppførsel. Det er den halvfaste tilstandsstøpingen med 40% faste partikler. Det flyter veldig jevnt når du skyver.

Denne slammet brukes senere til støping av allsidige komponenter i industrien, for eksempel bilopphengskomponenter.

2. Tiksokasting (reopektisk oppførsel)

I thixocasting bruker produsentene ferdiglagde billets. De er en slags legeringer som magnesium AZ91D. Vanligvis er det allerede en skikkelig kuleformet mikrostruktur i dette materialet.

Metallarbeiderne så først disse billettene. Lengden varierer i mange tilfeller, men de er vanligvis fra 150 mm og oppover. De smeltet om disse billettene og brukte en temperatur på 575 °C. Det er i tråd med standard thixocasting. Prosessen varer i 15 minutter i en induksjonsovn til materialet har fått en ideell halvfast form.

Produsentene skyver dette materialet inn i formen med 1 m/s. Dette er noe helt annet enn tiksotropisk, fordi det ikke er tynnere. I stedet er det en slags reopexy.

Denne prosessen øker viskositeten under skjær (10%). Dette resulterer i lav risiko for turbulent strømning og luftinneslutning. Når de støper komponenter som f.eks. kabinetter til bærbare datamaskiner, gir disse egenskapene jevnere overflater.

Hvordan styrer skjærhastigheten flyten?

De halvfaste metallene har skjærhastigheter under det typiske området på 10 s-¹. Siden det er en tykk tilstand, beveger den seg sakte inn i et formhulrom og fyller hver seksjon ordentlig, spesielt ved behov for tynn støping.

Skjærkraften øker når smale grinder skyver metallet i høye hastigheter. Den fyller formen i løpet av 0,5 sekunder og produserer presise produkter.

Skjærfortynning er en parameter. Det gjør det mulig for arbeiderne å takle metallflyt under forskjellige stadier av støping.

Faststofffraksjon

Faststofffraksjonen (fₛ) er andelen av faststoffinnholdet i SSDC. Det er det produsentene holder innenfor et mulig område på 20% og 60%.

Lavere forhold under 20% gjør metallet rennende og for høyt, mer enn 60%, resulterer i en hardere form. Det forårsaker problemer i mugg.

Mikrostrukturens utvikling

I motsetning til den gamle dendritiske strukturen har halvfast metall en kuleformet eller rosettlignende mikrostruktur. Partiklene er runde, noe som gir jevnere flyt og minimerer defekter. Forbedret styrke og finere kvalitet er de grunnleggende resultatene av denne prosessen i sluttproduktene.

Halvfast støpeprosess

Metoder for slurrygenerering

1. Tøyningsindusert smelteaktivering (SIMA):

Etter å ha kjøpt standardblokker, siler produsentene dem ved 300 °C. Deretter setter de dem inn i ovner for gjenoppvarming ved 580 °C. I denne flytende matrisen dannes det sfæriske partikler (50 μm). Det er godt nok for halvfast prosessering.

2. Magnetohydrodynamisk (MHD) omrøring

Elektromagnetiske spoler bruker 500A strøm. Dette er arbeid for å gjøre 600 rpm omrøring uten kontakt. 40% ideell fast tilstand dannes som et resultat med denne prosessen, og unngår forurensning.

3. Støping av kjølehelling

Produsenten flyter nedover det smeltede metallet ved 620 °C på skråningen. Det er vanligvis en kobberhelling med en 60°-posisjon.

De bruker raskere kjøling for å få en halvfast slurry på mer enn 3 sekunder.

Modifikasjoner av innsprøytningsenheten

Bruk en spesiell type kort hylse med keramisk termisk belegg. De holder temperaturen på slurryen på 570 °C. Slik at du kan støpe den uten å bekymre deg under hele injeksjonsfasen.

I tillegg sørger presisjonskonstruerte stempler for at formen fylles jevnt. Den opererer med en kritisk hastighet på 0,3-0,8 m/s. Denne funksjonen balanserer driften og reduserer skadelig faseseparasjon. Det skjer mellom slurryens flytende og faste partikler.

Vurderinger knyttet til matrisedesign

Du må bruke et 30% større tverrsnittsareal enn konvensjonelle matriser når det gjelder grindsystemer. Dette vil bidra til å opprettholde riktig flyt av halvfaste metaller.

For løpesystemer må det legges inn gradvise krumninger. Det har en radius på minst 20 mm. På denne måten opprettholder teknikken en laminær metallstrøm og minimerer turbulens.

Når vi snakker om ventilasjonsspalter, er de nøyaktig maskinert til 0,1 mm bredde. Det vil kontrollere luftinneslutning under støping. Der de også håndterer lekkasjeproblemer.

Fordeler med halvfast pressstøping

Jevnere overflater og presise størrelser

Halvfast metall flyter inn i formseksjonene med en kontrollert hastighet. Dette er mye langsommere enn flytende metall. Det reduserer også luftboblene med opptil 90 %.

Sammenlignet med vanlig støping reduserer denne prosessen krympingen (0,5%), noe som er mindre enn 1,2% ved avkjøling. Det bidrar også til å lage deler som er snap-fit.

Sterkere metallstruktur

De små, runde, formede partiklene i halvfast tilstand pakker seg tett nok sammen. Dette betyr at de har en tettere struktur med 20% mer styrke når de strekkes.

Du kan bøye den med mer kraft 15% før brudd. Disse delene varer 30% lenger med utholdenhet av gjentatt stress.

Færre hull og defekter

Det er nesten null tomme plasser (1 til 2 %) inne i SSDC. I mellomtiden har vanlig pressstøping en sjanse på 5 til 8 prosent.

Luftbobler, hull, krymping, sprekker og ujevne overflater blir eliminert på grunn av denne prosessen.

Energibesparelser

Du må vite at en annen funksjon eller fordel med denne prosessen er energisparing. Den reduserer energiforbruket på mange måter. For eksempel

• Metallet varmes opp til 580 °C i stedet for 680 °C.
• Raskere flyt (25%) bruker mindre energi.
• Den reduserer materialavfallet med opptil 15 prosent under drift.

Lavere produksjonskostnader

Fordi de halvfaste delene trenger færre poleringsmaskiner, sparer den opptil 40% på det.

I produksjonen kan 5% av delene bli avvist. Det er mindre enn 15 % av de normale prosessene.

Du kan bruke SSDC-formene 50000 ganger til i stedet for bare 30000 ganger.

Bruksområder for halvfast pressstøping

Kritiske bilkomponenter

Delene av halvfast støping i bilindustrien er:

• Rattknokler
• Motorfester
• Overføringskasser
• Bremsekalipere

Denne prosessen produserer svært komplekse deler med strukturelle detaljer. For eksempel underrammer og opphengsarmer med hule konstruksjoner.

I elbiler er delene batterikapslinger og motorkapslinger. De er lette og slitesterke. De tåler også konstant vibrasjon og termisk belastning.

Deler med høy ytelse til luft- og romfart

Den halvfaste tilstanden produserer romfartskomponenter med presisjonskvalitet. Disse er:

• Vingebraketter
• Komponenter til landingsstellet
• Deler til turbinmotorer
• Radarhus
• Kabinetter for flyelektronikk
• Satellitt

De er holdbare og har mindre vekt. Det er en fordel for missilstyringssystemets innkapsling. De holder tette toleranser i kritiske miljøer.

Målte prestasjonsgevinster

I felttester holder halvfast støpte bremsekalipere i 80000 km før de slites ut med den gamle metoden. I tillegg får flystøpte deler 25% mer utmattingsmotstand.

Delene til bilindustrien får bedre slagfasthet (15%) når de brukes i kollisjonstester.

Voksende markedsapplikasjoner

Over tid vil stadig flere markedsapplikasjoner utnytte SSDC til å skape:

• Presise 5G-antennehus med 0,05 mm bølgeledere.
• Medisinsk implantatbrett med bakteriebestandige overflater.
• Drone-motorhus med bedre varmespredning.

Dessuten bruker elbiler denne prosessen for å oppnå en planhet på 0,2 mm. Det er over 300 mm spenn i kjøleplatene til batteriet.

Materialer som brukes i halvfast pressstøping

Spesifikke legeringsbetegnelser

Aluminium A356 (AlSi7Mg) og magnesium AZ91D er de legeringene som fungerer best i halvfast pressstøping. De smelter raskere og jevnere, og skaper en ideell tekstur.

Fordi det er høy styrke i A356-legering, og det er derfor bilfirmaer vanligvis bruker den 70%. I mellomtiden går legeringen AZ91D bra med støping av lette elektronikkvesker.

Reologiske egenskaper

Diagrammene viser hvordan SSDC-legeringene fungerer på ulike stadier og med varierende faststoffandel (Fs). Ved Fs=0,37. Det viser en nedgang i viskositeten når skjærhastigheten øker fra 1 til 10 s-¹.

Fraksjoner som Fs=0,48, som er høyere, gjør at strømmen blir tykkere. De bruker mer kraft for å fylle matriser. Denne grafen viser hvorfor produsentene bruker Fs mellom 0,40 og 0,45 for å få best mulig produksjon.

Oppførsel ved størkning

A356 støpeavkjøling i 50 °C-området. De gir deg nok tid til å spre metall inne i formen.

For å øke dette området kan du legge til 0,3% magnesium. Det er for å øke den opp til 15 °C for bedre flyt.

Legeringen AZ91D får derimot raskere en helt fast form. Den gir imidlertid deler med sterkere og tynnere vegger. De er opptil 2 mm tykkere.

Sekundær prosessering

Delene trenger ofte færre trinn med sekundær bearbeiding. Dette skyldes at det trengs 0,1 mm overflatefjerning mot 0,5 mm for konvensjonelt støpegods.

Når A356-legeringen varmebehandles, forbedres styrken opp til 20% uten at den forvrenges.

Halvfast støping vs. tradisjonell pressstøping

Sammenligning av prosessparametere

Materiell struktur

Den kuleformede strukturen i halvfast støping gir 20 prosent høyere seighet enn den gamle støpestrukturen. Den inneholder omtrent 2 % porøsitet; omvendt, 5,8%.

Kostnadsfaktorer

Den opprinnelige kostnaden er imidlertid høyere opp til 20%. Uansett kan det være kostnadseffektivt, ettersom det reduserer materialavfallet med rundt 15% og maskineringskostnadene med opptil 40%. Det veier opp for startkostnaden.

Når du skal velge

Velg halvfast når du trenger det:

Velg en halvfast støpeprosess når du produserer:

• Tynne vegger (<3 mm)
• Høy styrke (>250 MPa)
• Volum >20 000 enheter/år
• Glatte overflater (<3,2 μm Ra)

Konklusjon

Halvfast støping er laget med en høyere kvalitet på seighet. Det gir også utmerket overflatebehandling med minimal porøsitet, rundt 30% mindre enn den vanlige prosessen.

Selv om teknikken krever spesifikke legeringer og dyre innledende oppsett, blir den kostnadseffektiv for produksjon av deler som overstiger 20000 enheter.

Det kommende markedet ser frem til å utvide SSDC-applikasjoner på tvers av bilindustrien, romfart og fremvoksende teknologier. Det fokuserer også på å oppdage fremskritt innen prosesskontroll og verktøy.