Odlewanie ciśnieniowe półstałe (SSDC) polega na wtryskiwaniu zawiesiny metalowej (20-60% w postaci stałej) w temperaturze 580–620 °C pod ciśnieniem 50–100 MPa. Powoduje to powstanie mikrostruktury kulistej, zwiększającej wytrzymałość nawet o 20%. Prędkości ścinania wynoszą zazwyczaj poniżej 10 s⁻¹, co zapewnia kontrolowane wypełnianie formy i precyzyjne wykonanie detali. Do typowych stopów należą aluminium A356, LM25 oraz magnez AZ91D.

Dowiedz się, dlaczego Odlewanie ciśnieniowe półstałe jest zalecane w celu uzyskania precyzyjnych wyników. Dowiedz się, jak to działa oraz jakie są jego główne metody, zastosowania i zalety.

Czym jest odlewanie półstałe?

Odlewanie półstałe pod ciśnieniem jest procesem produkcyjnym. Służy on do nadawania metalowi postaci półstałej. Elementy te mają konsystencję ciasta, składając się w równym stopniu z fazy ciekłej i stałej. Tego rodzaju masa umożliwia producentowi wytwarzanie skomplikowanych elementów najwyższej jakości. Znajduje szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, zarówno w motoryzacji, jak i w elektronice użytkowej. Półstałe elementy odlewane ciśnieniowo z aluminium są trwalsze i charakteryzują się niemal zerową liczbą wad w porównaniu z odlewami tradycyjnymi.

 Tiksotropia i reopeksja

1. Reocasting (zachowanie tiksotropowe)

Proces reocastingu rozpoczyna się po uzyskaniu standardowego wlewka metalowego. Może to być stop aluminium A356. Metalowcy topią te wlewki w temperaturze początkowej 650°C w piecu.

Gdy stopiony materiał zaczyna stygnąć w temperaturze półstałej 580°C, pracownicy używają mieszadła mechanicznego, obracając je z prędkością 500 obr. W ten sposób cząstki stałe rozpadają się na małe kuleczki. Ich wielkość wynosi 50-100 mikronów.

Mieszanie powoduje zachowanie tiksotropowe. Jest to odlewanie w stanie półstałym z cząstkami stałymi 40%. Płynie bardzo gładko po naciśnięciu.

Zawiesina ta jest później wykorzystywana do odlewania wszechstronnych komponentów przemysłowych, takich jak elementy zawieszenia samochodowego.

2. Thixocasting (zachowanie reopektyczne)

W procesie odlewania ciśnieniowego producenci używają gotowych kęsów. Są to stopy takie jak magnez AZ91D. Zazwyczaj materiał ten ma już odpowiednią mikrostrukturę kulistą.

Metalowcy po raz pierwszy zobaczyli te kęsy. Ich długości różnią się w wielu przypadkach, ale zwykle wahają się od 150 mm. Przetopili te kęsy, stosując temperaturę 575°C. Odpowiada to standardowemu procesowi odlewania ciśnieniowego. Proces ten trwa 15 minut w piecu indukcyjnym, aż materiał przybierze idealną półstałą formę.

Producenci wtłaczają ten materiał do formy z prędkością 1 m/s. Różni się on znacznie od tiksotropowego, ponieważ nie jest cieńszy. Zamiast tego jest to rodzaj reopeksji.

Proces ten zwiększa lepkość pod wpływem ścinania (10%). Skutkuje to niskim ryzykiem przepływu turbulentnego i uwięzienia powietrza. Podczas odlewania komponentów, takich jak obudowy laptopów, właściwości te zapewniają gładsze powierzchnie.

Jak szybkość ścinania kontroluje przepływ?

The stopów aluminium o konsystencji półstałej charakteryzują się prędkościami ścinania poniżej typowego zakresu wynoszącego 10 s⁻¹. Ze względu na swoją gęstą konsystencję materiał ten powoli przemieszcza się do wnęki formy, prawidłowo wypełniając każdą sekcję, co jest szczególnie istotne w przypadku odlewów o niewielkiej grubości.

Ścinanie zwiększa się, gdy wąskie bramki popychają metal z dużą prędkością. Wypełnia formę w ciągu 0,5 sekundy, wytwarzając precyzyjne produkty.

Parametrem tym jest przerzedzanie ścinające. Umożliwia to pracownikom radzenie sobie z przepływem metalu na różnych etapach odlewania.

Frakcja stała

Frakcja stała (fₛ) to udział zawartości substancji stałej w Odlewanie ciśnieniowe półstałe. Właśnie w tym zakresie producenci utrzymują wartości w granicach od 20% do 60%.

Niższe warunki poniżej 20% sprawiają, że metal jest rzadki, a zbyt wysokie, powyżej 60%, powodują twardszą formę. Powoduje to problemy z formą.

Ewolucja mikrostruktury

W porównaniu do starej struktury dendrytycznej, półstały metal ma mikrostrukturę kulistą lub rozetową. Cząsteczki mają okrągły kształt, umożliwiając płynniejszy przepływ i minimalizując defekty. Zwiększona wytrzymałość i wysoka jakość są podstawowymi rezultatami tego procesu w końcowych produktach.

Proces odlewania półstałego

Metody wytwarzania zawiesiny

1. Aktywacja stopu indukowana naprężeniem (SIMA):

Po zakupie standardowych kęsów, producenci odcedzają je w temperaturze 300°C. Następnie umieszczają je w piecach w celu ponownego podgrzania do temperatury 580°C. W tej płynnej matrycy tworzą się kuliste cząstki (50 μm). To wystarczy do przetwarzania półstałego.

2. Mieszanie magnetohydrodynamiczne (MHD)

Cewki elektromagnetyczne wykorzystują prąd 500A. Umożliwia to bezdotykowe mieszanie z prędkością 600 obr. W wyniku tego procesu powstaje idealny stan stały 40%, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia.

3. Odlewanie zbocza chłodzącego

Producent spuszcza stopiony metal o temperaturze 620°C po zboczu. Zazwyczaj jest to zbocze miedziane o kącie nachylenia 60°.

Wykorzystują one szybsze chłodzenie, aby uzyskać półstałą zawiesinę w czasie dłuższym niż 3 sekundy.

Modyfikacje jednostki wtryskowej

Użyj specjalnego typu krótkiej tulei z ceramiczną powłoką termiczną. Utrzymują one temperaturę zawiesiny na poziomie 570°C. Dzięki temu można go odlewać bez obaw podczas całej fazy wtrysku.

Ponadto precyzyjnie zaprojektowane tłoki zapewniają równomierne wypełnienie formy. Urządzenie pracuje z prędkością krytyczną 0,3-0,8 m/s. Funkcja ta równoważy operacje i zmniejsza szkodliwą separację faz. Dzieje się tak między ciekłymi i stałymi cząstkami zawiesiny.

Uwagi dotyczące konstrukcji matrycy

W przypadku systemów bramowych należy użyć matrycy 30% o większym przekroju poprzecznym niż konwencjonalne matryce. Pomoże to w utrzymaniu prawidłowego przepływu półstałych metali.

W przypadku systemów prowadnic należy stosować stopniowe zakrzywienia. Ich promień powinien wynosić co najmniej 20 mm. W ten sposób techniki te utrzymają laminarny przepływ metalu i zminimalizują turbulencje.

Jeśli chodzi o szczeliny wentylacyjne, są one precyzyjnie obrobione do szerokości 0,1 mm. Pozwala to kontrolować uwięzienie powietrza podczas odlewania. Zajmują się one również kwestiami wycieków.

Zalety półstałego odlewania ciśnieniowego

Gładsze powierzchnie i precyzyjne wymiary

Półstały metal przepływa do sekcji matrycy z kontrolowaną prędkością. Jest to znacznie wolniejsze niż w przypadku ciekłego metalu. Zmniejsza to również ilość pęcherzyków powietrza nawet o 90 %.

W porównaniu ze zwykłym odlewaniem proces ten zmniejsza skurcz (0,5%), który jest mniejszy niż 1,2% podczas stygnięcia. Pomaga to również w wytwarzaniu elementów łączonych na zatrzask.

Mocniejsza struktura metalowa

Małe, okrągłe, ukształtowane cząstki w stanie półstałym pakują się razem wystarczająco ciasno. Oznacza to, że mają gęstszą strukturę i 20% większą wytrzymałość po rozciągnięciu.

Można je zginać z większą siłą 15% przed złamaniem. Części te wytrzymują 30% dłużej dzięki wytrzymałości na powtarzające się naprężenia.

Mniej dziur i defektów

W środku prawie nie ma pustych przestrzeni (1 do 2 %)  Części odlewane metodą odlewania półstałego. Tymczasem regularne odlewanie ciśnieniowe ma szansę wynoszącą od 5 do 8 procent.

Pęcherzyki powietrza, dziury, skurcze, pęknięcia i nierówne miejsca na powierzchni są eliminowane dzięki temu procesowi.

Oszczędność energii

Musisz znać jeszcze jedną cechę lub zaletę tego rozwiązaniaOdlewanie ciśnieniowe półstałe Proces ten pozwala oszczędzać energię. Ogranicza zużycie energii na wiele sposobów. Na przykład:

• Metal nagrzewa się do temperatury 580°C zamiast 680°C.
• Szybsze przepływy (25%) zużywają mniej energii.
• Zmniejsza ilość odpadów materiałowych nawet o 15 procent podczas pracy.

Niższe koszty produkcji

Ponieważ części półstałe wymagają mniejszej liczby maszyn do polerowania, pozwala to zaoszczędzić do 40%.

Wśród ich produkcji, 5% części może zostać odrzuconych. To mniej niż 15 % tych normalnych procesów.

Można skorzystać z Odlewanie ciśnieniowe półstałe wytwarza o 50 000 więcej sztuk zamiast zaledwie 30 000.

Zastosowania odlewów półstałych

Krytyczne komponenty motoryzacyjne

Części półstałych odlewów ciśnieniowych w przemyśle motoryzacyjnym to:

• Zwrotnice
• Mocowania silnika
• Skrzynie biegów
• Zaciski hamulcowe

W procesie tym powstają bardzo złożone części z detalami strukturalnymi. Na przykład ramy pomocnicze i wahacze z wydrążonymi konstrukcjami.

W pojazdach elektrycznych są to obudowy akumulatorów i silników. Są one lekkie i wytrzymałe. Ponadto radzą sobie z ciągłymi wibracjami i naprężeniami termicznymi.

Wysokowydajne części lotnicze i kosmiczne

W stanie półstałym produkowane są komponenty lotnicze o precyzyjnej jakości. Są to:

• Wsporniki skrzydeł
• Elementy podwozia
• Części do silników turbinowych
• Obudowy radarów
• Obudowy awioniki
• Satelita

Są trwałe i mają mniejszą masę. Obudowa systemu naprowadzania pocisków rakietowych wykorzystuje ich możliwości. Zachowują wąskie tolerancje w krytycznych środowiskach.

Zmierzony wzrost wydajności

W testach terenowych półstałe odlewane zaciski hamulcowe wytrzymują 80000 km, zanim zużyją się przy użyciu starej metody. Co więcej, części odlewane w samolotach uzyskują 25% większą odporność na zmęczenie materiału.

Części sektora motoryzacyjnego zyskują lepszą odporność na uderzenia (15%) podczas testów zderzeniowych.

Rosnące zastosowania rynkowe

Z biegiem czasu coraz więcej zastosowań rynkowych wykorzystuje Odlewanie ciśnieniowe półstałe aby utworzyć:

• Precyzyjne obudowy anten 5G z falowodami 0,05 mm.
• Tacka na implanty medyczne zawierająca powierzchnie odporne na bakterie.
• Obudowy silników dronów z lepszym odprowadzaniem ciepła.

Co więcej, pojazdy elektryczne wykorzystują ten proces w celu uzyskania płaskości 0,2 mm. To 300 mm rozpiętości w płytach chłodzących akumulatora.

Materiały stosowane w odlewnictwie półstałym

Specyficzne oznaczenia stopów

Aluminium A356 (AlSi7Mg) i magnez AZ91D to stopy, które najlepiej sprawdzają się w odlewach półstałych. Topią się szybciej i bardziej równomiernie, tworząc idealną teksturę.

Ponieważ stop A356 charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, firmy motoryzacyjne zwykle używają stopu 70%. Tymczasem stop AZ91D dobrze nadaje się do odlewania lekkich obudów elektronicznych.

Właściwości reologiczne

Wykresy przedstawiają, w jaki sposób stopy Odlewanie ciśnieniowe półstałe badania na różnych etapach i przy różnych zawartościach fazy stałej (Fs). Przy Fs = 0,37 obserwuje się spadek lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania z 1 do 10 s⁻¹.

Frakcje takie jak Fs=0,48, które są wyższe, utrzymują przepływ zagęszczający. Zużywają one więcej siły do wypełnienia matryc. Ten wykres pokazuje sytuację, w której producenci stosują Fs między 0,40 a 0,45, aby uzyskać najlepszą wydajność.

Zachowanie podczas krzepnięcia

Cooldown odlewów A356 w zakresie 50°C. Dają one wystarczająco dużo czasu na rozprowadzenie metalu wewnątrz formy.

Aby zwiększyć ten zakres, można dodać 0,3% magnezu. Ma to na celu zwiększenie temperatury do 15°C dla lepszego przepływu.

Z kolei stop AZ91D szybciej przyjmuje w pełni stałą formę. Tworzy jednak części o mocniejszych, cieńszych ściankach. Są one do 2 mm grubsze.

Przetwarzanie wtórne

Części często wymagają mniejszej liczby etapów obróbki wtórnej. Wynika to z faktu, że wymagają one usunięcia 0,1 mm powierzchni w porównaniu do 0,5 mm w przypadku konwencjonalnych odlewów.

Ponadto, poddanie stopu A356 obróbce cieplnej zwiększa jego wytrzymałość do 20% bez wypaczania.

Odlewanie półstałe a tradycyjne odlewanie ciśnieniowe

Porównanie parametrów procesu

Parametr	Odlewanie półstałe	Odlewanie tradycyjne
Temperatura	580-620°C	680-720°C
Ciśnienie wtrysku	50-100 MPa	70-150 MPa
Frakcja stała	30-50%	0% (w pełni płynny)
Czas cyklu	45-60 sekund	30-40 sekund

Struktura materiału

Struktura kulista w odlewie półstałym zapewnia o 20% wyższą wytrzymałość niż struktura starego odlewu. Zawiera około 2 % porowatości; odwrotnie, 5,8%.

Czynniki kosztowe

Koszt początkowy jest jednak wyższy do 20%. Niezależnie od tego, może to być opłacalne, ponieważ zmniejsza ilość odpadów materiałowych o około 15% i koszty obróbki do 40%. To rekompensuje koszty początkowe.

Kiedy wybrać

W razie potrzeby wybierz półstałe:

Wybierz półstały proces odlewania ciśnieniowego podczas produkcji:

• Cienkie ścianki (<3 mm)
• Wysoka wytrzymałość (>250 MPa)
• Wolumeny >20 000 jednostek/rok
• Gładkie wykończenia (<3,2 μm Ra)

Wnioski:

Odlewanie półstałe pod ciśnieniem charakteryzuje się wyższą wytrzymałością. Zapewnia również doskonałe wykończenie powierzchni przy minimalnej porowatości, o około 30% mniejszej niż w przypadku standardowego procesu.

Chociaż technika ta wykorzystuje specyficzne stopy i kosztowne ustawienia początkowe, staje się opłacalna przy wytwarzaniu części przekraczających 20000 sztuk.

Nadchodzący rynek ma nadzieję na dalszy rozwój Odlewanie ciśnieniowe półstałe zastosowania w branży motoryzacyjnej, lotniczej oraz w dziedzinie nowych technologii. Skupia się również na odkrywaniu innowacji w zakresie sterowania procesami i oprzyrządowania.

Jesteśmy Producent półstałych odlewów ciśnieniowych w Chinach, jeśli potrzebują Państwo jakichkolwiek półsztywnych elementów odlewanych ciśnieniowo z aluminium, zapraszamy do kontaktu z nami.