A fundição sob pressão semissólida (SSDC) envolve a injeção de uma pasta de metal (20-60% sólido) a 580-620°C sob pressão de 50-100 MPa. Isso forma uma microestrutura globular, aumentando a resistência em até 20%. As taxas de cisalhamento são normalmente inferiores a 10 s-¹, garantindo o preenchimento controlado do molde para peças precisas. As ligas comuns incluem o alumínio A356 e o magnésio AZ91D.
Saiba por que o SSDC é preferido para obter resultados precisos. Descubra como ele funciona e quais são seus principais métodos, aplicações e vantagens.
O que é fundição sob pressão semi-sólida?
Semi-sólido fundição sob pressão é um processo de fabricação. Ele é usado para formar metal em um estado semissólido. Essas peças são semelhantes a uma massa, contendo igualmente formas líquidas e sólidas. Esse tipo de pasta ajuda o fabricante a produzir peças complexas e de alta qualidade. É amplamente utilizado nos setores, seja automotivo ou de eletrônicos de consumo. As peças SSDC são mais resistentes e têm quase zero defeitos em comparação com a fundição tradicional.
Tixotropia e reopexia
1. Reocasting (comportamento tixotrópico)
O processo de reofusão é iniciado após a obtenção de um lingote de metal padrão. Pode ser a liga de alumínio A356. Os metalúrgicos derretem esses lingotes a uma temperatura inicial de 650°C em um forno.
Quando esse material fundido começa a esfriar a uma temperatura semissólida de 580°C, os trabalhadores usam um agitador mecânico, girando-o a 500 rpm. Ao fazer isso, as partículas sólidas se quebram em pequenos glóbulos. Seu tamanho é de 50 a 100 mícrons.
A agitação gera um comportamento tixotrópico. Essa é a fundição em estado semissólido com partículas sólidas 40%. Ele flui muito suavemente quando você empurra.
Posteriormente, essa pasta é usada para fundir componentes versáteis do setor, como componentes de suspensão de automóveis.
2. Thixocasting (comportamento reopético)
No tixocasting, os fabricantes usam tarugos pré-fabricados. Eles são do tipo de ligas, como o magnésio AZ91D. Normalmente, já existe uma microestrutura globular adequada nesse material.
Os metalúrgicos viram esses tarugos pela primeira vez. Seus comprimentos variam em muitos casos, mas geralmente ficam em torno de 150 mm. Eles fundiram novamente esses tarugos, aplicando uma temperatura de 575°C. Isso se alinha com o padrão de tixocasting. O processo dura 15 minutos em um forno de indução até que o material assuma uma forma semi-sólida ideal.
Os fabricantes empurram esse material para dentro do molde a 1 m/s. Esse material é bem diferente do tixotrópico porque não é mais fino. Em vez disso, é um tipo de reopexia.
Esse processo aumenta a viscosidade sob cisalhamento (10%). Isso resulta em baixos riscos de fluxo turbulento e aprisionamento de ar. Quando eles fundem componentes como carcaças de laptops, essas características produzem superfícies mais lisas.
Como a taxa de cisalhamento controla o fluxo?
Os metais semissólidos têm taxas de cisalhamento abaixo da faixa típica de 10 s-¹. Por ser um estado espesso, ele se move lentamente para dentro da cavidade do molde, preenchendo cada seção adequadamente, especialmente na necessidade de fundição fina.
O cisalhamento aumenta quando portas estreitas empurram o metal em alta velocidade. Ele preenche o molde em 0,5 segundo, fabricando produtos precisos.
O parâmetro é o afinamento por cisalhamento. Isso permite que os trabalhadores lidem com o fluxo de metal durante os vários estágios da fundição.
Fração sólida
A fração sólida (fₛ) é a proporção do conteúdo sólido no SSDC. É o que os fabricantes mantêm em uma faixa viável de 20% e 60%.
Condições mais baixas, abaixo de 20%, fazem com que o metal fique escorrendo e condições muito altas, acima de 60%, resultam em uma forma mais dura. Isso causa problemas no molde.
Evolução da microestrutura
Em comparação com a antiga estrutura dendrítica, o metal semissólido tem uma microestrutura globular ou semelhante a uma roseta. As partículas têm formato redondo, o que permite um fluxo mais suave e minimiza os defeitos. Maior resistência e qualidade fina são os resultados básicos desse processo nos produtos finais.
Processo de fundição sob pressão semi-sólida
Métodos de geração de lama
1. Ativação de fusão induzida por tensão (SIMA):
Depois de comprar tarugos padrão, os fabricantes os filtram a 300 °C. Em seguida, eles os colocam em fornos para reaquecimento a 580 °C. Nessa matriz líquida, formam-se partículas esféricas (50μm). Isso é bom o suficiente para o processamento semissólido.
2. Agitação magneto-hidrodinâmica (MHD)
As bobinas eletromagnéticas usam corrente de 500A. Isso funciona para fazer agitação de 600 rpm sem contato. O estado sólido ideal do 40% é formado como resultado desse processo, evitando a contaminação.
3. Fundição em declive de resfriamento
O fabricante flui pelo estado fundido do metal a 620°C no declive. Normalmente, é uma inclinação de cobre com uma posição de 60°.
Eles usam resfriamento mais rápido para obter uma pasta semissólida em mais de 3 segundos.
Modificações na unidade de injeção
Use um tipo especial de manga curta com revestimentos térmicos de cerâmica. Eles mantêm a temperatura da pasta em 570°C. Assim, você pode fundir sem se preocupar durante toda a fase de injeção.
Além disso, os êmbolos de engenharia de precisão garantem o preenchimento uniforme do molde. Ele opera com uma velocidade crítica de 0,3 a 0,8 m/s. Esse recurso equilibra as operações e reduz a separação de fases prejudiciais. Isso acontece entre as partículas líquidas e sólidas da pasta.
Considerações sobre o projeto da matriz
É preciso usar uma área de seção transversal 30% maior do que a das matrizes convencionais no caso de sistemas de porta. Isso ajudará a manter o fluxo adequado de metais semissólidos.
Para sistemas de corrediças, incorpore curvaturas graduais. Isso tem um raio mínimo de 20 mm. Ao fazer isso, as técnicas manterão o fluxo laminar do metal e minimizarão a turbulência.
Quanto às ranhuras de ventilação, elas são usinadas com precisão com 0,1 mm de largura. Elas controlam o aprisionamento de ar durante a fundição. Além disso, elas também lidam com problemas de vazamento.
Vantagens da fundição sob pressão semissólida
Superfícies mais suaves e tamanhos precisos
O metal semissólido flui para as seções da matriz a uma velocidade controlada. Isso é muito mais lento do que o metal líquido. Isso também reduz as bolhas de ar em até 90 %.
Em comparação com a fundição comum, esse processo reduz o encolhimento (0,5%), que é menor do que o 1,2% no resfriamento. Isso também ajuda na fabricação de peças que são encaixe rápido.
Estrutura metálica mais forte
As partículas pequenas, redondas e moldadas do estado semissólido se aglomeram de forma suficientemente firme. Isso significa que elas têm uma estrutura mais densa com 20% mais resistência quando esticadas.
Você pode dobrá-lo com mais força 15% antes da fratura. Essas peças duram 30% mais tempo com a resistência ao estresse repetido.
Menos buracos e defeitos
Há quase zero espaços vazios (1 a 2 %) dentro do SSDC. Enquanto isso, a fundição normal tem uma chance de 5 a 8%.
Bolhas de ar, furos, encolhimento, rachaduras e pontos de superfície áspera são eliminados por esse processo.
Economia de energia
Você deve saber que outro recurso ou benefício desse processo é a economia de energia. Ele reduz o uso de energia de várias maneiras. Por exemplo:
- O metal se aquece a 580°C em vez de 680°C.
- Fluxos mais rápidos (25%) usam menos energia.
- Ele reduz o desperdício de material em até 15% durante a operação.
Custos de produção mais baixos
Como as peças semissólidas precisam de menos máquinas de polimento, economiza-se até 40%.
Em sua produção, 5% de peças podem ser rejeitadas. Isso representa menos de 15 % desses processos normais.
Você pode usar os moldes SSDC mais 50000 vezes em vez de apenas 30000 vezes.
Aplicações da fundição sob pressão semissólida
Componentes automotivos críticos
As partes da fundição sob pressão semissólida no setor automotivo são:
- Juntas de direção
- Suportes do motor
- Caixas de transmissão
- Pinças de freio
Esse processo produz peças altamente complexas com detalhes estruturais. Por exemplo, subquadros e braços de suspensão com projetos ocos.
Nos EVs (veículos elétricos), as peças são carcaças de bateria e gabinetes de motor. Elas são leves e duráveis. Além disso, lidam com vibração constante e estresse térmico.
Peças aeroespaciais de alto desempenho
O estado semissólido produz componentes aeroespaciais com qualidade de precisão. São eles:
- Suportes de asa
- Componentes do trem de pouso
- Peças de motores de turbina
- Compartimentos de radar
- Gabinetes aviônicos
- Satélite
Eles são duráveis e têm menos peso. A carcaça do sistema de orientação de mísseis aproveita sua capacidade. Eles mantêm tolerâncias rígidas em ambientes críticos.
Ganhos de desempenho medidos
Em testes de campo, as pinças de freio fundidas semissólidas duram 8.800 km antes de se desgastarem com o método antigo. Além disso, as peças fundidas para aeronaves obtêm 25% mais resistência à fadiga.
As peças dos setores automotivos obtêm melhor resistência ao impacto (15%) durante a operação em testes de colisão.
Aplicações de mercado em crescimento
Com o tempo, os aplicativos de mercado em crescimento aproveitam o SSDC para criar:
- Alojamentos de antena 5G precisos com guias de onda de 0,05 mm.
- Bandeja de implantes médicos com superfícies resistentes a bactérias.
- Carcaças de motor de drone com melhor dissipação de calor.
Além disso, os veículos elétricos usam esse processo para obter uma planicidade de 0,2 mm. Isso ocorre em vãos de 300 mm nas placas de resfriamento da bateria.
Materiais usados na fundição sob pressão semissólida
Designações de ligas específicas
O alumínio A356 (AlSi7Mg) e o magnésio AZ91D são as ligas que funcionam melhor na fundição sob pressão semissólida. Elas derretem mais rapidamente e de maneira mais uniforme, criando uma textura ideal.
Como há alta resistência na liga A356, as empresas automotivas costumam usá-la como 70%. Enquanto isso, a liga AZ91D combina bem com a fundição de caixas eletrônicas leves.
Propriedades reológicas
Os gráficos mostram como as ligas de SSDC funcionam em diferentes estágios e variando as frações sólidas (Fs). Em Fs=0,37. Ele mostra um declínio na viscosidade quando a taxa de cisalhamento aumenta de 1 para 10 s-¹.
Frações como Fs=0,48, que são mais altas, mantêm o fluxo mais espesso. Elas usam mais força para encher as matrizes. Esse gráfico demonstra a situação do motivo pelo qual os fabricantes usam Fs entre 0,40 e 0,45 para obter o melhor resultado.
Comportamento de solidificação
Os resfriamentos de fundição do A356 estão na faixa de 50°C. Eles permitem que você tenha tempo suficiente para espalhar o metal dentro do molde.
Para aumentar essa faixa, você pode adicionar 0,3% de magnésio. Isso é para aumentá-la em até 15°C para melhorar o fluxo.
Por outro lado, a liga AZ91D assume uma forma totalmente sólida mais rapidamente. No entanto, ela produz peças com paredes mais fortes e mais finas. Elas são até 2 mm mais grossas.
Processamento secundário
As peças geralmente precisam de menos etapas de processamento secundário. Isso se deve ao fato de que é necessário remover 0,1 mm da superfície, em vez de 0,5 mm para peças fundidas convencionais.
Além disso, a passagem da liga A356 por tratamento térmico aumenta a resistência até 20% sem empenamento.
Fundição sob pressão semi-sólida versus fundição sob pressão tradicional
Comparação dos parâmetros do processo
| Parâmetro | Fundição Semi-Sólida | Fundição tradicional |
| Temperatura | 580-620°C | 680-720°C |
| Pressão de injeção | 50-100 MPa | 70-150 MPa |
| Fração sólida | 30-50% | 0% (totalmente líquido) |
| Tempo de ciclo | 45-60 segundos | 30-40 segundos |
Estrutura do material
A estrutura globular na fundição semissólida proporciona uma resistência 20% maior do que a estrutura da fundição antiga. Ela contém cerca de 2 % de porosidade; por outro lado, 5,8%.
Fatores de custo
O custo inicial, no entanto, é maior até 20%. De qualquer forma, pode ser econômico, pois reduz o desperdício de material em cerca de 15% e os custos de usinagem em até 40%. Isso compensa sua despesa inicial.
Quando escolher
Opte pelo semi-sólido quando necessário:
Escolha um processo de fundição sob pressão semi-sólido quando estiver produzindo:
- Paredes finas (<3 mm)
- Alta resistência (>250 MPa)
- Volumes >20.000 unidades/ano
- Acabamentos lisos (<3,2μm Ra)
Conclusão:
A fundição sob pressão semissólida é feita com maior qualidade de resistência. Ele também oferece excelente acabamento de superfície com porosidade mínima, cerca de 30% a menos do que o processo normal.
Embora a técnica use ligas específicas e configurações iniciais caras, ela se torna econômica para a fabricação de peças com mais de 20.000 unidades.
O mercado futuro está ansioso para expandir as aplicações de SSDC nos setores automotivo, aeroespacial e de tecnologias emergentes. Ele também se concentra na descoberta de avanços no controle de processos e ferramentas.