Turnarea semisolidă sub presiune (SSDC) presupune injectarea unei suspensii metalice (20-60% solid) la 580-620°C sub o presiune de 50-100 MPa. Se formează astfel o microstructură globulară, sporind rezistența cu până la 20%. Ratele de forfecare sunt de obicei sub 10 s-¹, asigurând umplerea controlată a matriței pentru piese precise. Aliajele comune includ aluminiul A356 și magneziul AZ91D.

Aflați de ce SSDC este preferat pentru a obține rezultate precise. Descoperiți cum funcționează și care sunt principalele sale metode, aplicații și avantaje.

Ce este turnarea semisolidă sub presiune?

Semi-solid turnare sub presiune este un proces de fabricație. Acesta este utilizat pentru a forma metalul într-o stare semisolidă. Aceste piese sunt asemănătoare unui aluat, conținând în mod egal forme lichide și solide. Acest tip de suspensie ajută producătorul să producă piese complexe, de calitate superioară. Este utilizat pe scară largă în industrii, fie că este vorba de industria auto sau electronică de consum. Piesele SSDC sunt mai puternice și au aproape zero defecte comparativ cu turnarea tradițională.

 Tixotropie și reopexie

1. Rheocasting (Comportament tixotropic)

Procesul de reocasting este inițiat după ce avem un lingou de metal standard. Acesta poate fi aliajul de aluminiu A356. Metalurgiștii topesc aceste lingouri la temperatura inițială de 650°C într-un cuptor.

Când acest material topit începe să se răcească la o temperatură semi-solidă de 580°C, lucrătorii folosesc un agitator mecanic, rotindu-l la 500 rpm. Făcând acest lucru, particulele solide se sparg în globule mici. Dimensiunea acestora este de 50-100 microni.

Agitarea produce un comportament tixotropic. Aceasta este turnarea în stare semi-solidă cu particule solide 40%. Curge foarte ușor atunci când împingeți.

Această suspensie este utilizată ulterior pentru turnarea componentelor versatile ale industriilor, cum ar fi componentele suspensiei auto.

2. Tixocasting (Comportament reopectic)

În thixocasting, producătorii folosesc billete prefabricate. Acestea sunt un fel de aliaje, cum ar fi magneziul AZ91D. De obicei, există deja o microstructură globulară adecvată în acest material.

Metalurgiștii au văzut pentru prima dată aceste țagle. Lungimea lor variază în multe cazuri, dar de obicei este de 150 mm. Ei au topit din nou aceste cioburi, aplicând o temperatură de 575°C. Acest lucru se aliniază cu thixocasting-ul standard. Procesul durează 15 minute într-un cuptor cu inducție, până când materialul capătă o formă semi-solidă ideală.

Producătorii împing acest material în matriță cu 1 m/s. Acest lucru este destul de diferit de thixotropic, deoarece nu este mai subțire. În schimb, este un fel de reopexie.

Acest proces crește vâscozitatea sub forfecare (10%). Acest lucru duce la riscuri reduse de curgere turbulentă și de captare a aerului. Atunci când se toarnă componente precum carcasele laptopurilor, aceste caracteristici produc suprafețe mai netede.

Cum controlează debitul rata de forfecare?

Metalele semisolide au rate de forfecare sub intervalul tipic de 10 s-¹. Fiind o stare groasă, se mișcă încet într-o cavitate de matriță, umplând fiecare secțiune în mod corespunzător, în special în nevoia de turnare subțire.

Forfecarea crește atunci când porțile înguste împing metalul la viteze mari. Acesta umple matrița în 0,5 secunde, fabricând produse precise.

Subțierea prin forfecare este parametrul. Aceasta permite lucrătorilor să abordeze fluxul de metal în timpul diferitelor etape ale turnării.

Fracția solidă

Fracția solidă (fₛ) este proporția conținutului solid în SSDC. Aceasta este ceea ce producătorii mențin într-un interval fezabil de 20% și 60%.

Condițiile mai scăzute sub 20% fac metalul să curgă, iar condițiile prea ridicate, mai mari de 60%, duc la o formă mai dură. Aceasta cauzează probleme în matriță.

Evoluția microstructurii

În comparație cu vechea structură dendritică, metalul semisolid are o microstructură globulară sau de tip rozetă. Particulele sunt de formă rotundă, permițând o curgere mai lină și minimizând defectele. Rezistența îmbunătățită și calitatea fină sunt rezultatele de bază ale acestui proces în produsele finale.

Procesul de turnare sub presiune semisolidă

Metode de generare a suspensiei

1. Activarea topiturii indusă de efort (SIMA):

După ce cumpără bile standard, producătorii le filtrează la 300° C. Apoi le introduc în cuptoare pentru reîncălzire la 580° C. În această matrice lichidă, se formează particule sferice (50μm). Acest lucru este suficient pentru prelucrarea semisolidă.

2. Agitarea magnetohidrodinamică (MHD)

Bobinele electromagnetice utilizează un curent de 500 A. Acest lucru este de lucru pentru a face 600 rpm agitare fără contact. 40% starea solidă ideală este formată ca urmare a acestui proces, evitând contaminarea.

3. Turnarea pantei de răcire

Producătorul curge în jos starea topită a metalului la 620°C pe pantă. Aceasta este de obicei o pantă de cupru cu o poziție de 60°.

Acestea utilizează o răcire mai rapidă pentru a obține o suspensie semi-solidă în mai mult de 3 secunde.

Modificări ale unității de injecție

Utilizați un tip special de manșon scurt cu acoperiri termice ceramice. Acestea mențin temperatura suspensiei la 570°C. Astfel încât să o puteți turna fără griji pe parcursul fazei de injectare.

În plus, pistonii proiectați cu precizie asigură umplerea uniformă a matriței. Funcționează cu o viteză critică de 0,3-0,8 m/s. Această caracteristică echilibrează operațiunile și reduce separarea fazelor dăunătoare. Aceasta se întâmplă între particulele lichide și solide ale suspensiei.

Considerații privind proiectarea matrițelor

Trebuie să utilizați o suprafață 30% a secțiunii transversale mai mare decât matrițele convenționale în cazul sistemelor cu poartă. Acest lucru va ajuta la menținerea fluxului adecvat de metale semisolide.

Pentru sistemele de rulare, încorporați curburi treptate. Care are o rază de minim 20 mm. Făcând acest lucru, tehnicile vor menține fluxul laminar al metalului și vor minimiza turbulențele.

Vorbind despre fantele de ventilație, acestea sunt prelucrate cu precizie la o lățime de 0,1 mm. Acestea vor controla prinderea aerului în timpul turnării. În același timp, acestea rezolvă și problemele legate de scurgeri.

Avantajele turnării semisolide sub presiune

Suprafețe mai netede și dimensiuni precise

Metalul semisolid curge în secțiunile matriței la o viteză controlată. Aceasta este mult mai lentă decât metalul lichid. Aceasta reduce, de asemenea, bulele de aer cu până la 90 %.

În comparație cu turnarea obișnuită, acest proces reduce contracția (0,5%), care este mai mică decât 1,2% la răcire. Acest lucru ajută, de asemenea, la realizarea de piese care sunt snap-fit.

Structură metalică mai rezistentă

Particulele mici, rotunde, de formă semi-solidă se împachetează suficient de strâns. Acest lucru înseamnă că au o structură mai densă cu 20% mai multă rezistență la întindere.

Îl puteți îndoi cu mai multă forță 15% înainte de fractură. Aceste piese durează 30% mai mult, rezistând la solicitări repetate.

Mai puține găuri și defecte

Există aproape zero spații goale (1 până la 2 %) în interiorul SSDC. Între timp, turnarea sub presiune obișnuită are o șansă de 5 până la 8 procente.

Bulele de aer, găurile, contracțiile, crăpăturile și petele de suprafață aspre sunt eliminate datorită acestui proces.

Economii de energie

Trebuie să știți că o altă caracteristică sau beneficiu al acestui proces este economisirea energiei. Acesta reduce consumul de energie în mai multe moduri. De exemplu:

• Metalul se încălzește la 580°C în loc de 680°C.
• Fluxurile mai rapide (25%) utilizează mai puțină energie.
• Acesta reduce deșeurile de material cu până la 15 procente în timpul funcționării.

Costuri de producție mai mici

Deoarece piesele semisolide au nevoie de mai puține mașini de lustruit, se economisesc până la 40% pe acestea.

Din producția lor, 5% de piese pot fi respinse. Adică mai puțin de 15 % din acele procese normale.

Puteți utiliza matrițele SSDC de încă 50000 de ori în loc de doar 30000 de ori.

Aplicații ale turnării semisolide sub presiune

Componente auto critice

Componentele turnării semisolide sub presiune în industria auto sunt:

• Articulații de direcție
• Suporturi motor
• Carcase de transmisie
• Etriere de frână

Acest proces produce piese extrem de complexe cu detalii structurale. De exemplu, subcadrele și brațele de suspensie cu design gol.

În EV (vehicule electrice), piesele sunt carcasele bateriilor și carcasele motoarelor. Acestea sunt ușoare și durabile. De asemenea, fac față vibrațiilor constante și solicitărilor termice.

Piese aerospațiale de înaltă performanță

Starea semi-solidă produce componente aerospațiale cu o calitate de precizie. Acestea sunt:

• Suporturi pentru aripi
• Componente ale trenului de aterizare
• Piese pentru motoare cu turbină
• Carcase pentru radare
• Dulapuri pentru avionică
• Satelit

Acestea sunt durabile și au o greutate mai mică. Carcasa sistemului de ghidare a rachetelor le valorifică pentru capacitatea sa. Păstrează toleranțe strânse asupra mediilor critice.

Câștiguri de performanță măsurate

În testele pe teren, etrierele de frână turnate semi-solide rezistă 80000 km înainte de a se uza cu vechea metodă. În plus, piesele turnate pentru aeronave au 25% mai multă rezistență la oboseală.

Piesele din sectorul auto obțin o rezistență mai bună la impact (15%) în timpul testelor de impact.

Aplicații de piață în creștere

În timp, aplicațiile de piață în creștere utilizează SSDC pentru a crea:

• Carcase precise pentru antene 5G cu ghiduri de undă de 0,05 mm.
• Tavă pentru implanturi medicale cu suprafețe rezistente la bacterii.
• Carcase pentru motoare de drone cu o mai bună disipare a căldurii.

În plus, vehiculele electrice utilizează acest proces pentru a obține o planeitate de 0,2 mm. Acest lucru se întâmplă pe intervale de 300 mm în plăcile de răcire ale bateriei.

Materiale utilizate în turnarea semisolidă sub presiune

Denumiri specifice ale aliajelor

Aluminiul A356 (AlSi7Mg) și magneziul AZ91D sunt aliajele care funcționează cel mai bine în turnarea semi-solidă sub presiune. Acestea se topesc mai repede și mai uniform, creând o textură ideală.

Deoarece există o rezistență ridicată în aliajul A356, acesta este motivul pentru care companiile auto îl folosesc de obicei 70%. Între timp, aliajul AZ91D se potrivește bine cu turnarea carcaselor electronice ușoare.

Proprietăți reologice

Graficele descriu modul în care aliajele SSDC funcționează în diferite etape și la diferite fracții solide (Fs). La Fs=0,37. Se observă o scădere a vâscozității atunci când rata de forfecare crește de la 1 la 10 s-¹.

Fracții precum Fs=0,48, care sunt mai mari, mențin îngroșarea fluxului. Ele folosesc mai multă forță pentru a umple matrițele. Acest grafic demonstrează situația pentru care producătorii utilizează Fs între 0,40 și 0,45 pentru a obține cea mai bună producție.

Comportamentul de solidificare

A356 de turnare se răcește în intervalul 50°C. Acestea vă oferă suficient timp pentru a întinde metalul în interiorul matriței.

Pentru a crește acest interval, puteți adăuga 0,3% magneziu. Asta pentru a o crește până la 15°C pentru un flux mai bun.

În schimb, aliajul AZ91D capătă o formă complet solidă mai rapid. Cu toate acestea, el produce piese cu pereți mai puternici și mai subțiri. Acestea sunt cu până la 2 mm mai groase.

Prelucrarea secundară

Piesele au adesea nevoie de mai puține etape de prelucrare secundară. Acest lucru se datorează faptului că este nevoie de o îndepărtare a suprafeței de 0,1 mm față de 0,5 mm pentru piesele turnate convenționale.

De asemenea, trecerea aliajului A356 prin tratament termic aduce o rezistență îmbunătățită până la 20% fără deformare.

Turnarea semisolidă vs. Turnarea tradițională

Compararea parametrilor de proces

Structura materialului

Structura globulară în turnarea semisolidă oferă o tenacitate cu 20% mai mare decât structura vechii turnări. Aceasta conține aproximativ 2 % porozitate; invers, 5,8%.

Factori de cost

Cu toate acestea, costul inițial este mai ridicat până la 20%. Cu toate acestea, poate fi rentabilă, deoarece reduce deșeurile de material cu aproximativ 15% și costurile de prelucrare cu până la 40%. Aceasta compensează cheltuielile inițiale.

Când să alegeți

Optați pentru semisolid atunci când este necesar:

Alegeți un proces de turnare sub presiune semi-solid atunci când produceți:

• Pereți subțiri (<3mm)
• Rezistență ridicată (>250 MPa)
• Volume >20.000 unități/an
• Finisaje netede (<3.2μm Ra)

Concluzie:

Turnarea semisolidă este realizată cu o calitate superioară a durității. De asemenea, adaugă o finisare excelentă a suprafeței cu porozitate minimă, cu aproximativ 30% mai puțin decât procesul obișnuit.

Deși tehnica utilizează aliaje specifice și setări inițiale costisitoare, aceasta devine rentabilă pentru fabricarea pieselor care depășesc 20000 de unități.

Piața viitoare așteaptă cu nerăbdare extinderea aplicațiilor SSDC în domeniul auto, aerospațial și al tehnologiilor emergente. De asemenea, se concentrează pe descoperirea progreselor în controlul proceselor și al sculelor.