Semi-Solid Die Casting (SSDC) innebär att en metallslurry (20-60% solid) injiceras vid 580-620°C under 50-100 MPa tryck. Detta bildar en globulär mikrostruktur som ökar hållfastheten med upp till 20%. Skjuvhastigheterna är normalt under 10 s-¹, vilket säkerställer kontrollerad formfyllning för exakta detaljer. Vanliga legeringar är aluminium A356 och magnesium AZ91D.

Lär dig varför SSDC är att föredra för att få precisionsresultat. Upptäck hur det fungerar och vilka de viktigaste metoderna, tillämpningarna och fördelarna är.

Vad är Semi-Solid Die Casting?

Halvfast pressgjutning är en tillverkningsprocess. Den används för att forma metall till ett halvfast tillstånd. Dessa delar är degliknande och innehåller lika delar både flytande och fasta former. Denna typ av slurry hjälper tillverkaren att producera invecklade delar av högsta kvalitet. Det används ofta i industrier, oavsett om det är fordons- eller konsumentelektronik. SSDC-delar är starkare och har nästan noll defekter jämfört med traditionell gjutning.

 Tixotropi och reopexi

1. Rheocasting (tixotropiskt beteende)

Processen med rheocasting inleds efter att ha haft ett standardmetallgöt. Det kan vara aluminiumlegering A356. Metallarbetarna smälter dessa göt vid en initial temperatur på 650°C i en ugn.

När det smälta materialet börjar svalna till en halvfast temperatur på 580 °C använder arbetarna en mekanisk omrörare som roterar med 500 varv/minut. På så sätt bryts de fasta partiklarna ner till små kulor. Den är 50-100 mikrometer i storlek.

Omrörningen gör tixotropiskt beteende. Det är det halvfasta tillståndet gjutning med 40% fasta partiklar. Det flyter mycket smidigt när du trycker.

Denna slurry används senare för gjutning av mångsidiga komponenter inom industrin, t.ex. fjädringskomponenter till bilar.

2. Thixocasting (reopektiskt beteende)

Vid thixocasting använder tillverkarna förtillverkade billets. De är av legeringar som magnesium AZ91D. Vanligtvis finns det redan en korrekt klotformig mikrostruktur i detta material.

Metallarbetarna såg först dessa ämnen. Deras längd varierar i många fall, men de är vanligtvis mellan 150 mm. De smälte om dessa ämnen och använde en temperatur på 575°C. Det stämmer överens med standard thixocasting. Processen pågår i 15 minuter i en induktionsugn tills materialet har fått en idealisk halvfast form.

Tillverkarna trycker in detta material i formen med 1 m/s. Detta skiljer sig ganska mycket från tixotropiskt eftersom det inte är tunnare. Istället är det en slags reopexi.

Denna process ökar viskositeten under skjuvning (10%). Detta resulterar i låga risker för turbulent flöde och luftinsamling. När de gjuter komponenter som höljen till bärbara datorer ger dessa egenskaper jämnare ytor.

Hur styr skjuvhastigheten flödet?

De halvfasta metallerna har skjuvningshastigheter under det typiska intervallet på 10 s-¹. Eftersom det är ett tjockt tillstånd rör det sig långsamt in i en formhålighet och fyller varje sektion ordentligt, särskilt i behov av tunn gjutning.

Skjuvningen ökar när smala portar pressar metallen i höga hastigheter. Den fyller formen inom 0,5 sekunder och tillverkar exakta produkter.

Skjuvförtunningen är parametern. Det gör det möjligt för arbetarna att hantera metallflödet under olika stadier av gjutningen.

Fast fraktion

Den fasta fraktionen (fₛ) är andelen av det fasta innehållet i SSDC. Det är det som tillverkarna håller inom ett rimligt intervall på 20% och 60%.

Lägre förhållanden under 20% gör metallen rinnande och för höga, mer än 60%, resulterar i en hårdare form. Det orsakar problem i mögel.

Mikrostrukturens utveckling

I jämförelse med den gamla dendritiska strukturen har halvfast metall en globulär eller rosettliknande mikrostruktur. Partiklarna är rundformade, vilket ger ett jämnare flöde och minimerar defekter. Förbättrad hållfasthet och fin kvalitet är de grundläggande resultaten av denna process i slutprodukterna.

Halvfast pressgjutningsprocess

Metoder för generering av slurry

1. Töjningsinducerad smältaktivering (SIMA):

Efter att ha köpt standardämnen silar tillverkarna dem vid 300 °C. De lägger dem sedan i ugnar för återuppvärmning vid 580 °C. I denna flytande matris bildas sfäriska partiklar (50 μm). Det är tillräckligt bra för halvfast bearbetning.

2. Magnetohydrodynamisk (MHD) omrörning

Elektromagnetiska spolar använder 500A ström. Detta är arbete för att göra 600 rpm omrörning utan kontakt. 40% idealiskt fast tillstånd bildas som ett resultat med denna process, vilket undviker kontaminering.

3. Gjutning av kylslänter

Tillverkaren flödar ner den smälta metallen vid 620°C på sluttningen. Det är vanligtvis en kopparbacke med en 60°-position.

De använder snabbare kylning för att få en halvfast slurry på mer än 3 sekunder.

Modifiering av insprutningsenhet

Använd en speciell typ av kort ärm med keramiska värmebeläggningar. De håller uppslamningens temperatur på 570°C. Så att du kan gjuta den utan att oroa dig under hela injektionsfasen.

Dessutom ser precisionstillverkade kolvar till att formen fylls jämnt. Den arbetar med en kritisk hastighet på 0,3-0,8 m/s. Denna funktion balanserar driften och minskar skadlig fasseparation. Det sker mellan slurryns flytande och fasta partiklar.

Överväganden om verktygskonstruktion

Du måste använda en 30% större tvärsnittsarea än konventionella matriser när det gäller grindsystem. Detta kommer att bidra till att upprätthålla det korrekta flödet av halvfasta metaller.

För löparsystem, införliva gradvisa krökningar. Den har en radie på minst 20 mm. Genom att göra detta kommer teknikerna att upprätthålla laminärt metallflöde och minimera turbulens.

På tal om ventilationsöppningar, de är exakt bearbetade till 0,1 mm bredd. Det kommer att kontrollera luftinneslutning under gjutning. Där de också hanterar läckagefrågor.

Fördelar med Semi-Solid Die Casting

Mjukare ytor och exakta storlekar

Halvfast metall flödar in i verktygssektioner med en kontrollerad hastighet. Detta är mycket långsammare än flytande metall. Det minskar också luftbubblorna med upp till 90 %.

I jämförelse med vanlig gjutning minskar denna process krympningen (0,5%), vilket är mindre än 1,2% vid kylning. Det hjälper också till att göra delar som är snap-fit.

Starkare metallstruktur

De små, runda, formade partiklarna i halvfast tillstånd packas ihop tillräckligt tätt. Detta innebär att de har en tätare struktur med 20% mer styrka när de sträcks ut.

Du kan böja den med mer kraft 15% innan den går sönder. Dessa delar håller 30% längre med uthållighet av upprepad stress.

Färre hål och defekter

Det finns nästan inga tomma utrymmen (1 till 2 %) inom SSDC. Under tiden har vanlig pressgjutning en chans på 5 till 8 procent.

Luftbubblor, hål, krympning, sprickor och ojämna ytfläckar elimineras tack vare denna process.

Energibesparingar

Du måste veta att en annan funktion eller fördel med denna process är energibesparing. Den minskar energianvändningen på många sätt. Till exempel:

• Metallen värms upp till 580°C i stället för 680°C.
• Snabbare flöden (25%) förbrukar mindre energi.
• Det minskar materialspillet med upp till 15 procent under drift.

Lägre produktionskostnader

Eftersom de halvfasta delarna kräver färre polermaskiner sparar man upp till 40% på detta.

Bland deras produktionsresultat kan 5% av delarna kasseras. Det är mindre än 15 % av de normala processerna.

Du kan använda SSDC-formarna 50000 gånger till i stället för bara 30000 gånger.

Tillämpningar av Semi-Solid Die Casting

Kritiska fordonskomponenter

Delarna av halvfast pressgjutning inom fordonsindustrin är:

• Länkarmar för styrning
• Motorfästen
• Växellådor
• Bromsok

Denna process producerar mycket komplexa delar med strukturella detaljer. Till exempel underramar och upphängningsarmar med ihåliga konstruktioner.

I EVs (elfordon) är delarna batterihöljen och motorkåpor. De är lätta och hållbara. Dessutom klarar de ständiga vibrationer och termiska påfrestningar.

Högpresterande delar för flyg- och rymdindustrin

Det halvfasta tillståndet producerar flyg- och rymdkomponenter med precisionskvalitet. Dessa är:

• Vingfästen
• Komponenter till landningsställ
• Delar till turbinmotorer
• Radarkåpor
• Kapslingar för avionik
• Satellit

De är hållbara och har lägre vikt. Missilstyrsystemets hölje utnyttjar det för sin förmåga. De håller snäva toleranser över kritiska miljöer.

Uppmätta prestandavinster

I fälttester klarar halvfasta gjutna bromsok 80000 km innan de slits ut med den gamla metoden. Dessutom får gjutna delar för flygplan 25% mer utmattningshållfasthet.

Delarna till fordonsindustrin får bättre slagtålighet (15%) när de används i krocktester.

Växande marknad för applikationer

Med tiden kommer allt fler marknadsapplikationer att utnyttja SSDC för att skapa:

• Exakta 5G-antennhus med 0,05 mm vågledare.
• Medicinsk implantatbricka med bakteriebeständiga ytor.
• Motorhus för drönare med bättre värmeavledning.

Dessutom använder elfordon denna process när det gäller att få 0,2 mm planhet. Det är över 300 mm spännvidd i batteriets kylplattor.

Material som används i Semi-Solid Die Casting

Specifika legeringsbeteckningar

Aluminium A356 (AlSi7Mg) och magnesium AZ91D är de legeringar som fungerar bäst vid gjutning i halvfast form. De smälter snabbare och jämnare, vilket skapar en idealisk struktur.

Eftersom det finns hög hållfasthet i A356-legering, varför fordonsföretag vanligtvis använder den 70%. Under tiden går legeringen AZ91D bra med gjutningen av lätta elektronikfodral.

Reologiska egenskaper

Diagrammen visar hur legeringarna i SSDC fungerar i olika stadier och med varierande solidfraktioner (Fs). Vid Fs=0,37. Den visar en minskning av viskositeten när skjuvhastigheten ökar från 1 till 10 s-¹.

Fraktioner som Fs=0,48, som är högre, håller flödet förtjockat. De använder mer kraft för att fylla formarna. Det här diagrammet visar varför tillverkare använder Fs mellan 0,40 och 0,45 för att få bästa möjliga resultat.

Beteende vid stelning

A356 gjutningsavkylningar i 50°C-området. De ger dig tillräckligt med tid för att sprida metall inuti formen.

För att öka detta intervall kan du lägga till 0,3% magnesium. Det är för att öka temperaturen till 15°C för bättre flöde.

Omvänt antar legeringen AZ91D en helt fast form snabbare. Den ger dock delar med starkare och tunnare väggar. De är upp till 2 mm tjockare.

Sekundär bearbetning

Delarna behöver ofta färre steg av sekundär bearbetning. Detta beror på att det krävs 0,1 mm ytborttagning jämfört med 0,5 mm för konventionellt gjutgods.

Genom att låta A356-legeringen genomgå värmebehandling får man också förbättrad hållfasthet upp till 20% utan skevhet.

Halvfast pressgjutning kontra traditionell pressgjutning

Jämförelse av processparametrar

Materialstruktur

Den klotformiga strukturen i halvfast gjutning ger 20 procent högre seghet än den gamla gjutningens struktur. Den innehåller cirka 2 % porositet; omvänt, 5,8%.

Kostnadsfaktorer

Den initiala kostnaden är dock högre upp till 20%. Trots detta kan det vara kostnadseffektivt eftersom det minskar materialavfallet med cirka 15% och bearbetningskostnaderna med upp till 40%. Det kompenserar för den initiala kostnaden.

När ska man välja

Välj halvfast när det behövs:

Välj en halvfast pressgjutningsprocess när du producerar:

• Tunna väggar (<3 mm)
• Hög hållfasthet (>250 MPa)
• Volymer >20.000 enheter/år
• Slät yta (<3,2 μm Ra)

Slutsats:

Semi-solid pressgjutning görs med en högre kvalitet på seghet. Det ger också utmärkt ytbehandling med minimal porositet, cirka 30% mindre än den vanliga processen.

Även om tekniken kräver specifika legeringar och dyra initiala inställningar, blir den kostnadseffektiv för tillverkning av delar som överstiger 20000 enheter.

Den kommande marknaden ser fram emot att utöka SSDC-tillämpningarna inom fordons- och flygindustrin samt inom ny teknik. Den fokuserar också på att upptäcka framsteg inom processtyrning och verktyg.