Diseño de líneas de enfriamiento para moldes de fundición a presión
Un molde de fundición a presión falla primero donde alcanza la mayor temperatura, y qué tan caliente opera se define en el plano por la línea de enfriamiento. Esta página expone lo que la línea de enfriamiento debe hacer, qué ocurre con la temperatura superficial y con la dureza del acero cuando se agranda la línea de enfriamiento, y la regla que respalda un ensayo controlado. Una línea de enfriamiento cercana a la superficie reduce la temperatura máxima sin aumentar el rango de esfuerzo que el molde debe soportar.
Por qué la línea de enfriamiento determina dónde falla el molde
Durante el ciclo de fundición, la superficie del molde absorbe calor cuando se inyecta el metal fundido y lo cede cuando se expulsa la pieza y se rocía el lubricante. En una sección delgada, una nervadura o una esquina, el calor debe salir en dos direcciones a la vez, por lo que la energía que un pequeño volumen de acero debe absorber es mucho mayor que el promedio del molde. Esos son los lugares que fallan primero, y son los lugares que una línea de enfriamiento debe alcanzar. La línea de enfriamiento es el transportador de calor del molde. Si no puede extraer el calor con suficiente rapidez, la temperatura superficial sube, el acero se ablanda y sigue el agrietamiento por fatiga térmica. El tamaño de la línea de enfriamiento y su distancia a la superficie determinan cuánto calor puede extraer.
Una línea de enfriamiento más grande reduce la temperatura superficial
El estudio de origen ensayó una probeta de H13 con una línea de enfriamiento de 1.5 in pasando por su centro, y luego amplió el orificio a 1.6, 1.7 y 1.8 in sucesivamente. El termopar permaneció en su lugar durante toda la serie, por lo que las lecturas pueden compararse directamente. Cada lectura se tomó con la misma inmersión de 9 segundos en aluminio fundido mantenido a 1350 F. A medida que creció la línea de enfriamiento, la temperatura máxima en la esquina cayó de 1087 F a 909 F, y el área total de grietas cayó de 108.56 a 35, una reducción de aproximadamente 68 por ciento. La temperatura mínima también cayó, y esa es la parte del resultado que más importa.
| Artículo | 1.8 in | 1.7 in | 1.6 in | 1.5 in |
|---|---|---|---|---|
| Temperatura máxima, F | 909 | 939 | 1002 | 1087 |
| Temperatura mínima, F | 197 | 237 | 326 | 399 |
| Área total de grietas, x 106 µm2, después de 15,000 ciclos | 35 | 62.05 | 79.44 | 108.56 |
| Longitud máxima promedio de grieta, x 100 µm, después de 15,000 ciclos | 8.25 | 10 | 12.25 | 12.5 |
| Dureza en la longitud máxima promedio de grieta, HRC | 35.1 | 34.6 | 34.1 | 31.6 |
Efecto del diámetro de la línea de enfriamiento sobre la temperatura en la esquina de una probeta de H13 de grado premium, y sobre el agrietamiento medido después de 15,000 ciclos en aluminio fundido a 1350 F. Una línea de enfriamiento más larga da una temperatura máxima más baja y menos agrietamiento, y la temperatura mínima cae al mismo tiempo.
La dureza a través de la superficie sigue la misma línea
El ablandamiento se concentra cerca de la superficie y disminuye con la profundidad en el acero. La tabla a continuación presenta el perfil de dureza medido desde la esquina hacia el interior en las mismas cuatro probetas después de los mismos 15,000 ciclos. Con la línea de enfriamiento de 1.5 in, la esquina baja a 24.3 HRC, aproximadamente veinte puntos por debajo de la dureza revenida del acero, e incluso a 0.2 in desde la esquina no se ha recuperado por completo. Con la línea de 1.8 in, la esquina aún mantiene 30.6 HRC y la banda blanda es más superficial. Una esquina más dura es una esquina que resiste la deformación plástica que inicia una grieta.
| Distancia desde la esquina, in | 1.8 in | 1.7 in | 1.6 in | 1.5 in |
|---|---|---|---|---|
| 0.01 | 30.6 | 29.4 | 29.3 | 24.3 |
| 0.02 | 33.7 | 31.3 | 30.6 | 25.1 |
| 0.04 | 35.6 | 34.2 | 33.9 | 27.7 |
| 0.06 | 38.6 | 37.3 | 36.3 | 29.2 |
| 0.08 | 40.1 | 38.2 | 36.9 | 29.2 |
| 0.1 | 40.5 | 39.4 | 38.3 | 30 |
| 0.2 | 43.5 | 42.9 | 42 | 34.1 |
Dureza medida desde la esquina hacia el interior en las cuatro probetas, en HRC, después de 15,000 ciclos. La banda blanda es más profunda y más blanda a medida que la línea de enfriamiento se hace más pequeña.
La regla de diseño que respalda el ensayo
Agrandar la línea de enfriamiento desplaza todo el ciclo térmico hacia abajo en lugar de ampliarlo. Tanto la temperatura máxima como la mínima caen, por lo que el rango que impulsa el esfuerzo permanece cerca de donde estaba. Eso es lo que hace que el cambio valga la pena. El molde se lleva hacia una temperatura de ablandamiento más baja sin un gran aumento en el esfuerzo que debe soportar. La fuente registra un umbral de temperatura, por debajo del cual el daño por fatiga térmica permanece pequeño, y la temperatura máxima es lo que debe llevarse por debajo de él. También hay un límite en el otro lado. Si la línea de enfriamiento se coloca demasiado cerca de la superficie, el esfuerzo circunferencial en la línea de enfriamiento aumenta, por lo que las grietas pueden iniciarse allí en su lugar, en la sección más delgada del molde.
Qué significa esto en el trabajo
El acero en estos ensayos es H13 de grado premium, el acero cromo para trabajo en caliente cubierto en la página del acero para herramientas H13 y mantenido como acero para moldes en la página de suministro de 1.2344 ESR H13. Por qué se usa el grado en absoluto se expone en la página de por qué se usa el acero H13 en la fundición a presión. El mecanismo de agrietamiento en sí está en la página de agrietamiento por fatiga térmica, el ablandamiento que lo inicia en la página de ablandamiento de moldes H13, y la pérdida de dureza a temperatura en la página de resistencia al ablandamiento en trabajo en caliente. Las dos propiedades que establecen el gradiente están en la página de conductividad térmica y la página de expansión térmica. Los otros modos que acortan la vida útil del molde están en la página de desgaste y falla del molde, las partes del molde que soportan el calor en la página de materiales de componentes de moldes de fundición a presión, y la forma en que se elige un grado para una prensa en la página de selección de fundición a presión de alta presión.
Antes de usar esto como una especificación de diseño de molde
Esta página es un resumen de referencia de un estudio publicado y no es una especificación de Aobo Steel. Los valores de temperatura, agrietamiento y dureza se reproducen de la fuente, que probó un grado, una forma de probeta y un conjunto de condiciones de fundición. Lo que alcanza un molde de producción también depende del diseño del molde, la aleación, el ciclo y el circuito de enfriamiento que lo alimenta. El diseño final del molde se confirma en el trabajo.
Fuente, Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, informe técnico final al Departamento de Energía de los EE. UU., Award No. DE-FC07-00ID138486, octubre de 2004.