Grietas por fatiga térmica en moldes de fundición a presión
Las grietas por fatiga térmica son la forma más común en que un molde de fundición a presión de aluminio termina su vida útil. Comienzan como una red de grietas finas en las esquinas más calientes y crecen hasta que el molde debe retirarse para reparación. Esta página expone los cuatro modos de falla que enfrenta un molde, cómo se genera y se libera el esfuerzo térmico que impulsa la grieta en cada ciclo, y los datos de temperatura y agrietamiento medidos en un ensayo de inmersión controlado sobre H13 de grado premium.
Las cuatro formas en que falla un molde
La fuente enumera cuatro modos principales de falla para un molde de fundición a presión de aluminio. Erosión física, también llamada lavado, donde un flujo rápido de metal fundido arrastra la superficie y empeora cuando se arrastran partículas duras en el metal fundido. Ataque químico, o corrosión, donde el metal fundido disuelve el acero y forma capas de interfase cuando el movimiento relativo entre el acero y el metal fundido es pequeño. Fractura gruesa, una fractura por clivaje a través del molde que puede ser completa y repentina, y que se origina por una combinación de esfuerzo térmico y mecánico. Y grietas por fatiga térmica, también llamadas heat checking, que es la red de grietas lenta de la que trata esta página.
Cómo se genera y se libera el esfuerzo en cada ciclo
El esfuerzo térmico aparece cuando se restringe la expansión o contracción libre del acero. En un molde la restricción es mayormente interna, porque un gradiente de temperatura a través de la sección hace que la superficie caliente quiera expandirse más que la masa más fría detrás de ella. Para una barra con extremos fijos, el esfuerzo por un cambio de temperatura es el coeficiente de expansión multiplicado por el módulo elástico y por el cambio de temperatura. En una condición biaxial el mismo producto se divide por uno menos el coeficiente de Poisson. Tanto el coeficiente de expansión como el módulo cambian con la temperatura, por lo que el esfuerzo completo nunca se desarrolla, pero el gradiente es lo que lo impulsa.
Cuando se inyecta el metal fundido, la superficie queda en compresión contra el interior más frío. Cuando se expulsa la pieza y se rocía el lubricante, la superficie se enfría más rápido que el interior, la compresión se alivia y aparece la tensión. Una vez que la deformación local se vuelve plástica, ciclo tras ciclo, comienza una grieta. La grieta luego crece a lo largo de un plano en ángulo recto con el mayor esfuerzo de tracción, pasando por las etapas de iniciación en la superficie, enlace de pequeñas grietas en la superficie, crecimiento de la red de grietas hacia la profundidad y, finalmente, el crecimiento de la grieta más grande hasta que el molde falla.
Un mayor contacto con el metal fundido eleva la temperatura y el daño
El ensayo de la fuente sumergió probetas de H13 de grado premium en aluminio fundido mantenido a 1350 F durante 5, 7, 9 y 12 segundos, con la probeta retirada durante 24 segundos entre inmersiones y agua circulando por la línea de enfriamiento interna en todo momento. El tiempo de inmersión fue la única variable. Las grietas se midieron después de 5,000, 10,000 y 15,000 ciclos. La tabla da los resultados a 15,000 ciclos. La temperatura máxima sube 221 F desde la inmersión más corta hasta la más larga, y el área total de grietas sube de 1.97 a 167.72, aproximadamente ochenta y cinco veces mayor.
| Artículo | 5 s | 7 s | 9 s | 12 s |
|---|---|---|---|---|
| Temperatura máxima, F | 926 | 991 | 1087 | 1147 |
| Temperatura mínima, F | 322 | 346 | 399 | 460 |
| Área total de grietas, x 106 µm2, después de 15,000 ciclos | 1.97 | 5.9 | 108.56 | 167.72 |
| Longitud máxima promedio de grieta, x 100 µm, después de 15,000 ciclos | 2.25 | 3 | 12.5 | 15.25 |
| Dureza en la longitud máxima promedio de grieta, HRC | 36.9 | 33.8 | 31.6 | 29.2 |
El efecto del tiempo de inmersión sobre la temperatura en la esquina de una probeta de H13 de grado premium y sobre el agrietamiento medido después de 15,000 ciclos. El tiempo de inmersión es la única variable, y la línea de enfriamiento fue de 1.5 in en todos los casos.
La dureza cae desde la esquina hacia el interior
El agrietamiento sigue al ablandamiento, y el ablandamiento sigue a la temperatura. La tabla a continuación da la dureza medida desde la esquina hacia el interior a 15,000 ciclos para los mismos cuatro tiempos de inmersión. Las probetas de 5 y 7 segundos conservan la mayor parte de su dureza hasta 0.1 in de la esquina. Las probetas de 9 y 12 segundos pierden veinte o más puntos en la esquina y siguen blandas a 0.2 in dentro del acero.
| Distancia desde la esquina, in | 5 s | 7 s | 9 s | 12 s |
|---|---|---|---|---|
| 0.01 | 36.9 | 33.8 | 24.5 | 24.3 |
| 0.02 | 39.4 | 36.5 | 27.4 | 25.1 |
| 0.04 | 42.4 | 39.1 | 31.2 | 27.7 |
| 0.06 | 43.3 | 42.4 | 32.3 | 29.2 |
| 0.08 | 44.1 | 44.2 | 34.5 | 29.2 |
| 0.1 | 44.3 | 44.3 | 36.2 | 30 |
| 0.2 | 44.4 | 44.5 | 40.9 | 34.1 |
Dureza en HRC medida desde la esquina hacia el interior en las cuatro probetas después de 15,000 ciclos. Cuanto mayor es el tiempo de inmersión, más profunda y más blanda es la banda ablandada.
Estimación del esfuerzo en la esquina
Con el coeficiente de expansión y el módulo del H13, 6.9 micro inch per inch per F y 30,500 ksi, el rango de esfuerzo axial en la esquina de la probeta de 12 segundos con línea de enfriamiento de 1.5 in resulta de aproximadamente 145 ksi, usando el rango de temperatura medido en la esquina. Esa cifra concuerda estrechamente con el modelo computacional que la fuente ejecutó para la misma probeta. Durante la inmersión la esquina está en alta compresión, y como el límite de fluencia del acero cae con la temperatura, esa compresión puede volverse plástica. Lo que queda es una tensión residual, muy por debajo del límite de fluencia pero lo suficientemente alta como para iniciar una grieta en cualquier concentrador de esfuerzos, como una marca de mecanizado o un picado de corrosión.
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. La resistencia general de los grados para trabajo en caliente se compara en la página de aceros para herramientas resistentes a la fatiga térmica, y por qué el H13 es el estándar para un molde se expone en la página de por qué se usa el acero H13 en la fundición a presión. El diseño de enfriamiento que mantiene baja la temperatura máxima está en la página de diseño de la línea de enfriamiento del molde, y el ablandamiento detrás de la grieta en la página de ablandamiento de moldes H13. Los otros modos de falla están en la página de desgaste y falla del molde y la página de análisis de fallas de herramientas y matrices. La pérdida de dureza a temperatura está en la página de resistencia al ablandamiento en trabajo en caliente, las propiedades que fijan el gradiente en la página de conductividad térmica, 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 ensayó un grado, una forma de probeta y un conjunto de condiciones de fundición. El agrietamiento que desarrolla un molde de producción también depende del diseño del molde, la aleación, el ciclo y el peso de la inyección. 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.