다이캐스팅 금형의 열피로 균열
열피로 균열은 알루미늄 다이캐스팅 금형이 수명을 다하는 가장 흔한 원인입니다. 이는 가장 뜨거운 모서리에서 미세한 균열 네트워크로 시작하여 금형을 수리하기 위해 분리해야 할 때까지 성장합니다. 이 페이지에서는 금형이 직면하는 네 가지 파손 모드를 설명하고, 균열을 유발하는 열응력이 각 사이클에서 어떻게 축적되고 해소되는지, 그리고 프리미엄 등급 H13에 대한 통제된 침지 시험에서 측정된 온도 및 균열 데이터를 제시합니다.
금형이 파손되는 네 가지 방식
출처에서는 알루미늄 다이캐스팅 금형의 네 가지 주요 파손 모드를 나열합니다. 물리적 침식(워싱이라고도 함)은 용탕의 빠른 흐름이 표면을 세척하며, 용탕에 경질 입자가 포함되면 악화됩니다. 화학적 공격(부식)은 강과 용탕 사이의 상대 운동이 작을 때 용탕이 강을 용해하고 계면층을 형성합니다. 전체 균열은 금형을 관통하는 벽개 파괴로, 완전하고 갑작스러울 수 있으며 열응력과 기계적 응력의 조합에서 시작됩니다. 그리고 열피로 균열(열검사라고도 함)은 이 페이지에서 다루는 느린 균열 네트워크입니다.
각 사이클에서 응력이 축적되고 해소되는 방식
열응력은 강의 자유 팽창 또는 수축이 구속될 때 나타납니다. 금형에서 구속은 대부분 내부적입니다. 단면을 가로지르는 온도 구배로 인해 뜨거운 표면이 뒤의 차가운 부분보다 더 팽창하려 하기 때문입니다. 양단이 고정된 봉의 경우 온도 변화로 인한 응력은 팽창 계수에 탄성 계수와 온도 변화를 곱한 값입니다. 이축 조건에서는 동일한 곱을 1에서 푸아송 비를 뺀 값으로 나눕니다. 팽창 계수와 탄성 계수 모두 온도에 따라 변하므로 전체 응력이 발생하지는 않지만, 구배가 이를 유발합니다.
용탕이 주입되면 표면은 차가운 내부에 대해 압축 상태가 됩니다. 부품이 취출되고 이형제가 분사되면 표면이 내부보다 빠르게 냉각되어 압축이 해소되고 인장이 나타납니다. 국부 변형이 소성으로 전환되면 사이클이 반복되면서 균열이 시작됩니다. 그런 다음 균열은 최대 인장 응력에 직각인 평면을 따라 성장하며, 표면에서의 개시, 표면에서의 작은 균열 연결, 균열 네트워크의 깊이 방향 성장, 마지막으로 금형이 파손될 때까지 가장 큰 균열의 성장 단계를 거칩니다.
용탕과의 접촉 시간이 길어지면 온도와 손상이 증가합니다
출처 시험에서는 프리미엄 등급 H13 시편을 1350 F로 유지된 용융 알루미늄에 5초, 7초, 9초, 12초 동안 담그고, 침지 사이에 24초 동안 시편을 꺼내었으며, 내부 냉각 라인에는 물을 계속 흘렸습니다. 침지 시간이 유일한 변수였습니다. 균열은 5,000, 10,000, 15,000 사이클 후에 측정되었습니다. 표는 15,000 사이클에서의 결과를 보여줍니다. 최단 침지에서 최장 침지로 최고 온도는 221 F 상승하고, 총 균열 면적은 1.97에서 167.72로 약 85배 증가합니다.
| 목 | 5초 | 7초 | 9초 | 12초 |
|---|---|---|---|---|
| 최고 온도, F | 926 | 991 | 1087 | 1147 |
| 최저 온도, F | 322 | 346 | 399 | 460 |
| 총 균열 면적, x 106 µm2, 15,000 사이클 후 | 1.97 | 5.9 | 108.56 | 167.72 |
| 평균 최대 균열 길이, x 100 µm, 15,000 사이클 후 | 2.25 | 3 | 12.5 | 15.25 |
| 평균 최대 균열 길이에서의 경도, HRC | 36.9 | 33.8 | 31.6 | 29.2 |
프리미엄 H13 시편의 모서리 온도와 15,000 사이클 후 측정된 균열에 대한 침지 시간의 영향. 침지 시간이 유일한 변수이며, 냉각 라인은 모든 경우에 1.5 in였습니다.
경도는 모서리에서 내부로 갈수록 감소합니다
균열은 연화를 따르고, 연화는 온도를 따릅니다. 아래 표는 동일한 네 가지 침지 시간에 대해 15,000 사이클에서 모서리에서 내부로 측정한 경도를 보여줍니다. 5초와 7초 시편은 모서리에서 0.1 in 이내까지 대부분의 경도를 유지합니다. 9초와 12초 시편은 모서리에서 20포인트 이상을 잃고 강 내부 0.2 in에서도 여전히 연합니다.
| 코너로부터의 거리, in | 5초 | 7초 | 9초 | 12초 |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
15,000 사이클 후 네 시편에서 모서리에서 내부로 측정한 HRC 경도. 침지 시간이 길수록 연화 밴드가 더 깊고 더 연합니다.
모서리에서의 응력 추정
H13의 팽창 계수와 탄성 계수인 6.9 micro inch per inch per F와 30,500 ksi를 사용하면, 12초, 1.5 in 냉각 라인 시편의 모서리에서 축방향 응력 범위는 모서리에서 측정된 온도 범위를 사용하여 약 145 ksi로 계산됩니다. 이 수치는 출처에서 동일 시편에 대해 실행한 컴퓨터 모델과 밀접하게 일치합니다. 침지 동안 모서리는 높은 압축 상태에 있으며, 강의 항복 강도가 온도에서 감소하기 때문에 그 압축은 소성으로 갈 수 있습니다. 남는 것은 잔류 인장으로, 항복 강도보다 훨씬 낮지만 기계 가공 자국이나 부식 피트와 같은 응력 집중부에서 균열을 시작하기에 충분히 높습니다.
현장에서 이것이 의미하는 것
이 시험에 사용된 강재는 프리미엄 등급 H13으로, 다음 페이지에서 다루는 크롬 열간 공구강입니다: H13 공구강 페이지 그리고 다음 페이지에서 금형 소재로 취급됩니다: 1.2344 ESR H13 공급 페이지. 열간 가공 등급의 일반적인 내성은 열피로 저항성 공구강 페이지에서 비교되며, H13이 금형의 기본 선택인 이유는 H13 강이 다이캐스팅에 사용되는 이유 페이지. 최고 온도를 낮게 유지하는 냉각 설계는 금형 냉각 라인 설계 페이지에 있으며, 균열 뒤의 연화는 H13 금형 연화 페이지. 다른 파손 모드는 다이 마모 및 파손 페이지 및 공구 및 금형 고장 분석 페이지. 온도에서의 경도 손실은 열간 연화 저항 페이지에 있으며, 구배를 결정하는 특성은 열전도도 페이지, 그리고 프레스용 강종을 선택하는 방법은 다음 페이지에 있습니다: 고압 다이캐스팅 선정 페이지.
이것을 다이 설계 사양으로 사용하기 전에
이 페이지는 발표된 연구의 참조 요약이며 Aobo Steel의 사양이 아닙니다. 온도, 균열 및 경도 값은 출처에서 재현한 것으로, 출처는 하나의 등급, 하나의 시편 형상 및 하나의 주조 조건 세트를 시험했습니다. 생산 금형이 발생시키는 균열은 금형 설계, 합금, 사이클 및 샷 중량에 따라 달라집니다. 최종 금형 설계는 작업 시 확인됩니다.
출처: Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, 미국 에너지부 최종 기술 보고서, Award No. DE-FC07-00ID138486, 2004년 10월.