다이캐스팅 금형 냉각 라인 설계
다이캐스팅 금형은 가장 뜨겁게 작동하는 곳에서 먼저 파손되며, 그 온도는 설계 단계에서 냉각 라인에 의해 결정됩니다. 이 페이지에서는 냉각 라인이 수행해야 할 역할, 냉각 라인을 크게 만들었을 때 표면 온도와 강재 경도에 어떤 변화가 일어나는지, 그리고 통제된 시험이 뒷받침하는 규칙을 설명합니다. 표면에 가까운 냉각 라인은 금형이 감당해야 하는 응력 범위를 높이지 않으면서 최고 온도를 낮춥니다.
냉각 라인이 금형 파손 위치를 결정하는 이유
주조 사이클 동안 금형 표면은 용탕이 주입될 때 열을 흡수하고, 제품이 취출되고 이형제가 분사될 때 열을 방출합니다. 얇은 단면, 핀 또는 코너에서는 열이 동시에 두 방향으로 빠져나가야 하므로, 작은 강재 체적이 흡수해야 하는 에너지는 금형 전체 평균보다 훨씬 높습니다. 이러한 곳이 먼저 파손되는 곳이며, 냉각 라인이 도달해야 하는 곳입니다. 냉각 라인은 금형의 열 전달 통로입니다. 열을 충분히 빠르게 빼내지 못하면 표면 온도가 상승하고 강재가 연화되며 열피로 균열이 발생합니다. 냉각 라인의 크기와 표면으로부터의 거리가 열을 얼마나 빼낼 수 있는지를 결정합니다.
냉각 라인이 클수록 표면 온도가 낮아집니다
출처 연구에서는 중심을 관통하는 1.5 in 냉각 라인을 가진 H13 시편을 사용한 후, 구멍을 1.6, 1.7, 1.8 in로 순차적으로 확대했습니다. 열전대는 전체 시리즈 동안 같은 위치에 유지되었으므로 측정값을 직접 비교할 수 있습니다. 모든 측정은 1350 F로 유지된 용융 알루미늄에 동일하게 9초간 침지하여 수행되었습니다. 냉각 라인이 커짐에 따라 코너의 최고 온도는 1087 F에서 909 F로 낮아졌고, 총 균열 면적은 108.56에서 35로 약 68퍼센트 감소했습니다. 최저 온도도 함께 낮아졌으며, 이것이 이 결과에서 가장 중요한 부분입니다.
| 목 | 1.8 in | 1.7 in | 1.6 in | 1.5 in |
|---|---|---|---|---|
| 최고 온도, F | 909 | 939 | 1002 | 1087 |
| 최저 온도, F | 197 | 237 | 326 | 399 |
| 총 균열 면적, x 106 µm2, 15,000 사이클 후 | 35 | 62.05 | 79.44 | 108.56 |
| 평균 최대 균열 길이, x 100 µm, 15,000 사이클 후 | 8.25 | 10 | 12.25 | 12.5 |
| 평균 최대 균열 길이에서의 경도, HRC | 35.1 | 34.6 | 34.1 | 31.6 |
프리미엄 등급 H13 시편의 코너 온도와 1350 F 용융 알루미늄에서 15,000 사이클 후 측정된 균열에 대한 냉각 라인 직경의 영향. 냉각 라인이 길수록 최고 온도가 낮아지고 균열이 줄어들며, 동시에 최저 온도도 낮아집니다.
표면 전체 경도도 같은 경향을 따릅니다
연화는 표면 근처에 집중되며 강재 깊이 방향으로 갈수록 줄어듭니다. 아래 표는 동일한 15,000 사이클 후 동일한 네 시편에서 코너로부터 내부 방향으로 측정한 경도 프로파일을 보여줍니다. 1.5 in 냉각 라인의 경우 코너는 24.3 HRC까지 낮아져 강재의 템퍼링 경도보다 약 20포인트 낮으며, 코너에서 0.2 in 떨어진 곳에서도 완전히 회복되지 않았습니다. 1.8 in 라인의 경우 코너는 여전히 30.6 HRC를 유지하며 연화 밴드가 더 얕습니다. 더 단단한 코너는 균열을 시작시키는 소성 변형에 저항하는 코너입니다.
| 코너로부터의 거리, 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 |
15,000 사이클 후 네 시편에서 코너로부터 내부 방향으로 측정한 경도, HRC. 냉각 라인이 작아질수록 연화 밴드가 더 깊고 더 연해집니다.
시험이 뒷받침하는 설계 규칙
냉각 라인을 크게 만들면 전체 열 사이클이 넓어지는 대신 낮아집니다. 최고 온도와 최저 온도가 모두 낮아지므로 응력을 유발하는 범위는 거의 그대로 유지됩니다. 이것이 이 변경을 할 가치가 있게 만드는 이유입니다. 금형은 감당해야 하는 응력이 크게 증가하지 않으면서 더 낮은 연화 온도 쪽으로 이동합니다. 출처에서는 열피로 손상이 작게 유지되는 온도 임계값을 기록하고 있으며, 최고 온도를 그 아래로 낮추어야 합니다. 반대쪽에도 한계가 있습니다. 냉각 라인을 표면에 너무 가까이 두면 냉각 라인에서의 원주 응력이 상승하여, 금형의 가장 얇은 단면인 그곳에서 균열이 시작될 수 있습니다.
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. 이 등급을 사용하는 이유는 다음 페이지에 설명되어 있습니다: H13 강이 다이캐스팅에 사용되는 이유 페이지. 균열 메커니즘 자체는 다음 페이지에 있습니다: 열피로 균열 페이지, 이를 시작시키는 연화는 다음 페이지에 있습니다: H13 금형 연화 페이지, 고온에서의 경도 저하는 다음 페이지에 있습니다: 열간 연화 저항 페이지. 구배를 결정하는 두 가지 특성은 다음 페이지에 있습니다: 열전도도 페이지 및 열팽창 페이지. 다이 수명을 단축시키는 다른 모드들은 다음 페이지에 있습니다: 다이 마모 및 파손 페이지, 열을 받는 다이 부분은 다음 페이지에 있습니다: 다이캐스팅 다이 구성 재료 페이지, 그리고 프레스용 강종을 선택하는 방법은 다음 페이지에 있습니다: 고압 다이캐스팅 선정 페이지.
이것을 다이 설계 사양으로 사용하기 전에
이 페이지는 발표된 연구의 참고 요약이며 Aobo Steel의 사양이 아닙니다. 온도, 균열 및 경도 값은 출처에서 그대로 인용한 것으로, 하나의 강종, 하나의 시편 형상 및 하나의 주조 조건 세트를 시험한 것입니다. 생산용 다이가 도달하는 값은 다이 설계, 합금, 사이클 및 이를 공급하는 냉각 회로에 따라 달라집니다. 최종 다이 설계는 작업 시 확정됩니다.
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.