Projeto da Linha de Resfriamento de Molde de Fundição sob Pressão

Por que a linha de resfriamento define onde o molde falha

Ao longo do ciclo de fundição, a superfície do molde absorve calor quando o metal líquido é injetado e o libera quando a peça é ejetada e o lubrificante é pulverizado. Em uma seção fina, um pino ou um canto, o calor precisa sair em duas direções ao mesmo tempo, então a energia que um pequeno volume de aço precisa absorver é muito maior que a média do molde. Esses são os locais que falham primeiro, e são os locais que uma linha de resfriamento precisa alcançar. A linha de resfriamento é o transportador de calor do molde. Se ela não conseguir remover calor rápido o suficiente, a temperatura superficial sobe, o aço amolece e a trinca por fadiga térmica se segue. O tamanho da linha de resfriamento e sua distância da superfície determinam quanto calor ela consegue remover.

Uma linha de resfriamento maior reduz a temperatura superficial

O estudo de origem utilizou um corpo de prova de H13 com uma linha de resfriamento de 1.5 in passando pelo seu centro, depois abriu o furo para 1.6, 1.7 e 1.8 in sucessivamente. O termopar permaneceu no lugar durante toda a série, então as leituras podem ser comparadas diretamente. Cada leitura foi feita na mesma imersão de 9 segundos em alumínio fundido mantido a 1350 F. À medida que a linha de resfriamento cresceu, a temperatura de pico no canto caiu de 1087 F para 909 F, e a área total de trinca caiu de 108.56 para 35, uma redução de cerca de 68 por cento. A temperatura mínima caiu junto, e essa é a parte do resultado que mais importa.

Efeito do diâmetro da linha de resfriamento na temperatura no canto de um corpo de prova de H13 grau premium, e na trinca medida após 15,000 ciclos em alumínio fundido a 1350 F. Uma linha de resfriamento mais longa proporciona uma temperatura de pico mais baixa e menos trinca, e a temperatura mínima cai ao mesmo tempo.

A dureza ao longo da superfície segue a mesma linha

O amolecimento está concentrado próximo à superfície e diminui com a profundidade no aço. A tabela abaixo apresenta o perfil de dureza medido do canto para dentro nos mesmos quatro corpos de prova após os mesmos 15,000 ciclos. Com a linha de resfriamento de 1.5 in o canto cai para 24.3 HRC, cerca de vinte pontos abaixo da dureza temperada do aço, e mesmo a 0.2 in do canto não se recuperou totalmente. Com a linha de 1.8 in o canto ainda mantém 30.6 HRC e a faixa amolecida é mais rasa. Um canto mais duro é um canto que resiste à deformação plástica que inicia uma trinca.

Dureza medida do canto para dentro nos quatro corpos de prova, em HRC, após 15,000 ciclos. A faixa amolecida se torna mais profunda e mais macia à medida que a linha de resfriamento diminui.

A regra de projeto que o teste sustenta

Aumentar a linha de resfriamento reduz todo o ciclo térmico em vez de ampliá-lo. A temperatura máxima e a mínima caem, então a faixa que gera a tensão permanece próxima de onde estava. É isso que torna a mudança válida. O molde é levado a uma temperatura de amolecimento mais baixa sem um grande aumento na tensão que precisa suportar. A fonte registra um limite de temperatura, abaixo do qual o dano por fadiga térmica permanece pequeno, e a temperatura de pico é o que precisa ser trazido para baixo dele. Há um limite do outro lado também. Coloque a linha de resfriamento muito próxima à superfície e a tensão circunferencial na linha de resfriamento aumenta, então trincas podem se iniciar ali, na seção mais fina do molde.

O que isso significa na prática

O aço nesses testes é o H13 grau premium, o aço cromo para trabalho a quente abordado na página do aço ferramenta H13 e mantido como estoque de molde na página de fornecimento do 1.2344 ESR H13. Por que o grau é usado é apresentado na página sobre por que o aço H13 é usado em fundição sob pressão. O mecanismo de trinca em si está na página de trinca por fadiga térmica, o amolecimento que a inicia na página de amolecimento de molde H13, e a perda de dureza em temperatura na página de resistência ao amolecimento para trabalho a quente. As duas propriedades que definem o gradiente estão na página de condutividade térmica e o página de expansão térmica. Os outros modos que encurtam a vida útil do molde estão na página de desgaste e falha do molde, as partes do molde que recebem o calor na página de materiais de componentes de moldes de fundição sob pressão, e a forma como um grau é escolhido para uma prensa na página de seleção de fundição sob pressão de alta pressão.

Fonte, Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, relatório técnico final ao U.S. Department of Energy, Award No. DE-FC07-00ID138486, outubro de 2004.