Trincas por fadiga térmica em moldes de fundição sob pressão

As quatro formas de falha de um molde

A fonte lista quatro modos principais de falha para um molde de fundição sob pressão de alumínio. Erosão física, também chamada de lavagem, onde um fluxo rápido de metal líquido desgasta a superfície e piora quando partículas duras são carregadas no metal líquido. Ataque químico, ou corrosão, onde o metal líquido dissolve o aço e forma camadas interfásicas quando o movimento relativo entre o aço e o metal líquido é pequeno. Fratura bruta, uma fratura por clivagem através do molde que pode ser completa e súbita, e que começa a partir de uma combinação de tensão térmica e mecânica. E trinca por fadiga térmica, também chamada de heat checking, que é a rede lenta de trincas sobre a qual trata esta página.

Como a tensão é gerada e liberada em cada ciclo

A tensão térmica aparece quando a expansão ou contração livre do aço é restringida. Em um molde, a restrição é principalmente interna, porque um gradiente de temperatura ao longo da seção significa que a superfície quente quer expandir mais do que a massa mais fria atrás dela. Para uma barra com extremidades fixas, a tensão de uma variação de temperatura é o coeficiente de expansão multiplicado pelo módulo de elasticidade e pela variação de temperatura. Em uma condição biaxial, o mesmo produto é dividido por um menos o coeficiente de Poisson. Tanto o coeficiente de expansão quanto o módulo mudam com a temperatura, então a tensão total nunca se desenvolve, mas o gradiente é o que a impulsiona.

Quando o metal líquido é injetado, a superfície é colocada em compressão contra o interior mais frio. Quando a peça é ejetada e o lubrificante é pulverizado, a superfície esfria mais rápido que o interior, a compressão é aliviada e aparece a tração. Uma vez que a deformação local se torna plástica, ciclo após ciclo, uma trinca se inicia. A trinca então cresce ao longo de um plano perpendicular à maior tensão de tração, passando pelos estágios de iniciação na superfície, ligação de pequenas trincas na superfície, crescimento da rede de trincas em profundidade e, finalmente, o crescimento da maior trinca até que o molde falhe.

Maior tempo de contato com o metal líquido eleva a temperatura e o dano

O ensaio da fonte mergulhou corpos de prova de H13 de grau premium em alumínio fundido mantido a 1350 F por 5, 7, 9 e 12 segundos, com o corpo de prova retirado por 24 segundos entre imersões e água circulando pela linha de resfriamento interna durante todo o tempo. O tempo de imersão foi a única variável. As trincas foram medidas após 5.000, 10.000 e 15.000 ciclos. A tabela apresenta os resultados em 15.000 ciclos. A temperatura de pico sobe 221 F da imersão mais curta para a mais longa, e a área total de trincas sobe de 1,97 para 167,72, cerca de oitenta e cinco vezes maior.

O efeito do tempo de imersão na temperatura no canto de um corpo de prova de H13 premium e no trincamento medido após 15.000 ciclos. O tempo de imersão é a única variável, e a linha de resfriamento era de 1,5 in em todos os casos.

A dureza cai do canto para o interior

O trincamento acompanha o amolecimento, e o amolecimento acompanha a temperatura. A tabela abaixo apresenta a dureza medida do canto para o interior em 15.000 ciclos para os mesmos quatro tempos de imersão. Os corpos de prova de 5 e 7 segundos mantêm a maior parte de sua dureza até 0,1 in do canto. Os corpos de prova de 9 e 12 segundos perdem vinte ou mais pontos no canto e ainda estão macios a 0,2 in dentro do aço.

Dureza em HRC medida do canto para o interior nos quatro corpos de prova após 15.000 ciclos. Quanto maior o tempo de imersão, mais profunda e mais macia a faixa amolecida.

Estimativa da tensão no canto

Com o coeficiente de expansão e o módulo do H13, 6,9 micro polegada por polegada por F e 30.500 ksi, a faixa de tensão axial no canto do corpo de prova de linha de resfriamento de 12 segundos e 1,5 in resulta em cerca de 145 ksi, usando a faixa de temperatura medida no canto. Esse valor concorda estreitamente com o modelo computacional que a fonte executou para o mesmo corpo de prova. Durante a imersão, o canto está em alta compressão e, como a resistência ao escoamento do aço cai com a temperatura, essa compressão pode atingir a plasticidade. O que resta é uma tensão residual de tração, bem abaixo da resistência ao escoamento, mas alta o suficiente para iniciar uma trinca em qualquer concentrador de tensão como uma marca de usinagem ou um pite de corrosão.

O que isso significa na prática

O aço nestes testes é H13 de grau premium, o aço para trabalho a quente com cromo abordado na página do aço ferramenta H13 e mantido como estoque de molde na página de fornecimento do 1.2344 ESR H13. A resistência geral dos graus para trabalho a quente é comparada na página de aços ferramenta resistentes à fadiga térmica, e por que o H13 é o padrão para um molde está apresentado na página sobre por que o aço H13 é usado em fundição sob pressão. O projeto de resfriamento que mantém a temperatura de pico baixa está na página de projeto de linha de resfriamento de molde, e o amolecimento por trás da trinca na página de amolecimento de molde H13. Os outros modos de falha estão na página de desgaste e falha do molde e o Página de análise de falhas de ferramentas e matrizes. A perda de dureza com a temperatura está na página de resistência ao amolecimento para trabalho a quente, as propriedades que definem o gradiente na página de condutividade térmica, 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.