تحلیل تنش‌های حرارتی در یک قالب ریخته‌‌گری تحت فشار آلومینیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 حکیم سبزواری-فنی و مهندسی- گروه مهندسی مکانیک

چکیده

در این پژوهش توزیع تنش‌‌های ناشی از تزریق آلومینیوم مذاب طی فرآیند ریخته‌‌گری تحت فشار در یک قالب فولادی گرم‌‌کار بررسی می‌‌شود. با توجه به تقارن چرخشی موجود در هندسه قالب، مدل یک هفتم مسأله تحت شرایط کرنش صفحه‌‌ای به کمک روش اجزای محدود شبیه‌‌سازی می‌‌گردد. در اینجا فرض می‌‌شود تغییرات دما بر روی مرزهای درگیر با مذاب از الگوی هموار پیروی می‌‌کند و مرز بیرونی قالب در حال تبادل حرارت جابجایی با محیط اطراف است. نتایج تحقیق اخیر دارای همخوانی مناسبی با نتایج تحلیلی موجود تحت شرایط مرزی خاص می‌‌باشد. تحلیل حساسیت مسأله به ازای دمای پیش‌‌گرم قالب، هندسه گوشه‌‌های شیار تزریق و پوشش‌‌های محافظ حرارتی مورد بررسی قرار می‌‌گیرند. نتایج حاکی از آن است که پیش‌‌گرم‌کردن قالب قبل از تزریق، نقش بسزایی در کاهش سطح تنش کل مجموعه ایفا می‌‌کند. همچنین با افزایش شعاع انحنای گوشه‌‌های شیار تزریق، ماکزیمم تنش ون‌‌میسز در نقاط مستعد رشد ترک حداقل 25% کاهش خواهد یافت. کاربرد پوشش‌‌های محافظ کروم سخت و نیترید سیلیکون به طور چشمگیری مقاومت قالب در برابر شوک‌‌های حرارتی را ارتقاء می‌‌دهد به نحوی که استفاده از یک پوشش کروم سخت با ضخامت 1/0 میلی‌‌متر می‌‌تواند تا 49% مقدار ماکزیمم تنش ون‌‌میسز را نسبت به نمونه بدون پوشش کاهش دهد.علاوه بر این، مقدار ماکزیمم تنش ون‌‌میسز برای پوشش تابعی مدرج حدود %۷۰ کمتر از نمونه بدون پوشش است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermal stress analysis for an aluminum die cast die

نویسندگان [English]

  • HamidReza Khayyati 1
  • Yadollah Alinia 2
1 Deparment of mechanical engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 Deparment of mechanical engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
چکیده [English]

In this study, the thermo-elastic behavior of an aluminum die cast die during the casting process is analyzed. The cyclic symmetry nature of the die geometry offers a simplified reduced model for the finite element simulation. It is assumed that the temperature distribution on the molten metal affected boundaries follows a smooth function variation while the free surfaces of the die experience a convection heat transfer type. Considering a particular boundary condition, the results of the current study conform to the available analytical solutions. A detailed sensitivity analysis is conducted to highlight the effects of die preheat, groove corner radius of curvature and the thermal barrier coatings. The results indicate that the die preheating before the casting process can significantly decrease the stress level within the system. Also, an increase in the radius of curvature for the groove corners may result in a 25% reduction of the von Mises stress around these crack susceptible zones. Application of hard chromium or a silicon nitride thermal barrier coating considerably increases the thermal shock strength of the die such that a 0.1mm thick hard chromium coating can decrease the maximum von Mises stress about 49% with respect to the non-coated specimen. Especially for a functionally graded coating type, the reduction in maximum von Mises stress is around 70% compared to the non-coated specimen.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Die cast
  • Thermal stresses
  • von Mises stress
  • finite element method
  • Thermal barrier coating
[1] P. Salami, M. Moltagihagh, Investigation of thermal fatigue of die casting and its prevention methods, 11th Iranian Conference on Manufacturing Engineering, ICME11_293 (2010) (in Persian).
[2] V. Gorbach, V. Alekhin, G. Kurganova, Determining thermal fatigue of steels for die casting of aluminum alloys, Metal science and heat treatment, 19(11) (1977) 982-985.
[3] H. Ahuett-Garza, Characterization of loads in die casting and prediction of die deflections, The Ohio State University, 1996.
[4] A. Srivastava, V. Joshi, R. Shivpuri, Computer modeling and prediction of thermal fatigue cracking in die-casting tooling, Wear, 256(1-2) (2004) 38-43.
[5] K.T. Youn, Y.M. Rhyim, W.J. Yang, J.H. Lee, C.G. Lee, Evaluation of Thermal Fatigue Properties of Surface Treated AISI H13 Steel for Aluminum Die-Casting, in:  Key Engineering Materials, Trans Tech Publ, 2006, pp. 1173-1176.
[6] K.T. Youn, Y.M. Rhyim, J.H. Lee, C.G. Lee, Y.C. Jung, An Evaluation of Thermal Fatigue Cracking and Chemical Reaction in Die Casting Mould, in:  Key Engineering Materials, Trans Tech Publ, 2007, pp. 701-704.
[7] X.-w. HAN, W. WU, Numerical Analysis of Temperature Field of Aluminum Alloy Die Casting Dies [J], Journal of Changshu Institute of Technology, 4 (2007).
[8] F. Medjedoub, G. Dour, S. Le Roux, P. Lamesle, M. Salem, P. Hairy, F. Rezai-Aria, Experimental conditions and environment effects on thermal fatigue damage accumulation and life of die-casting steel X38CrMoV5 (AISI H11), International Journal of Microstructure and Materials Properties, 3(2-3) (2008) 336-349.
[9] D. Klobčar, J. Tušek, Thermal stresses in aluminium alloy die casting dies, Computational Materials Science, 43(4) (2008) 1147-1154.
[10] M. Fazarinc, T. Muhič, G. Kugler, M. Terčelj, Thermal fatigue properties of differently constructed functionally graded materials aimed for refurbishing of pressure-die-casting dies, Engineering Failure Analysis, 25 (2012) 238-249.
[11] P. Pawłowski, P. Bała, T. Tokarski, J. Krawczyk, Premature cracking of dies for aluminium alloy die-casting, Archives of Metallurgy and Materials, 58 (2013).
[12] C. Pan, W. Ma, H. Yang, Q. Xiao, J. Zhou, Q. Chang, Finite Element Study on Thermal Fatigue Depth of Aluminum Alloy Die Casting Die, DEStech Transactions on Materials Science and Engineering, (icmea) (2015).
[13] S.C. Cha, Coatings for Aluminum Die-Casting Dies, in: S.C. Cha, A. Erdemir (Eds.) Coating Technology for Vehicle Applications, Springer International Publishing, Cham, 2015, pp. 163-175.
[14] I. Peter, M. Rosso, F.S. Gobber, Study of protective coatings for aluminum die casting molds, Applied Surface Science, 358 (2015) 563-571.
[15] R. Ghusoon, H. Rawaa, H. Basim, Effect of die geometry on thermal fatigue of tool steel in aluminium alloy die-casting, in:  IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, 2019, pp. 032042.
[16] Y. Lu, K. Ripplinger, X. Huang, Y. Mao, D. Detwiler, A.A. Luo, A new fatigue life model for thermally-induced cracking in H13 steel dies for die casting, Journal of Materials Processing Technology, 271 (2019) 444-454.
[17] D. Klobčar, J. Tušek, B. Taljat, Thermal fatigue of materials for die-casting tooling, Materials Science and Engineering: A, 472(1-2) (2008) 198-207.
[18] H.S. Carslaw, J.C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Clarendon Press, 1986.
[19] R.B. Hetnarski, M.R. Eslami, G. Gladwell, Thermal stresses: advanced theory and applications, Springer, 2009.
[20] A. Hasanabadi, M. Zarei, Investigation and comparison of wear characteristics of steel surface in three ways, 11th Iranian Conference on Manufacturing Engineering, ICME11_418 (2010) (in Persian).
[21] H. Huang, Z.X. Li, M.J. Wang, C. Xie, Microstructural and mechanical properties of TiAlN and Ti3AlN films deposited by reactive magnetron sputtering, in:  Materials Science Forum, Trans Tech Publ, 2015, pp. 283-288.
[22] C. Wang, H. Wang, X. Fan, J. Zhou, H. Xia, J. Fan, Fabrication of dense β-Si3N4-based ceramic coating on porous Si3N4 ceramic, Journal of the European Ceramic Society, 35(6) (2015) 1743-1750.
[23] P. Aghasafari, V. Arabzadeh, A. Daraei, M. Salimi, Three dimensional finite element study of rack in functionally graded material under thermal loading, 13th International Conference on Fracture,  (2013).