• No results found

Zinc pressure die Casting Processes 1

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Zinc pressure die Casting Processes 1"

Copied!
14
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Zinc pressure die Casting Processes 

Pressure die casting is a process in which molten metal is injected at controlled high  velocity and pressure into the cavity of a mould (die) which is usually made of high  quality  tool  steel.  Less  expensive  die  materials  may  be  used  when  production  quantities are relatively low.  

Fill times may be as brief as a few milliseconds for the smallest components and as  long as half a second for the largest. The extremely short time required to fill the die  minimizes the tendency for the metal to solidify prematurely and enables it to flow  through  and  fill  very  thin  sections.  The  foundry  maintains  the  temperature  of  the  die approximately 150°C (300°F) below the solidification temperature of the metal,  which  causes  it  to  solidify  much  more  rapidly  than  with  other  casting  processes.  The rapid solidification develops properties in the casting that cannot be developed  by other processes.  

High  injection  pressure,  typically 14  to  69 MPa (2  to  10 ksi),  is maintained  during  filling  and  solidification,  promoting  complete  cavity  fill,  faithful  reproduction  of  intricate  details,  excellent  surface  quality,  and  excellent  dimensional  precision.  After ejection from the die, few machining operations are necessary; in many cases  high precision components are produced to net shape by zinc die casting. The short  cycle time associated with zinc die casting and the capacity to make several castings  in each shot make the process advantageous for high production volumes.  

The pressure die casting process for many years was primarily an art rather than a  science.  Techniques  for  conveying  molten  metal  to  the  die  cavity,  controlling  solidification, and ejecting the casting were developed on an empirical basis, with  the industry practicing the techniques that appeared to work best. In the late 1960ʹs,  basic research was initiated by ILZRO in concert with the zinc die casting industry  to better understand the fundamentals of thermodynamics, heat transfer and fluid  flow  that  govern  the  die  casting  process.  The  outcomes  of  this  work  have  been  quantified  and  transferred  to  the  die  casters  in  a  variety  of  design  packages,  elevating die casting from an art to an applied science.  

Many  die  casters  are  applying  this  science  to  produce  castings  with  wall  thick‐ nesses,  surface  finishes  and  dimensional  tolerances  that  were  unthinkable  a  few  years  ago.  The  casting  shown  in  Figure  1  is  an  example.  Cored  holes,  hubs  and  other  features  are  being  produced  with  zero  draft  and  very  close  tolerances,  eliminating  costly  finish  machining  operations.  The  specific  capability  is  often  proprietary, and it varies with the individual die caster.  

One  of  the  most  important  product  capabilities  is  reduced  wall  thickness.  A  die  casting  with  a  0.5  mm  (0.020  in.)  wall  thickness  is  shown  in  Figure  2.  Previously,  wall  thicknesses  for  structural  features  were  often  specified  according  to  the  minimum  that  could  be  cast,  rather  than  the  mechanical  and  structural  require‐ ments. Decorative components required sufficient wall thicknesses to bury porosity  in order to ensure a quality surface.  

Pressure  die  castings  can  now  be  designed  with  more  emphasis  on  structural  criteria  and  less  restraint  from  process  limitations.  Many  pressure  die  casters  use  shot  control  systems  that measure,  control  and  monitor  the  flow of  metal  into  the  die.  Vacuum  systems,  when  used  with  shot  control  systems,  virtually  eliminate  porosity and promote filling of intricate die features. Monitoring of the pressure die  General        Fill time and  solidification              Injection pressure  and cycle time            Practice and  science                            Product qualities   

(2)

       

Figure 1. The  holes  in  this  zinc  housing  are  die‐cast  to  tolerances  of  0.025  mm  (0.001)  and less  

 

Designers can realize the benefits of high‐technology die casting by consulting with  zinc die caster who employs advanced technology from the early stages of design.  Interaction  can  substantially  reduce  product  cost  by  eliminating  many  finish  machining operations and reducing metal content. 

The  cycle  of  research,  technology  transfer  and  application  is  an  ongoing  process  that is keeping the zinc die casting industry competitive with alternative processes.  Product designers,  who work  closely and early  with  the  die  caster,  will  maximize  material utilization and process benefits.  

     

Figure 2. Some  of  the  walls  in  this  zinc  electronic  component are die‐cast as thin as  0.50 mm (0.019 in)  

Pressure Die‐Casting Processes 

There are two basic pressure die‐casting processes: hot‐chamber and cold‐chamber.  The hot‐chamber process is used for zinc Alloys 3, 5, 7 and ZA‐8. The cold‐chamber  process is used for ZA‐12 and 27 alloys.  The Hot‐Chamber Shot Cycle  The basic components of a hot‐chamber die‐casting machine and die are illustrated  in  Figures  3  and  4.  The  process  is  called  hot‐chamber  because  the  plunger  and  cylinder are submerged in the molten metal in the holding furnace. The energy to  inject the metal into the die cavity is supplied by a hydraulic pump and stored in an  accumulator, from which it is released as needed to produce plunger movement.  The operating sequence for the hot chamber cycle is illustrated in Figure 5. The die  is closed to begin the cycle. Next the plunger is driven downward, forcing molten  metal out of the cylinder, through the gooseneck, nozzle, runners and gates into the  die cavity, filling the die and maintaining pressure on the metal as it solidifies.                                                                 Two basic  procedures      Basic machine  components        Operating  sequence   

(3)

After  solidification,  the  die  is  opened  while  the  plunger  returns  to  the  starting  position,  refilling  the  shot  cylinder.  Then  the  casting  is  ejected  and  the  cycle  repeated.  A  die  lubricant,  or  mould‐release  compound,  is  sprayed  onto  the  die  periodically to facilitate release of the casting.      Figure 3. Cross sections of a hot chamber die casting machine.      Figure 4. Cross section of a die used in a hot‐chamber die‐casting machine.   

The  last  area  of  the  die  cavity  to  fill  generally  has  the  coolest  metal  which  may  cause casting defects. Current casting technology applied to the metal feed system  and good thermal design of the dies can prevent this type of defect. In some cases it  is  necessary  to  locate  overflow  cavities,  or  overflows,  at  the  die  parting  surface  in  these areas. The overflows receive the cooler metal and allow the higher tempera‐ ture  metal  following  it  to  fill  the  die  cavity.  Overflows  are  used  only  when  necessary  and  are  carefully  sized  because  they  constitute  additional  extraneous  metal for recycling. 

(4)

 

  Figure 5. Operating sequence for the hot‐chamber die‐casting cycle. 

The Cold‐Chamber Shot Cycle 

The  cold‐chamber  process  is  employed  for  ZA‐12  and  27  because  the  casting  temperatures of those alloys are in the range at which zinc‐aluminium alloys would  attack the steel in the gooseneck and piston. It is also the process used for casting  aluminium.  The  sequence  for  the  cold‐chamber  cycle,  illustrated  in  Figure  6,  is  essentially  the  same  as  for  hot‐chamber.  Instead  of  submerging  the  cylinder,  the  molten  metal  is  transferred,  usually  by  hand  or  automatic  ladle,  into  a  horizontal  shot cylinder. The system does not employ a sprue; instead, the piston stops before  reaching  the  end  of  the  cylinder  at  a  distance  of  approximately  one  third  the  diameter  of  the  cylinder,  forming  the  characteristic  ʺbiscuitʺ.  The  shot  cycle  is  otherwise identical to the hot‐chamber process.      Figure 6. Operating sequence for the cold‐chamber die‐casting cycle.                                          Operating  sequence                 

(5)

Cycle Characteristics   The submerged shot cylinder gives the hot‐chamber process six advantages:  − The shot cylinder fills automatically while the die is opening, reducing the  cycle time.  − Fewer steps in the cycle make it easier to automate the process.  − Less cooling than when molten metal is transferred to the shot cylinder of  the cold‐chamber machine reduces a metal temperature variable.  − Injection pressures are usually lower, placing less load on the machine  clamping system.  − Better fluidity enables thinner walls to be cast and promotes sounder cast‐ ings.  − The molten metal is less subject to oxidation from atmospheric exposure.     There are four significant characteristics common to both cycles.   − The casting, as normally ejected from the die, is attached to metal that so‐ lidified in the sprue, runners, and overflows. The casting(s) with the extra‐ neous metal, sometimes called the shot, is transferred to a trim die, where  the casting is separated. The metal that is removed can be immediately re‐ cycled.  − Metal injection normally terminates with a sharp increase to full pressure.  This promotes complete filling of the die cavity, feeds voids caused by  shrinkage during solidification, and promotes uniform metal density. Ex‐ cessive pressure can increases the load on the damping system of the die‐ casting machine to the point where metal is forced between the die mem‐ bers causing flashing. This effect, which is sometimes referred to as ʺdie  blowʺ or ʺflashingʺ is well controlled by die casters using the latest technol‐ ogy. Cold chamber machines can be operated with a pressure intensifica‐ tion system which multiplies the applied pressure and so increases the  effectiveness of feeding shrinkage. Because the outside skin has already so‐ lidified when intensification is applied, the improvement is achieved with‐ out forcing metal between the die members.  − Maximum metal pressure multiplied by the projected area of the entire shot  imposes a force on the machine structure that dictates the clamping force  required. Die‐casting machines are rated by the number of tons of locking  force they can develop without distortion during long‐term operation. Lar‐ ger machines require a greater investment and run slower than smaller ma‐ chines. The size of the machine thus affects the cost of the product.  − The maximum metal pressure can cause the die halves to separate slightly,  adding a variation in casting dimensions across the parting surface, giving  the aforementioned ʺdie blowʺ. This effect can be controlled to reduce di‐ mensional tolerances by many die‐casters who employ high‐technology  die‐casting practices.    Six advantages                        Four common  characteristics     

(6)

         

Figure 7. ʺShotʺ  of  metal  with  sprue,  runners  and  overflows prior to trimming. 

Die Casting Dies  

The typical hot‐chamber die, illustrated in Figure 8, is constructed in two sections:  the  cover  or  fixed  half  and  the  ejector  or  moving  half,  which  meet  at  the  parting  surface.  The  shape  of  this  surface  and  the  direction  that  the  die  members  move  relative  to  the  casting  are  affected  by  the  design  of  the  casting.  The  cover  half  is  mounted on the front or stationary platen of the machine. The sprue, which directs  the  molten  metal  toward  the  die  cavity,  is  in  this  half,  and  it  is  aligned  with  the  nozzle of the casting machine. The ejector half contains the ejector mechanism and,  in  most  cases,  the  fixed  cores  and  the  runners,  which  convey  the  metal  from  the  sprue to the die cavity.  

The  cold‐chamber  die  is  arranged  in  essentially  the  same  manner  except  that  the  biscuit replaces the sprue.      Figure 8. Typical hot‐chamber die casting‐die                             Die sections:  moving and fixed                   

(7)

The  die  cavity,  which  forms  the  casting,  is  machined  into  both  halves  of  the  die  block or into inserts that are installed in the die blocks. Guide bars or leaders pins  extend from one die half and enter holes in the other half as the die closes to ensure  alignment. The die and the casting are usually designed so that the casting remains  in the ejector half when the die opens, allowing the casting to move free from the  cover half. The casting is then pushed off the ejector half by ejector pins that come  through  holes  in  the  die  and  are  actuated  by  the  ejector  plate,  which  in  turn  is  powered  by  the  machine  hydraulic  system.  The  location  of  ejector  pins  is  often  critical to both the process and the design, and should therefore be clarified in the  early stages of design. 

Dies  may  contain  fixed  and/or  movable  cores  in  either  half  to  produce  complex  shapes.  Fixed  cores  are  anchored  in  the  die.  Consequently  the  casting  must  be  designed  to  permit  their  movement  parallel  to  the  direction  of  the  die  opening.  Movable cores (see Figures 5 and 6 above), which are locked in place, when the die  closes, are actuated by cam pins or hydraulic cylinders. They may be incorporated  into  either  half,  but  the  best  location  from  the  die  casterʹs  viewpoint  is  in  the  die  parting.  Movable  cores  add  to  die  fabrication  and  maintenance  costs,  and  may  increase cycle time. However, they can be employed to advantage when they allow  features to be cast that would otherwise require finish machining operations.   Relative  motion  between  die  members  requires  clearance,  which tends  to  increase  as  the  members  wear.  As  the  clearance  increases,  molten  metal  may  be  forced  between  the  members,  leaving  thin  fins  on  the  casting,  called  flash,  which  must  often  be  removed.  The  designer  should  visualize  the  die  construction  required  to  produce  the casting  to  predict  the  occurrence  of  flash  and  provide  for  its  removal  where necessary.  

The  simplest  die  configuration  contains  one  cavity  (Figure  9a).  Dies  may  contain  more  than  one  cavity  so  that  several  castings  are  made  in  each  cycle,  which  is  advantageous  when  production  volumes  are  high.  A  die  with  several  identical  cavities  is  called  a  multiple‐cavity  die  (Figure  9b).  A  die  with  several  cavities  of  different shapes is called a combination or family die (Figure 9c). Combination dies  are restricted to castings that are compatible both in size and in required production  quantities. They are frequently used to make several or all of the components in an  assembly.                 

Figure 9. Schematic  illustrations  of  four die configurations. A Single cavity die ;  B Multiple cavity die ; C Combination die ;  D Unit die  Die cavity                    Fixed and  movable cores                Clearance  between die  members        Cavity layout   

(8)

Unit dies, which are particularly appropriate for lower production volumes, consist  of a die holder into which a number of standard size blocks are fitted, each with one  or  more  cavities  (Figure  9d).  The  cavities  may  be  identical  or  different,  provided  that they are compatible in size. Unit dies facilitate quick changeover and provide a  high  degree  of  production  flexibility.  However,  they  contribute  an  additional  tolerance in the die alignment (ejector side to cover side stack up), and they tend to  increase the lengths of runners.  

Die Fill  

Much  of  the  recent  research  and  development  work  designed  to  improve  die  casting  technology  has  focused  on  proper  filling  of  the  die  with  molten  metal.  However,  the  flow  of  molten  metal  is  subject  to  some  turbulence,  which  tends  to  entrain  air,  forming  porosity  in  the  casting.  When  porosity  occurs  it  tends  to  accumulate away from surfaces in the core, particularly in thick sections.  

Die  castings  solidify  from  the  surface  inward.  (See  above  ʺCharacteristics  of  Zinc  Die Castingsʺ section). The surfaces exhibit the best mechanical properties and are  normally  smooth  with  no  visible  defects.  Metal  removal  operations  that  cut  deep  enough to penetrate the surface skin expose the metal beneath which could contain  porosity.  It  is  essential  that  machining  not  be  performed,  or  at  least  held  to  very  light  cuts  on  castings  that  must  be  pressure  tight  or  require  a  smooth  surface.  Otherwise impregnation may be required.  

The metal delivery and distribution system (referred to as the metal feed system),  which is crucial to proper cavity fill and minimal porosity, should be designed with  smooth transitions and gradual changes in the direction of metal flow to minimize  air  entrapment  and  porosity.  It  should  also  be  positioned  relative  to  the  cavity  to  give  good  filling  pattern.  The  technology  for  sizing  the  system  and  proportioning  its various features has been developed through ILZRO research and transferred to  the die casters.  

Some  die  casters  are  also  utilizing  advanced  vacuum  systems  which,  when  used  with good die design and process control, virtually eliminate porosity from zinc die  castings.  These  systems  involve  modifications  in  the  die  gate  and  runner  system  design  and  the  use  of  automatic  forced  evacuation  of  air  entrapped  in  the  die  cavity. The vacuum systems produce sound sections, even in complex castings.                                             Porosity          Casting surface  layer            Die filling system  characteristics   

(9)

Economics of Die‐Casting  

The high production rates and high precision achieved by zinc die‐casting give the  process distinct economic advantages. The total manufactured cost per component  is  determined  by  the  costs  of  metal,  production  equipment  and  labour,  the  die‐ casting die, and finishing operations (the cost optimization module in the ʺDesign  Guideʺ enables an estimate of the casting cost to be made).  

Metal Cost  

The  cost  of  die‐casting  alloys  is  subject  to  fluctuation,  similar  to  any  commodity.  Where desirable or required, the purchaser of die‐castings can enter into a contract  that fixes alloy prices for a specified time.  

The  real  metal  cost  is  determined  by  the  listed  price  of  the  alloy,  the  cost  to  melt,  and  the  cost  of  reprocessing  both  the  metal  trimmed  from  the  casting  shot  and  casting  rejects.  Die  casters  are  systematically  reducing  metal  processing  costs  by  reducing rejects and minimizing the amount of metal trimmed from the casting.   Equipment Cost   A die‐casting machine represents a substantial capital investment, especially when  it is equipped with high technology process controls. The cost ascribed to the die‐ casting machine for producing a casting is a significant part of the cost of produc‐ tion, and it is influenced by the production rate. The production rate is determined  by  interdependent  factors  such  as  machine  size,  cycle  time,  casting  weight,  the  number of castings produced per cycle, and the reject rate.  

Although  these  factors  are  primarily  the  concern  of  the  die‐caster,  they  may  be  affected by the design of the product. For instance, a casting may have a relatively  massive,  thick‐walled  feature  which  requires  the longest  time  to  solidify  and thus  governs solidification time. Where possible, such features should be redesigned to  reduce the mass of metal or increase the area available for heat transfer to reduce  solidification time and consequently cycle time (refer to the ʺDesign Rulesʺ module  in the ʺDesign Guideʺ).  

The  cost  of  operating  a  die‐casting  machine,  per  component  cast,  is  frequently  a  trade‐off of machine size, die complexity (e.g. core slides), number of pieces cast per  cycle, and scrap rate. These factors vary among zinc die‐casters, so that there may  be some variations in the prices quoted by equally competent die‐casters.   Die Cost   Zinc alloys are cast at lower temperatures than other die‐casting alloys and exhibit  less tendency to attack the die steel. Therefore zinc alloys offer greater die life and  lower maintenance costs than other die‐casting alloys.                                 Alloy + melting +  trimmed metal  and rejected parts            Machine + cycle  time          Design casting to  minimize cycle  time          Operating costs          Relatively low  casting  temperature 

(10)

Zinc  die‐casting  dies  are  made  from  specially  developed  alloy  steels.  They  incorporate one or more die cavities, which are as intricate in configuration as the  castings  they  produce.  Dies  may  be  further  complicated  by  components  such  as  core  slides.  The  high  initial  cost  of  die  casting  dies  is  justified  when  production  rates are high enough to keep the amortized cost per casting at a reasonable level.  The cost may also be justified in lower volume production, when casting a complex  component to very close tolerances eliminates costly secondary operations.  

Normal  service  subjects  zinc  die‐casting  dies  to  severe  operating  conditions.  Although the dies are made from high quality, engineered tool steel, the injection of  molten  metal  and  the  subsequent  rapid  cooling  induces  thermal  shock  and  cyclic  thermal  stresses  which  cause  deterioration  and  ultimately  failure  of  the  die  steel.  The rate of deterioration is a function of the quality of the die steel and quality of  heat  treatment  of  the  die,  the  total  amount  of  heat  transferred  from  the  molten  metal to the die and the associated temperature increase.  

The  high‐speed  flow  of  molten  metal  through  the  die  can  cause  die  steel  erosion,  called  die  wash.  The  amount  of  erosion  on  one  shot  is  infinitesimal,  but  the  accumulation over many shots must be recognized. The most severe erosion occurs  at  locations  of  high  metal  flow  velocity,  sudden  change  in  the  direction  of  metal  flow, and at irregular die features and die sections, where these locations cannot be  provided with sufficient cooling. Often, these factors can be mitigated in the design  of the product and the die through early die‐caster consultation.  

The most obvious visual effects of die degeneration on the casting are loss of sharp  definition  of  the  more  intricate  details,  deterioration  of  surface  quality,  and  thickening  of  some  sections.  As  the  die  degenerates,  it  must  be  removed  from  production  periodically  and  repaired;  ultimately,  the  die  cavities,  and  eventually  the entire die, may need to be replaced.  

Costs of Finishing Operations  

Five  types  of  finishing  operations  are  commonly  performed  after  die‐casting  and  prior  to  machining  operations  or  surface  treatment:  trimming,  vibratory  finishing,  polishing, sanding and grinding.  

Trimming: Die‐castings are ejected from the dies attached to their sprue or biscuit,  runners, overflows, and flash. They are normally separated in trim dies that shear  off  the  unwanted  features,  which  may  be  remelted  and  recast.  In  some  cases,  particularly  with  small  and  mini‐  size  castings,  degating  dies  separate  the  casting  during ejection, eliminating the need for a separate trimming operation. Trimming  is  a  metal  shearing  operation;  therefore  the  casting  must  have  sufficient  strength  and  rigidity  to  withstand  deformation  in  the  trimming  operation.  The  extraneous  metal in the casting shot is utilized to support the casting in the trim die as much as  possible, but the casting may be required to provide additional features for support.  It  is  therefore  advantageous  to  consult  with  the  die‐caster  early  in  the  design  process to ensure that the casting can be trimmed without complication.  

It is sometimes necessary to trim the entire parting line. Therefore, trim die cost is  minimized  when  the  parting  surface  is  kept  in  a  single  plane.  Further  economies  can  be  realized  by  eliminating  or  avoiding  irregular  features  on  the  parting  line.  However,  the  cost  of  complex,  multistage  trim  dies  can  be  justified  when  costly  secondary operations are eliminated, lowering final piece‐part costs.                   Thermal shock              Die steel erosion                          Five types of  finishing  operations       

(11)

Vibratory  Finishing:  Vibratory  finishing  is  often  employed  when  flash  is  not  accessible to trim dies, such as the flash that occurs at the interface of moving die  members  (for  example,  core  slides).  The  castings  are  placed  in  a  container  with  abrasive  media  and  subjected  to  high‐rate  oscillations.  The  abrasive  media  preferentially attacks protruding features such as flash. 

Polishing:  Parting  lines  usually  appear  on  die‐castings  as  small  ridges,  wherever  two  die  members  meet.  In  the  case  of  decorative  components,  these  lines  are  usually removed to enhance appearance. Flash height and thickness depend upon  the condition of the die and the control of process variables. In certain applications,  advanced casting processing can greatly minimize or eliminate flash.  

The visible lines that remain on the casting where flash has been removed must be  eliminated in most decorative components. It is also necessary in many applications  to  polish  the  surface  of  the  casting  by  buffing  prior  to  decorative  finishing,  particularly bright chrome plating. Buffing is performed with large, soft wheels that  move across the surface of the casting at high speed in the presence of a very fine  abrasive (buffing compound).  

Sanding  and  Grinding:  Belt  sanding  and  grinding,  which  are  often  hand  opera‐ tions,  are  occasionally  employed  to  remove  a  heavy  flash  line.  However,  hand  operations  incur  the  risk  of  removing  too  much  metal  in  critical  areas,  leading  to  field failures. The product designer must identify critical structural areas to ensure  that the casting will not be weakened by grinding and belt sanding.  

Characteristics of Zinc Die‐Castings  

Zinc  alloys  solidify  and  cool  very  rapidly  in  die‐casting,  giving  the  metal  a  fine  grain  structure  with  good  mechanical  properties.  Heat  is  transferred  from  the  casting  through  the  surface  of  the  die  cavity  into  the  die  where  it  has  been  tradi‐ tionally  removed  by  cooling  water  flowing  through  cooling  channels  in  the  die.  Some die‐casters now use closed‐loop heat exchangers with oil, which improves die  temperature  control,  allows  for  localized  heating  where  required,  eliminates  scale  build‐up in coolant passages, prolongs die life, and enhances casting quality.   Zinc  die‐castings  solidify  from  the  surface  to  the  centre,  generating  two  distinct  zones in each wall section, as shown in Figure 10. The skin, which has finer grain  structure, is typically 0.4 mm to 0.5 mm (0.015 to 0.020 in) thick. The skin is usually  free of porosity, which tends to occur in the core of thick sections. The finer grain  structure  and  absence  of  porosity  give  the  skin  superior  mechanical  properties.  Since skin thickness is relatively constant, and not a function of total wall thickness,  thin  walls  are  stronger  per  unit  of  wall  thickness  than  are  thick  walls.  This  important  point  is  not  widely  recognized  by designers. 

 

Figure 10. Schematic  of  section  through  a  zinc  die‐casting  showing  the  skin  and core zones.                                                         Rapid cooling and  die temperature  control          Solidification     

(12)

The  parting  line  that is formed  at  the interface  of  the  ejector  and  the  cover  dies  is  significant  in  product  design  because  in‐gates  and  overflow  gates  (orifices  that  conduct  metal  into  and  out  of  the  die  cavity)  are  usually  located  in  the  parting  surface and appear as thickened areas of the parting line. Gate location may affect  the  mechanical  properties  and/or  appearance  of  the  casting.  Consequently,  the  product  designer  should  work  with  the  die‐caster  to  determine  mutually  satisfac‐ tory gate locations.  

When  the  extraneous  metal  is  trimmed  from  the  casting,  the  exposed  surface  is  interior or core metal, which may have some porosity and appear pitted. If this area  is subjected to cyclic tensile stresses, the porosity may act as stress raisers, leading  to premature fatigue failure. Porosity may also cause an unsatisfactory appearance.   It is sometimes necessary to redesign the casting, moving the parting line to an area  of  lower  stress.  Figure  11  shows  a  cross  section  of  a  zinc  die‐cast  handle  that was  subjected to cyclic bending, which developed tensile stress on the top surfaces and  compression on the bottom. Surface porosity in the gates at the parting line created  stress raisers near the area of maximum stress. The handle was redesigned to locate  the  parting  line  closer  to  the  neutral  axis  in  an  area  of  lower  stress.  The  revised  parting  line  offered  the  disadvantage  of  placing  the  flash  in  a  more  noticeable 

  location, requiring additional buffing.  

igure 11. Sketch  showing  on  of d e

Preventing Die‐Casting Defects  

    F

cross  secti   a  zinc  door  handle,  original  design  and  redesigne  to reduc  stress on the  parting line. 

   

Casting defects are undesirable in critical structural areas, particularly those subject 

Cracks 

cases,  die‐casting  cycle  parameters,  such  as  die  temperature,  direction  of  to  fatigue.  Minor  defects  on  decorative  surfaces  can  become  very  obvious  after  surface treatment. Defects are generally eliminated by the die caster through control  of  the  casting  process.  However,  the  product  designer  should  be  conversant  with  casting defects, particularly those that are affected by design practice.  

In  most 

metal flow, and lubrication techniques, are adjusted to eliminate cracks. However,  the  design  of  the  casting  may  contribute  to  the  formation  of  cracks,  and  the  die‐ caster may request minor product changes to remedy the problem.   Parting line and  trimming            Porosity in  trimmed part of  the casting                                                           

(13)

Restrained  shrinkage  cracks  (sometimes  referred  to  as  ʺhot  tearingʺ)  may  occur  when  a  long  expanse  of  cast  metal  is  terminated  by  a  restraining  rib.  The  metal  contracts  exceeding  the  hot  strength  and  forming  a  crack  at  the  junction  of  the  restraining rib. This type of defect can often be eliminated by adding more ribs to  distribute the shrinkage forces or by decreasing the holding time to eject the casting  before shrinkage has reached its normal value.  

Thick‐walled  frame  members  intersecting  at  right  angles  may  be  susceptible  to  corner  cracks,  resulting  from  restraint  and  relatively  slow  freezing  characteristics.  Adequate radii at the intersections will reduce the stresses. It may also be necessary  for the die‐caster to increase the metal injection pressure.  

Visible  cracks  (also  known  as  ʺcold  shutsʺ)  may  appear  at  the  junction  of  a  hot  stream of metal and a returning cooler stream. The die‐caster may be able to correct  this problem by redirecting the filling pattern.  

Shrinks  

Ragged,  irregular  porosity  in  the  form  of  shrinks  often  results  when  the  die  is  overheated  locally.  The  spot  can  be  cooled  or  the  casting  cycle  time  increased.  In  cases where the cycle time cannot be increased, it may be necessary to enlarge the  gate and/or runners to feed the troublesome spot. In other cases, it has been found  necessary  to  add  flat  or  vertical  ribs  to  the  cast  wall  to  improve  the  feeding  characteristics.  

Shrinkage  defects  are  more  likely  in  thick  sections,  and  the  best  remedy  is  to  redesign the component with metal saving cores. Shrinkage defects may also occur  when the casting pressure is too low; the solution is usually to increase the pressure  on the metal.   Smooth Internal Porosity   Smooth internal porosity in the form of bubbles occurs when gas is trapped, rather  than expelled from the die. When they are located close to the casting surface, the  pores  can  cause  blisters  if  the  die  casting  is  subsequently  reheated.  The  die‐caster  may  change  venting,  gating,  fill  conditions  or  lubrication  to  reduce  porosity  problems. Proprietary vacuum systems, combined with proper process control, can  virtually eliminate gas porosity.  

Gross (Shrinkage) Porosity  

Shrinkage pores are irregular in size compared with gas pores. They tend to occur  in heavy sections when the metal pulls away from itself on solidification. Shrinkage  pores  may  affect  the  integrity  of  the  die‐casting,  especially  when  they  are  in  the  vicinity of certain machined features, such as tapped threads. They do not contain  gas, and are not a source of blisters.  

Shrinkage pores are usually controlled by varying die‐casting parameters. In some  cases  it  is  necessary  to  redesign  the  casting,  eliminating  the  thick  walls.  Holes  for  tapped threads should be cored, so that the threads are formed in metal that is free  from shrinkage pores.  

   

(14)

Segregation  

Alloy constituents may segregate in ZA 12 and 27 during melting and solidification.  Proper  metal‐handling  techniques  prevent  segregation  during  melting,  and  the  solidification process in die‐casting is too rapid to permit segregation.  

Surface Blisters  

Surface blisters occur following ejection or reheating when porosity near the surface  is  severe.  One  remedy  is  to  increase  the  time  that  the  casting  is  held  in  the  die,  allowing  the  walls  to  cool  and  thereby  increase  in  strength.  A  more  satisfactory  remedy is reducing or eliminating porosity as discussed earlier.  

Galling or Drag  

Drag  is  usually  caused  by  undercuts  in  the  die,  which  can  be  polished  out  as  required. In some cases, draft is inadequate and the die cavity must be reworked. In  other  cases,  the  ejector  plate  advances  unevenly,  cocking  the  casting  and  causing  drags; repair of the ejector plate will then be required. Mild drag, which causes only  a burnishing of the surface, is tolerable in non‐ visible areas, such as holes that are  cast with very low or zero draft.  

Warped Castings  

Castings  can  warp  during  ejection  when  one  portion  of  a  casting  sticks  in  the  die  due to a local undercut or insufficient draft. The undercuts must be polished out, or  the die cavity reworked to provide the required draft. Draft requirements should be  reviewed  with  the  die‐caster  as  the  component  is  being  designed.  Warping  may  also be caused by an overheated die, in which case local cooling will be added or  cycle time increased.  

Unusual  features  sometimes  shrink  unequally,  causing  warpage.  Ribs  are  some‐ times  added  to  distribute  the  shrinkage.  In  some  cases  the  shrinkage  can  be  compensated by local cooling in the die.  

Heat Checking  

Heat  checking  in  the  die,  caused  by  thermal  fatigue,  produces  a  pattern  of  raised  fins on the surface of the casting. The life of the die can be prolonged by polishing  the area at the first sign of failure. The appearance of raised fins will be delayed by  proper preheating of the dies, operation at proper temperatures, and fog lubrication  of the die faces at frequent intervals.                        

References

Related documents

To do so, an experiment was conducted with 325 farmers who were divided into three groups, each of which received one of three training approaches focusing on row planting for

Launching a Business Analytics Career business analysis business intelligence business management content management data governance data integration data mining data modeling

While it should be apparent that the number of units and design target average power per unit are necessary to form a density specification, peak power, unit power uncertainty, and

The Assistant Director (AD) for Acute Services, Northern Ireland Health and Social Care Trust (NIHSCT), has been informed that one of the wards within his service group,

Realizamos una investigación del impacto científico del movimiento en dos de las bases de datos de revistas científicas más relevantes en el mundo académico WOS (Journal

On the other hand, if the interferer operates on an adjacent 40MHz channel (40MHz adj), channel bonding improves performance. This observation applies independent of the signal

 AACSB: Analytic  Bloom's Taxonomy: Remember   Difficulty: Easy  Jacobs - Chapter 02 #11  Learning Objective: 02-01 Compare how operations and supply chain strategy relates to

Regional