Shrinkage cracking is one of the most destructive defects in aluminum alloy die casting—manifesting as thin, linear cracks that often penetrate the entire part. Unlike surface blemishes (P.EJ., marcas de viruela) that affect aesthetics, El agrietamiento por contracción compromete directamente la integridad estructural.: Las piezas con tales grietas pueden fallar bajo carga., lo que lleva a riesgos de seguridad (P.EJ., falla de componentes automotrices) o desguace costoso (Las tasas de desperdicio pueden alcanzar entre el 8% y el 15% para piezas de paredes gruesas.). Pero, ¿qué desencadena exactamente este defecto?? ¿Es una cuestión material?, un defecto de diseño del molde, o un error en el parámetro del proceso? Este artículo analiza las causas multidimensionales del agrietamiento por contracción y proporciona soluciones prácticas para prevenirlo..
1. ¿Qué es el agrietamiento por contracción en la fundición a presión de aleación de aluminio??
Before diving into causes, it’s critical to define the defect clearly—avoiding confusion with other crack types (P.EJ., cold cracks from rapid cooling).
| Característica | Shrinkage Cracking | Cold Cracking (for Comparison) |
| Apariencia | Delgado, branching cracks; often follows solidification paths (P.EJ., along wall thickness transitions). | Straight, brittle cracks; no branching; edges show no oxidation. |
| Formation Time | Occurs during solidification (when the alloy shrinks but is constrained). | Forms after solidification (due to rapid cooling and thermal stress). |
| High-Incidence Areas | Thick-walled sections (P.EJ., engine block ribs), wall thickness transitions (P.EJ., 10mm → 3mm), and near cores/inserts. | Sharp corners, mold parting lines, and areas with high residual stress. |
| Detection Method | X-ray flaw detection (for internal cracks); inspección de tintes penetrantes (PPP) Para grietas superficiales. | Prueba ultrasónica (Utah); visible to the naked eye for severe cases. |
2. Causas multidimensionales del agrietamiento por contracción
Shrinkage cracking is not caused by a single factor—it results from the synergy of material properties, diseño de moldes, parámetros del proceso, and operational errors. Below is a detailed breakdown of each core cause:
A. Factores materiales: La “base” de la susceptibilidad al crack
Aluminum alloy composition and microstructure directly determine its ability to resist shrinkage stress.
| Material Issue | Detalles técnicos | Impact on Shrinkage Cracking |
| Harmful Element Overload | – Hierro (Ceñudo) contenido >1.2%: Forms hard β-Al₅FeSi phases that weaken grain boundaries.- Zinc (zinc)/Cobre (Cu) excess in Al-Si-Cu alloys: Increases brittleness (tensile strength drops by 15–20%).- Magnesio (magnesio) excess in Al-Mg alloys: Causes intergranular corrosion, reducing crack resistance. | Hard phases act as stress concentration points; Las aleaciones frágiles se rompen fácilmente cuando se limita la contracción.. |
| Impurezas & Óxidos | Materias primas con >0.5% escoria de óxido o partículas extrañas (P.EJ., polvo, residuos de aceite). | Los óxidos dificultan el flujo de metal durante la solidificación., creando huecos que evolucionan hasta convertirse en grietas bajo tensión. |
| Estructura anormal del grano | Granos gruesos (tamaño de grano >100μm) o estructuras no dendríticas debido a un enfriamiento desigual. | Los granos gruesos reducen la fuerza de unión de los límites del grano: la tensión de contracción separa los granos, formando grietas. |
B. Defectos de diseño del molde: El desencadenante “estructural”
Un diseño deficiente del molde crea limitaciones físicas que amplifican el estrés de contracción..
1. Estructura de pieza/molde irrazonable
- Sudden Wall Thickness Changes: A thickness ratio >3:1 (P.EJ., 9mm → 3mm) forms “hot spots”—thick areas solidify slowly, while thin areas solidify first. The thin, rigid sections constrain the thick section’s shrinkage, generating tensile stress (>250MPa for Al-Si alloys) that causes cracking.
- Sharp Corners & Lack of Transitions: Corners without rounded edges (radius <1milímetros) concentrate stress (stress concentration factor >3). Shrinkage stress here exceeds the alloy’s tensile strength (typically 200–300MPa for aluminum), conduciendo a agrietarse.
2. Falla en el control de temperatura del molde
- Local Overheating: Insufficient cooling in thick-walled mold areas (P.EJ., no cooling channels near 10mm-thick cavities) delays solidification. The prolonged liquid state means the alloy shrinks more, while surrounding solidified metal resists—creating cracks.
- Severe Temperature Gradients: A temperature difference >40°C between the upper and lower mold halves (P.EJ., 220° C vs. 180° C) disrupts solidification order. Metal in hot areas shrinks later, but cold areas are already rigid, forcing cracks.
3. Deficiencias del sistema de puertas
- Too-Thin Inner Gates: A gate thickness <1milímetros (for parts with 5mm walls) limits pressure transmission. El otro extremo de la pieza fundida no recibe suficiente presión para compensar la contracción., lo que lleva a huecos y posteriores grietas.
- Diseño deficiente del corredor: Flujo turbulento debido a corredores desalineados (P.EJ., 90° curvas sin transiciones graduales) causa separación en frío. Estos débiles, Las áreas parcialmente fusionadas se convierten en puntos de inicio de grietas cuando se produce la contracción..
do. Discrepancias en los parámetros del proceso: El catalizador “operacional”
Los parámetros incorrectos de fundición a presión exacerban la tensión de contracción y reducen la capacidad de la aleación para resistir el agrietamiento..
| Problema de parámetros | Detalles técnicos | Umbrales cuantitativos | Impacto en el agrietamiento |
| Excessive Pouring Temperature | Temperatura >720° C (for Al-Si alloys) prolongs solidification time. | Each 10°C increase beyond 700°C extends solidification by ~15%, increasing shrinkage volume. | Longer shrinkage time = more stress accumulation; overheated alloy also becomes more brittle. |
| Insufficient Mold Preheating | Temperatura del molde <180° C (for Al-Si alloys) causes rapid surface cooling. | A mold at 150°C cools the alloy’s surface to solid in <1 segundo, while the core remains liquid. | The rigid surface layer traps the shrinking core, creating “pulling” stress that cracks the part. |
| Presión específica de inyección baja | Presión <50MPA (para fundición a presión en cámara fría) no compensa la contracción. | Presión <40MPA: El otro extremo de la pieza fundida tiene una tasa de porosidad de contracción. >5% (Norma ASTM E446). | Las áreas porosas son débiles.; La tensión de contracción convierte los poros pequeños en grandes grietas.. |
| Velocidad de llenado inadecuada | – demasiado rapido (>5EM): Provoca turbulencias y arrastre de gases.- demasiado lento (<2EM): Prolonga la solidificación, aumento de la contracción. | Velocidad >6EM: El contenido de gas en la aleación se duplica (de 0.2 a 0,4 cc/100 g de aluminio). | Las burbujas de gas actúan como concentradores de estrés.; El llenado lento amplifica las restricciones de contracción.. |
D. Operacional & Errores de mantenimiento: El factor “humano”
Incluso con buenos materiales y diseño., Los errores durante la operación pueden provocar grietas por contracción..
- Contaminación por aceite de perforación: Excessive drip lubrication ( >5 drops per cycle) Introduce aceite no quemado en la aleación fundida.. El aceite forma inclusiones duras de carbono. (tamaño 5–10μm) que debilitan la aleación: la tensión de contracción se propaga a lo largo de estas inclusiones.
- Agente desmoldante sobre pulverización: Thick release agent layers (>10μm) obstruir las ranuras de escape, atrapando gas. El gas se expande durante la solidificación., empujando contra la aleación y creando grietas.
- Apertura retrasada del molde: Mold opening time >60 seconds (Para piezas de paredes gruesas) keeps the casting in the mold while it continues to shrink. The mold’s rigidity prevents natural shrinkage, building up stress that cracks the part when demolded.
- Uneven Ejection Force: Ejector rods with misaligned positions (偏差>0.1mm) or unsynchronized movement apply local pressure (>300MPa) to the casting. This extra force, combined with shrinkage stress, causes cracking at the ejection points.
3. Marco de la solución: Prevenir & Reparar grietas por contracción
Resolving shrinkage cracking requires a holistic approach—addressing material, diseño, proceso, and operational issues. Below is a step-by-step solution:
A. Optimización de materiales: Mejorar la resistencia a las grietas
- Composición de la aleación de control:
- Fe≤0,9%, Zinc ≤0,5%, Cu≤1,0% (para aleaciones Al-Si-Cu como ADC12).
- Agregue entre 0,1 y 0,2 % de titanio (De) to refine grains (reduce el tamaño del grano a <50μm), mejorar la resistencia a la tracción entre un 15% y un 20%.
- Purificar la aleación:
- Utilice un proceso de desgasificación de tres etapas.: soplado rotativo (400rpm) → filtración de espuma cerámica (20-filtros ppp) → eliminación de escoria en línea. Esto reduce el contenido de óxido a <0.1%.
- Precalentar materias primas:
- Precaliente los lingotes a 300–400 °C antes de fundirlos para eliminar la humedad y el aceite; evita inclusiones.
B. Mejora del diseño de moldes: Reducir las restricciones de contracción
- Optimizar la estructura de la pieza:
- Limite la relación de espesor de pared a ≤2:1 (P.EJ., 6mm → 3mm).
- Agregar esquinas redondeadas (radio ≥2 mm) para reducir la concentración de estrés.
- Para piezas de paredes gruesas ( >8mm), agregar nervaduras de “compensación de contracción” (ancho 3–5 mm) para absorber la tensión de contracción.
- Mejorar el control de temperatura:
- Instalar canales de enfriamiento conformes (distancia desde la cavidad: 5–8mm) para temperatura uniforme.
- Utilice un controlador de temperatura del molde con una tolerancia de ±5 °C para eliminar gradientes..
- Rediseño de sistemas de puertas:
- Grosor de la puerta interior: 1.5–2 veces el espesor de la pared de la pieza (P.EJ., 6Puerta de mm para paredes de 3mm.).
- Utilice compuertas de ventilador o corredores en espiral para garantizar el flujo laminar. (número de reynolds <2000).
do. Ajuste de parámetros de proceso
| Parámetro | Configuraciones óptimas (Aleaciones Al-Si, Cámara fría) | Monitoring Method |
| Pouring Temperature | 680–700 ° C | Digital thermocouple (Precisión de ±2°C) |
| Mold Preheating Temperature | 200–220 ° C | Infrared thermal imager |
| Injection Specific Pressure | 50–70MPa | Pressure sensor (real-time curve monitoring) |
| Filling Speed | 3–4m/s (staged: slow start → fast middle → slow end) | Speed encoder (±0.1m/s precision) |
| Tiempo de espera | 10–15 segundos (1.5× solidification time) | Timer linked to mold temperature |
| Mold Opening Time | 30–45 seconds (for 8–10mm thick parts) | Proximity sensor (triggers opening when core temperature <300° C) |
D. Estandarización operacional
- Punch Oil Control: Limit to 2–3 drops per cycle; Utilice aceite resistente a altas temperaturas. (stable at >300°C).
- Aplicación de agente de liberación: Rociar un delgado, capa uniforme (5–8MM) con un aerógrafo; Limpie las ranuras de escape después 50 ciclos.
- Verificación del sistema de expulsión: Alinear las varillas eyectoras mensualmente (Desviación ≤0,05 mm); prueba de sincronización con un dinamómetro (asegurar una presión uniforme <200MPA).
4. Yigu Technology’s Perspective on Aluminum Alloy Die Casting Shrinkage Cracking
En la tecnología yigu, Vemos el agrietamiento por contracción como una “señal sistémica”: revela brechas en el control de materiales., diseño, o proceso. Para clientes de automoción que fabrican soportes de motor de paredes gruesas, nuestra optimización de aleaciones (Fe≤0,8%, refinamiento de ti) y los moldes de enfriamiento conforme redujeron el agrietamiento por contracción 12% a <1.8%. Para clientes 3C con piezas de paredes delgadas, nuestro control de procesos impulsado por IA (ajuste de presión/velocidad en tiempo real) Se eliminó el agrietamiento causado por discrepancias de parámetros..
Estamos avanzando en dos innovaciones clave: 1) Una "herramienta de simulación de tensión de contracción" que predice los riesgos de agrietamiento en el diseño de moldes (reduce el tiempo de prueba y error al 40%); 2) Recubrimientos de moldes resistentes al desgaste (Tialn) que mantienen una temperatura uniforme, reducir el sobrecalentamiento local. Nuestro objetivo es ayudar a los fabricantes a pasar de la “posreparación” a la “prevención”, convirtiendo el agrietamiento por contracción de un defecto costoso en un factor controlable..
Preguntas frecuentes
- ¿Se pueden reparar las grietas por contracción en piezas fundidas a presión de aleación de aluminio?, o se debe desechar la pieza?
Grietas superficiales menores (profundidad <0.5milímetros) Se puede reparar con soldadura de aleación de aluminio. (Soldadura de tig) seguido de tratamiento térmico. Sin embargo, grietas internas o profundas (>0.5milímetros) Requieren desguace: la reparación oculta debilidades estructurales que pueden fallar bajo carga.. Recomendamos realizar pruebas de rayos X para evaluar la profundidad de la grieta antes de decidir..
- Does shrinkage cracking affect only thick-walled parts, or can thin-walled parts also be affected?
Thick-walled parts ( >5milímetros) are more prone, but thin-walled parts can also crack if there are sudden thickness changes (P.EJ., 2mm → 5mm) or poor mold cooling. Por ejemplo, thin-walled LED heat sinks with 3mm-thick mounting bosses often crack at the boss-base transition—fix this by adding a 1mm transition fillet.
- How can I quickly diagnose if a crack is caused by shrinkage or cold cracking?
Check two factors: 1) Edge oxidation: Shrinkage cracks (formed during solidification) have oxidized edges (brown/black), while cold cracks (formed after solidification) have bright, unoxidized edges. 2) Ubicación: Shrinkage cracks occur at thick areas/transitions; cold cracks occur at sharp corners or parting lines. For confirmation, use X-ray to see if the crack follows solidification paths (contracción) or is straight (frío).