利用铸件余热减少铸造残余应力的研究和实践

1、 利用铸件余热减少铸造残余应力的研究和实践 童思艺 (广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005) 摘要：本文通过对减少铸造残余应力工艺的研究，提出了利用铸件余热减少铸造残余应力的工艺方法。广西玉柴机器股份有限公司在铸造厂新车间改造时应用了该工艺，效果显著。铸件铸造残余应力小于60MPa，与传统工艺相比，每吨铸件节电101.1度。 关键词：利用余热；减少；铸造残余应力  铸铁件在凝固冷却过程中，因铸件各部位冷却速度的差异，没有同时相变和收缩而相互阻碍，便会在铸件中产生铸造应力。减小铸造应力的方法有：减小铸铁件在冷却过程中各部分的温度差，实现

2、同时凝固原则；采用树脂砂，改善铸型和型芯退让性；适当增加铸铁件在型内的冷却时间，以免扩大各部分的温差；采用强力抛丸，使铸件表面的残余拉应力得到释放，甚至形成残余压应力。这些措施的效果如何?铸件的铸造残余应力是怎样分布的?如何才能减少它?本文做了一些探讨并提出了利用铸件余热退火，减少铸件铸造残余应力的节能降耗，提高效益、效率的新工艺方法。该工艺于2005年在广西玉柴机器股份有限公司铸造厂新车间投入使用，至2007年6月，共生产铸件66543吨，共节电673万度，节约电费336.6万元；铸件铸造残余应力平均最小为19.9MPa，最大为56.2MPa，完全符合目前柴油发动机及其它铸件使用要求。

3、60;1减少铸造残余应力方法的研究 1.1铸造残余应力的形成原因  铸铁件在高温下浇注，在凝固冷却过程中，因温度下降而产生收缩和发生相变，如收缩和相变受到阻碍。便会在铸件中产生铸造应力。铸造应力按其形成原因可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。  1)热应力：由于铸铁件的各部分在冷却过程中的冷却速度不同，造成各部分的收缩先后和大小不同，但铸件各部分连为一个整体，彼此问互相制约而产生应力。这种由于线收缩受热阻碍而产生的热应力一般成为铸件内的残余应力，其大小与铸件厚壁部分由塑性状态转变为弹性状态时厚薄两部分的温度差成正比，即铸件的壁厚差越大，残余热应力也越大。凡能

4、促使铸件同时凝固及减缓冷却速度的因素，都能减小铸件中的残余热应力。  2)相变应力：铸件各部分在冷却过程中发生固态相变的时间和程度不同，使体积和长度的变化也不一样。而各部分之间又互相制约，由此而引起相变应力。对于灰铸铁件来说。当铸件的某一部分冷却到共析温度以下时，奥氏体转变为铁素体及高碳相(石墨或渗碳体)时，由于共析石墨化而使铸件某部分产生一定的膨胀，如铸件各部分温度不一致，相变不同时发生，就会产生相变应力。由于灰铸铁件粗厚部分的石墨化程度比细薄部分更充分些，因此，薄部分受拉应力，而厚部分受压应力。  3)机械阻碍应力；铸铁件冷却到弹性状态后，由于收缩受到机械阻碍而产生机械

5、阻碍应力。它可表现为拉应力或压应力。当机械阻碍一经消除，应力也随之消失，所以它是一种临时应力。  铸造应力是热应力、相变应力和机械应力三者之和。铸铁件不同部位上的三种应力列于表1。  各种铸铁的铸造应力见表2引，灰铸铁的铸造应力最小，球墨铸铁最大，蠕墨铸铁的铸造应力在两者之间。随着铸铁强度的提高，铸铁的铸造应力是上升的。因此，随着柴油机结构紧凑、功率增大以及可靠性的增长，对铸铁的强度、硬度要求越来越高，其铸造应力也越来越大。 1.2铸造残余应力对铸铁件的影响和危害及减少铸造残余应力的必要性 导致铸件变形  由于柴油机缸体和缸盖是结构复杂的高强度

6、薄壁铸件，铸造过程引起的残余应力在其内部是不均匀的，因而会使铸件产生扭转、弯曲等不规则的变形。以例子加以说明。  当然实际上铸件的受力要比这复杂得多。铸件变形过大的危害之一是：因加工余量不够而报废。尽管铸件的残余应力在其内部的分布是不均匀的，但产生变形后，在其内部的力系仍处于平衡状态，在对铸件进行机加工时，这种平衡就被打破了，它会使铸件产生第二次变形，见图3。  例如：  机加工后，零件再次变形，使零件的加工精度降低，影响使用性能，甚至报废。如缸体的气缸套孔，经镗孔后变形不均匀，由圆孔变成椭圆孔。 导致铸铁件的开裂  冷裂是铸铁件凝固后，已处于

7、较低温度，铸造应力超过了铸铁的强度极限而产生的。冷裂往往出现在铸铁件受拉伸的部位，特别是有应力集中的地方。铸铁件产生冷裂的倾向和影响因素与影响铸造应力的因素基本一致。  形状复杂的大型铸铁件容易产生冷裂。有些冷裂在开箱清理后即能发现，如图4。2005年4月10日F3000曲轴箱轴承盖过丁孔旁的裂纹，就是在铸件开箱时已发现；也有些铸件在开箱后在放置的状态下发生冷裂。  如果在铸件的清理和机加工时发现裂纹，可以把铸件报废。但最为危险和可怕的是：由于铸造残余应力的存在，在铸件早期已产生微裂纹，但它很小、或许没有贯穿整个铸件壁，肉眼和试漏检测都没有被发现使用时裂纹才扩展，造成发动机

8、故障，严重影响产品的可靠性。沈阳某公交公司反馈如下故障，就是典型的由于铸造残余应力造成裂纹故障的例子。序号为J42XA400012的柴油机行驶1750公里发现气缸盖(铸造编号：20031023C-374)第三缸气门座圈口处有裂纹。如图5和图6。  经解剖和理化分析：气缸盖进气道的壁庳有65rnm，材质无异常。该部位在进气道的里面，外力几乎不可能撞击到，可以排除撞击造成裂纹的可能；从检测缸盖残余应力的结果看，缸盖的外围承受较大压应力，其内部承受着相当的拉应力，当铸造应力超过强度极限时，即会产生开裂。  进一步研究表明：铸铁件冷裂纹的外形呈连续的直线状或圆滑曲线：而且常常是穿过

9、晶粒而不是沿晶界断裂。冷裂纹断口干净，具有金属光泽或呈轻微的氧化色。冷裂还与含磷量有关，当灰铸铁中w(p)>03时，往往出现大量网状磷共晶，冷裂倾向明显增大。 增加机加工困难，加大刀具的磨损  据一汽铸造研究所研究表明：减少铸件的残余应力后，使铸件的机加工性能得到明显改善，延长了刀具的寿命。  可见减小铸造残余应力，可使经机械加工后的铸件具有较好的尺寸稳定性和精度的持久性，改善机加工性能，提高产品的可靠性。 1.3减少铸件残余应力的方法可行性 减少铸造应力的方法  减小铸造应力的方法主要是设法减小铸铁件在冷却过程中各部分的温度差

10、，实现同时凝固原则：改善铸型和型芯退让性；适当增加铸铁件在型内的冷却时间，以免扩大各部分的温差。采用强力抛丸使铸件表面的残余拉应力得到释放，甚至形成残余压应力。  形状比较复杂、尺寸稳定性要求较高的铸铁件应用时效热处理、振动时效或自然时效的方法来降低铸造应力。  (1) 自然时效处理，一般将铸件存放几年时间，让残余应力慢慢松弛，时间长，对大批量连续生产不适宜采用。  (2)振动时效处理。振动时效引起的动应力和残余应力叠加超过材料屈服点时产生应力松弛循环加载的包辛格效应降低了残余应力。  (3)时效热处理：减应力时效热处理旨在减少铸件内的铸造残余应力。其原

11、理是把铸件重新加热到530620，利用塑性变形降低残余应力，然后在炉内缓慢地冷却，得到残余应力比原先小的铸件，这是灰铸铁件用得最多的热处理方法，图7是典型的常用传统减应力处理曲线。  减少铸造应力方法的效果研究  玉柴铸造厂缸盖砂芯用覆膜砂，机体砂芯用热芯盒工艺，延长铸件冷却时间和降低铸件的开箱温度，铸件表面进行强力抛丸等措施之后，铸件的残余应力仍很大。为此，我们进行了减少铸件残余应力的办法的研究。我们用了五年的时间，利用先进的工艺手段，采用自然时效、振动时效、时效热处理等办法进行减少铸件残余应力的研究，并对近百件次铸件进行残余应力值的实测。实测的主要结果见表3。 

12、;研究表明：  1)未经退火处理的铸件的残余应力值很大。  对同一包铁水浇注的YC6105QC：机体及缸盖作了测试：  机体：平均铸造残余应力为174.4MPa，最大值为27 l.2MPa。  缸盖：平均铸造残余应力为232.1MPa，最大值为304.9MPa。  2)用不同退火设备处理不同的铸件，对降低铸件残余应力的效果是不一样的。  燃煤炉时效热处理  a玉柴铸造厂机体燃煤炉时效热处理：铸件随机放置，YC6105机体残余应力值平均为174.4MPa，最大值为271.2MPa。  b玉柴铸造厂机体燃煤炉时效热处理

13、：铸件放置在最上层，YC6112机体残余应力值平均为l 15.7MPa最大值为172.8MPa；YC6112缸盖残余应力值平均为40.6MPa，最大值为56.9MPa。  c玉柴铸造厂缸盖燃煤炉时效热处理：铸件随机放置，YC6105QC缸盖残余应力值平均为232.1Mpa最大值为271.2MPa。  从燃煤炉时效热处理效果看，随机放置抽检的残余应力值都很大；但放在上层的铸件应力低一些，放在上层的缸盖比机体重量轻，应力更低一些。说明该燃煤炉内各部分的温度分布不均。检查该炉发现：测量炉温的热电偶放置在炉子的顶部，见图8，当热电偶显示炉顶部的温度达到工艺的要求时，即进入保温的阶段

14、，而此时在炉子的底部，在热传导差的部位温度仍很低，甚至可以看到粘结在机体上的应变片的颜色还变化不大。从退火出来的铸件的颜色变化也能看到整个炉子的温度差异：放在顶部的铸件表面的粘砂已被烧成灰白色(图9)，而在中间或底部的铸件表面的粘砂几乎没有变，还是黑色的(图10)。  电炉时效热处理  我们在七家的不同电炉(箱式电炉、井式电炉、连续式电炉)进行试验和检测，铸件有YC4110、YC6108ZC、YC6112机体，铸件在炉内随机放置。在被检测的几十个铸件中，减少残余应力的效果都很好并且稳定，铸件平均残余应力值小于5lMPa，最大值除了一件达到100.4MPa外，其余均小于87M

15、Pa。  其中连续式时效热处理电炉的效果较佳，铸件残余应力平均值最小为19.9MPa，最大值为56.2MPa。  3)自然时效处理  经对YC6105QC缸盖在原测试点附近重测，残余应力值分别为154.0MPa和268.9MPa，仍维持在较高水平。  4)振动时效处理  对9台机体进行振动时效处理，对振前、振后的残余应力值进行测定。结果发现，振动时效可以使铸件的残余应力值平均降低约30，已达到机械行业JBO592691“振动时效工艺参数选择及技术要求”的标准。  但由于铸件原来的残余应力值较高，所以振动时效处理之后仍维持在较高水平：平

16、均值为140.3MPa，最大值为175.4MPa。 2利用铸件余热减少铸造残余应力的实践 2.1 铸件减应力时效热处理常用的传统工艺是  开箱一冷却到室温后去浇冒口和型砂、砂芯、打磨去披锋一减应力时效热处理。  减应力时效热处理旨在减少铸件内的铸造残余应力。其原理是把铸件重新加热到，530620，利用塑性变形降低残余应力，然后在炉内缓慢地冷却，得到残余应力比原先小的铸件，这是灰铸铁件用得最多的热处理方法，图ll是典型的常用传统减应力处理曲线。  在自动化机械化程度低的情况下，铸件开箱后冷却到常温，用人工去除浇冒口和型砂、砂芯，装人热处理炉进行减

17、应力处理。其缺点是铸件开箱后冷却到常温，在进行减应力处理时又要升温，既浪费了能源和时间，效率又低。 2.2利用铸件余热减少铸造残余应力的工艺方案  铸件在300800：开箱，用机械手去除浇冒口、型砂、砂芯，带着余热装入连续式热处理炉保温l一8小时。要求退火炉的同一断面温度分布均匀，极差不大于50。之后冷却出炉，达到利用余热减少铸件铸造残余应力，节能降耗，提高效益、效率的目的。  2.3实施效果  利用铸件余热+电热辅助调节，连续通过式退火工艺，物流顺畅，节能降耗，节约场地，提高效率。经玉柴铸造厂2005年投入使用后至2007年6月，新铸造车间共生产铸件6

18、6543吨，共节电673万度，节约电费336.6万元；铸件铸造残余应力平均最小为19.9MPa，最大为56.2MPa。完全符合目前柴 油机发动机及其它铸件使用要求。 3 结论   1)随着铸铁强度的提高，铸铁的铸造残余应力是上升的。因而，随着柴油机结构紧凑、功率增大以及可靠性的增长，对铸铁的强度、硬度要求越来越高，其铸造残余应力也越来越大。测试的结果也表明：铸件如果不经处理，其残余应力值很高。  2) 减少铸件残余应力的效果与炉温的均匀性和时效热处理的工艺有关，与铸件的大小和结构以及原始残余应力的大小无关。无论铸件结构多么复杂，原始残余应力的大小如何，都