利用鑄件余熱減少鑄造殘余應力的研究和實踐

1、 利用鑄件余熱減少鑄造殘余應力的研究和實踐 童思藝 (廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005) 摘要：本文通過對減少鑄造殘余應力工藝的研究，提出了利用鑄件余熱減少鑄造殘余應力的工藝方法。廣西玉柴機器股份有限公司在鑄造廠新車間改造時應用了該工藝，效果顯著。鑄件鑄造殘余應力小于60MPa，與傳統(tǒng)工藝相比，每噸鑄件節(jié)電101.1度。 關鍵詞：利用余熱；減少；鑄造殘余應力  鑄鐵件在凝固冷卻過程中，因鑄件各部位冷卻速度的差異，沒有同時相變和收縮而相互阻礙，便會在鑄件中產生鑄造應力。減小鑄造應力的方法有：減小鑄鐵件在冷卻過程中各部分的溫度差，實現(xiàn)

2、同時凝固原則；采用樹脂砂，改善鑄型和型芯退讓性；適當增加鑄鐵件在型內的冷卻時間，以免擴大各部分的溫差；采用強力拋丸，使鑄件表面的殘余拉應力得到釋放，甚至形成殘余壓應力。這些措施的效果如何?鑄件的鑄造殘余應力是怎樣分布的?如何才能減少它?本文做了一些探討并提出了利用鑄件余熱退火，減少鑄件鑄造殘余應力的節(jié)能降耗，提高效益、效率的新工藝方法。該工藝于2005年在廣西玉柴機器股份有限公司鑄造廠新車間投入使用，至2007年6月，共生產鑄件66543噸，共節(jié)電673萬度，節(jié)約電費336.6萬元；鑄件鑄造殘余應力平均最小為19.9MPa，最大為56.2MPa，完全符合目前柴油發(fā)動機及其它鑄件使用要求。

3、60;1減少鑄造殘余應力方法的研究 1.1鑄造殘余應力的形成原因  鑄鐵件在高溫下澆注，在凝固冷卻過程中，因溫度下降而產生收縮和發(fā)生相變，如收縮和相變受到阻礙。便會在鑄件中產生鑄造應力。鑄造應力按其形成原因可分為熱應力、相變應力和機械阻礙應力三種。  1)熱應力：由于鑄鐵件的各部分在冷卻過程中的冷卻速度不同，造成各部分的收縮先后和大小不同，但鑄件各部分連為一個整體，彼此問互相制約而產生應力。這種由于線收縮受熱阻礙而產生的熱應力一般成為鑄件內的殘余應力，其大小與鑄件厚壁部分由塑性狀態(tài)轉變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時厚薄兩部分的溫度差成正比，即鑄件的壁厚差越大，殘余熱應力也越大。凡能

4、促使鑄件同時凝固及減緩冷卻速度的因素，都能減小鑄件中的殘余熱應力。  2)相變應力：鑄件各部分在冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時間和程度不同，使體積和長度的變化也不一樣。而各部分之間又互相制約，由此而引起相變應力。對于灰鑄鐵件來說。當鑄件的某一部分冷卻到共析溫度以下時，奧氏體轉變?yōu)殍F素體及高碳相(石墨或滲碳體)時，由于共析石墨化而使鑄件某部分產生一定的膨脹，如鑄件各部分溫度不一致，相變不同時發(fā)生，就會產生相變應力。由于灰鑄鐵件粗厚部分的石墨化程度比細薄部分更充分些，因此，薄部分受拉應力，而厚部分受壓應力。  3)機械阻礙應力；鑄鐵件冷卻到彈性狀態(tài)后，由于收縮受到機械阻礙而產生機械

5、阻礙應力。它可表現(xiàn)為拉應力或壓應力。當機械阻礙一經消除，應力也隨之消失，所以它是一種臨時應力。  鑄造應力是熱應力、相變應力和機械應力三者之和。鑄鐵件不同部位上的三種應力列于表1。  各種鑄鐵的鑄造應力見表2引，灰鑄鐵的鑄造應力最小，球墨鑄鐵最大，蠕墨鑄鐵的鑄造應力在兩者之間。隨著鑄鐵強度的提高，鑄鐵的鑄造應力是上升的。因此，隨著柴油機結構緊湊、功率增大以及可靠性的增長，對鑄鐵的強度、硬度要求越來越高，其鑄造應力也越來越大。 1.2鑄造殘余應力對鑄鐵件的影響和危害及減少鑄造殘余應力的必要性 導致鑄件變形  由于柴油機缸體和缸蓋是結構復雜的高強度

6、薄壁鑄件，鑄造過程引起的殘余應力在其內部是不均勻的，因而會使鑄件產生扭轉、彎曲等不規(guī)則的變形。以例子加以說明。  當然實際上鑄件的受力要比這復雜得多。鑄件變形過大的危害之一是：因加工余量不夠而報廢。盡管鑄件的殘余應力在其內部的分布是不均勻的，但產生變形后，在其內部的力系仍處于平衡狀態(tài)，在對鑄件進行機加工時，這種平衡就被打破了，它會使鑄件產生第二次變形，見圖3。  例如：  機加工后，零件再次變形，使零件的加工精度降低，影響使用性能，甚至報廢。如缸體的氣缸套孔，經鏜孔后變形不均勻，由圓孔變成橢圓孔。 導致鑄鐵件的開裂  冷裂是鑄鐵件凝固后，已處于

7、較低溫度，鑄造應力超過了鑄鐵的強度極限而產生的。冷裂往往出現(xiàn)在鑄鐵件受拉伸的部位，特別是有應力集中的地方。鑄鐵件產生冷裂的傾向和影響因素與影響鑄造應力的因素基本一致。  形狀復雜的大型鑄鐵件容易產生冷裂。有些冷裂在開箱清理后即能發(fā)現(xiàn)，如圖4。2005年4月10日F3000曲軸箱軸承蓋過丁孔旁的裂紋，就是在鑄件開箱時已發(fā)現(xiàn)；也有些鑄件在開箱后在放置的狀態(tài)下發(fā)生冷裂。  如果在鑄件的清理和機加工時發(fā)現(xiàn)裂紋，可以把鑄件報廢。但最為危險和可怕的是：由于鑄造殘余應力的存在，在鑄件早期已產生微裂紋，但它很小、或許沒有貫穿整個鑄件壁，肉眼和試漏檢測都沒有被發(fā)現(xiàn)使用時裂紋才擴展，造成發(fā)動機

8、故障，嚴重影響產品的可靠性。沈陽某公交公司反饋如下故障，就是典型的由于鑄造殘余應力造成裂紋故障的例子。序號為J42XA400012的柴油機行駛1750公里發(fā)現(xiàn)氣缸蓋(鑄造編號：20031023C-374)第三缸氣門座圈口處有裂紋。如圖5和圖6。  經解剖和理化分析：氣缸蓋進氣道的壁庳有65rnm，材質無異常。該部位在進氣道的里面，外力幾乎不可能撞擊到，可以排除撞擊造成裂紋的可能；從檢測缸蓋殘余應力的結果看，缸蓋的外圍承受較大壓應力，其內部承受著相當的拉應力，當鑄造應力超過強度極限時，即會產生開裂。  進一步研究表明：鑄鐵件冷裂紋的外形呈連續(xù)的直線狀或圓滑曲線：而且常常是穿過

9、晶粒而不是沿晶界斷裂。冷裂紋斷口干凈，具有金屬光澤或呈輕微的氧化色。冷裂還與含磷量有關，當灰鑄鐵中w(p)>03時，往往出現(xiàn)大量網狀磷共晶，冷裂傾向明顯增大。 增加機加工困難，加大刀具的磨損  據一汽鑄造研究所研究表明：減少鑄件的殘余應力后，使鑄件的機加工性能得到明顯改善，延長了刀具的壽命。  可見減小鑄造殘余應力，可使經機械加工后的鑄件具有較好的尺寸穩(wěn)定性和精度的持久性，改善機加工性能，提高產品的可靠性。 1.3減少鑄件殘余應力的方法可行性 減少鑄造應力的方法  減小鑄造應力的方法主要是設法減小鑄鐵件在冷卻過程中各部分的溫度差

10、，實現(xiàn)同時凝固原則：改善鑄型和型芯退讓性；適當增加鑄鐵件在型內的冷卻時間，以免擴大各部分的溫差。采用強力拋丸使鑄件表面的殘余拉應力得到釋放，甚至形成殘余壓應力。  形狀比較復雜、尺寸穩(wěn)定性要求較高的鑄鐵件應用時效熱處理、振動時效或自然時效的方法來降低鑄造應力。  (1) 自然時效處理，一般將鑄件存放幾年時間，讓殘余應力慢慢松弛，時間長，對大批量連續(xù)生產不適宜采用。  (2)振動時效處理。振動時效引起的動應力和殘余應力疊加超過材料屈服點時產生應力松弛循環(huán)加載的包辛格效應降低了殘余應力。  (3)時效熱處理：減應力時效熱處理旨在減少鑄件內的鑄造殘余應力。其原

11、理是把鑄件重新加熱到530620，利用塑性變形降低殘余應力，然后在爐內緩慢地冷卻，得到殘余應力比原先小的鑄件，這是灰鑄鐵件用得最多的熱處理方法，圖7是典型的常用傳統(tǒng)減應力處理曲線。  減少鑄造應力方法的效果研究  玉柴鑄造廠缸蓋砂芯用覆膜砂，機體砂芯用熱芯盒工藝，延長鑄件冷卻時間和降低鑄件的開箱溫度，鑄件表面進行強力拋丸等措施之后，鑄件的殘余應力仍很大。為此，我們進行了減少鑄件殘余應力的辦法的研究。我們用了五年的時間，利用先進的工藝手段，采用自然時效、振動時效、時效熱處理等辦法進行減少鑄件殘余應力的研究，并對近百件次鑄件進行殘余應力值的實測。實測的主要結果見表3。 

12、;研究表明：  1)未經退火處理的鑄件的殘余應力值很大。  對同一包鐵水澆注的YC6105QC：機體及缸蓋作了測試：  機體：平均鑄造殘余應力為174.4MPa，最大值為27 l.2MPa。  缸蓋：平均鑄造殘余應力為232.1MPa，最大值為304.9MPa。  2)用不同退火設備處理不同的鑄件，對降低鑄件殘余應力的效果是不一樣的。  燃煤爐時效熱處理  a玉柴鑄造廠機體燃煤爐時效熱處理：鑄件隨機放置，YC6105機體殘余應力值平均為174.4MPa，最大值為271.2MPa。  b玉柴鑄造廠機體燃煤爐時效熱處理

13、：鑄件放置在最上層，YC6112機體殘余應力值平均為l 15.7MPa最大值為172.8MPa；YC6112缸蓋殘余應力值平均為40.6MPa，最大值為56.9MPa。  c玉柴鑄造廠缸蓋燃煤爐時效熱處理：鑄件隨機放置，YC6105QC缸蓋殘余應力值平均為232.1Mpa最大值為271.2MPa。  從燃煤爐時效熱處理效果看，隨機放置抽檢的殘余應力值都很大；但放在上層的鑄件應力低一些，放在上層的缸蓋比機體重量輕，應力更低一些。說明該燃煤爐內各部分的溫度分布不均。檢查該爐發(fā)現(xiàn)：測量爐溫的熱電偶放置在爐子的頂部，見圖8，當熱電偶顯示爐頂部的溫度達到工藝的要求時，即進入保溫的階段

14、，而此時在爐子的底部，在熱傳導差的部位溫度仍很低，甚至可以看到粘結在機體上的應變片的顏色還變化不大。從退火出來的鑄件的顏色變化也能看到整個爐子的溫度差異：放在頂部的鑄件表面的粘砂已被燒成灰白色(圖9)，而在中間或底部的鑄件表面的粘砂幾乎沒有變，還是黑色的(圖10)。  電爐時效熱處理  我們在七家的不同電爐(箱式電爐、井式電爐、連續(xù)式電爐)進行試驗和檢測，鑄件有YC4110、YC6108ZC、YC6112機體，鑄件在爐內隨機放置。在被檢測的幾十個鑄件中，減少殘余應力的效果都很好并且穩(wěn)定，鑄件平均殘余應力值小于5lMPa，最大值除了一件達到100.4MPa外，其余均小于87M

15、Pa。  其中連續(xù)式時效熱處理電爐的效果較佳，鑄件殘余應力平均值最小為19.9MPa，最大值為56.2MPa。  3)自然時效處理  經對YC6105QC缸蓋在原測試點附近重測，殘余應力值分別為154.0MPa和268.9MPa，仍維持在較高水平。  4)振動時效處理  對9臺機體進行振動時效處理，對振前、振后的殘余應力值進行測定。結果發(fā)現(xiàn)，振動時效可以使鑄件的殘余應力值平均降低約30，已達到機械行業(yè)JBO592691“振動時效工藝參數選擇及技術要求”的標準。  但由于鑄件原來的殘余應力值較高，所以振動時效處理之后仍維持在較高水平：平

16、均值為140.3MPa，最大值為175.4MPa。 2利用鑄件余熱減少鑄造殘余應力的實踐 2.1 鑄件減應力時效熱處理常用的傳統(tǒng)工藝是  開箱一冷卻到室溫后去澆冒口和型砂、砂芯、打磨去披鋒一減應力時效熱處理。  減應力時效熱處理旨在減少鑄件內的鑄造殘余應力。其原理是把鑄件重新加熱到，530620，利用塑性變形降低殘余應力，然后在爐內緩慢地冷卻，得到殘余應力比原先小的鑄件，這是灰鑄鐵件用得最多的熱處理方法，圖ll是典型的常用傳統(tǒng)減應力處理曲線。  在自動化機械化程度低的情況下，鑄件開箱后冷卻到常溫，用人工去除澆冒口和型砂、砂芯，裝人熱處理爐進行減

17、應力處理。其缺點是鑄件開箱后冷卻到常溫，在進行減應力處理時又要升溫，既浪費了能源和時間，效率又低。 2.2利用鑄件余熱減少鑄造殘余應力的工藝方案  鑄件在300800：開箱，用機械手去除澆冒口、型砂、砂芯，帶著余熱裝入連續(xù)式熱處理爐保溫l一8小時。要求退火爐的同一斷面溫度分布均勻，極差不大于50。之后冷卻出爐，達到利用余熱減少鑄件鑄造殘余應力，節(jié)能降耗，提高效益、效率的目的。  2.3實施效果  利用鑄件余熱+電熱輔助調節(jié)，連續(xù)通過式退火工藝，物流順暢，節(jié)能降耗，節(jié)約場地，提高效率。經玉柴鑄造廠2005年投入使用后至2007年6月，新鑄造車間共生產鑄件6

18、6543噸，共節(jié)電673萬度，節(jié)約電費336.6萬元；鑄件鑄造殘余應力平均最小為19.9MPa，最大為56.2MPa。完全符合目前柴 油機發(fā)動機及其它鑄件使用要求。 3 結論   1)隨著鑄鐵強度的提高，鑄鐵的鑄造殘余應力是上升的。因而，隨著柴油機結構緊湊、功率增大以及可靠性的增長，對鑄鐵的強度、硬度要求越來越高，其鑄造殘余應力也越來越大。測試的結果也表明：鑄件如果不經處理，其殘余應力值很高。  2) 減少鑄件殘余應力的效果與爐溫的均勻性和時效熱處理的工藝有關，與鑄件的大小和結構以及原始殘余應力的大小無關。無論鑄件結構多么復雜，原始殘余應力的大小如何，都