铸造残余应力

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1、铸造残余应力及时效方法 牟行辉 （陕西秦川机床工具集团有限公司，陕西 宝鸡 721009） 铸件在凝固和冷却过程中，由于各部分的冷却速度差异、收缩受阻、及组织转变引起体积变化等因素，不可避免的会产生铸造应力。如果铸造应力未得到释放，将会以残余应力的形式保留在铸件内。铸件的残余内应力越大，会使零件在放置、运转、加工和使用过程产生变形，尺寸精度降低严重时会发生开裂。 1，铸造残余应力的形成 铸造残余应力是由铸造应力未得到释放而存在于铸件内部的，铸造应力是热应力、相变应力、机械阻碍应力的代数和。[1] 1.1，热应力：铸件各

2、部分冷却速度不同，造成各部分的收缩量不一样，但是铸件的各部分连成一个整体，因此在彼此之间会产生制约而产生应力。这种由线收缩受热阻碍引起的热应力，一般会成为铸件的残余应力。其大小与铸件的壁厚差异大小有关，铸件壁厚差异越大，残余应力就越大。 1.2，相变应力：铸件冷却过程发生固态相变的时间和程度不同，其体积变化也不一样，各处相互制约，由此会形成相变应力。相变应力一般会形成铸件的残余内应力。 1.3，机械阻碍应力：铸件冷却到弹性状态，由于受到机械阻碍而产生应力。如型砂的退让性太差，阻碍铸件收缩，会使铸件产生机械阻碍应力。这种

3、应力当机械阻碍消除后，部分应力会消失，但不会完全的消失，部分会形成铸件的残余内应力。 2，减少铸件产生残余应力 尽管铸件残余应力可以通过时效处理等方式进行消除和降低，但是时效处理并不能完全消除铸件的残余内应力。残余内应力的大小取决于原始残余应力的大小。分析铸件残余应力的成因，可以认为，凡是能够减少体积变化（收缩），降低阻碍的因素，均有利于降低铸件残余应力的产生。具体可以有以下措施： 2.1，在铸造工艺设计时可以通过分型面选择、浇注系统分布、冷铁和保温材料的应用等方式，使铸件实现同时凝固，以减少因铸件结构造成的冷却不均匀

4、；提高砂型的退让性，减少铸型对铸件收缩的阻碍；适当增加铸件在铸型内的冷却时间减弱因空冷造成的各部分冷却不均匀。 2.2，铸铁件因碳元素石墨化时会产生膨胀，能减少铸件的收缩。熔炼控制时，在满足要求的前提下尽可能的提高碳当量，减少加入抑制石墨化的元素（如Cr、Mn等）。 2.3，铸件结构设计时，尽量避免铸件壁厚的差异过大，同时开设工艺孔，减缓铸件的收缩影响；材质选用方面，在满足使用要求的情况下，尽可能的选用收缩倾向小的材料，如灰铸铁件可选用牌号低一些的材质。[1] 3，时效方法 铸件的残余内应力可以通过时效的方法降低，一般

5、的时效方法包括：自然时效、热处理时效和振动时效。 3.1自然时效 将铸件平稳放置在空地上，一般放置时间6个月到1年半，利用早晚、季节温度变化让铸件产生微观的膨胀和收缩，在这个过程中，铸件的残余内应力会逐步释放，使铸件尺寸达到稳定[2]。自然时效的最大好处是不需要人工的干预，铸件的时效效果好，没有能源电力等消耗。但是自然时效最大的缺点是周期太长，对企业的生产安排、资金占压产生影响，而且目前产品的更新改型速度快，老产品的淘汰加速，因此自然时效方式逐步被淘汰，除了一些大型的复杂的铸件还在使用自然时效外，其他铸件都已经不再采用

6、自然时效方式消除铸件的内应力。 3.2热处理时效 又叫热时效，是将铸件加热到塑性变形温度区间，保温一定的时间使各部位温度均匀，铸件内部在应力作用下，发生微观的塑性变形，使应力得到释放，尺寸趋于稳定，然后缓慢降温，得到低应力的铸件[2]。图1是典型的灰铸铁铸件热时效工艺曲线。由于铸件的结构，壁厚差异，装炉位置等因素影响，铸件的升温速度会存在差异，这种差异可能会导致内应力较大的铸件发生变形开裂。因此，在原来的热时效工艺基础上，增加了阶段的保温时间，有效防止了升温过程中，铸件因温度升高速度差异而产生的问题如图2的曲线。 小于

7、80℃/h升温小于50℃/h降温小于200℃装炉550~600℃保温4~6小时小于200℃出炉空冷温度时间 图1 典型灰铸铁热时效工艺曲线  空冷小于200℃装炉580±10℃保温4~6小时小于50℃/h降温小于200℃出炉温度时间300±10℃（0.5小时）400±10℃（20分钟）500±10℃（20分钟）小于80℃/h升温 图2 改进后的热时效工艺曲线 3.2.1热时效作为一种成熟的工艺手段被广泛用于消除铸件残余内应力。其最大特点是： （1）工艺方法成熟，研究应用历史比较长，效果得到普遍的认可。 （2）应力消除率

8、高：保温温度越高，消除应力的效果越好，一般都能够达到50%的应力消除率。 3.2.2但是热时效也存在很大的缺点和局限性： （1）首先能够时效的铸件体积大小会受到时效炉的容积限制； （2）铸件在时效后会表面发生氧化，不适合半精加工或精加工的铸件时效。 （3）热时效存在升温降温过程，如果控制不好发而会产生新的残余应力。 （4）铸件加热