利用鑄件余熱減少鑄造殘余應(yīng)力的研究和實(shí)踐

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

2、同時(shí)凝固原則；采用樹(shù)脂砂，改善鑄型和型芯退讓性；適當(dāng)增加鑄鐵件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，以免擴(kuò)大各部分的溫差；采用強(qiáng)力拋丸，使鑄件表面的殘余拉應(yīng)力得到釋放，甚至形成殘余壓應(yīng)力。這些措施的效果如何?鑄件的鑄造殘余應(yīng)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(yīng)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(jī)器股份有限公司鑄造廠新車(chē)間投入使用，至2007年6月，共生產(chǎn)鑄件66543噸，共節(jié)電673萬(wàn)度，節(jié)約電費(fèi)336.6萬(wàn)元；鑄件鑄造殘余應(yīng)力平均最小為19.9MPa，最大為56.2MPa，完全符合目前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其它鑄件使用要求。

3、60;1減少鑄造殘余應(yīng)力方法的研究 1.1鑄造殘余應(yīng)力的形成原因  鑄鐵件在高溫下澆注，在凝固冷卻過(guò)程中，因溫度下降而產(chǎn)生收縮和發(fā)生相變，如收縮和相變受到阻礙。便會(huì)在鑄件中產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。鑄造應(yīng)力按其形成原因可分為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力三種。  1)熱應(yīng)力：由于鑄鐵件的各部分在冷卻過(guò)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(gè)整體，彼此問(wèn)互相制約而產(chǎn)生應(yīng)力。這種由于線(xiàn)收縮受熱阻礙而產(chǎn)生的熱應(yīng)力一般成為鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力，其大小與鑄件厚壁部分由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時(shí)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(yīng)力也越大。凡能

4、促使鑄件同時(shí)凝固及減緩冷卻速度的因素，都能減小鑄件中的殘余熱應(yīng)力。  2)相變應(yīng)力：鑄件各部分在冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的時(shí)間和程度不同，使體積和長(zhǎng)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(yīng)力。對(duì)于灰鑄鐵件來(lái)說(shuō)。當(dāng)鑄件的某一部分冷卻到共析溫度以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體及高碳相(石墨或滲碳體)時(shí)，由于共析石墨化而使鑄件某部分產(chǎn)生一定的膨脹，如鑄件各部分溫度不一致，相變不同時(shí)發(fā)生，就會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力。由于灰鑄鐵件粗厚部分的石墨化程度比細(xì)薄部分更充分些，因此，薄部分受拉應(yīng)力，而厚部分受壓應(yīng)力。  3)機(jī)械阻礙應(yīng)力；鑄鐵件冷卻到彈性狀態(tài)后，由于收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生機(jī)械

5、阻礙應(yīng)力。它可表現(xiàn)為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。當(dāng)機(jī)械阻礙一經(jīng)消除，應(yīng)力也隨之消失，所以它是一種臨時(shí)應(yīng)力。  鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力三者之和。鑄鐵件不同部位上的三種應(yīng)力列于表1。  各種鑄鐵的鑄造應(yīng)力見(jiàn)表2引，灰鑄鐵的鑄造應(yīng)力最小，球墨鑄鐵最大，蠕墨鑄鐵的鑄造應(yīng)力在兩者之間。隨著鑄鐵強(qiáng)度的提高，鑄鐵的鑄造應(yīng)力是上升的。因此，隨著柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率增大以及可靠性的增長(zhǎng)，對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度、硬度要求越來(lái)越高，其鑄造應(yīng)力也越來(lái)越大。 1.2鑄造殘余應(yīng)力對(duì)鑄鐵件的影響和危害及減少鑄造殘余應(yīng)力的必要性 導(dǎo)致鑄件變形  由于柴油機(jī)缸體和缸蓋是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高強(qiáng)度

6、薄壁鑄件，鑄造過(guò)程引起的殘余應(yīng)力在其內(nèi)部是不均勻的，因而會(huì)使鑄件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等不規(guī)則的變形。以例子加以說(shuō)明。  當(dāng)然實(shí)際上鑄件的受力要比這復(fù)雜得多。鑄件變形過(guò)大的危害之一是：因加工余量不夠而報(bào)廢。盡管鑄件的殘余應(yīng)力在其內(nèi)部的分布是不均勻的，但產(chǎn)生變形后，在其內(nèi)部的力系仍處于平衡狀態(tài)，在對(duì)鑄件進(jìn)行機(jī)加工時(shí)，這種平衡就被打破了，它會(huì)使鑄件產(chǎn)生第二次變形，見(jiàn)圖3。  例如：  機(jī)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(bào)廢。如缸體的氣缸套孔，經(jīng)鏜孔后變形不均勻，由圓孔變成橢圓孔。 導(dǎo)致鑄鐵件的開(kāi)裂  冷裂是鑄鐵件凝固后，已處于

7、較低溫度，鑄造應(yīng)力超過(guò)了鑄鐵的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。冷裂往往出現(xiàn)在鑄鐵件受拉伸的部位，特別是有應(yīng)力集中的地方。鑄鐵件產(chǎn)生冷裂的傾向和影響因素與影響鑄造應(yīng)力的因素基本一致。  形狀復(fù)雜的大型鑄鐵件容易產(chǎn)生冷裂。有些冷裂在開(kāi)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(guò)丁孔旁的裂紋，就是在鑄件開(kāi)箱時(shí)已發(fā)現(xiàn)；也有些鑄件在開(kāi)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(jī)加工時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，可以把鑄件報(bào)廢。但最為危險(xiǎn)和可怕的是：由于鑄造殘余應(yīng)力的存在，在鑄件早期已產(chǎn)生微裂紋，但它很小、或許沒(méi)有貫穿整個(gè)鑄件壁，肉眼和試漏檢測(cè)都沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)使用時(shí)裂紋才擴(kuò)展，造成發(fā)動(dòng)機(jī)

8、故障，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。沈陽(yáng)某公交公司反饋如下故障，就是典型的由于鑄造殘余應(yīng)力造成裂紋故障的例子。序號(hào)為J42XA400012的柴油機(jī)行駛1750公里發(fā)現(xiàn)氣缸蓋(鑄造編號(hào)：20031023C-374)第三缸氣門(mén)座圈口處有裂紋。如圖5和圖6。  經(jīng)解剖和理化分析：氣缸蓋進(jìn)氣道的壁庳有65rnm，材質(zhì)無(wú)異常。該部位在進(jìn)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(cè)缸蓋殘余應(yīng)力的結(jié)果看，缸蓋的外圍承受較大壓應(yīng)力，其內(nèi)部承受著相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力，當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。  進(jìn)一步研究表明：鑄鐵件冷裂紋的外形呈連續(xù)的直線(xiàn)狀或圓滑曲線(xiàn)：而且常常是穿過(guò)

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(guān)，當(dāng)灰鑄鐵中w(p)>03時(shí)，往往出現(xiàn)大量網(wǎng)狀磷共晶，冷裂傾向明顯增大。 增加機(jī)加工困難，加大刀具的磨損  據(jù)一汽鑄造研究所研究表明：減少鑄件的殘余應(yīng)力后，使鑄件的機(jī)加工性能得到明顯改善，延長(zhǎng)了刀具的壽命。  可見(jiàn)減小鑄造殘余應(yīng)力，可使經(jīng)機(jī)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(jī)加工性能，提高產(chǎn)品的可靠性。 1.3減少鑄件殘余應(yīng)力的方法可行性 減少鑄造應(yīng)力的方法  減小鑄造應(yīng)力的方法主要是設(shè)法減小鑄鐵件在冷卻過(guò)程中各部分的溫度差

10、，實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固原則：改善鑄型和型芯退讓性；適當(dāng)增加鑄鐵件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，以免擴(kuò)大各部分的溫差。采用強(qiáng)力拋丸使鑄件表面的殘余拉應(yīng)力得到釋放，甚至形成殘余壓應(yīng)力。  形狀比較復(fù)雜、尺寸穩(wěn)定性要求較高的鑄鐵件應(yīng)用時(shí)效熱處理、振動(dòng)時(shí)效或自然時(shí)效的方法來(lái)降低鑄造應(yīng)力。  (1) 自然時(shí)效處理，一般將鑄件存放幾年時(shí)間，讓殘余應(yīng)力慢慢松弛，時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)大批量連續(xù)生產(chǎn)不適宜采用。  (2)振動(dòng)時(shí)效處理。振動(dòng)時(shí)效引起的動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加超過(guò)材料屈服點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力松弛循環(huán)加載的包辛格效應(yīng)降低了殘余應(yīng)力。  (3)時(shí)效熱處理：減應(yīng)力時(shí)效熱處理旨在減少鑄件內(nèi)的鑄造殘余應(yīng)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(yīng)力，然后在爐內(nèi)緩慢地冷卻，得到殘余應(yīng)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(yīng)力處理曲線(xiàn)。  減少鑄造應(yīng)力方法的效果研究  玉柴鑄造廠缸蓋砂芯用覆膜砂，機(jī)體砂芯用熱芯盒工藝，延長(zhǎng)鑄件冷卻時(shí)間和降低鑄件的開(kāi)箱溫度，鑄件表面進(jìn)行強(qiáng)力拋丸等措施之后，鑄件的殘余應(yīng)力仍很大。為此，我們進(jìn)行了減少鑄件殘余應(yīng)力的辦法的研究。我們用了五年的時(shí)間，利用先進(jìn)的工藝手段，采用自然時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、時(shí)效熱處理等辦法進(jìn)行減少鑄件殘余應(yīng)力的研究，并對(duì)近百件次鑄件進(jìn)行殘余應(yīng)力值的實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)的主要結(jié)果見(jiàn)表3。 

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

13、：鑄件放置在最上層，YC6112機(jī)體殘余應(yīng)力值平均為l 15.7MPa最大值為172.8MPa；YC6112缸蓋殘余應(yīng)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(shí)效熱處理：鑄件隨機(jī)放置，YC6105QC缸蓋殘余應(yīng)力值平均為232.1Mpa最大值為271.2MPa。  從燃煤爐時(shí)效熱處理效果看，隨機(jī)放置抽檢的殘余應(yīng)力值都很大；但放在上層的鑄件應(yīng)力低一些，放在上層的缸蓋比機(jī)體重量輕，應(yīng)力更低一些。說(shuō)明該燃煤爐內(nèi)各部分的溫度分布不均。檢查該爐發(fā)現(xiàn)：測(cè)量爐溫的熱電偶放置在爐子的頂部，見(jiàn)圖8，當(dāng)熱電偶顯示爐頂部的溫度達(dá)到工藝的要求時(shí)，即進(jìn)入保溫的階段

14、，而此時(shí)在爐子的底部，在熱傳導(dǎo)差的部位溫度仍很低，甚至可以看到粘結(jié)在機(jī)體上的應(yīng)變片的顏色還變化不大。從退火出來(lái)的鑄件的顏色變化也能看到整個(gè)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(méi)有變，還是黑色的(圖10)。  電爐時(shí)效熱處理  我們?cè)谄呒业牟煌姞t(箱式電爐、井式電爐、連續(xù)式電爐)進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)，鑄件有YC4110、YC6108ZC、YC6112機(jī)體，鑄件在爐內(nèi)隨機(jī)放置。在被檢測(cè)的幾十個(gè)鑄件中，減少殘余應(yīng)力的效果都很好并且穩(wěn)定，鑄件平均殘余應(yīng)力值小于5lMPa，最大值除了一件達(dá)到100.4MPa外，其余均小于87M

15、Pa。  其中連續(xù)式時(shí)效熱處理電爐的效果較佳，鑄件殘余應(yīng)力平均值最小為19.9MPa，最大值為56.2MPa。  3)自然時(shí)效處理  經(jīng)對(duì)YC6105QC缸蓋在原測(cè)試點(diǎn)附近重測(cè)，殘余應(yīng)力值分別為154.0MPa和268.9MPa，仍維持在較高水平。  4)振動(dòng)時(shí)效處理  對(duì)9臺(tái)機(jī)體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，對(duì)振前、振后的殘余應(yīng)力值進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)效可以使鑄件的殘余應(yīng)力值平均降低約30，已達(dá)到機(jī)械行業(yè)JBO592691“振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求”的標(biāo)準(zhǔn)。  但由于鑄件原來(lái)的殘余應(yīng)力值較高，所以振動(dòng)時(shí)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(yīng)力的實(shí)踐 2.1 鑄件減應(yīng)力時(shí)效熱處理常用的傳統(tǒng)工藝是  開(kāi)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(yīng)力時(shí)效熱處理。  減應(yīng)力時(shí)效熱處理旨在減少鑄件內(nèi)的鑄造殘余應(yīng)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(yīng)力，然后在爐內(nèi)緩慢地冷卻，得到殘余應(yīng)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(yīng)力處理曲線(xiàn)。  在自動(dòng)化機(jī)械化程度低的情況下，鑄件開(kāi)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(jìn)行減

17、應(yīng)力處理。其缺點(diǎn)是鑄件開(kāi)箱后冷卻到常溫，在進(jìn)行減應(yīng)力處理時(shí)又要升溫，既浪費(fèi)了能源和時(shí)間，效率又低。 2.2利用鑄件余熱減少鑄造殘余應(yīng)力的工藝方案  鑄件在300800：開(kāi)箱，用機(jī)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(shí)。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(dá)到利用余熱減少鑄件鑄造殘余應(yīng)力，節(jié)能降耗，提高效益、效率的目的。  2.3實(shí)施效果  利用鑄件余熱+電熱輔助調(diào)節(jié)，連續(xù)通過(guò)式退火工藝，物流順暢，節(jié)能降耗，節(jié)約場(chǎng)地，提高效率。經(jīng)玉柴鑄造廠2005年投入使用后至2007年6月，新鑄造車(chē)間共生產(chǎn)鑄件6

18、6543噸，共節(jié)電673萬(wàn)度，節(jié)約電費(fèi)336.6萬(wàn)元；鑄件鑄造殘余應(yīng)力平均最小為19.9MPa，最大為56.2MPa。完全符合目前柴 油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及其它鑄件使用要求。 3 結(jié)論   1)隨著鑄鐵強(qiáng)度的提高，鑄鐵的鑄造殘余應(yīng)力是上升的。因而，隨著柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率增大以及可靠性的增長(zhǎng)，對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度、硬度要求越來(lái)越高，其鑄造殘余應(yīng)力也越來(lái)越大。測(cè)試的結(jié)果也表明：鑄件如果不經(jīng)處理，其殘余應(yīng)力值很高。  2) 減少鑄件殘余應(yīng)力的效果與爐溫的均勻性和時(shí)效熱處理的工藝有關(guān)，與鑄件的大小和結(jié)構(gòu)以及原始?xì)堄鄳?yīng)力的大小無(wú)關(guān)。無(wú)論鑄件結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，原始?xì)堄鄳?yīng)力的大小如何，都