利用鑄件余熱減少鑄造殘余應(yīng)力的研究和實踐

1、 利用鑄件余熱減少鑄造殘余應(yīng)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(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。廣西玉柴機器股份有限公司在鑄造廠新車間改造時應(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(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(dāng)增加鑄鐵件在型內(nèi)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(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(chǎn)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(yīng)力平均最小為19.9MPa，最大為56.2MPa，完全符合目前柴油發(fā)動機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(chǎn)生應(yīng)力。這種由于線收縮受熱阻礙而產(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(yīng)力。對于灰鑄鐵件來說。當(dāng)鑄件的某一部分冷卻到共析溫度以下時，奧氏體轉(zhuǎn)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(chǎn)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(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，由于收縮受到機械阻礙而產(chǎn)生機械

5、阻礙應(yīng)力。它可表現(xiàn)為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。當(dāng)機械阻礙一經(jīng)消除，應(yīng)力也隨之消失，所以它是一種臨時應(yīng)力。  鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機械應(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。隨著鑄鐵強度的提高，鑄鐵的鑄造應(yīng)力是上升的。因此，隨著柴油機結(jié)構(gòu)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(yīng)力也越來越大。 1.2鑄造殘余應(yīng)力對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  由于柴油機缸體和缸蓋是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高強度

6、薄壁鑄件，鑄造過程引起的殘余應(yīng)力在其內(nèi)部是不均勻的，因而會使鑄件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等不規(guī)則的變形。以例子加以說明。  當(dāng)然實際上鑄件的受力要比這復(fù)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(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)，在對鑄件進行機加工時，這種平衡就被打破了，它會使鑄件產(chǎn)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(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)力超過了鑄鐵的強度極限而產(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(yīng)力的存在，在鑄件早期已產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(jīng)解剖和理化分析：氣缸蓋進氣道的壁庳有65rnm，材質(zhì)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(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)力超過強度極限時，即會產(chǎn)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(guān)，當(dāng)灰鑄鐵中w(p)>03時，往往出現(xiàn)大量網(wǎng)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(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(yīng)力，可使經(jīng)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(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(dāng)增加鑄鐵件在型內(nèi)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(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)用時效熱處理、振動時效或自然時效的方法來降低鑄造應(yīng)力。  (1) 自然時效處理，一般將鑄件存放幾年時間，讓殘余應(yīng)力慢慢松弛，時間長，對大批量連續(xù)生產(chǎn)不適宜采用。  (2)振動時效處理。振動時效引起的動應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加超過材料屈服點時產(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)時效熱處理：減應(yīng)力時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。  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(yīng)力仍很大。為此，我們進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(yīng)力的研究，并對近百件次鑄件進行殘余應(yīng)力值的實測。實測的主要結(jié)果見表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(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，對降低鑄件殘余應(yīng)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(yīng)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(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效熱處理：鑄件隨機放置，YC6105QC缸蓋殘余應(yīng)力值平均為232.1Mpa最大值為271.2MPa。  從燃煤爐時效熱處理效果看，隨機放置抽檢的殘余應(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體重量輕，應(yīng)力更低一些。說明該燃煤爐內(nèi)各部分的溫度分布不均。檢查該爐發(fā)現(xiàn)：測量爐溫的熱電偶放置在爐子的頂部，見圖8，當(dāng)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(dǎo)差的部位溫度仍很低，甚至可以看到粘結(jié)在機體上的應(yīng)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(nèi)隨機放置。在被檢測的幾十個鑄件中，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(yīng)力平均值最小為19.9MPa，最大值為56.2MPa。  3)自然時效處理  經(jīng)對YC6105QC缸蓋在原測試點附近重測，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(yīng)力值進行測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動時效可以使鑄件的殘余應(yīng)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(shù)選擇及技術(shù)要求”的標準。  但由于鑄件原來的殘余應(yīng)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(yīng)力的實踐 2.1 鑄件減應(yīng)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(yīng)力時效熱處理。  減應(yīng)力時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。  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(yīng)力處理。其缺點是鑄件開箱后冷卻到常溫，在進行減應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(diào)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(jīng)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(chǎn)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(yīng)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(jié)論   1)隨著鑄鐵強度的提高，鑄鐵的鑄造殘余應(yīng)力是上升的。因而，隨著柴油機結(jié)構(gòu)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(yīng)力也越來越大。測試的結(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)以及原始殘余應(yīng)力的大小無關(guān)。無論鑄件結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，原始殘余應(yīng)力的大小如何，都