铸造残余应力

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；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[2]

件。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。

温度550~600℃保温4~6小时小于50℃/h降温小于80℃/h升温小于200℃出炉小于200℃装炉空冷时间

图1 典型灰铸铁热时效工艺曲线

温度580±10℃500±10℃保温4~6小时（20分钟）400±10℃小于50℃/h降温（20分钟）300±10℃小于80℃/h升温（0.5小时）小于200℃装炉小于200℃出炉空冷时间

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）铸件加热到塑性变形温度区域，组织会产生一定的变化，对铸铁铸件来说，可能会导致铸件强度和硬度降低，反而会影响铸件的抗变形能力。

（5）热时效需要消耗大量的燃料，产生废气渣的污染，对企业的经济效益和社会效益有负面的影响。 （6）相对于目前的生产节奏来说，周期还是显得比较长。 3.3振动时效

3.3.1振动时效机理

振动时效的实质是以振动的形式给铸件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时工件发生微观或宏观的塑性变形，从而降低和均化铸件内的残余应力，提高铸件的抗变形能力和尺寸稳定性。实践发现，振动时效对铸件产生两个方面的作用。

一，振动时效可以有效地消除和均化铸件的残余内应力。大量的研究资料证明，采用振动时效处理过的工件，其内应力都会降低约20~30%，重要的是残余内应力得到极大的均化。这是因为在振动过程中，工件受到附加的动应力，首先在应力较大的峰值处发生塑性变形，所以残余应力越大的地方其降低的程度越大。

二，振动时效可以提高工件的抗变形能力和尺寸稳定精度。大量实验研究发现，振动时效对铸件的应力消除率并不比热时效和自然时效高，通常约在20~30%，但是经过振动时效处理的工件，其抗变形的能力和尺寸稳定性比热时效处理的工件有显著提高。目前可能的解释是：[2]

（1）影响铸件抗变形和尺寸稳定精度能力的因素是工件残余内应力的均匀程度，振动时效能有效地均化工件的残余内应力；振动时效可使晶体和位错产生滑移，晶体的滑移使得晶界发生畸变，提高了金属发生变形的能阀，从而提高金属的抗变形能力；

（2）位错的滑移可使固定位错增加，可逆位错减少，位错难以继续滑移从而提高了铸件的抗变形能力和尺寸的稳定性。

凡是能施加给铸件一定附加应力的载荷都有助于零件残余应力的消除和尺寸的稳定，因此，理论上，振动时效对振动的频率没有严格要求，只要能够给铸件施加一定的附加动应力。但是实践证明只有在零件的固有频率下进行共振才最经济最简便，因为在共振状态下，可用最小的振动能量，使被振动体产生最大的振幅、得到最大的附加动应力，从而铸件的内应力消除和尺寸的稳定得到最佳的效果。目前比较成熟的振动时效为亚共振振动时效工艺。 3.3.2振动时效的特点

表1显示了振动时效与热时效的使用对比。

表1 振动时效和热时效的对比

时效方式 设备 能耗 工件限制 热时效 投资大、时间长、占地面积大、位置固定 高 对工件的体积有要求 根据处理温度和结构，消除率20~80%不等；由于客观存在的温度差异和不均匀会导致处理效果不稳定，甚至产生新的应力。 可能会影响铸件的内部组织结构，降低铸件本体强度和硬度。 产生燃料废气废渣（电热型除外），污染较高。 升温、保温、降温时间长，一般都需要约20多小时。 振动时效 投资小、时间短、设备方便灵活 低 不限 一般应力消除率20~30%，对应力均匀化效果好；能提高铸件抗变形能力和尺寸稳定性；但对刚性大、固有频率高、尺寸太小的铸件无法处理。 对组织没有影响。 无污染 处理时间不超过40分钟 [3][2]

处理效果 组织影响 环境污染 效率 可以看出，与热时效比，振动时效有无可比拟的优点，尤其是现在社会能源短缺，对环保的要求日益提高的情况下，振动时效更具有优势。但是，振动时效工艺却并没有得到想象中的使用普及率和效果，往往只是作为加工后的二次时效手段加以应用，其中可能有如下因素：

（1）现在的振动时效工艺为亚共振，设备属于亚共振时效设备，而设备能提高最大频率有限，一些

刚性大，固有频率高的铸件无法直接采用振动时效处理。

（2）一些结构尺寸小的铸件，由于装夹、支撑等因素局限，无法采用振动时效工艺处理，除非设计专用的工装和夹具。

（3）由于铸件的振型，振动效果和铸件结构、支撑位置、激振位置有严格的要求，这要靠操作人员来掌握，人员操作的不确定性影响着振动时效的效果。 3.3.3振动时效的发展趋势

随着电子、材料、机械、软件技术的发展，在上世纪80年代开始，振动时效设备从电机转速（频率）、激振力大小、控制手段等方面有了长足的进步，但是还是没有根本性的解决振动时效设备频率低、人工干预大的问题。最近发展的频谱谐波振动技术，可以有效的降低处理频率，解决铸件刚性过大无法振动的问题，该技术已在航空航天、军工等行业得到应用，但是其有效性和适用性还有待进一步确认。 3.4型内时效

型内时效又叫型内保温时效，即通过延长铸件在铸型内的保温时间，控制铸件的开箱温度（一般小于300℃），铸件在铸型内缓慢降温，达到减少和消除应力的作用。

有研究测试表明[4]，铸件在型内冷却到700℃以下，冷却曲线基本上为一条直线，铸件各部位冷却的速率基本相同，不会产生太大的铸造应力；600℃~550℃之间冷却时间大于2小时，满足应力释放和松弛的要求；550℃以下的冷却速度完全符合消除应力退火要求小于30℃/小时的冷却速度，不会产生新的应力。上述研究表明，型内保温能够满足消除应力的需要，典型的型内冷却温度变化曲线如下图：

对铸件结构复杂或无法进行热时效铸件，可以采用型内时效的方式来减少和消除内应力。该方法的控制要求是开箱温度小于300℃。

型内保温时效处理可以简化铸件处理工序，节约能源，虽然保温时间长一些，但综合分析可有效减少生产周期，加快生产节奏。

4，应力检测

残余应力的测试目前可分为有损测试和无损测试。 4.1有损测试法[5]

有损测试包括通孔法（钻孔法）、盲孔法、切条法等。有损测试方法一般是利用机械加工的方法使被测构件局部破坏，将应力释放，而产生位移和应变，测量这些位移和应变，通过换算得知构件测量位置原的应力。因此这种测试方法又叫机械测试法或应力释放法。

实际应用中采用盲孔法较多，因为这种方法对构件损伤最小。包括浅盲孔分析，深盲孔分析等，测试方法包括光弹性覆膜测定、脆性涂层法测定。后来根据需要由钻孔法和盲孔法发展了很多新的测定方法，如孔周应变法、阶梯形孔法等。

有损测试对构件具有一定的破坏，所以大多数应用于实验研究方面；对一些小破坏，对构件的使用性能不构成损害的，如浅盲孔测定，实践上也有应用。

4.2无损测试法

无损测试法包括X射线探测法、磁法检测法、超声检测法等，应用最为广泛的是X射线探测法。当晶体内部存在应力时，晶面间距会有变化，X射线能检测出这样的变化，通过对比换算可以确定出构件应力大小；磁性材料具有磁弹性现象，即磁导率的变化与应力的变化存在线形关系。可以利用这个关系来分析残余应力。同磁法一样，材料具有声弹性，介质在不同方向上的力学性能不同，从而使声波的传递速度也发生变化，这样可以利用超声波来测定应力的变化。

无损测试对构件不构成破坏，可以在生产中进行实践应用。但是无损检测的精度和误差还不太适应要求，同时也具有一些局限性：X射线探测体积较大的构件具有很大的困难；磁法探测必须是具有磁性材质的构件，对材质过于敏感，每次测定都需要先标定；超声法波长太大、声速太低，应力引起声速变化小测量困难。因此，这些应力测定方法还在不断的完善和改进。

[5]

5，结束语

通过了解铸造应力产生的原因，可以在铸造工艺设计、制造过程、铸件设计中采用预防手段，降低铸件产生铸造残余内应力；了解消除铸造残余内应力的时效工艺方法及其特点，可以根据不同结构和需要的铸件选用适当的时效处理工艺，达到最好的效果并得到最大的效益。

参考文献

[1] 中国机械工程学会铸造分会．铸造手册1[M] 铸铁．北京：机械工业出版社．2003

[2] 中国机械工程学会铸造分会．铸造手册5[M] 铸造工艺．北京：机械工业出版社．2003 [3] 中华人民共和国机械行业标准．（JB/T5926-2005）振动时效效果 评定方法．2005 [4] 尹庆华等．中国发动机铸件生产技术研讨会论文集[M]．2005

[5] 袁发荣 伍尚礼．残余应力测试与计算[M]．陕西：湖南大学出版社．1987