熱時效溫度和保溫時間對鑄件殘余應力和成本的影響

張龍江,王洪濤

（共享裝備股份有限公司,寧夏銀川 750021）

在鑄件冷卻和凝固過程中，由于收縮受阻、各部位冷卻速度不同以及組織轉變引起體積變化等原因，不可避免的在鑄件內部產生殘余應力。鑄件殘余應力會使鑄件在存放、后序加工以及使用過程中產生變形或開裂，降低鑄件的尺寸精度和使用性能，甚至導致鑄件報廢。因此，在機械加工前應對鑄件進行消減殘余應力處理[1-3]。

目前，消除殘余應力的方法主要有熱時效、型內時效、振動時效和自然時效[4]。其中，熱時效是一種應用最為廣泛的消減殘余應力的方法。熱時效工藝的關鍵控制參數(shù)主要有升溫速率、保溫溫度、保溫時間、降溫速率和出窯溫度。提高熱時效溫度或者延長保溫時間，都可以有效降低鑄件的殘余應力，但哪一種措施的效果更好、成本更低，目前未見相關報道。

1 實驗方法

表1為不同熱時效溫度和保溫時間下鑄件的殘余應力和應力消減程度，數(shù)據來源為《鑄造手冊-鑄鐵》第4.5.2章節(jié)-灰鑄鐵常用的熱處理工藝。

本文時效工藝參數(shù)中保溫溫度（因素A）取500℃、550℃和 600℃，保溫時間（因素 B）取 3h、6h、9h。采用方差分析的方法來分析不同因素對殘余應力消減程度的影響，方差分析所選的正交表為[L9（32）]，如表 1所示，正交實驗選擇的方差分析為無重復雙因素方差分析，界定值選0.05。

表1 熱時效溫度和保溫時間對應力消減程度的影響

2 結果分析

表2為上述正交實驗方差分析結果表，從表中可以看出，因素A和因素B的P值均小于0.05，因素A和因素B對實驗結果影響都顯著，但因素A影響更顯著。也就是說，時效溫度對鑄件殘余應力消減程度的影響更為顯著。因此，在確定時效工藝時，一般500～630℃范圍內應盡量選擇高的時效溫度，這樣可以減少保溫時間，在同等消減殘余應力的情況下，縮短時效周期。

表2 正交實驗結果分析

表3為時效工藝參數(shù)分別為550℃-9h和600℃-3h下的應力消減程度和對應的天然氣消耗量。可以發(fā)現(xiàn)，這2個不同的工藝參數(shù)下，鑄件殘余應力都是8.2MPa，應力消減程度都是64%。但是，天然氣的消耗量卻大不一樣，550℃-9h的工藝消耗天然氣體積為2700m3，600℃-3h的工藝消耗天然氣體積為1050m3，前者是后者的2.57倍，這就意味著前者的成本是后者的2.57倍。因此，選擇時效工藝參數(shù)時，應該盡量選擇較高的時效溫度，配合相對較短的保溫時間，這樣不僅可以大大節(jié)約天然氣的消耗，降低成本，同時，縮短了時效周期，提高了生產效率。

表3 不同時效工藝成本計算

3 結論

（1）與保溫時間相比，時效溫度對鑄件消減殘余應力的影響更加顯著。

（2）較高的時效溫度配合較短的保溫時間，可以降低時效成本，縮短時效周期。