专利名称：用铸件余热减应力时效处理工艺及其方法
技术领域：
本发明涉及到黑色金属减应力工艺，特别用于连续式机械化铸造生产线生产的铸件用铸件余热减应力时效处理工艺及其方法。
背景技术：
铸件减应力时效热处理的常用的传统工艺是开箱→冷却到室温后去浇冒口和型砂、砂芯、打磨去披锋→减应力时效热处理。
减应力时效热处理旨在减少铸件内的铸造残余应力。其原理是把铸件重新加热到530～620℃，利用塑性变形降低残余应力，然后在炉内缓慢地冷却，得到残余应力比原先小的铸件，这是灰铸铁件用得最多的热处理，参看附图1。
在自动化机械化程度低的情况下，铸件开箱后冷却到常温，用人工去除浇冒口和型砂、砂芯，装入热处理炉进行减应力处理。其缺点是铸件开箱后冷却到常温，在进行减应力处理时又升温，既浪费了能源，效率又低。
热处理工艺现有的技术很多，有用水淬、油浸、风冷等处理工艺。而最近经委托国家信息中心代理检索查新的编号05-243表明《工业加热》1998年第五期的《轴承套圈余热退火辊底炉生产线》这是一高度机械化自动化的特大型加热设备，从热镦机出来的红热套圈进入料筐，以及热处理各工序的进行、料筐内套的翻卸、空料筐的返回等各个阶段全自动进行，构成一热处理生产线的闭环系统。另外，加热段采用煤气辐射管加热，而控制降温段和球化段则采用电热辐射管加热，这都需要外加热源。其组成由炉体、炉辊及机械传动、液压传动及炉外运输和翻卸料机构，以及以可编程控器为主体到机械液压传动控制系统，煤气辐射管加热和电热辐射管加热的温度控制系统和相关部分组成。这种方法目的是球化，而本发明的目的是减少铸件的铸造残余应力，其工艺、过程和达到的目的是完全不相同的。又据申请号98235788·5，名称“外热源移动锻造余热等温退火装置”，它有一个由双层金属壳体内填绝热材料构成的等温箱体，其上方设有起重吊环，箱体底部为活动连接，底部下方有支承、槽钢，箱体上部进料口设有由重锤平衡的翻板，箱体外的支架上设有等温箱温度指示仪表和锻件入箱前温度指示表，两仪表分别与等温箱测温探头和锻件测温探头相接。其主要是用可移动的等温箱代替等温炉，等温箱可用吊车或叉车任意移动，在锻造和坯库之间周转，等温箱置于锻造设备旁。其主要用在工件锻造后放入带有吊环、箱底有铰链和搭钩与箱两侧构成活动连接、箱口有进料口的退火装置。这种方法目的是解决锻件退火的保温问题。与本发明的目的是减少铸件的铸造残余应力，其工艺、过程和达到的目的是完全不相同的。是两种不同的工艺技术。再者，据检索查新南昌航空工业学院报(自然科学版)2002年6月第2期第16卷报道“利用余热生产金属型薄壁铁素体球铁件的研究”，其目的是为了获得铁素体球铁件，研究了球铁成分、孕育措施、热处理时间对铸件基本组织影响，用缩短余热时间退火，获得铁素体球铁的可能性。实验操作在GW-1 0感应炉内熔化铁水，每次熔化5kg，当铁水温度达1450℃时，倒入烧包内球化处理。球化采用包底冲入法，在包内加入球化剂和Bi，孕育剂SiFe，并在铁水表面加入SiFe进行浮硅孕育，和进行型内孕育。还要金属型喷涂涂料后放在电炉上烘烤，升温达到500～600℃，浇注开箱后亮红色，温度为800～900℃，铸件保温55、30、60min，试样出炉、空冷、清理，结论利用余热退火小铸件，对进炉铸件温度要求严格，要利用余热在30min内铸件基本大部分转变为铁素体，铸件进炉温度不低于840℃。延长保温时间作用不大。如炉温小于550℃，则铁素体很难得到70％以上，这些小铸件需炉温在600～680℃保温30min，才能得到70％的铁素体。这种方法的目的是获得铁素体球铁件，而本发明的目的是减少铸件的铸造残余应力，其工艺、过程和达到的目的是完全不相同的。
从以上比较可以看出，本发明具有新颖性。
(一)下面结合现有技术与本发明研究对照作描述，参看附图2得知同一铸件不同消除应力的效果。
(二)铸造残余应力的形成原因铸铁件在高温下浇注，在凝固冷却过程中，因温度下降而产生收缩，如收缩受到阻碍，便会在铸件中产生铸造应力。铸造应力按其形成原因可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。
1、热应力由于铸铁件的各部分在冷却过程中的冷却速度不同，造成各部分的收缩量不同，但铸件各部分连为一个整体，彼此间互相制约而产生应力。这种由于线收缩受热阻碍而产生的热应力一般成为铸件内的残余应力，其大小与铸件厚壁部分由塑性状态转变为弹性状态时厚薄两部分的温度差成正比，即铸件的壁厚差越大，残余热应力也越大。凡能促使铸件同时凝固及减缓冷却速度的因素，都能减小铸件中的残余热应力。
2、相变应力铸件各部分在冷却过程中发生固态相变的时间和程度不同，使体积和长度的变化也不一样，而各部分之间又互相制约，由此而引起相变应力。对于灰铸铁件来说。当铸件的某一部分冷却到共析温度以下时，奥氏体转变为铁素体及高碳相(石墨或渗碳体)时，由于共析石墨化而使铸件某部分产生一定的膨胀，如铸件各部分温度不一致，相变不同时发生，就会产生相变应力。由于灰铸铁件粗厚部分的石墨化程度比细薄部分更充分些，因此，薄部分受拉应力，而厚部分受压应力。
3、机械阻碍应力；铸铁件冷却到弹性状态后，由于收缩受到机械阻碍而产生机械阻碍应力。它可表现为拉应力或压应力。当机械阻碍一经消除应力也随之消失，所以它是一种临时应力。
铸造应力是热应力、相变应力和机械应力三者之和。铸铁件不同部位上的三种应力列于图3。参看图3得知铸件不同部位上的三种应力。“+σ”表示拉应力，“-σ”表示压应力。
图3摘自铸造手册.第1卷，铸铁/中国机械工程学会铸造分会编.-2版.-北京机械工业出版社，2002.162各种铸铁的铸造应力见图4，灰铸铁的铸造应力最小，球墨铸铁最大，蠕墨铸铁的铸造应力在两者之间。随着铸铁强度的提高，铸铁的铸造应力是上升的。因此，随着柴油机可靠性的增长，对铸铁的强度、硬度要求越来越高，其铸造应力也越来越大。
图4摘自铸造手册.第1卷，铸铁/中国机械工程学会铸造分会编.-2版.-北京机械工业出版社，2002.162(三)铸造残余应力对铸铁件的影响及危害1、导致铸件变形由于柴油机缸体和缸盖是结构复杂的高强度薄壁铸件，铸造过程引起的残余应力在其内部是不均匀的，因而会使铸件产生扭转、弯曲等不规则的变形。以例子加以说明。参看图5、图6得知铸件存在残余应力的变形情况。
当然实际上构件的受力要比这复杂得多。铸件变形过大的危害之一是因加工余量不够而报废。尽管铸件的残余应力在其内部的分布是不均匀的，但产生变形后，在其内部的力系是仍处于平衡状态下，在对铸件进行机加工时，这种平衡就被打破了，它会使铸件产生第二次变形。参看图7、图8得知铸件经机加工后产生第二次变形的情况。
机加工后，零件再次变形，使零件的加工精度降低，甚至报废。如缸体的气缸孔，经镗孔后变形不均匀，由圆孔变成椭圆孔。
2、导致铸铁件的开裂冷裂是铸铁件凝固后，已处于较低温度下，铸造应力超过了铸铁的强度极限而产生的。冷裂往往出现在铸铁件受拉伸的部位，特别是有应力集中的地方。铸铁件产生冷裂的倾向和影响因素与影响铸造应力的因素基本一致。
形状复杂的大型铸铁件容易产生冷裂。有些冷裂在开箱清理后即能发现，2005年4月10日F3000曲轴箱轴承盖过丁孔旁的裂纹，就是在铸件开箱时已发现；也有些铸件在开箱后在放置的状态下发生冷裂。参看图9得知铸件冷裂情况。
如果在铸件的清理和机加工时发现裂纹，可以把铸件报废。但最为危险和可怕的是，由于铸造残余应力的存在，在早期铸件已产生微裂纹，但它很小、或许没有贯穿整个铸件壁，肉眼和试漏检测都没有被发现，使用时裂纹才扩展，造成发动机故障，严重影响产品的可靠性。参看图10、图11得知其影响可靠性的情况。
沈阳康福德高公交反馈如下故障，就是典型的由于铸造残余应力造成裂纹故障的例子。序号为J42XA400012的柴油机行驶1750公里发现气缸盖(铸造编号20031023C-374)第三缸气门座圈口处有裂纹。经解剖和理化分析气缸盖进气道的壁厚有6.5mm，材质合格。因为该部位在进气道的里面，外力几乎不可能撞击到，可以排除撞击造成裂纹的可能；从检测缸盖残余应力的结果看，缸盖的外围承受较大压应力，其内部承受着相当的拉应力，当铸造应力超过强度极限时，即会产生开裂。
进一步研究表明铸铁件冷裂纹的外形呈连续的直线状或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒而不是沿晶界断裂。冷裂纹断口干净，具有金属光泽或呈轻微的氧化色。冷裂还与含磷量有关，当灰铸铁中w(p)＞0.3％时，往往出现大量网状磷共晶，冷裂倾向明显增大。
3、增加机加工困难，加大刀具的磨损。据一汽铸造研究所研究表明减少铸件的残余应力后，使铸件的机加工性能得到明显改善，延长了刀具的寿命。
(四)减少铸件残余应力的方法研究及主要结果1、减少铸造应力的方法减小铸铁件中的铸造应力，可使经机械加工后的铸件具有较好的尺寸稳定性和精度的持久性。减小铸造应力的方法主要应设法减小铸铁件在冷却过程中各部分的温度差，实现同时凝固原则；改善铸型和型芯退让性；适当增加铸铁件在型内的冷却时间，以免扩大各部分的温差。采用强力抛丸，使铸件表面的残余拉应力得到释放，甚至形成残余压应力。
形状比较复杂、尺寸稳定性要求较高的铸铁件应用人工加热时效、振动时效或自然时效的方法来降低铸造应力。
(1)自然时效处理，一般将铸件存放几年时间，让残余应力慢慢松弛，时间长，对大批量连续生产不适宜采用。
(2)振动时效处理。振动时效引起的动应力和残余应力叠加超过材料屈服点时产生应力松弛，循环加载的包辛格效应降低了残余应力。
(3)时效热处理分为燃煤炉处理、燃油炉处理和电炉处理。
玉柴铸造厂缸盖砂芯用覆膜砂、机体砂芯用热芯盒工艺、延长铸件冷却时间和降低铸件的开箱温度，铸件表面进行强力抛丸等措施之后，铸件的残余应力仍很大。为此，进行了减少铸件残余应力的办法的研究。
2、减少铸造应力方法的效果研究我们用了五年的时间，利用先进的工艺手段，对采用自然时效、振动时效、时效热处理等办法进行减少铸件残余应力的研究，并对近百件次铸件进行残余应力值的实测。实测的主要结果见图12。
参看图12得知用不同的设备进行时效处理时铸件残余应力大小的比较注图12中未注明放置位置的均为铸件在退火炉中随机放置。
研究表明1、未经退火处理的铸件的残余应力值很大。
对同一包铁水浇注的YC6105QC机体及缸盖作了测试(1)机体平均铸造残余应力为174.4MPa，最大值为271.2MPa。
(2)缸盖平均铸造残余应力为232.1MPa，最大值为304.9MPa。
2、用不同退火设备处理不同的铸件，对降低铸件残余应力的效果是不一样的。
(1)燃煤炉时效热处理①玉柴铸造厂机体燃煤炉时效热处理，铸件随机放置YC6105机体残余应力值平均为174.4MPa，最大值为271.2MPa。
②玉柴铸造厂机体燃煤炉时效热处理，铸件放置在最上层YC6112机体残余应力值平均为115.7MPa，最大值为172.8MPa。YC6112缸盖残余应力值平均为40.6MPa，最大值为56.9MPa。
③玉柴铸造厂缸盖燃煤炉时效热处理，铸件随机放置YC6105QC缸盖残余应力值平均为232.1Mpa，最大值为271.2MPa。
从燃煤炉时效热处理效果看，随机放置抽检的残余应力值都很大；但放在上层的铸件应力低一些，放在上层的缸盖比机体轻，应力更低一些。说明该燃煤炉内各部分的温度分布不均匀。检查该炉发现测量炉温的热电偶放置在炉子的顶部(图13)，当热电偶显示炉顶部的温度达到工艺的要求时，即进入保温的阶段，而此时在炉子的底部，在热传导差的部位温度仍很低，甚至可以看到粘结在机体上的应变片的颜色还变化不大。从退火出来的铸件的颜色变化也能看到整个炉子的温度差异放在顶部的铸件表面的粘砂已被烧成灰白色(图14)，而在中间或底部的铸件表面的粘砂几乎没有变，还是黑色的(图15)。
(2)电炉时效热处理我们在七家的不同电炉(箱式电炉、井式电炉、连续式电炉)进行试验和检测，试件有YC4110、YC6108ZC、YC6112机体，试件在炉内随机放置。在被检测得几十台铸件中，减少残余应力的效果都很好并且稳定，铸件平均残余应力值小于51MPa，最大值除了一台达到100.4MPa外，其余均小于87MPa。
其中连续式时效热处理电炉的效果较佳，铸件残余应力平均值最小为19.9MPa，最大值为56.2MPa。
3、自然时效处理经对YC6105QC缸盖在原测试点附近重测，残余应力值分别为154.0MPa和268.9MPa，仍维持在较高水平。
4、振动时效处理对9台机体进行振动时效处理，对振前、振后的残余应力值进行测定。结果发现，振动时效可以使铸件的残余应力值平均降低约30％，已达到机械行业JB/T5926-91“振动时效工艺参数选择及技术要求”的标准。
但由于铸件原来的残余应力值较高，所以振动时效处理之后仍维持在较高水平平均值为140.3MPa，最大值为175.4MPa。
(五)结论1、随着铸铁强度的提高，铸铁的铸造残余应力是上升的。因而，随着柴油机可靠性的增长，对铸铁的强度、硬度要求越来越高，其铸造残余应力也越来越大。测试的结果也表明铸件如果不经处理，其残余应力值很高。
2、减少铸件残余应力的效果与炉温的均匀性和时效热处理的工艺有关，与铸件的大小和结构以及原始残余应力的大小无关。无论铸件结构多么复杂、原始残余应力的大小如何，都可以用热处理时效的方法，减少铸件的残余应力。炉温的均匀性和时效热处理的工艺是影响减少应力效果的关键因素，如果炉温均匀、能真正实现时效热处理的工艺，无论是煤炉还是电炉，都会取得相同的减少残余应力的效果。但电炉易于控制，自动化程度高，污染少。
3、对于铸件存在较大残余应力值的情况下，不宜采用振动时效处理。
发明内容
本发明的技术解决方案是这样的。本发明的目的在于提供一种利用铸件高温开箱即清砂、除冒口即时装入连续式热处理炉保温，之后冷却出炉的新工艺，达到利用余热减少铸件铸造残余应力，节能降耗，提高效益、效率的新工艺方法。经玉柴铸造厂2005年3～12月10个月生产1.8万吨铸件计算，共降低成本约1200万元(按0.181元/kg计算)。应用连续式时效热处理电炉试验表明，铸件铸造残余应力平均最小为19.9MPa，最大为56.2MPa。完全符合目前柴油机发动机及其它铸件使用要求。铸件在300～800℃开箱，用机械手去除浇冒口、型砂、砂芯，带着余热装入连续式热处理炉保温1～8小时。
工艺流程是(图16)铸件温度300～800℃开箱，机械手清除大部分型砂和芯砂，去除浇冒口，300～600℃装入通过式热处理炉，550±100℃保温1～8小时，再经通过式热处理炉缓慢冷却200℃以下出炉空冷到室温。
时间与温度座标关系是(图17)按炉温(℃)和时间(h)座标关系是铸件装炉温度在300～600℃时，以＜80℃/h升温，并在450～650℃时保温1～8h，之后以＜30℃/h降温至≤200℃出炉空冷。
本发明的结构构成是这样的图1为常用传统减应力处理曲线示意图。
图2为铸件不同消除应力效果对照表。
图3为铸件不同部位三种应力图表。
图4为不同铸铁的铸造应力图表。
图5、图6为铸件存在的残余应力示意图。
图7、图8为铸件经机加工后产生二次变形示意图。
图9为导致铸件冷裂示意图。
图10、图11、为铸件铸造应力超过强度极限时产生开裂示意图。
图12为不同设备进行时效处理时铸件残余应力大小比较图表。
图13、图14、图15燃煤炉时效热处理变化的示意图。
图16为本发明的工艺流程图。
图17为本发明铸件在不同时段变化的时间与温度座标示意图。
具体实施例方式
铸件在300～800℃开箱，推到振动落砂机后，机械手去除浇冒口，清除大部分型砂、芯砂，把铸件放入连续式退火炉，在升温段连续升温到450～650℃保温1～8小时后，在冷却段缓慢冷却到200℃以下出炉空冷到室温。经测试，铸件的铸造残余应力小于60MPa，每吨能耗是常用的传统减应力处理工艺的约1/4，节约能源，降低了生产成本，提高生产效率。用机械手抓起或放下铸件、清砂、除浇冒口。机械手根据用途设计好动作程序，按程序配置好相应的机械零部件和电子电路板做成，连续式退火炉用一个箱体，箱体用钢板焊接，箱内装有电炉丝，电热管和配置电热元件接通配电柜，电热元件选用多个挡次的，可按升温100℃编为一挡，时间设置有随意性，退火炉箱体密封式或开窗口透风调节快慢。需冷却快速可开窗抽风。电炉箱体装铸件的小车可按产量配置数量、大小。电热元件选用标准件外购，也可自己设计安装，达到在箱内接通电即可。如果考虑到场地位置允许，工作条件允许也可把用电炉改为用煤火或热气体加温，不用电炉加温，但要保证炉内的热量足稳定。同一断面温度分布均匀，极差不大于50℃。其生产工艺流程是铸件在300～800℃开箱，机械手去除浇冒口、清除砂芯、型砂，把带着余热的铸件装入连续式热处理炉保温1～8个小时，之后缓慢冷却到200℃以下出炉空冷到室温得产品。质量完全符合柴油机铸件对铸造残余应力的要求，满足目前柴油机发动机及其它铸件使用要求。
权利要求
1.一种利用铸件余热减少铸造残余应力时效处理工艺及其生产方法，包括炉体、机械手、砂箱、砂芯、型砂，其特征在于铸件在300～800℃开箱，机械手除去浇铸冒口、大部分型砂和砂芯，铸件带着余热装入连续式热处理炉中保温1～8小时，然后缓慢冷却到200℃出炉冷却到室温。
2.按照权利要求1所述的利用铸件余热减少铸造残余应力时效处理工艺及其生产方法，其特征在于工艺流程是铸件温度300～800℃开箱，机械手清除大部分型砂和芯砂，去除浇冒口，300～600℃装入通过式热处理炉，550±100℃保温1～8小时，再经通过式热处理炉缓慢冷却200℃以下出炉空冷到室温。
3.按照权利要求1所述的用铸件余热减应力时效处理工艺及其生产方法，其特征在于时间与温度座标关系是按炉温(℃)和时间(h)座标关系是铸件装炉温度在300～600℃时，以＜80℃/h升温，并在450～650℃时保温1～8h，之后以＜30℃/h降温至≤200℃出炉空冷。
全文摘要
本发明公开了一种用铸件余热减少铸造残余应力时效处理的工艺及其方法。其方法和步骤是铸件在300～800℃开箱，去除浇冒口和砂芯、型砂后，在300～600℃装入连续式热处理炉，以小于每小时80℃的升温速度连续升温到450～650℃保温1～8小时，然后以小于每小时30℃的降温速度缓慢冷却到200℃出炉冷却到室温。铸件铸造残余应力小于60MPa，符合柴油机铸件的要求。而现有技术是铸件开箱冷却到室温清理后，才装炉进行减少铸造残余应力时效处理。本发明节约了铸件从室温升温到300～600℃的能源和时间，降低成本，提高效率。本发明与用箱式炉按传统工艺对比成本降低了0.638元/kg，降低率为78.3％。
文档编号B22D30/00GK101020956SQ20061005726
公开日2007年8月22日 申请日期2006年3月10日 优先权日2006年3月10日
发明者童思艺 申请人:广西玉柴机器股份有限公司