消除残余应力的方法：减小和处理

铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。因此，应设法减小和消除残余应力。

（一）减小铸造应力的措施和途径

（1）选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。

（2）减小铸件冷却过程中的温度差。

1）在铸件厚实部分放置冷铁或蓄热系数大的型砂（如碳素砂、镁砂、锆砂等），加速肥厚部分的冷却。

2）对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却。例如在大型铸钢轮形件的轮毂中心轴孔砂芯中埋设水管，浇注后通水强制冷却。又如，在地坑中造型的大型铸件的厚实部分，除放置冷铁外，还在冷铁下方设置冷却器，通以压缩空气或水强制冷却（见图11 47）。

3）在铸件壁薄处开内浇道，使铸件各部分温度趋于一致。

4）提高浇注时铸型的温度。此法广泛用于熔模铸造和金属型铸造中。

5）将铸件于红热状态开箱取出，尽快置于已加热到500～600℃的保温炉中，保持一定时间使铸件各部分温度趋于一致，然后随炉缓冷至200～250℃出炉。例如中碳钢（w C=0.5%～0.7%）的火车车轮，壁厚不均，在冷却过程中形成很大热应力，易于引起裂纹，因而采用此法，要求入炉时车轮温度不低于730℃，以防发生裂纹。

（3）改善铸型和砂芯的溃散性。

（4）改进铸件结构避免形成较大应力和应力集中。

图11-48为大型轮形铸件轮毂结构的改进实例，用厚度20～30mm的砂芯块，把轮毂分割成2～3块。这样可使轮缘和轮辐收缩时比较自由，避免形成过大的铸造应力和裂纹。最后用两个烧红的圆钢环箍紧被分割的轮毂。

图11-47　床身导轨面的强制冷却

图11-48　改进轮毂结构以减小铸造应力(https://www.xing528.com)

（二）消除铸件中残余应力的方法

1.自然时效

将有残余应力的铸件放置在露天场地，经半年乃至一年以上，让残余应力逐渐自然消退，这种方法称为自然时效。

铸件内存在残余应力，金属晶格发生畸变，畸变晶格上的原子势能高而不稳定，由于长期受到自然气候的作用，使金属原子间不断发生缓慢的能量交换，逐渐趋于平衡，因而使畸变晶格恢复正常，铸件变形，应力消除。

自然时效花费少，但时间太长，近代生产中很少采用。

2.人工时效

人工时效又称热时效或消除内应力退火等。把铸件加热到合金的弹—塑状态的温度范围内，保持一定时间，使残余应力得以消除，然后缓慢冷却，以免重新产生残余应力。铸件的加热、保温、冷却等热处理工艺规范，应根据合金性质、铸件结构和原始冷却条件的特点来确定。总的原则是：在升温和冷却过程中，力求使铸件各部分温度均匀一致，避免温差过大而产生附加应力而引起铸件变形和裂纹。因此升温、冷却速度不宜过高，但从生产率和成本考虑，升温和降温速度又不应过低。生产中一般用实验法确定最佳热处理规范。

3.共振时效

共振时效是一种省时、省能源的先进方法。其原理是：在激振器的周期性外力——激振力作用下，与铸件发生共振，因而使铸件获得相当大的振动能量。在共振过程中交变应力与残余应力叠加，产生局部屈服，引起塑性变形，使铸件中的残余应力逐步松弛、消失，从而达到稳定铸件尺寸的目的。

主要工艺参数是共振频率、动应力和激振时间：

（1）共振频率。可通过调整激振器的频率使工件发生振动，当共振时，振幅达到最大值，此时的频率就是共振频率。

（2）动应力的选择。据资料介绍，动应力接近35N/mm2时获最大效益。一般应用20N/mm2的动应力可获得满意的结果。

（3）激振时间。应依铸件的原始条件和处理过程中的实际情况而定，重量大的铸件振动处理时间长。推荐激振时间见表11-10。

表11-10　激振时间

共振时效有显著的优越性：时间短，费用低，功率小（735.5W的激振器可处理重50t以上的大铸件），装置小，易操作，省能量，无污染，铸件表面不产生氧化皮，不损害铸件尺寸精度。