铸造应力的产生、危害及防治措施.docx

金属在凝固冷却的状态时，热胀冷缩引起的体积变化受到来自外界或其来自于本身的制约，就会导致其变形过程受到阻碍，就会产生一个铸造应力。铸造的方法就是将加热熔融为液体的合金倒入事先准备好的模具中去使其填充满，等到热的液体变冷凝固以后，就得到链初步的毛坯产品。除此之外，在整个铸造生产的过程中，特别是对于单件进行小批量的生产，如果工人的劳动条件较差、且劳动强度大，铸造的应用过程也会受到一定程度的限制。
铸造应力是当一个铸件冷却到其弹性状态之后，在收缩过程中会受到阻碍，进而产生的一种弹性应力。铸造应力如果存在于机械设备中，会导致设备的结构强度降低，承载能力下降，使用寿命缩短等。但通常我们讲的铸造应力一般指的是残余应力。当铸件有残余应力存在的时候，铸件经过机械加工之后就有可能产生一个新的变形，导致零件的精准度降低、尺寸变差；如果铸件的工作应力和残存应力进行叠加就会损坏到铸件；倘若残存应力一直存在与铸件之内，经过长时间的积累之后就会使得铸件发生形变；如果铸件长时期处的环境都是潮湿有腐蚀性的空气中，那么时间长了以后就可能会让铸件被腐蚀掉。所以，在浇注完毕的冷却过程中对与铸件中残存的应力的消除的研究是十分有必要的，这对于提升铸件的工艺品质是极其重要的。
当一个铸件凝固之后，伴随着温度的下降，铸件都会变为固态在这个过程中会发生相变，随着铸件变为固态的相变过程，相变体也会发生收缩或者膨胀的过程，由于铸件较为厚的外壁存在，所以外层的温度下降的很快，内层的温度下降的慢，所以壁厚越厚冷却用时越长。这种现象致使一个完整的铸件的内层和外层以及薄厚不一样的地方的收缩程度不一样，这样的现象会影响到铸件的薄厚和内外层之间发生相互牵制的作用，导致铸件拉深或者发生不可逆的形变。热应力现象就是由于铸造过程中铸件壁的薄厚不一致在相同的单位时间内它们收缩的程度不同而产生的一种现象。要去研究热应力形成的条件，需要对金属在冷却的进程中内部的应力是如何进行分布的。
铸造应力的残存对于一个铸件的质量来说有着十分恶略的影响。铸件应力是在铸件的生产存放过程中产生变质变形的重要因素，在长时间的积累后会降低铸件的部分性能。比如说一个铸件得到残存应力方向和它的工作应力方向是重复的，那么在这个铸件工作时候，这两个力会产生相互的效应，致使这个方向上的力超过铸件材料的承受范围，使铸件变形甚至断裂。而且在大规模的生产过程中，铸件如果发生形变会使得铸件不能放入事先准备好的模具中去导致流水作业失败。另外对于某些有高精度要求的铸件生产来说，如果铸件中残存的应力致使铸件发生形变，那么就会极大程度影响到精确度，还会造成经济损失。综上所述，铸件应力的消除是一门重要的的课题值得我们去深究。
铸件在凝固和冷却过程中，受到的总的应力大小为其所受到的热应力、相变应力和机械阻碍应力的代数之和。热应力和相变应力往往就是铸件中的残存应力。残存应力主要和以下四个方面的因素有关系：
金属性质方面
①金属的残存应力和金属的弹性模量是成正比的。例如，铸钢、白口铁等弹性模量大的金属材料的残余应力比弹性模量小的灰口铸铁的残余应力就要大，这就证实了这一理论。
②铸件的残余应力大小和使用的合金的自由线收缩系数成正比例。
③金属的导热系数会影响铸件的内外层温度差。碳钢的导热系数相对于碳钢来说高，所以在统一标准下对比的话，碳钢的铸造应力会小于合金钢中的应力。
 铸型性质方面
蓄热系数代表着铸件的冷却速度，铸件冷却的快会导致内外的温度差加大。温差大则会导致铸造应力变大。所以金属铸件比砂型铸件的应力大。
浇注条件
提高浇注的温度，使得浇注后的温度分布更加的均匀，也会使得铸件冷却速度加快，这对于消除铸造应力有积极影响。
铸件结构
一个铸件的结果内外壁厚差值越大，表面它在浇注过程中冷却的速度差别越大，产生的铸造应力就越大。
减轻消除铸造应力的措施
合理地设计铸件的结构。在铸件的设计过程中应该尽量使得铸件的壁厚变得均匀一点，还应避免出突起尖角的现象，这种设计手段可以有效地减少铸造应力的产生。为了解决铸件变形的难题，提出了以下几种解决措施：
①设计铸件时候应该使得铸件内外壁厚基本一致，在铸件冷却的时候尽量让内外壁一起冷却。
②在铸件的设计时候使得铸件的整体结构对称设计，即使内部有应力的存在可以让相反方向的应力进行抵消。
③反变形法。专门把铸件的形状铸造成与铸造应力相反的方向。
④设置拉肋。在铸件上设置拉肋以消除冷却过程中的应力，在冷却完成后可以去除。
采用同时凝固的工艺。同时冷凝就是采取一些手段使得铸件内外冷却的速率基本相同。这样做的目的就是使得铸件内外的温度差值小，避免铸件变形。因此可以在铸造过程中巧妙地设置浇注口。
时效处理：
1 人工时效
对于不同的金属材料在消除残存应力时候采取的温度和保留时间都应该视具体情况而定。铸造过程中通常采取的方法是加热到弹塑性状态，冷却一段时间使得应力消除。为了使得铸件在升温和降温过程中温度均匀分布，在温度控制过程中应该匀速进行。在实际生产过程中对于铸件的冷却或者加热速度以及保留时间都应该视具体情况设置。
2 自然时效
自然时效指的是将铸造完毕后的铸件在露天环境下长时间放置，随着时间的推移铸造应力自然会消失掉。残留的铸造应力会导致该铸件的晶格发生变形，并且内部极不稳定。这种处理方法虽然最简单，而且不需要任何费用。但是在惜时如金的现代社会，很少会采用这种原始的方法。
使用灰份在8%以下，含硫量在0.8%以下的优质焦炭，并且选择合理的送风量，并进一步提高出铁液的温度可以防止氧化。在铸造过程中用大风量的风进行吹扫会发生流动性差、材质冷硬内部有气泡等现象发生。随之产生的就是巨大的铸造应力。
进行高温熔炼，在工业中一般采取冲天炉-电炉双联工艺。这个工作流程中，铁还原产生的一氧化碳，可以让铁液有良好的流动性，避免了结块现象的发生。使得液体中温度分布更加均匀达到一个平衡的状态，消除了铸造应力。
孕育处理。加入 Fe、Si等孕育剂对铁液进行处理，防止边角产生硬化现象，这样整个铸件是均匀的，避免了突起产生的铸造应力。