振动时效处理与热时效消除应力的时效效果对比
理论上，就单纯以消除应力为目的，振动时效处理完全可以取代热时效处理，既节能环保、方便易用，又可以提高生产加工效率。
摘要 通过对机座及其它铸铁件进行振动时效和热时效处理，用X射线衍射法测量其时效效果，得出振动时效能消除残余应力的42%～62%，热时效能消除残余应力的50%～70%。
关键词 残余应力 振动时效 热时效
铸件凝固以后在冷却过程中会产生残余应力，残余应力对铸件质量影响大，尤其在交变载荷作用下的工件，当载荷作用方向与残余应力方向一致时，内外应力总和可能超过材料的强度极限，严重时使铸件局部或整体断裂；有残余应力的铸件，经机械加工，往往会发生变形或降低零件精度。因此，消除或降低铸件内部的残余应力是十分必要的。
传统的时效方法是热时效，这种方法耗能大、成本高；环境污染严重；生产周期长、不易配炉；更重要的是炉温均匀性差，升、降温速度不易控制，易产生二次残余应力、微观裂纹，甚至造成铸件报废。
振动时效能消除铸件内部残余应力的20%～80%，热时效能消除铸件内部残余应力的50%～80%，且振动时效所消耗能源仅为热时效的5%。
为了能给企业创造更高的经济效益，本厂采用振动时效这项新技术，首先选择铸铁件Z01.1.18机座(材料HT 200，单重900kg，最大壁厚50mm，最小壁厚20mm)。对其进行振动时效和热时效处理，然后用X射线衍射法分别测量其时效结果。
1 时效工艺方案的确定
铸件凝固以后在冷却过程中会产生残余应力，残余应力对铸件质量影响大，尤其在交变载荷作用下的工件，当载荷作用方向与残余应力方向一致时，内外应力总和可能超过材料的强度极限，严重时使铸件局部或整体断裂；有残余应力的铸件，经机械加工，往往会发生变形或降低零件精度。因此，消除或降低铸件内部的残余应力是十分必要的。
传统的时效方法是热时效，这种方法耗能大、成本高；环境污染严重；生产周期长、不易配炉；更重要的是炉温均匀性差，升、降温速度不易控制，易产生二次残余应力、微观裂纹，甚至造成铸件报废。
振动时效能消除铸件内部残余应力的20%～80%，热时效能消除铸件内部残余应力的50%～80%，且振动时效所消耗能源仅为热时效的5%。
为了能给企业创造更高的经济效益，本厂采用振动时效这项新技术，首先选择铸铁件Z01.1.18机座(材料HT 200，单重900kg，最大壁厚50mm，最小壁厚20mm)。对其进行振动时效和热时效处理，然后用X射线衍射法分别测量其时效结果。
1 时效工艺方案的确定
1.1 热时效工艺方案
热时效是将铸件加热到塑性状态的温度范围，在此温度下保温一定的时间，使应力消除，再缓慢冷却，机座的热时效工艺如图1所示。
热时效是将铸件加热到塑性状态的温度范围，在此温度下保温一定的时间，使应力消除，再缓慢冷却，机座的热时效工艺如图1所示。
1.2 振动时效工艺方案
(1) 支撑点的选择、激振点的确定、传感器的安放位置见图2所示。
(1) 支撑点的选择、激振点的确定、传感器的安放位置见图2所示。
图1 机座热时效工艺 图2 机座
(2) 工艺参数见表1所示。
表1 工艺参数
| 档位 | 主振频率 | 激振时间 | 振前 | 振后 | ||
| Vo/V | Io/A | Vt/V | It/A | |||
| 3 | 4820r/min | 30 | 129 | 3.5 | 126 | 2.8 |
(3) 特性曲线见图3所示。
2 时效结果的测定
2.1 测试设备
测试设备为X射线应力测量仪，见图4所示。
测试设备为X射线应力测量仪，见图4所示。
图3 特性曲线 图4 X射线应力测量仪
2.2 应力测试
根据机座的结构，A点(见图2)残余应力较大，为易裂部位，因此，对A点振动时效前、后，热时效前、后分别进行应力测量，测试数据见表2。
根据机座的结构，A点(见图2)残余应力较大，为易裂部位，因此，对A点振动时效前、后，热时效前、后分别进行应力测量，测试数据见表2。
表2 测试数据
| 铸号 | 时效前 (MPa) |
时效后 (MPa) |
消除 (%) |
平均 (%) |
|
| 热时效 | 3393 3394 |
14.8 13.7 |
7.0 5.4 |
53 61 |
57 |
| 振动时效 | 3395 3396 |
15.7 15.4 |
8.1 9.0 |
48
42 |
45 |
注：此项测试结果是1993年4月完成的
2.3 测试结果分析
从表2测试数据来看，热时效能消除机座A点残余应力的51%，振动时效能消除残余应力的45%，结果比较理想，也符合资料上的介绍情况。
3 其它铸铁件应力测试结果
从表2测试数据来看，热时效能消除机座A点残余应力的51%，振动时效能消除残余应力的45%，结果比较理想，也符合资料上的介绍情况。
3 其它铸铁件应力测试结果
除了对机座进行应力测试外，对工作台、并条等铸件也采用同样的方法进行测试，结果也与预期的相吻合（见表3）。
表3 测试结果
| 名称 | 时效前 (MPa) |
时效后 (MPa) |
消除(%) | |
| 热时效 | 工作台 并条 |
23 10 |
7 5 |
70 50 |
| 振动时效 | 工作台 并条 |
21 13 |
8 6 |
62 54 |
4 经济效益分析
通过统计，热时效与振动时效耗能、成本比较见表4所示。
表4 热时效、振动时效、成本比较
| 耗能(元/t) | 成本(元/t) | |
| 热时效 | 21.14 | 119.20 |
| 振动时效 | 0.76 | 2.00 |
从表4来看，振动时效比热时效节能(21.14-0.67)÷21.14×100%=96.8%，成本降低(119.20-2.00)÷119.20×100%=98%。由此看来，振动时效新技术与热时效相比经济效益十分显著。
5 结论
通过采用X射线衍射法测量铸铁件器热时效与振动时效前后的残余应力，说明热时效能消除残余应力的50%～70%，振动时效能消除残余应力的42%～62%，振动时效比热时效节能96.8%，成本降低98%。振动时效是一项可广泛应用的新技术。
兰州石油化工机器总厂铸铁厂 刘文显 选自《机械研究与应用》
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