殘余應力消除 振動時效與熱時效孰優孰劣？
發布時間：2021/10/25
一、消除殘余應力的必要性
殘余應力的產生
鑄件在凝固過程中，由于不均勻冷卻(主要在700~400℃)而產生殘余應力。殘余應力主要由相變應力、熱應力(溫度應力)和收縮應力三部分構成。熱應力是鑄造殘余應力的主體，其大小決定了鑄件的殘余應力值。
各種鑄件的殘余應力如表1所示。一般來說，隨著鑄鐵強度的提高，殘余應力也會增高。
殘余應力的危害
殘余應力的危害主要有兩個方面：(1)根據鑄件結構的不同，鑄造過程中引起的殘余應力會使鑄件產生扭轉、彎曲等不規則的變形。同時，在進行切削加工時，原有的應力平衡被破壞，應力重新分布，導致鑄件產生變形，難于保證加工精度。(2)這些應力殘留在機體內，隨時間發生松弛和再分布，就會使機體產生變形甚至裂紋。
二、消除殘余應力的主要方法
工程上最有效地消除應力的工藝方法為時效處理。時效處理領域，除了傳統的自然時效和熱時效處理外，目前應用較廣的是振動時效處理，另外還有熱沖擊時效、爆炸時效等處理工藝也在不斷發展當中。
自然時效雖在殘余應力釋放的過程中不會降低鑄件的力學性能，但因其工藝周期長且占地面積大等缺點已較少使用。為此，本文僅對熱時效處理和振動時效處理進行比較介紹。
熱時效處理的特點
熱時效處理一般分為燃煤爐處理、燃油爐處理或電爐處理。其原理是將金屬結構件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達到消除殘余應力的目的，并保證加工精度和防止裂紋產生。其優點是可大幅度降低殘余應力，若爐溫均勻，嚴格控制升、降溫度，可消除 50%~70%的殘余應力。
熱時效能適當降低鑄件硬度，對需要加工的鑄件有軟化的作用，這是振動時效做不到的。缺點是設備需根據鑄件尺寸設計爐膛，不利于大型、長型鑄件的處理;工藝耗能大，因使用的燃料多為煤氣和原煤，對環境造成較大污染;而且相對占地面積較多。
振動時效處理的特點
振動時效在國外的應用已極其普遍，我國從上世紀 70 年代開始采用。當附加應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發生微觀或宏觀的塑性變形，從而達到降低和均化殘余應力的目的。
目前對振動時效機理達成的共識是：從宏觀角度分析，振動使工件發生塑性變形，降低和均化其殘余應力，從而提高材料的抗變形能力，這是導致工件尺寸穩定的基本原因。從微觀角度分析，殘余應力的本質是由位錯引起的。振動一定時間后，由于位錯纏結，金屬組織變化趨于穩定。
與熱時效和自然時效相比，振動時效的優點是能耗低、污染小，能夠提供較好的勞動條件;生產周期短;投資小、維修費用低;設備占地少，易于實現自動化;工件無須清理氧化皮，并保持原有的金屬光澤。
三、工藝過程、成本及環保情況對比
熱時效處理工藝情況
熱時效處理工藝一般是將鑄件開箱、冷卻到室溫后去除澆冒口、型芯和砂芯、打磨去披縫，再放入熱處理爐中加熱至 500~550 ℃保溫進行時效處理，周期一般約為 24 h，工藝路線如圖 1 所示。
熱時效處理最重要的工藝參數是溫度，但具體工藝還與鑄件的厚度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度等有關。從消除應力考慮，加熱溫度高一些為好;但從保證鑄件力學性能，防止滲碳體的球化和石墨化角度看，加熱溫度應低一些，一般選取 500~550 ℃。
該工藝的設備造價約為 4000 元/m3 左右，年維護費用為 300~400 元/m3，所消耗的油、電、煤氣和原煤折合標準煤約為 140~240 kg/t，需人工約 2~3 工時/t，加上運輸、其它輔助工作(如去除氧化皮等)，鑄件的處理費用約為400~600 元/t。
振動時效工藝情況
振動時效處理是將一個具有偏心重塊的電機系統(稱做激振器)安放在構件上，并將鑄件用橡膠減震墊等彈性物體支撐，如圖 3 所示。
(圖為北京翔博科技自主研發的頻譜諧波時效設備)
通過控制器啟動電機并調節其轉速，使構件處于共振狀態，經一定時間的振動處理即可達到調整殘余應力的目的。耗能為熱時效處理的 1%~2%，需人工 0.1~ 0.2 工時/t。
目前，頻譜諧波時效設備通過對鑄件進行頻譜分析找出鑄件的幾十種諧波頻率，在幾十種諧波頻率中優選出對消除鑄件殘余應力效果最佳的 5 種不同振型的諧波頻率進行時效處理，達到多維消除應力提高尺寸精度穩定性的目的。因處理的轉速經過優化，可解決傳統共振設備噪音大的問題，并可廣泛應用于各種鑄件。
從成本角度，熱時效燃料多數使用電或天然氣，每天開爐一次，熱時效成本在3000元以上，每年按照300天計算，年熱時效成本將近100萬元。
不僅如此，熱時效還存在污染問題，如來源于普遍存在的火電，燃燒產生的煙氣、粉塵、爐渣等造成二次污染。
據保守估測，如果國內20%左右的機械制造企業采用振動時效代替熱時效，每年可減少CO2排放量1000多萬噸;減少SO2排放量120多萬噸和其他大量有害氣體的排放。
國內外大量的應用實例證明，去除、均化殘余應力，振動時效在高效、節能、環保等方面，其能耗降低約95%，時效成本降低約90%。
總結
熱時效處理與振動時效處理仍是目前消除殘余應力的主要途徑。熱時效處理雖能耗高、污染重，但因現有企業擁有較多、應用時間長等因素，很多企業仍在使用。不過從長遠來看，近年來國家提倡“碳達峰”、“碳中和”，從節能、降耗、減排的綠色發展趨勢來看，振動時效能耗僅為熱時效的 1%~5%，且環境污染小，未來會被越來越多企業采用。
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