时效处理

时效处理

1、时效处理的概念

为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250℃）精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。

时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。

时效处理可分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底。

金属结构件在铸造、焊接、锻压和机械切削加工过程中，由于热胀冷缩和机械力造成的变形，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能，使工件在成品后使用过程中因残余应力的释放而产生变形和失效。为消除残余应力，传统的工艺方法是采用自然时效和热时效。

自然时效是将工件长时间露天放置（一般长达六个月至一年左右），利用环境温度的不断变化和时间效应使残余应力释放。

热时效（TSR）工艺是目前广泛采用的传统机械加工方法，其原理是用炉窑将金属结构件加热到一定温度，保温后控制降温，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生。

振动时效（VSR）工艺是一种可完全取代TSR和NSR的工艺，其原理是用振动消除残余应力，可达到TSR工艺的同样效果，并在许多性能指标上超过TSR。

将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺时效处理可分为自然时效和人工时效两种自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底。

超声波时效法用于对机械零件焊接修复部位进行消除残余应力和强化处理。因此，超声波时效法在机械制造业和维护过程中具有广阔的应用前景。超声波时效方法的特点：1.是目前最彻底消除残余应力的时效方法（各种时效方法消除残余应力的情况如下：振动时效230-55%、热时效40-80%、热时效40-80%、超声

波时效80-100%。2.用于消除局部残余应力，完全可替代热处理和振动时效等方法，且处理工艺简单，效果稳定可靠。3.不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地之限制，特别是在施工现场、焊接过程和焊接修复时用于消除焊接应力更显灵活方便。 4.环保、节能、安全、无污染，施工现场使用更显灵活方便。

5.在焊接过程汇总边焊接超声处理可明显减少焊接变形。

6.一般只适用于对焊接应力的消除

2、选用原则

根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。高温下工作的铝合金适宜用人工时效，室温下工作的铝合金有些采用自然时效，有些必须人工时效。从合金强化相上来分析，含有S相和CuAl2等相的合金，一般采用自然时效，而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时，就需要采用人工时效来强化。比如LY11和LY12，40度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性，对于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6铆钉用合金则需要人时效。含有主要强化相为MgSi，MgZn2的T相的合金，只有采用人工时效强化，才能达到它的最高强度。将淬火后的金属工件置于室温或较高温度下保持适当时间，以提高金属强度的金属热处理工艺。

在机械生产中，为了稳定铸件尺寸，常将铸件在室温下长期放置，然后才进行切削加工。这种措施也被称为时效。但这种时效不属於金属热处理工艺。

20世纪初叶，德国工程师A.维尔姆研究硬铝时发现，这种合金淬火后硬度不高，但在室温下放置一段时间后，硬度便显着上升，这种现象后来被称为沉淀硬化。这一发现在工程界引起了极大兴趣。随后人们相继发现了一些可以采用时效处理进行强化的铝合金、铜合金和铁基合金，开创了一条与一般钢铁淬火强化有本质差异的新的强化途径——时效强化。绝大多数进行时效强化的合金，原始组织都是由一种固溶体和某些金属化合物所组成。固溶体的溶解度随温度的上升而增大。在时效处理前进行淬火，就是为了在加热时使尽量多的溶质溶入固溶体，随后在快速冷却中溶解度虽然下降，但过剩的溶质来不及从固溶体中分析出来，而形成过饱和固溶体。为达到这一目的而进行的淬火常称为固溶热处理。经过长期反复研究证实，时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒(一般是金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，形成一些体积很小的溶质原子富集区。在时效处理前进行固溶处理时，加热温度必须严格控制，以便使溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中，同时又不致使合金发生熔化。许多铝合金固溶处理加热温度容许的偏差只有5℃左右。进行人工时效处理，必须严格控制加热温度和保温时间，才能得到比较理想的强化效果。生产中有时采用分段时效，即先在室温或比室温稍高的温度下保温一段时间，然后在更高的温度下再保温一段时间。这样作有时会得到较好的效果。马氏体时效钢淬火时会发生组织转变，形成马氏体。马氏体就是一种过饱和固溶体。

这种钢也可采用时效处理进行强化。低碳钢冷态塑性变形后在室温下长期放置，强度提高，塑性降低，这种现象称为机械时效。

LY12CZ---十二号硬铝/淬火（自然时效）、LY12--十二号硬铝、C—淬火、Z—自然时效、碳钢的热处理符号：D--氮化、Y--油淬

根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。高温下工作的铝合金适宜用人工时效，室温下工作的铝合金有些采用自然时效，有些必须人工时效。

从合金强化相上来分析，含有S相和CuAl2等相的合金，一般采用自然时效，而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时，就需要采用人工时效来强化。比如LY11和LY12，40度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性，对于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6铆钉用合金则需要人时效。含有主要强化相为MgSi，MgZn2的T相的合金，只有采用人工时效强化，才能达到它的最高强度。

对于一般铝合金，自然时效时，屈服强度稍低而耐蚀性较好，采用人时效时，合金屈服强度较高而伸长率和耐蚀性都降低。对于铝－锌－镁－铜系合金入LC4则相反，当采用人工时效时，合金耐蚀性比自然时效好。

人工时效就是人为的方法，一般是加热或是冰冷处理消除或减小淬火后钢内的微观应力、机械加工残余应力，防止变形及开裂。稳定组织以稳定零件形状及尺寸。也叫稳定处理或稳定回火。其方法是：将钢件加热到120-150摄氏度，或更低的温度（80-120度）长时间保温后（5-20小时）随炉或取出在空气中冷却。

时效温度一般均比低温回火要低或更低，保温时间要长或更长；与冰冷处理相比，效果虽不如冰冷处理，但操作简便、无需专门的冷处理设备、成本低、一般工厂均可进行；适用于处理各种量具、卡规、卡尺、样板等和与此类似要求的精密机械上的零件，低温时效在半精加工后、精加工前进行。

3、处理实例

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为～1.2mm。渗碳层的含碳量为%～%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

钢号加热温度/℃冷却方式回火温度/℃预硬硬度HRC

3Cr2Mo 830～840 油冷或160～180℃硝盐分级580～650 28～36

5NiSCa 880～930 油冷550～680 30～45

8Cr2MnWMoVS 860～900 油或空冷550～620 42～48

P4410 830～860 油冷或硝盐分级550～650 35～41

SM1 830～850 油冷620～660 36～42

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

钢号固溶处理工艺时效处理工艺时效硬度HRC

06Ni6CrMoVTiAl 800～850℃油冷510～530℃×（6～8）h 43～48

PMS 800～850℃空冷510～530℃×（3～5）h 41～43

25CrNi3MoAl 880℃水淬或空冷520～540℃×（6～8）h 39～42

SM2 900℃×2h油冷+700℃×2h 510℃×10h 39～40

PCR 1050℃固溶空冷460～480℃×4h 42～44

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等

4、注意事项

过时效效应

冷轧板为了保证其性能的稳定性，使其在保质期内不发生时效以造成钢板的硬化，必须进行过时效处理，带钢在连续退火炉中的过时效段，首先发生的是时效效应，这使得经快冷后的钢中的碳弥散的析出，这个过程使钢板产生了时效硬化，随着析出的碳化物的长大，钢板的硬度达到了一个峰值，过峰值后，硬度开始下降，碳化物再次长大，带钢开始了过时效效应。总之，过时效就是使钢中的碳化物在晶内均匀的析出分布，减少钢中固溶的碳，降低成品钢板的时效性。所以过时效的温度对生产是十分重要的，温度高，会使过时效处理后钢中的铁素体

仍固溶大量的碳，过时效处理不佳，温度低，会降低碳的活度，不容易扩散。

过时效后钢板还会发生时效，只是时效性减弱，因为即使过时效处理后，冷却到室温后铁素体基体中仍固溶了一部分碳氮，随着时间的变化，仍会像平衡态转变，慢慢析出，再有种可能就是发生应变时效，关于应变时效我就不详细说了。另外为了减弱这些碳氮的作用，带钢退火后还必须经过平整处理，消除钢板的上下屈服点，减少钢板在冲压的过程中产生滑移线或者拉伸应变痕，但是上下屈服点过一段时间后仍会再次出现，所以冷轧板就有一定的保质期，一般6个月，所以使用单位买了冷轧板，要经快使用，不能放置很长时间。

基本理论是这样的：为了进一步降低固溶碳, 采用一次快冷到低于过时效温度, 然后再加热到过时效温度并实行倾斜过时效处理的所谓“R-OA ”工艺。快冷的目的就是将高温下铁素体晶格中溶解的高浓度的碳, 保持到较低的温度(250 ℃左右) , 使铁素体晶格产生严重的畸变, 从而有利于Fe3C 在铁素体晶格内部形核。Fe3C 形核之后的长大主要取决于热扩散过程, 显然温度越高扩散系数越大, 过时效时间就可缩短, 所以快冷到250 ℃左右之后, 又要加热到400 ℃左右的过时效温度, 以利于过饱和固溶体中的碳尽快析出。但是为降低固溶碳过时效温度也不能固定在400 ℃, 因为随着时效过程的进行, 在400 ℃温度条件下, 铁素体内碳的过饱和度越来越小, 最后接近其平衡浓度, 即接近

Fe2 Fe3C 相图PQ 线。如果缓慢降低过时效温度, 即倾斜过时效的话, 碳的平衡浓度将随着温度的降低沿PQ 线而降低, 有利于固溶碳的进一步析出,使最后残余的固溶碳含量降低, 这一方面可以降低固溶硬化, 更主要的是减小了固溶碳对可动位错的封锁或者钉扎, 使材料的抗时效性能、冲压性能(如制作D I 罐) 显着提高。可以从FE-C的C曲线去理解。