学习认知钢的表面热处理

在实际生产中，对于一些在弯曲、扭转、冲击载荷、摩擦条件下工作的齿轮等机器零件，要求具有表面硬、耐磨，而心部韧，抗冲击的特性，仅从选材方面和采用前述的普通热处理方法去考虑是很难满足此要求的。若用高碳钢，虽然硬度高，但心部韧性不足；若用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨。因此，工业上广泛采用表面热处理来满足上述要求使零件达到“表硬心韧”的效果。

仅对钢件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺，称为表面热处理。常用的表面热处理工艺可分为两类：一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的表面淬火；另一类是同时改变表面化学成分和组织的表面化学热处理。

3.5.1 表面淬火

表面淬火是通过快速加热使工件表层奥氏体化，在热量未传到心部前，立即予以快速冷却，以使工件表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持原来塑性和韧性的退火、正火或调质状态的组织。目前，生产中常用的有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火两种方法。

图3-24　感应加热表面淬火示意图

感应淬火

1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是在工件中引入一定频率的感应电流（涡流），使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法，如图3-24所示。当感应圈中通过一定频率的交流电时，在感应圈周围将产生频率相同的交变磁场，置于磁场中的工件就会产生与这时感应线圈频率相同、方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层，由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。

生产上根据零件尺寸及硬化层深度的要求选择不同的电流频率。根据不同的电流频率，可将感应加热表面淬火分为三类：

（1）高频感应加热表面淬火：常用电流频率为80～1000 kHz，可获得的表面硬化层深度为0.5～2 mm，主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火。

（2）中频感应加热表面淬火：常用电流频率为2500～8000 Hz，可获得3～6 mm深的硬化层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火。

（3）工频感应加热表面淬火：常用电流频率为50Hz，可获得10～15 mm以上的硬化层，适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面淬火。

感应加热表面淬火的特点是加热速度极快，加热时间极短；感应淬火后，工件表层残存压应力，提高了工件的疲劳强度，而且工件变形小，不易氧化和脱碳；生产率高，易实现机械化和自动化，适于成批生产。

2.火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是一种以高温火焰为热源对工件表层进行快速加热，随即快速冷却的淬火工艺，如图3-25所示。

图3-25　火焰加热表面淬火示意图

1—工件；2—淬硬层；3—喷水管；4—火焰喷嘴。

火焰淬火的淬硬层深度一般为2～6 mm，适用于中碳钢、中碳合金钢及铸铁制成的大型工件。其特点是方法简便，不需要特殊设备，适用于单件或小批量生产。但加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不稳定。

3.激光加热表面淬火(https://www.xing528.com)

激光加热表面淬火是将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表层快速加热到奥氏体区或熔化温度，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层或熔凝层。由于激光束光斑尺寸只有20～50 mm2，要使工件整个表面淬硬，工件必须转动或平动使激光束在工件表面快速扫描。调整功率密度和扫描速度，硬化层深度可达1～2 mm。

激光加热表面淬火的优点是淬火质量好，表层组织超细化，硬度高，脆性极小，工件变形小，自冷淬火，不需要回火，节约能源，无环境污染，生产效率高，便于实现自动化。缺点是设备价格昂贵，在生产中大规模应用受限。

3.5.2 化学热处理

化学热处理是通过改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的表面热处理方法。

化学热处理的工艺过程一般是：将工件置于含有特定介质的容器中，加热到适当温度后保温，使容器中的介质（渗剂）分解或电离，产生渗入元素的活性原子或离子，在保温过程中不断地被工件表面吸附，并向工件内部扩散渗入，以改变工件表层的化学成分。化学热处理的方法有许多种，生产上常用的有渗碳、渗氮和碳氮共渗。

1.渗 碳

渗碳是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。

渗碳所用的介质通常称为渗碳剂，根据渗碳剂物理状态不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。气体渗碳法的渗碳过程容易控制，渗碳质量好，生产率高，易实现机械化和自动化，所以生产中应用广泛。

图3-26　气体渗碳法示意图

气体渗碳法如图3-26所示。工件被放置在充有气体渗碳剂的渗碳炉中，在渗碳温度（900～950 °C）下加热到奥氏体状态并保温，气体渗碳剂分解出的活性碳原子被工件表面吸收并向工件内部扩散，形成一定深度的渗碳层。常用的气体渗碳剂是裂化混合气体（天然气或煤气＋CH4＋C3H8）或有机液体（煤油、苯、甲醇、丙酮等）在高温下分解成的混合气体（CO、CH4、C2H4等）。

渗碳的目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，心部具有一定的强度和良好的韧性，因此，渗碳零件一般用碳的质量分数在0.10%～0.25%的低碳钢或低碳合金钢制造，如15、20、20Cr、20GrMnTi钢等。工件渗碳后，其表层碳的质量分数可达0.85%～1.05%，且从表层到心部碳的质量分数逐渐减少，心部仍保持原来低碳钢碳的质量分数。在缓慢冷却的条件下，表层为过共析钢组织，往里是共析钢组织、亚共析钢组织，中心为原始组织。

采用渗碳工艺的零件常选用低碳钢或低碳合金钢制造，常用的工艺路线为锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工→成品。

2.渗 氮

渗氮也称氮化，是在一定温度下，使氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。

渗氮的作用是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度和耐蚀性。

渗氮用钢主要是合金钢，Al、Cr、Mo、V、Ti等合金元素极易与氮形成颗粒细小、分布均匀、硬度很高而且稳定的氮化物，如AlN、CrN、MoN、VN、TiN等，这些氮化物对渗氮钢的性能起着重要的作用。对于以提高耐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素结构钢，如20、30、40钢等；对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一般合金结构钢，如40Cr、42CrMo等；而对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专用钢38CrMoAl。

渗氮的特点与应用：与渗碳相比，渗氮后工件无须淬火便具有高的硬度、耐磨性和热硬性，还具有良好的耐蚀性和高的疲劳强度，同时由于渗氮温度低，工件的变形小。但渗氮的生产周期长，一般要得到0.3～0.5 mm的渗氮层，气体渗氮时间为30～50 h，成本较高，渗氮层薄而脆，不能承受冲击。因此，渗氮主要用于要求表面高硬度、耐磨、耐高温的精密零件，如精密机床主轴、丝杠、镗杆和阀门等。

3.碳氮共渗

碳氮共渗是在金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。共渗层的力学性能兼有渗碳层和渗氮层的优点，具有高的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。碳氮共渗的速度明显大于单独渗碳或渗氮的速度，因而可缩短生产周期。气体碳氮共渗广泛用于汽车和机床中的齿轮、蜗轮及轴类零件等。

以渗氮为主的氮碳共渗，也称为软氮化。其特点是加热温度低，共渗时间短，工件变形小，不受钢种限制，渗层韧性好但硬度较低。软氮化一般用于模具、量具及高速工具钢刀具等。