生产中很多机械零件要求其表面具有较高的强度、硬度和耐磨性，而心部则要求具有足够的塑性和韧性，这种情况可以通过表面热处理，仅使工件表面强化，来满足以上性能要求。表面热处理是指为改变工件表面的组织和性能，仅对工件表层进行的热处理工艺，包括表面淬火和化学热处理。
1.钢的表面淬火
表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热，将表层加热到奥氏体化温度后进行淬火，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织仍然不变的热处理工艺。目前生产中广泛应用的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。
1）感应加热表面淬火
图3-33 感应加热表面淬火的原理
（1）感应加热表面淬火的原理。如图3-33所示，将工件放入铜管制成的感应器（线圈）中，并通入一定频率的交流电，在感应器周围将产生一个频率相同的交变磁场，于是在工件表面就会产生频率相同方向相反的感应电流，这个电流在工件内形成回路称为涡流。涡流在工件内分布是不均匀的，表层电流密度大，心部电流密度小，这种现象称为“集肤效应”。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表层的涡流将产生电阻热使工件表层迅速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却，工件表层即被淬硬，从而达到表面淬火的目的。
感应加热表面淬火后，要进行180～200℃的低温回火，以降低淬火应力，保持高硬度高耐磨性。
（2）感应加热淬火的种类及应用范围。根据所用电流频率的不同，可分为高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热三种，如表3-6所示。
表3-6 感应加热淬火的种类及应用范围
（3）感应加热表面淬火的特点。与普通淬火相比，感应加热淬火具有加热速度快、加热温度高、淬火质量好、生产效率高等特点，但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的零件不易制作感应器，不适于单件生产。
感应淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢，也可用于高碳工具钢、低合金工具钢及铸铁等。一般表面淬火前应对工件进行正火或调质，以保证心部有良好的力学性能。
2）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰，将工件表层快速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却的热处理工艺，如图3-34所示。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2～8 mm。
火焰加热表面淬火具有操作简便、设备简单、成本低等优点，但加热温度不够均匀，淬火质量较难控制。适用于单件、小批生产以及大型零件的表面淬火。
2.钢的化学热处理
化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层的组织，而且改变其化学成分，获得一般表面淬火达不到的特殊性能（如耐热性、耐蚀性以及减摩性等），从而提高钢的使用性能，延长使用寿命。
图3-34 火焰加热表面淬火示意图(https://www.xing528.com)
化学热处理的方法很多，目前最常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
1）钢的渗碳
渗碳是将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。
（1）渗碳的目的及应用。渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢。渗碳的目的是提高工件表层碳的质量分数，经淬火和低温回火后，提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍然保持良好的塑性和韧性。渗碳一般用于在较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件，如汽车变速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒等。
（2）渗碳方法。根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。常用的是气体渗碳。如图3-35所示是气体渗碳示意图，即将工件置于密封的井式气体渗碳炉中，加热到930℃左右，滴入容易分解和气化的有机液体（煤油、甲醇、苯等）并保温一定时间，使渗碳介质在高温下分解出活性碳原子，并被工件表面吸收，被吸收的活性碳原子由表面逐渐向工件内部扩散，形成具有一定深度的渗碳层。渗碳后，渗层深度可达0.2～2.5 mm，表层碳的质量分数以0.85％～1.05％为最佳。
（3）渗碳件的热处理及性能。工件渗碳后必须进行淬火和低温回火才能达到预期的性能。经渗碳、淬火、低温回火处理后，工件表面硬度可达58～64 HRC，耐磨性较好，心部硬度可达30～45 HRC，具有较高的强度、韧性和一定的塑性。
2）钢的渗氮
渗氮也称氮化，是将工件在渗氮介质中加热并保温，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。
图3-35 气体渗碳示意图
常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮两种。气体渗氮是将工件置于通入氨气的井式渗氮炉中，加热到500～570℃，使氨气分解出活性氮原子，活性氮原子被工件表面吸收，并向内部逐渐扩散形成具有一定深度的渗氮层。渗氮层深度一般为0.1～0.6 mm，其渗氮时间为40～70 h，故气体渗氮生产周期很长。
与渗碳相比，气体渗氮工件表面硬度更高，可达到1000～1200 HV（相当于69～72 HRC）；渗氮温度较低，且渗氮后不需要进行其他热处理即可达到较高的硬度，因此渗氮件变形较小；渗氮层的耐磨性、耐腐蚀性、热硬性及疲劳强度均高于渗碳层。但渗氮层薄而脆，渗氮周期较长，生产效率低，因此渗氮主要应用于耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、汽轮机阀门及阀杆、发动机气缸和排气阀等。
3）钢的碳氮共渗
碳氮共渗是在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗应用较为广泛。
中温气体碳氮共渗实质上是以渗碳为主的共渗工艺。零件经共渗后须进行淬火及低温回火。中温气体碳氮共渗主要用于低碳及中碳结构钢零件，如汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件等。
低温气体碳氮共渗实质上是以渗氮为主的共渗工艺。与一般渗氮相比渗层脆性较小，故又称软氮化。这种工艺生产周期短，成本低，零件变形小，不受钢材限制，常用于汽车、机床上的小型轴类、齿轮以及模具、量具和刃具等。
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