热处理表面处理（表面热处理与化学热处理各有千秋）

热处理表面处理（表面热处理与化学热处理各有千秋）1.感应加热基本原理 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。 表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，以提高其在扭转、弯曲等交变循环载荷或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命。它不改变工件表面化学成分，而是采用快速加热力式，使工件表层迅速奥氏体化，使心部仍处于临界点以下，并随之淬火，使表面硬化。根据加热方法的不同，表面淬火方法主要有:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液表面淬火等。目前生产中应用最多的是感应加热表面淬火。(一)感应加热表面淬火

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生产中有些零件如齿轮、花键轴、活塞销等，要求表而具有高硬度和耐磨性，心部具备一定的强度和足够的韧性。在这种情况下，如果单从材料方面去解决是很困难的。若选用高碳钢，淬火后硬度虽然很高，但心部韧性不足;若采用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度和耐磨性均较低。这时就需要考虑对零件进行表面热处理或化学热处理，以满足上述特殊要求。

一、钢的表面热处理

表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。其中表面淬火是最常用的表面热处理。

表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，以提高其在扭转、弯曲等交变循环载荷或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命。它不改变工件表面化学成分，而是采用快速加热力式，使工件表层迅速奥氏体化，使心部仍处于临界点以下，并随之淬火，使表面硬化。根据加热方法的不同，表面淬火方法主要有:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液表面淬火等。目前生产中应用最多的是感应加热表面淬火。

(一)感应加热表面淬火

利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。

1.感应加热基本原理

一个线圈通以交流电，就会在线圈内部和周围产生一交变磁场。例如，将工件置于此交变磁场中，工件中将产生一交变感应电流，其频率与线圈中电流频率相同，在工件中形成一闭合回路，称为“涡流”。但是，涡流在工件内的分布是不均匀的，表面密度大，心部密度小。通入线圈的电流频率越高，涡流越集中于工件的表层，这种现象称为“集肤效应”。依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，淬硬工件表面层。这就是感应加热表面淬火的基本原理，如图6-13

2.感应加热表面淬火的特点

感应加热表面淬火与普通加热淬火相比，具有如下下特点:

(1)加热时间短，工件基本无氧化和脱碳，而且变形小。奥氏体晶粒细小，淬火后获得细小马氏体组织，使工件表层比一般淬火硬度高2~3HRC，而且脆性较低。工件表面淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，因此，提高了工件的疲劳强度。

(2)加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。

(3)感应加热设备投资大，维修调试比较困难。

3.感应加热表面淬火的应用

感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45钢、40C40MnB等。淬火时工件表面加热深度主要取决于电流频率。生产上通过选择不同的电流频率来达到满足不同要求的淬硬层深度。

根据电流频率不同，感应加热淬火分为三类:高频感应加热、中频感应加热和工频感加热。

表6-3为感应加热表面淬火的应用。

感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。回火温度比普通回火温度稍低，以降低淬应力。生产中有时采用自回火法，即当淬火冷至200℃左右时，停止喷水，利用工件中的余热量达到回火的目的。

感应加热表面淬火零件的工艺路线一般为;毛坯锻造(或轧材下料)一退火或正火一粗加工一调质一精加工一感应加热表面淬火一低温回火一磨削加工。

(二)火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是利用乙炔-氧气或其他可

燃气体燃烧的火焰对工件表层加热，随之快速冷却的淬火工艺，如图6-14 所示。

火焰加热表面火的淬硬层深度一般为2~6mm，若淬硬层过深，往往会引起工件表面产生过热，甚至产生变形与裂纹。

火焰加热表面淬火操作筒便，不需要特殊设备，成本低。但生产率低，工件表而容易过热，质量难以控制，因此，使用受到一定限制。火焰加热表面淬火主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴、轧辊等。

二、钢的化学热处理

钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，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，其特点是表层不仅有组织的变化，而且有化学成分的变化。

化学热处理方法很多，通常以涉人元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得的性能也不相同。渗碳、渗氮、碳氮共渗是以提高工件表面硬度和耐磨性为主;渗金属的主要目的是提高耐腐蚀性和抗氧化性等。化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成。即渗人介质在高温下通过化子及应进行分解，形成渗人元素的活性原子;渗人元素的活性原子被钢的表面吸附，进入晶格内形成固溶体或形成化合物；被吸附的渗入原子由钢的表层逐浙向内扩散，形成一定深度的扩散层。目前在机械制造业中，最常用的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。

(一)渗碳

为提高工件表层碳的质量分数，并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗人的化学热处理工艺称为渗碳。

渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%-0.25%的低碳钢和低合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnT等钢。经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火，使工件表面获得高的硬度(56~64HRC)、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。渗碳被广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上、如齿轮、凸轮轴、活塞销等。

根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最广泛。气体渗碳是工件在气体渗碳介质中进行的渗碳工艺。它是将工件放人密封的加热炉中(如井式气体渗碳炉)，通人气体渗碳剂进行渗碳，如图6-15所示。

渗碳零件的工艺路线一般为:毛坯锻造(或轧材下料)一正火一粗加工、半精加工一渗碳一淬火一精加工（磨削加工）

(二)渗氮(氮化)

在一定温度下，于一定介质中，使氮原子渗人工件表层的化学热处理工艺称为渗氮，又称氮化。其目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。

渗氮处理广泛应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、交变循环载荷作用下要求疲劳强度高的零件(如高速柴油机曲轴)以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件(如阀门)等。但是氮化层薄而脆，不能承受冲击和振动;而且渗氮处理生产周期长，生产成本较高。钢件渗氮后不需淬火就可达到68-72HRC的硬度，目前常用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮两种。

零件不需要渗氮的部分应镀锡或镀铜保护，也可留 1mm的余量，在渗氮后磨去。

渗氮工件的加工工艺路线一般为:毛坯锻造→退火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→镀锡(非渗氮面)→渗氮→精磨或研磨(

三)碳氮共渗

在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根据共渗温度不同，碳氮共渗可分为低温(520-580℃)、中温(760~880℃)和高温(900~950℃)碳氮共渗。碳氮共渗的目的主要是提高工件表层的硬度和耐磨性。