第三节 钢的表面热处理
许多机械零件在工作时，要求其表面和心部具有显著不同的性能，如在交变载荷作用及摩擦条件下工作的齿轮、凸轮、传动轴、曲轴等。其表面与其他零件有接触摩擦，因而要求表面有较高的硬度和耐磨性；而零件要传递运动或动力，作用有比较大的力矩、扭矩甚至要承受冲击，要求心部有高的强度和韧性。一般材料不能满足这些互相矛盾的性能要求，但可以通过表面热处理来解决。
目前常用的表面热处理方法有两类，即表面淬火与化学热处理。
一、表面淬火
表面淬火是利用快速加热的方法，使钢件表层迅速奥氏体化，当热量尚未传至心部时，将其迅速冷却。这样，表层淬火得到马氏体，再进行低温回火获得回火马氏体组织，而心部仍为综合机械性能较好的原始组织（正火或调质组织），从而使工件表层和心部达到上述两种不同的性能要求。
图3-15感应加热表面淬火原理示意图
按加热方式不同，表面淬火又分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。目前生产中最常用的是感应加热表面淬火。
感应加热表面淬火的原理如图3-15所示。
首先，根据工件的形状和尺寸设计制造一个由紫铜管绕成的感应圈。在表面淬火时，将工件置于感应圈内，当感应圈上接通交变电源后，就会产生一个交变磁场，在交变磁场中的导体（工件）上就会产生同频率的交变感应涡流电流。交变涡流有一个特性，即在沿工件截面上的分布是不均匀的，电流密度趋集于工件的表层，而心部几乎等于零，这种现象叫做“集肤效应”，交变电流频率越高，集肤效应越显著，于是工件表层由大密度电流作用产生极大的电阻热，将工件表层迅速（几秒至几十秒内）加热至淬火温度（800～1000℃），随后立即喷水冷却，使工件表层淬火硬化。
感应电流的透入深度δ决定了工件表面淬硬层深度。δ值可由下式确定：
δ=5.03×104×
式中：ρ——工件材料的电阻率；
μ——工件材料的导磁率；
f——交变电流频率。
由上式可知，当工件材料一定时，δ值取决于交变电流频率f，f值越大则δ值越小。因此，可以根据对工件淬硬层深度的要求来选用适当的交变电源频率。
表面淬火适用于含碳量为0.4%～0.5%的钢，如40、45、40Cr、40MnB等。含碳量过高，可提高表面淬火后的表面硬度与耐磨性，但会增大淬硬层脆性，降低心部的
塑性与韧性，并增大淬火开裂的倾向；含碳量过低，会降低表面淬火后的表面硬度与耐磨性，以及心部的强度。
根据所用电源频率的不同，感应加热表面淬火可分为如下三种：
1.高频淬火
高频淬火常用电源频率为200～300kHz，淬硬层深度为1～2mm，主要用于小型轴类件及小模数齿轮件的表面淬火。
2. 中频淬火
中频淬火常用电源频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm，主要用于直径较大的轴件及大、中模数齿轮的表面淬火。
3. 工频淬火
工频淬火所用电源频率为50Hz，淬硬层深度可达10～20mm，主要用于大型工件如轧辊、火车轮等的表面淬火。
二、化学热处理
化学热处理是将工件放入一定的化学介质中，经过加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被工件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。
化学热处理中，原子渗入工件表层的基本过程如下。
分解：加热时，介质中发生化学反应分解产生渗入元素的活性原子；
外扩散：活性原子由工件表面附近的层流层中向工件表面扩散；
吸附：活性原子被工件表面铁晶格捕获；
内扩散：铁晶格捕获的活性原子由工件表面向内扩散，形成一定厚度的渗层。
通过化学热处理可以提高工件表层的硬度、耐磨性和疲劳强度；可以提高工件表层的耐蚀性及抗氧化性等。
图3-16井式气体渗碳电阻炉结构示意图1-风扇2-废气出口3-炉盖4-砂封5-电阻元件6-耐热罐7-工件8-炉体9-渗剂入口
生产中常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。
（一）渗碳
渗碳是把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层的化学热处理方法。
通过活性碳原子向工件表层渗入，提高了工件表层的含碳量，再经过淬火和低温回火后，表层为高碳回火马氏体，具有高硬度和高耐磨性，而心部为低碳回火马氏体或索氏体，强度高、韧性好。渗碳主要用于承受强烈摩擦、冲击以及容易疲劳损坏的零件，如齿轮、轴类、链条、套筒等。
渗碳用钢一般为低碳钢，即含碳量0.1～0.25%的碳素钢和低合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。含碳量过高会使心部韧性降低，所以渗碳钢含碳量一般不超过0.3%。
根据渗碳介质的物理状态，渗碳分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，目前应用最广泛的是气体渗碳。
1. 气体渗碳
气体渗碳用的渗碳介质多为碳氢化合物：煤气、天然气等气体介质；煤油、丙酮、丙烷、丁烷等易气化分解的液体介质。为加速渗碳介质的分解及活性碳原子[C]的吸收和扩散，渗碳加热温度一般为900～950℃。工件的渗碳层深度取决于渗碳温度、活性碳原子浓度和渗碳时间。
渗碳层深度一般为0.2～2mm，表面层含碳量可提高到0.85～1.0%。渗碳层深度由工件的工作条件及截面尺寸大小而定。渗碳层太厚，会使冲击韧性降低；渗碳层太薄，容易引起表面疲劳剥落。渗碳后的工件必须进行淬火和低温回火才能有效地发挥渗碳的作用。
气体渗碳容易控制、质量好、劳动条件好、生产率高，在三种渗碳工艺中是应用最广泛的一种。
2. 固体渗碳
固体渗碳介质常用一定大小的块状木炭加10～20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3等）的混合物。
固体渗碳是将工件和渗碳介质一同装入渗碳箱中，使工件埋在渗碳介质中，渗碳箱加盖并用耐火泥进行密封，送入加热炉中加热到900～950℃，保温。渗碳箱中空气中的氧与渗碳介质中的碳作用，生成CO，CO在高温下不稳定，遇到钢件表面分解，产生活性碳原子，被钢件表面吸收，并逐步向内部扩散。
2CO→CO2+[C]
固体渗碳操作简单，成本低，容易实现，但质量不容易保证，并且劳动条件差、生产率低。固体渗碳的劳动条件差是由于木炭的密度小，在混合渗剂过程中容易飘浮起来。
3. 液
体渗碳
液体渗碳是把工件放进熔盐中进行渗碳，渗碳速度快，渗碳过程不容易控制，而且工件表面粘盐，清理困难，所以液体渗碳应用也较少。
（二）渗氮（氮化）
向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度的富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮（氮化）。其目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及红硬性。
渗氮处理有气体氮化、离子氮化等工艺方法，其中气体氮化应用最广泛。气体氮化常用氨气作为氮化介质，氮化过程和气体渗碳相似。将零件放在带进气口、出气口的密封容器中，通入氨气，加热到500～600℃，氨分解产生活性氮原子[N]：
2NH3→3H2+2[N]
活性氮原子被工件表面捕获并向内部扩散，形成富氮硬化层。氮化层厚度一般为0.25～0.6mm。渗氮时间较长，例如，要得到深度为0.4～0.5mm的渗氮层时，需保温40～70h。氮化结束后，随炉降温至200℃以下，停止供氮，工件出炉空冷。
氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢，如38CrMoAl、35CrMo、40Cr等。氮化层由碳、氮溶于α-Fe的固溶体和碳、氮与铁的化合物组成，还含有高硬度、高弥散度的稳定的合金氮化物AlN、MoN、CrN等。氮化层硬度可达69～73HRC,而且可在600～650℃保持较高的硬度。
钢件在氮化前需要进行调质处理，使工件基体获得良好的综合机械性能。氮化后的富氮层已经具有高的硬度和耐磨性。因此，氮化后工件不再进行其他热处理，可避免已成形工件再进行热处理带来的变形等缺陷。
渗氮与渗碳相比，渗氮温度大大低于渗碳温度，工件变形小；氮化层的硬度、耐磨性、耐疲劳强度、耐蚀性及红硬性均高于渗碳层。但氮化层比渗碳层薄且脆；氮化处理时间比渗碳长的多，生产率低。氮化处理广泛用于如磨床主轴、镗床镗杆等要求高精度、表面高硬度、高耐磨性的精密零件及要求高耐磨性的模具等。
目前又出现了一种新的渗氮工艺——离子氮化，是将工件放入真空容器中，往真空室中通入氨气，加高压电场使含氮的稀薄气体产生辉光放电，电离后的氮离子以极高的速度轰击工件表面，使工件表面温度升高，并使氮离子获取电子成为氮原子，渗入工件表层，故而又称为辉光离子氮化。离子氮化比气体氮化所需时间短，氮化质量好，氮化层的脆性小，韧性和疲劳强度大，从而提高了生产效率和零件的使用寿命，不足之处是生产成本高。
（三）碳氮共渗（氰化）
碳氮共渗是同时向工件表面渗入活性碳原子和活性氮原子的一种化学热处理工艺，因早期只使用剧毒的氰盐（NaCN或KCN）作为介质，故又名为氰化。现多用无毒的含碳和氮的介质，例如向炉膛通入煤油和氨气的热分解气体，同时形成渗碳、渗氮气氛的气体氰化。
根据氰化温度的不同，气体氰化又分为高温氰化(900～950℃)、中温氰化(800～870℃)和低温氰化(500～600℃)三种工艺方法。
高温氰化以渗碳为主，氰化处理后，工件还需要进行淬火和低温回火处理；低温氰化以渗氮为主，即所谓的“软氮化”工艺，它与一般的气体氮化相比，渗层硬度较低、脆性较小，生产周期短、零件变形较小；中温氰化兼顾渗碳和渗氮，是介于高温氰化和低温氰化之间的一种氰化工艺。
