许多在动载荷及摩擦条件下工作的零件，如齿轮、凸轮轴、曲轴、主轴及机床床身导轨等，它们的表面或轴颈部分应具有高的硬度和耐磨性，而心部则应具有高的强度和韧性。要满足这种要求，单从选材上考虑是很困难的。若采用高碳钢，则心部韧性不足；若采用低碳钢，则表面硬度低而不耐磨。为此，工业上常常对零件进行表面热处理。
交流与讨论
发动机活塞、齿轮、链条这类零件 （图5.29～图5.31），受冲击载荷、交变载荷作用，心部需保持足够的塑性和韧性，但表面受摩擦、磨损，要求零件表面硬度高、耐磨。想一想冶炼厂能炼出这种要求表面硬而心部软的材料吗？采用整体淬火或正火能达到这种要求吗？
图5-29 发动机活塞
图5-30 齿轮
图5-31 链条
表面热处理是通过改变工件表层组织以改变表面性能的热处理工艺，主要有表面淬火和渗碳、渗氮等化学热处理。表面淬火是不改变工件表层化学成分，只改变表层组织和性能的热处理工艺；化学热处理是既改变工件表层化学成分又改变表层组织和性能的热处理工艺。
表面淬火
钢的表面淬火是通过快速加热方法，使表面奥氏体化并立即快冷获得马氏体，以提高钢的表面硬度的一种特殊淬火工艺。其目的是使工件获得表硬心韧的性能，主要用于要求表面有高的强度、硬度和耐磨性，而心部应具有足够的强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。根据加热方式的不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火等。
1.感应加热表面淬火
感应加热表面淬火是利用交变磁场产生的感应电流通过工件所产生的热量，使工件表面加热，然后快速用水冷却的淬火工艺。图5-32（a）是感应加热表面淬火示意图，图5-32（b）是感应加热表面淬火实景图。将需要表面淬火的零件，放入与它相适应的一个感应器内，感应圈与零件间需保持1.5～3mm的间隙，将一定频率的交流电通入感应线圈时，感应线圈的周围便产生交变磁场。零件在交变磁场的作用下产生感应电流。这种电流主要集中在零件表面层。由于电流热效应的作用，零件表面层迅速被加热到淬火温度，随之喷水急冷，使零件表面层淬硬。
图5-32 感应加热表面淬火
（a）感应加热表面淬火示意图；（b）感应加热表面淬火实景图
感应电流的大小与通入的交流电频率有关，频率越高表层感应电流越大，且表层越薄。按交流电频率，感应加热表面淬火有以下三种。
（1）高频感应加热表面淬火。电流频率为100～500k Hz，淬硬层深度为0.5～2mm。适用于淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类零件等。
（2）中频感应加热表面淬火。电流频率为500～10000Hz，淬硬层深度为2～10mm。适用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件等。
（3）工频感应加热表面淬火。电流频率为50Hz，淬硬层深度为10～20mm。适用于大直径轧辊、火车车轮等零件的表面淬火和穿透加热。
感应加热表面淬火的主要特点是：加热迅速 （几秒到几十秒），生产率高；淬硬层易于控制，淬火质量好，淬火变形小；易于实现机械化、自动化，适用于大批量生产。但设备较贵，不适用于形状复杂的零件，消耗电能较大。
感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的中小型工件的成批生产，目前应用最广泛的是汽车、拖拉机、机床和工程机械中的齿轮、轴类等，也可用于高碳工具钢、低合金工具钢和铸铁等工件。中碳钢淬火剂用水；合金钢可用聚乙烯醇水溶性淬火剂；如用油淬火，以埋入油中淬火较为安全，喷油很易着火。
2.火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔火焰（最高温度达3000℃）或其他可燃气火焰使工件表层快速加热，随后喷水快速冷却的表面淬火方法，如图5-33（a）所示。图5-33（b）所示为采用乙炔-氧火焰 （最高温度达3200℃）为齿轮零件进行火焰加热表面淬火实景图。
图5-33 火焰加热表面淬火
（a）火焰加热表面淬火示意图；（b）火焰加热表面淬火实景图
火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2～6mm。若淬硬层过深，往往容易使工件表面严重过热，产生变形与裂纹。此热处理工艺适用于中碳钢及中碳合金钢，单件小批生产的大型工件和需要局部淬火的工具或零件，如大型齿轮、车轮、大轴轴颈、轨道等。
火焰加热表面淬火操作简便，设备简单，成本低，灵活性大。但生产率低，加热温度不易控制，工件表面易过热，质量不稳定，限制了它在机械制造业中的应用，故适用于单件或小批量生产。
3.激光表面淬火
激光是20世纪最重大的科学发现之一。激光是具有高亮度、高方向性、高单色性的相干光束，这种神奇的光束可以达到任何其他已知光束所不能达到的聚焦精度，并且聚焦后可以将巨大的能量集中在非常小的范围内。激光表面淬火就是用高能量激光做热源，以极快的速度加热零件表面，让其自行冷却，使零件表面强化的热处理工艺。目前使用最多的是CO2激光器，CO2激光表面淬火如图5-34所示。
激光表面淬火快速、清洁，冷却不需要水或油等冷却介质，淬火变形几乎可以忽略，淬火硬度较常规淬火高10％～20％，可解决复杂零件、易变形零件难淬火的问题，特别适合高精度零件的表面处理。
图5-34 CO2激光表面淬火
例如，40钢制的轴，应用矩形激光 （10mm×17.8mm），扫描速度为305cm／min，淬火后得到0.3mm的淬硬层，硬度达57HRC；又如，美国在高速钢刀头敷上WC粉，激光照射扩散后，局部合金化，使刀具使用寿命提高2～3倍。
化学热处理
化学热处理是将零件放在一定的活性介质中加热，使某些元素渗入零件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。
化学热处理包含分解、吸收、扩散三个基本过程。
分解：化学介质在一定的温度下，由于发生化学分解反应，便生成能够渗入钢表面的“活性原子”。
吸收：活性原子被吸附在零件表面，并渗入表层的过程。活性原子既可以溶入铁的晶格中，也可以与铁形成化合物。
扩散：钢表面吸收活性原子后，使渗入原子浓度大大增加，这样就形成了表面和内部显著的浓度差，在一定的温度条件下，原子沿着浓度下降的方向扩散，结果便会得到一定厚度的扩散层。
目前在制造业中，最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。
1.渗碳
渗碳是将低碳钢 （含碳量0.1％～0.25％）工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入工件表层，以提高表层的含碳量，并形成一定碳浓度梯度的化学热处理工艺。渗碳后进行淬火可提高工件表层硬度和耐磨性，并保持心部良好的韧性，达到表硬心韧的目的。渗碳主要用于低碳钢、低碳合金钢等制作承受较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件，如汽车齿轮、套筒等。图5-35为20CrMnTi钢渗碳组织图。
图5-35 20CrMnTi钢渗碳组织图
视野拓展
渗碳方法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广。图5-36为气体渗碳的原理图与渗碳电路的外形。
图5-36 气体渗碳
（a）气体渗碳的原理图；（b）渗碳电路的外形
2.渗氮
渗氮也称氮化，是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性和疲劳强度等。
渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件，或承受交变载荷的重要零件以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件，如镗床主轴、高速精密齿轮、高速柴油机曲轴、气缸套筒、阀门和压铸模等。
渗氮与渗碳相比，有如下优点：
（1）渗氮温度低 （500℃～600℃），渗氮后不用淬火，零件变形小。
（2）渗氮层具有很高的表层硬度和耐磨性。如38Cr Mo Al钢渗氮层硬度高达1000HV （相当于69～72HRC）。
（3）渗氮后具有很好的耐蚀性。可防止水、蒸汽、碱溶液的腐蚀。
但渗氮的周期长 （如渗层为0.4～0.5mm，需用40～50h），成本高，不宜承受集中的载荷，并需用专用的氮化钢，这就使渗氮的应用受到一定限制。在生产中，渗氮主要用来处理重要和精密的零件，如精密机床的主轴、精密丝杆、镗杆等。
视野拓展
常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮。气体渗氮是在气体中进行的渗氮。将工件放入通有氨气（NH3）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渗氮层。离子渗氮是在一定真空度下的渗氮气氛中，利用工件 （阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。图5-37为离子氮化原理图与离子氮化实景图。
图5-37 离子氮化
（a）离子氮化原理图；（b）离子氮化实景图
3.碳氮共渗
碳氮共渗通常是指在气体介质中同时将碳、氮渗入工件表层的化学热处理工艺，目的是提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。根据共渗温度可分为低温 （520℃～580℃）碳氮共渗、中温 （760℃～880℃）碳氮共渗和高温 （900℃～950℃）碳氮共渗。共渗温度越高，含氮量越低，共渗层深度一般为0.3～0.8mm。
这种工艺是渗碳和渗氮的综合，兼有两者的优点。目前生产中应用较广的是中温 （一般约850℃）气体碳氮共渗。中温气体碳氮共渗主要起渗碳作用，故渗后须进行淬火及低温回火。它适用于低碳和中碳结构钢零件，如汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件。
练习与实践
一、选择题
1.用20钢制造摩托车链条，零件渗碳后还须进行 （ ）热处理才能获得所需性能。
A.淬火＋低温回火 B.淬火＋中温回火 C.淬火＋高温回火
2.化学热处理与其他热处理的基本区别是 （ ）。
A.加热温度 B.组织变化 C.改变表面的化学成分
3.下列化学热处理不用淬火就具有很高硬度的是 （ ）。
A.渗碳 B.渗氮 C.碳氮共渗
4.1968年出土的西汉 （公元前206—公元25年）中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15％～0.4％，而表面含碳量却在0.6％以上。根据此宝剑的制造技术，你认为西汉时期中国的工匠们就已经能进行 （ ）热处理工艺。
A.退火 B.正火 C.火焰加热表面淬火 D.渗碳
二、判断题 （下列说法你认为对的打√，错的打×）
1.表面热处理就是改变材料表面的化学成分，从而改变材料的性能。 （ ）
2.感应加热表面淬火时，通入电流频率越高，淬硬层越厚。 （ ）
3.渗碳件一般选用低碳钢或低碳合金钢。 （ ）
4.要提高15钢的表面硬度和耐磨性，可通过表面淬火达到。 （ ）
5.零件渗氮后，不需热处理表层就具有很高的硬度和耐磨性。 （ ）
三、简述与实践题
1.何谓表面热处理？常见的表面热处理有哪几种？
2.渗碳件通常选用什么材料？零件渗碳后还应进行什么热处理？渗氮与渗碳比较有哪些特点？
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