渗碳零件表面有硫化物状层

有些零件，如齿轮、曲轴、支承销、离合器等，既要求有高的硬度以耐摩擦，又要求有高的韧度以承受冲击。但一般的整体淬火方法，硬度与韧度不能同时提高，例如中碳钢或高碳钢经淬火+低温回火，得到的硬度和耐磨性可合乎要求，但韧度则不合乎要求。若用低碳钢淬火+低温回火，虽然低碳马氏体有较好的韧度，但耐磨性又相差甚多。而采用表面热处理，则能获得表面高硬度和心部高韧度的零件。

3.4.1 表面淬火

表面淬火的工艺特点是快速加热，使工件要求淬硬的表面迅速升至淬火温度，而心部仍保持Ac1以下温度，再迅速冷却，结果工件表面层被淬硬为马氏体组织，心部仍是原来的组织，保持了良好的韧度。再经过适当的低温回火，就能获得要求的性能。

根据加热方法不同，表面淬火方法可分为以下三种。

1.火焰加热表面淬火法

利用氧—乙炔焰直接加热工件。氧—乙炔焰的温度可达3 000℃，用这种火焰喷射工件表面，使之快速加热，达到淬火温度后，立即喷水淬火。淬火以后，进行必要的低温回火。这种淬火方法的淬硬层深度一般为2mm～6mm。适宜表面淬火的钢有中碳钢或中碳合金钢，如45钢、40铬等。

火焰表面淬火法不需要特殊设备，成本低廉，操作简便，适用于单件小批生产、大型零件及修配工作。但是此法全凭经验操作，加热不慎，可能造成钢件过热，甚至烧毁，也可能因温度不足没有淬硬，且淬硬层深度也不易控制。

2.感应加热表面淬火法

感应加热是一个能量转化过程，如工件中感应电流足够大，则产生的热量可使工件加热至相变温度以上。

金属是良好的导体，当导体内通过直流电流时，沿导体整个截面的电流密度是均匀分布的。当导体内有感应电流通过时，沿导体整个截面的电流密度的分布是不均匀的，在靠近导体表面部分的截面处，电流密度最大，而心部电流密度几乎为零。交流电流频率愈高，感应电流密度最大的表面层就愈薄。这种现象称为集肤效应。

由于集肤效应和工件本身有电阻，因此，工件表面能迅速被加热，而心部几乎未被加热。交变电流频率愈高，集肤效应就愈显著，加热层也就愈薄，因此，可选用不同的频率控制加热层厚度，从而控制不同的淬透层深度。

在生产中，根据所用电流频率的不同，可将感应加热表面淬火法分为以下三种，其分类及应用见表3－2。

表3－2 感应加热表面淬火的分类及用途

（1）高频感应加热。电流频率为100k Hz～500k Hz，我国目前主要采用电子管式高频发生装置，频率为200k Hz～300k Hz，淬硬层深度为0.5mm～2mm。高频感应加热主要用于淬硬层较浅的中小型零件加热，如中小型轴、小模数齿轮等。为提高高频淬火质量，零件的原始组织应力求均匀细小，因此，在高频淬火前应进行预备热处理即正火或调质处理。例如，需高频淬火的齿轮的工艺路线如下。

锻造→正火或退火→粗加工→调质→半精加工→高频淬火→低温回火→磨削

高频感应加热速度极快，只有几十秒。由于加热速度快、时间短、加热温度高，因此，钢的表面奥氏体化淬火温度应为Ac3+（80～150）℃。虽然加热温度较高，但得到的奥氏体晶粒反而更均匀细小，因此，淬火后得到的马氏体硬度比普通淬火达到的硬度高2HRC～3HRC。淬火后为了消除应力，应进行100℃～150℃的低温回火。

（2）中频感应加热。电流频率为500Hz～10 000Hz，常用频率为2 500Hz～8 000Hz。中频加热装置常为中频发电机或可控硅中频发生器，淬硬层深度可达2mm～10mm，主要用于要求表面淬硬层较深的零件，如尺寸较大的曲轴等。

（3）工频感应加热。电流频率为50Hz，设备为机械式工频加热装置，淬硬层深度可达10mm～15mm。工频感应加热主要用于要求淬硬层深的大直径零件，如轧辊、火车车轮等。

感应加热表面淬火在生产中应用很广，主要优点是加热快，操作迅速，生产率高，晶粒细小，不易产生变形、氧化、脱碳，适于成批生产。但它不适于形状复杂的零件和单件生产。

3.激光加热表面淬火法

激光加热表面淬火法是近年发展起来的表面强化新技术。它用激光扫描工件表面，用红外线将工件表面温度迅速加热到钢的临界点上，随着激光束的离开，工件表面的热量迅速向周围散开，可自行冷却淬火。

激光淬火的淬硬层深度一般为0.3mm～0.5mm，可得到极细的马氏体组织。它适用于其他表面淬火方法难以做到的复杂形状如拐角、盲孔、深孔等工件的淬火。

3.4.2 化学热处理

经过表面淬火的工件，表面硬度并不很高，一般为52HRC～54HRC，心部韧度也有限。若同时要求表面硬度和心部韧度都很高的工件，则应采用化学热处理。此外，机器零件还有各种物理、化学性能方面的特殊要求，也可用化学热处理得到满足。

化学热处理是把工件放在特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面以改变表层的成分和组织，使工件表层与心部具有不同的力学性能或特殊的物理、化学性能。

根据渗入元素的不同，钢的化学热处理可分为渗碳、渗氮和渗其他元素等几种。无论是渗入哪种元素的热处理方法，其整个工艺过程都是由三个阶段组成的。第一阶段，介质在一定温度下发生分解，产生能渗入工件表面的某种元素的活性原子。第二阶段，活性原子被工件表面吸收。吸收方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格而形成固溶体或与钢中的某种元素形成化合物。第三阶段，活性原子由工件表面向内部扩散，形成一定厚度的渗层。加热温度越高，原子扩散就越快，渗层也就越厚。在温度确定后，渗层厚度主要由保温来控制。

1.渗碳

钢的表面吸收碳原子的过程称为渗碳。渗碳的目的是使零件表面获得高硬度（58HRC～64HRC），心部获得较高的强度和韧度。零件渗碳层深度一般为0.5mm～2.0mm。渗碳件采用低碳钢，通过渗碳，表面含碳量要求控制在0.85％～1.1％。

所谓渗层的深度一般是指从工件表面至亚共析层深度一半处的距离。渗碳后的零件必须进行淬火与回火处理。

一般渗碳零件的工艺路线如下。

锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削

渗碳可以在气态的、固态的、液态的含碳介质中进行。含碳的介质称为渗碳剂。

（1）气体渗碳法。气体渗碳主要是用甲烷、煤气、甲苯、煤油等渗碳剂在高温下分解出活性碳原子进行渗碳的。如图3－12所示，工件在密封炉中，加热至渗碳温度（900℃～930℃），并向炉内加入渗碳剂。渗碳速度为每小时渗0.2mm～0.25mm。

（2）固体渗碳法。固体渗碳剂主要是木炭，其次是少量碳酸盐（如Ba CO3、Na2CO3等）。将混合均匀的渗碳剂与工件按图3－13所示的要求装入渗碳箱中，密封后放入炉中加热到900℃～950℃，使其呈单相奥氏体状态，有较强的溶碳能力。在渗碳温度下，木炭与渗碳箱中的少量氧气生成CO，再经分解便产生活性碳原子，从而被钢的表面吸收。随着保温时间的延长，碳原子向深层扩散。生产中一般按每小时渗0.1mm～0.15mm来控制渗碳时间。

图3－12 气体渗碳

图3－13 固体渗碳

（3）液体渗碳法。因为有毒性气体产生，所以应用不广泛。

2.氮化

氮化是使工件表面渗入氮原子。氮原子先溶入α铁中，饱和后则形成各种氮化物，使工件表面具有很高的硬度和耐磨性，并有良好的耐腐蚀性和疲劳强度。

目前，应用较广的是气体氮化法，把工件放在专门氮化的炉子里，加热到500℃～600℃，同时通入氨气（NH3）。氨气加热到450℃就分解出活性氮原子，扩散渗入工件表层，形成氮化层，经过40h～70h，氮化层厚度才达到0.4mm～0.5mm。然后，炉冷到200℃以下，停止通入氨气，再出炉空冷。工件氮化后，表面硬度可达850HV～1 100HV（相当于67HRC～72 HRC），不需要淬火，而且有良好的红硬性，即使在600℃～650℃仍保持较高的硬度。它还具有较高的化学稳定性和耐腐蚀能力。

由于氮化的目的不同，所选用的钢种也有区别。为了得到高耐磨性和综合力学性能，要选用专用氮化钢，如38CrMoAlA、18CrNiW等。要求提高疲劳强度时，可采用普通合金钢，要求耐腐蚀时，可采用普通低碳钢，并在600℃～700℃进行较短时间氮化即可。

氮化处理的缺点是时间长，而且一般要用合金钢，因此成本高，故只用于机床中高速传动的精密齿轮、高精度镗床的镗杆和磨床的主轴等。

一般氮化零件的工艺路线如下。

锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→磨削→氮化→精磨

3.碳氮共渗

把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为碳氢共渗，也称为氰化。根据处理的温度不同，可分为高温、中温及低温氰化。高温氰化时，碳的浓度比氮的浓度高，以渗碳为主；低温氰化时，氮的浓度比碳的浓度高，以渗氮为主。

高温气体氰化时，向炉内通入氨气并滴入煤油，或通入氨气与液化气（丙烷裂化）的混合气体。在高温下，它们同时分解出活性的碳原子和氮原子，共同渗入零件表面层内，从而形成氰化层。

工作负荷较大的零件要求氰化层较深。进行高温气体氰化，加热温度为900℃～950℃。氰化时间依层深要求而定，通常，可得到的氰化层深度为0.5mm～2.0mm。

工作负荷中等的零件采用中温氰化，加热温度为800℃～870℃，氰化层深度为0.2mm～0.5mm。零件在中温氰化后应进行淬火和低温回火。淬火后得到含氮的高碳马氏体组织，硬度可达60HRC～65HRC，耐磨性高，但脆性大。

低温氰化主要用于提高各种高速钢刀具及高铬钢模具的耐磨性，以延长其使用寿命。低温氰化温度为450℃～550℃，时间为1h～2.5h，氰化层深度为0.03mm～0.05mm，硬度可达68HRC～72HRC，使用寿命可提高1.5～2倍。

4.其他化学热处理方法

（1）渗铝。钢的表面渗入铝的过程称为渗铝。渗铝的目的是使钢的表面具有高的抗氧化性能，渗铝的零件在800℃～900℃高温下仍不氧化。渗铝方法是将零件装在铁箱内，周围塞满49％的铝铁（Fe Al3）、49％的氧化铝（Al2O3）及2％的氯化氨（NH4Cl）的混合粉末，置于950℃～1 000℃温度下加热4h～16h，然后随炉冷却，即可得到深度为0.5mm～1.0mm的渗铝层。

（2）渗铬。钢的表面渗入铬的过程称为渗铬。渗铬的目的是增加零件的耐蚀性。碳钢渗铬后，可得到高的硬度和耐磨性。渗铬方法是将零件装在铁箱中，周围填满由铬铁粉、镁砂、氯化氨和耐火黏土组成的渗铬剂，置于1 100℃～1 150℃温度下保温10h～15h。

其他化学热处理方法还有渗硅、渗硼、渗硫等。渗硅可增加钢的耐蚀性，渗硼可增加钢的耐热性，渗硫可增加钢的耐磨性。