钢的表面处理方法

1.3.3　钢的表面处理方法

在冲击载荷及表面剧烈摩擦条件下工作的机械零件，如齿轮、曲轴等，这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性，而心部应具有足够的塑性及韧性。要达到这样的要求，一般需要在合理选材的基础上采用表面热处理。

表面热处理大致分两类：一类是只改变组织结构而不改变化学成分的热处理，叫做表面淬火；另一类是在改变化学成分的同时又改变组织结构的热处理，叫做化学热处理。

1．表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。它利用快速的加热使钢件表面很快达到淬火温度，而不等热量传至心部，迅速予以冷却。这样，表面层被淬硬而心部仍是淬火前的组织，还保持较好的韧性和塑性。常用的表面淬火方法有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。感应加热表面淬火原理如图1-27所示。将工件放入由空心铜管绕成的感应圈（内可通水冷却）内，当感应圈中通过某种频率的交变电流时，感应圈附近空间将产生一个交变磁场，使钢件中产生频率相同的感应电流。由于趋肤效应，感应电流集中在工件表面层，且电流频率越高，电流集中的表面层越薄。由于电流的热效应，工件表面层被迅速加热到淬火温度，而心部仍接近室温，因此在随即快冷（喷水或油）后，就达到表面淬火的目的。

图1-27　感应加热表面淬火示意图

根据所用电流频率不同，感应加热可分为三种：①高频感应加热，常用频率为200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm，适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴类零件等；②中频感应加热，常用频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm，适用于较大尺寸的轴和中、大模数的齿轮等；③工频感应加热，电流频率为50Hz，淬硬层深度可达10～20mm，适用于大直径零件，如轧辊、火车车轮等的表面淬火。

表面淬火的工件常用中碳钢或中碳合金钢制造，以保证表面有较高的硬度和耐磨性，而心部有较好的韧性。工件表面淬火前，一般应先进行正火或调质处理，以改善心部性能，并为表面淬火做好组织准备。表面淬火后应进行低温回火。

感应加热表面淬火加热速度快，淬火质量好，工件变形小，生产效率高，在生产上有广泛的应用。

（2）火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰，对工件表面进行加热，然后迅速冷却的热处理工艺。

火焰加热表面淬火设备简单、成本低，但淬火质量不易控制，适用于单件、小批量生产或大型零件的表面淬火。

2．化学热处理

将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面层，以改变表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。

化学热处理过程，一般由分解、吸收和扩散三部分组成。分解时，活性介质析出活性原子，活性原子以溶入固溶体或以形成化合物的方式被工件表面吸收，并逐步向工件内部扩散，形成一定深度的渗层。常用化学热处理有渗碳和渗氮等。

（1）渗碳。为了增加工件表面层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入其表面的化学热处理工艺，称为渗碳。

渗碳工件常选用低碳钢或低碳合金钢制造，以保证工件心部有良好的韧性。然后通过渗碳，把工件表面的含碳量提高到0.85%～1.05%，再进行淬火和低温回火，使钢表面层具有高的硬度和耐磨性。

目前，气体渗碳在生产上应用最广，其工艺过程如图1-28所示。将工件装入密封的井式渗碳炉中，加热到900～950℃，并向炉内滴入气体渗碳剂（如煤油或甲醇+丙酮）。渗碳剂在高温下分解，形成气体，析出活性碳原子而进行渗碳。

图1-28　气体渗碳法示意图

渗碳后的工件必须淬火。淬火方法按工件质量要求不同，可以在渗碳后将温度降低到淬火起始温度后进行直接淬火，也可在渗碳后空冷，再重新加热淬火。渗碳件淬火后，都应进行150%～200℃的低温回火。

与中碳钢表面淬火相比，低碳钢渗碳淬火可使工件表层的硬度、耐磨性更高，心部韧性更好，且可使淬硬层沿工件轮廓均匀分布。因此，渗碳主要适用于同时受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、导柱、导套等。渗碳的缺点是生产周期长，工件变形较大。

（2）渗氮。在一定温度下（一般在A_c1以下温度）使活性氮原子渗入工件表面层的化学热处理工艺，称为渗氮。其目的是提高工件硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性。

常用渗氮方法为气体渗氮。其工艺过程是将工件装入密封的渗氮炉中，加热到500～550℃，通入氨气。氨气受热分解，析出活性氮原子渗入工件表面层。渗氮保温时间一般在20～50小时，渗氮层厚度约0.6～0.7mm。

常用的渗氮钢为含碳0.15%～0.45%的合金结构钢。最典型的钢种为38CrMoAl。钢中的Cr、Mo、Al等合金元素在渗氮过程中高度弥散，形成硬度极高、非常稳定的氮化物，如CrN、MoN、AlN等。渗氮后的工件表面硬度可达1000～1100HV（相当于70HRC左右），因而耐磨性高。由于渗氮温度低，且渗氮后不需要再进行淬火处理，故渗氮工件的变形小。

工件在渗氮前应进行调质处理，以改善心部性能。

渗氮主要用于处理要求耐磨性和精密度很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮等。在塑料模中，一些用3Cr2W8V制件如滑块、镶块、动模型心等，可通过氮化提高热硬性、耐磨性和抗蚀性，减少其与塑料件的黏合现象，延长使用寿命。渗氮处理的缺点是生产周期长、成本高，并需要专门的氮化钢，使其应用受到一定限制。