表面淬火
表面淬火技术及其应用
表面淬火技术及其应用
表面淬火技术是一种通过对工件表面进行加热、快速冷却的方式，来改变工件表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能的热处理工艺。
以下是表面淬火技术及其应用的一些介绍：
1.感应加热表面淬火技术：感应加热是通过电磁感应来加热工件
表面的一种方式，适用于各种形状的工件，如轴、齿轮、带轮
等。
该技术可提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时
保持心部材料的韧性。
2.火焰加热表面淬火技术：火焰加热是通过氧气和乙炔等可燃气
体燃烧后对工件表面进行加热的一种方式，适用于大型工件和
批量生产的工件，如齿轮、轴等。
该技术可提高工件表面的硬
度、耐磨性和耐腐蚀性。
3.电接触加热表面淬火技术：电接触加热是通过电极与工件表面
接触，通过电流加热工件表面的一种方式，适用于小型工件，
如轴、齿轮等。
该技术可提高工件表面的硬度、耐磨性和耐腐
蚀性。
4.电解液加热表面淬火技术：电解液加热是通过将工件作为阴极
插入电解液中，利用电解反应来加热工件表面的一种方式，适
用于小型工件，如轴、齿轮等。
该技术可提高工件表面的硬度、
耐磨性和耐腐蚀性。
表面淬火技术的应用广泛，可应用于汽车、航空航天、机械制造等领域中的各种工件，如轴、齿轮、曲轴、连杆等。
通过表面淬火处理，可以提高工件的使用寿命和可靠性，降低维修成本，提高生产效率。
表面淬火方法
表面淬火方法一:感应加热表面淬火定义:感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。
分类:分为高频淬火，中频淬火，和高频脉冲淬火即微感应淬火三类。
1:感应加热基本原理:(1)感应加热的物理基础;当工件放在通有交变电流的感应圈中，在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势。
电流透人深度随着工件材料的电阻串的增加而增加，随工件材料的导磁串及电流频率的增加而减小。
钢的电阻率随着加热温度的升高而增大，在800-900?时，各类钢的电阻率基本相等，通常把20?时的电流透人深度称为"冷态电流透人深度"，而把800?时的电流透入深度。
称为热态电流透人深度。
(2)感应加热的物理过程感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度很小，仅在此薄层内进行加热。
表面温度升高，薄层有-定深度，且温度超过磁性转变点(或转变成奥氏体)时，此薄层变为顺磁体，交变电流产生的磁力线移向与之毗连的内侧铁磁体处，涡流移向内侧铁磁体处，由于表面电流密度下降，而在紧靠顺磁体层的铁磁体处，电流密度剧增，此处迅速被加热，温度也很快升高。
此时工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时自表面向心部依次加热。
这种加热方式称为透人式加热、当变成顺磁体的高温层的厚度超过热态电流进入的深度后，涡流不再向内部推移，而按着热态特性分布，继续加热时，电能只在热态电流透人层范围内变成热量，此层的温度继续升高。
与此同时，由于热传导的作用，热量向工件内部传递，加热层厚度增厚，这时工件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。
透入式加热较传导式加热有如下特点:(a)表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热;(b)加热迅速，热损失小，热效率高;(c)热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高，2.感应加热表面淬火工艺(1)根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备。
表面淬火的原理及应用
表面淬火的原理及应用1. 表面淬火的原理表面淬火是一种通过在金属零件的表面形成硬质保护层来增加零件的耐磨性和抗疲劳性的热处理方法。
其原理主要包括以下几个方面：1.1 表面控制加热在表面淬火过程中，首先要对零件进行局部加热。
一般采用火焰、电加热、电子束加热等方式，通过对零件表面进行加热，使其达到淬火温度。
1.2 直冷在表面加热后，需要通过直冷的方式快速冷却零件的表面，以形成硬质的组织结构。
常用的直冷方式包括冷水喷射、喷油和气体喷射等，通过这些方式快速冷却零件表面，以增加表面硬度。
1.3 加工回火在表面淬火后，为了消除残余应力以及增加零件的韧性，常常需要对零件进行加工回火处理。
加工回火通常是通过将零件加热到一定温度后进行保温一段时间再冷却。
2. 表面淬火的应用表面淬火具有广泛的应用领域和重要的意义。
主要的应用领域包括以下几个方面：2.1 汽车零件在汽车零件制造过程中，常常会对发动机的曲轴、凸轮轴等部件进行表面淬火。
通过对这些关键零件进行淬火处理，可以显著提高零件的耐磨性和抗疲劳性，从而延长零件的使用寿命。
2.2 机械零件表面淬火也广泛应用于机械零件制造领域。
例如，对于齿轮、轴、导轨等部件，通过表面淬火处理可以提高其表面硬度，抵抗磨损和疲劳，从而提高整个机械系统的可靠性和寿命。
2.3 工具和刀具在制造工具和刀具时，表面淬火也是常用的工艺之一。
通过淬火，可以使工具表面形成硬质的保护层，提高其耐磨性和切削性能。
这些工具包括钻头、刻刀、铣刀等。
2.4 精密仪器表面淬火在精密仪器制造领域也有广泛应用。
例如，在测量仪器、光学仪器中，常采用表面淬火工艺，以提高仪器的表面硬度和精度。
2.5 电子设备在电子设备制造过程中，也常常会采用表面淬火技术。
通过对电子设备的金属外壳进行淬火处理，可以增加外壳的硬度和耐用性，提高设备的抗撞击性能。
结论表面淬火作为一种增加零件硬度和耐磨性的热处理方法，在各个领域都有广泛的应用。
淬火的原理主要包括表面控制加热、直冷和加工回火。
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属热处理技术，通过控制金属材料的加热和冷却过程，使其表面形成一层具有较高硬度和耐磨性的淬火层。
这种技术广泛应用于各种机械零件和工具的制造中，能够提高其使用寿命和性能。
表面淬火的过程可以分为加热、保温和冷却三个阶段。
首先，将金属材料加热到适当的温度，以激活材料内部的晶体结构。
然后，通过保温使材料中的晶体结构重新排列，形成一种具有高硬度的相态结构。
最后，通过迅速冷却来固定这种相态结构，使其在表面形成一层淬火层。
表面淬火的关键是控制加热和冷却的速度。
加热温度和时间的选择需要根据金属材料的性质和要求进行调整。
过高的温度和时间可能导致材料内部的晶体结构发生变化，影响淬火效果；过低的温度和时间则无法激活和重组晶体结构。
冷却过程一般采用水、油或盐浴等介质，通过迅速吸热来实现快速冷却。
冷却介质的选择取决于材料的类型和形状。
表面淬火的优点是能够在保持材料的韧性和强度的同时，提高其硬度和耐磨性。
淬火层的硬度一般远高于材料的基体，能够有效抵抗磨损和变形。
因此，表面淬火广泛应用于汽车发动机零件、工具刀具、轴承等高负荷和高磨损的零件制造中。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项。
首先，淬火层的深度一般较浅，只有几个毫米左右，对于需要较深淬火层的零件不适用。
其次，淬火过程中会产生应力，可能导致材料的变形和开裂。
因此，在淬火后需要进行适当的回火处理，以减缓应力并提高材料的韧性。
最后，表面淬火的工艺要求较高，需要严格控制加热和冷却的参数，以保证淬火效果的稳定性和一致性。
表面淬火是一种能够提高金属材料硬度和耐磨性的热处理技术。
通过控制加热和冷却的过程，能够在材料表面形成一层具有高硬度的淬火层。
这种技术在机械制造和工具制造中得到广泛应用，能够提高零件的使用寿命和性能。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项，需要在实际应用中进行合理选择和控制。
常用热处理分类
常用热处理的分类1 表面淬火表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。
表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。
表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。
表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电感应加热法。
2 表面淬火和回火将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。
或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。
一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。
3 物理气相沉积物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
4 化学气相沉积化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
与之相对的是物理气相沉积（PVD）。
整体热处理1 退火退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。
目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属材料处理技术，旨在提高金属材料的硬度和耐磨性。
在表面淬火过程中，金属材料的表面被快速加热到高温，然后迅速冷却，使其细化晶粒并形成马氏体组织，从而获得优异的机械性能。
表面淬火是一种常用的金属材料处理方法，广泛应用于机械制造、汽车制造、航空航天等领域。
通过表面淬火处理，可以显著提高金属材料的硬度和耐磨性，增加其使用寿命和耐久性。
同时，表面淬火还可以改善金属材料的表面质量，提高其抗腐蚀性能，增强其抗拉强度和抗压强度。
表面淬火的基本原理是利用金属材料的相变规律。
当金属材料被加热到一定温度时，其晶体结构会发生变化，从而产生新的组织结构。
在表面淬火过程中，金属材料的表面被加热到临界温度以上，使其达到奥氏体相区，然后迅速冷却，使其迅速转变为马氏体组织。
马氏体组织具有高硬度和优异的耐磨性，可以显著提高金属材料的机械性能。
表面淬火可以采用多种方法进行，常见的方法包括火焰淬火、电火花淬火、激光淬火等。
不同的淬火方法适用于不同的金属材料和工件形状。
火焰淬火是一种较常用的表面淬火方法，它通过将金属材料的表面加热到高温并迅速冷却，使其形成马氏体组织。
电火花淬火利用电火花放电的高温和高能量特性，将金属材料的表面加热到临界温度以上，并通过迅速冷却形成马氏体组织。
激光淬火则利用激光的高能量和高密度特性，将金属材料的表面加热到临界温度以上，并通过迅速冷却形成马氏体组织。
表面淬火不仅可以提高金属材料的硬度和耐磨性，还可以改善其表面质量。
在表面淬火过程中，金属材料的表面会发生相变，原有的晶粒会细化并形成马氏体组织。
这种细化的晶粒结构可以显著提高金属材料的表面质量，使其更加光滑、均匀，减少表面缺陷和气孔的产生。
同时，表面淬火还可以提高金属材料的抗腐蚀性能，使其更加耐腐蚀和耐磨损。
表面淬火是一种有效的金属材料处理方法，可以显著提高金属材料的硬度和耐磨性，改善其表面质量，增强其机械性能和抗腐蚀性能。
在工业生产中，表面淬火被广泛应用于各个领域，为产品的质量和性能提供了有力支撑。
表面淬火
轴 的 感 应 加 热 表 面 淬 火
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• ①表面淬火用材料 • ⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢。
• 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。
• 含碳量过高，心部韧性下降； • ⑵ 铸铁 提高其表面耐磨性。
机床导轨
表面淬火齿轮
• ②预备热处理
• ⑴工艺： • 对于结构钢为调质或正火。 • 前者性能高，用于要求高的重 要件，后者用于要求不高的普
感应淬火机床
• ⑤表面淬火常用加热方法 • ⑴ 感应加热: 利用交变电流 在工件表面感应巨大涡流，
使工件表面迅速加热的方法。
感应加热 表面淬火 示意图
• 感应加热分为： • 高频感应加热 频 率 为 250-300KHz ， 淬 硬层深度0.5-2mm
火传 感动 应轴 器连 续 淬
感应加热表面淬火齿轮的截面图
表面淬火
• 表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情
况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以
强化零件表面的热处理方法。
火焰加热
感 应 加 热
• 表面淬火目的： • ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; • ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的 塑性和韧性。即表硬里韧。 • 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。
通件。
• ⑵目的: • 为表面淬火作组织准备； • 获得最终心部组织。
回火索氏体
索氏体
• ③表面淬火后的回火 • 采用低温回火，温度不高于200℃。 • 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 • ④表面淬火+低温回火后的组织 • 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。
感应加热表面淬火
表面淬火
3、高频感应加热表面淬火后的组织和性能
快速加热时钢的相变特点
1）临界温度升高，转变在较宽的温度范围内完成 2）奥氏体晶粒较细 3）奥氏体成分不均匀
ρ—工件电阻率 μ——工件的相对导磁率 f——电流频率 可见： 1）f愈高， δ小，淬硬层深度越浅。 2） ρ愈大， μ愈小，δ越大。
工频：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2； 中频：＜10kHz，功率密度＜ 5 W/cm2；
3.3、表面淬火
3.3 、表面淬火 3.3、表面淬火
• 要点：用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温 度（A化），在热量传至内部之前，立即冷却使表 面层淬硬。 • 材料：中碳钢及中碳合金钢，如40、45、40Cr。 感应加热 • 分类（加热方法） 火焰加热 激光加热
（一）感应加热表面淬火
感应加热表面淬火示意图
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集肤效应示意图
表面淬火的发展
感应淬火原
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返 回
金属热处理工艺 , SMSE,CUMT
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返
回
金属热处理工艺 , SMSE,CUMT
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2、分类（按电源频率）
预处理： 表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以保证 零件心部具有良好的综合性能。 硬化层深度的确定： 抗磨损：1～6.5mm 抗疲劳：2～12mm 感应加热淬火温度 由于感应加热速度快，但组织转变又具有热滞后，为使组织 转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高30～50℃。 后处理： 表面淬火后，一般要对零件进行低温（160～200 ℃）回火 处理，以降低淬火应力和脆性。
表面淬火
表 4—3 40Cr 钢不同处理工艺对缺口敏感度的影响 － 试样形式 疲劳强度 σ 1 N／mm2 调质 调质+表面淬火 450~480 630 Φ = 20mm 光滑试样 140 600 Φ = 20mm 缺口试样
第二节 感应加热淬火技术 一、感应加热淬火基本原理 铁制零件在高频交变磁场中， 铁的内部将产生很大的感应电流。 电流在金属体内自行闭合，称为 涡流。由于工件阻抗很小，涡流 很大。受集肤效应的影响，越靠 近工件表面电流越大。感应电流 快速将零件的表面加热到 Ac3 或 Acm以上，快速冷却后即可在零 件表层获得马氏体组织。
5 火焰加热表面淬火的优缺点（1） 硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；
5 火焰加热表面淬火的优缺点（2）
投资少，简单易行，处理费用低； 大小零件均可处理，能实现自动化操作；
温度均匀性差，难以控温，质量波动大。
因有软带的问题，只能进行局部淬火。
表面淬火中的软带问题
特大轴承表面淬火的软带问题
2 激光淬火设备
工业上常用的激光发生器有横流CO2和YG两种。
3 材料表面预处理
（1）与基体力学性能有关的热处理：被处理金属的原始 组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。 （2） 提高零件表面激光吸收率的黑化处理：~80％的激光 被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。
黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化处理 或激光专用黑色涂料。
二、 感应加热表面淬火工艺流程 以齿轮加工为例 锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB） →精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削
齿轮高频淬火
三、感应加热的优缺点 热效率高、加热时间短； 工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小； 比普通热处理具有更优异的机械性能；
表面淬火工艺
表面淬火工艺
表面淬火工艺是指在淬火冷却过程中，将工件加热到淬火温
度后迅速地放在油中或水中，并以一定的冷却介质使其迅速冷却
的一种热处理工艺。
表面淬火工艺主要用于某些高强度、高耐磨
性的钢或合金工具钢及一些冷变形大的结构钢和工具钢的表面。
淬火后工件表面获得马氏体组织，从而获得高硬度、高耐磨
性和高韧性，但表面硬度很低。
为了提高表面硬度，可对工件进
行表面淬火处理。
淬火时，工件加热温度一般控制在高于零件表层温度10~50℃左右。
具体升温速度可通过改变保温时间或采用大电流、小电流
等方法来控制，使工件表层温度达到奥氏体化温度后迅速冷却。
然后将表面层淬火组织（马氏体+残余奥氏体）去除，再以一定
的冷却介质进行后续热处理，如回火或正火等。
这种工艺称为表
面热处理或热加工。
淬火处理后工件表面硬度可达HRC60以上，甚至HRC62以上，但其耐磨性和耐腐蚀性较差。
因此，要求较高的表面机械性能或
耐磨性能的工件必须进行渗碳淬火或渗氮等其他表面强化处理。
—— 1 —1 —。
表面淬火概念
表面淬火概念
表面淬火是一种热处理工艺，用于改善材料表面的硬度和耐磨性，同时保持内部的韧性和强度。
它主要适用于金属材料，如钢和铁。
表面淬火的过程涉及将材料加热到足够高的温度，然后迅速冷却，以产生所需的组织和性能变化。
与传统的整体淬火相比，表面淬火仅对材料表面进行处理，因此能够改善表面的性能而不会对整体结构产生太大的影响。
在表面淬火过程中，常用的方法包括火焰淬火、电火花淬火、激光淬火和电子束淬火等。
这些方法都会在材料表面形成高温区域，并通过迅速冷却使表面发生相变，从而获得较高的硬度。
表面淬火可以增加材料表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。
它常用于制造工业中需要经受高应力和摩擦的部件，如齿轮、刀具、轴承等。
通过表面淬火，这些部件的使用寿命可以得到显著延长。
需要注意的是，表面淬火过程需要严格控制温度和冷却速度，以确保达到所需的材料性能。
不正确的淬火过程可能导致材料变形、裂纹和不均匀的硬度分布。
因此，在进行表面淬火之前，应仔细研究材料的性质和淬火工艺，以确保最佳的处理效果。
金属热处理工艺学-表面淬火
钢表面淬火后的残余应力
图12. 不同钢材硬化层深度与残余压应力的关系 1----45号钢；2----18Cr2Ni4W； 3----40CrMnMo；4----40CrNiMo
钢表面淬火强化层应与工件负载匹配
x
o
图13. 表面强化与承载应力匹配示意图 1.截面为圆形的工件负载时的应力分布情况 2.表面淬火较浅时，沿表面向内部的应力承载能力曲线 3.表面淬火较深时，沿表面向内部的应力承载能力曲线
特点3.提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒。
形核处增加：铁素体与碳化物相界、铁素体亚晶界； 形核时间短、晶粒来不及长大。
特点4.快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响。
奥氏体成分不均及晶粒细化，减小了过冷奥氏体稳定性，C曲线左移； 成分不均使马氏体转变点和形态都不相同，出现低碳、高碳马氏体。
知识回顾
图 Fe-C相图及其平衡组织
钢表面淬火的金相组织
钢经过表面淬火后的金相组织与钢的成分、淬火前的原始组织以及淬火 加热时截面的温度梯度分布有关。
图3. 共析钢表面淬火沿截面温度分布(a) 及淬火后金相组织(b)
原始材料：退火态共析钢
钢表面淬火的金相组织
图4. 45钢表面淬火沿截面温度分布(a) 及淬火后金相组织(b)
图 感应加热原理示意图
感应加热基本原理
感应电势的瞬时值：
d e d
e
-感应电势的瞬时值，V；
-感应线圈电流回路包围面积内的总磁通,Wb，随交变电流强度 和零件磁导率增加而增加，并于零件与感应器之间的间隙有关；
感应电流（涡流）值： Z
I
e e Z R X
2
2
X
-自感电抗，Ω； -零件材料的电阻，Ω；
热处理工艺中的表面淬火处理及其应用
热处理工艺中的表面淬火处理及其应用热处理工艺是一种通过加热、保温和冷却等操作，改变材料的内部组织和性能的方法。
在热处理工艺中，表面淬火处理是一项重要的技术，它通过在材料表面形成硬度高、耐磨性好的淬硬层，提高材料的使用寿命和性能。
本文将重点探讨表面淬火处理的原理、方法以及在工业生产中的应用。
一、表面淬火处理的原理表面淬火处理是指在材料表面形成具有淬硬层的过程。
其原理是利用材料的相变规律，通过加热材料到相应的温度，使固态材料转变为奥氏体相，然后迅速冷却以保持其固体态，从而在材料表面形成淬硬层。
表面淬火处理的原理是基于材料的相变规律，也称为固溶-析出相变原理。
通过加热材料到固溶温度以上，使固溶体中的溶质原子溶解在基体中，形成固溶体。
随后迅速冷却使得不同原子浓度的固溶体开始析出，形成新的相，从而使材料表面形成淬硬层。
二、表面淬火处理的方法表面淬火处理有多种方法，常见的包括火焰淬火、电火花淬火和激光淬火等。
1. 火焰淬火火焰淬火是利用高温火焰对材料进行加热，然后迅速冷却进行淬火处理的方法。
通过喷射高温火焰使材料表面快速加热，然后利用喷射介质（如水）迅速冷却，使材料产生高温和高压的效果，形成淬硬层。
2. 电火花淬火电火花淬火是一种利用电放电产生的高温和高压作用在材料表面进行淬火处理的方法。
通过在材料表面施加高压电流，产生高温电弧和高能量火花，使材料表面瞬间加热至高温状态，然后迅速冷却，形成淬硬层。
3. 激光淬火激光淬火是利用激光束对材料表面进行加热，然后快速冷却的方法。
激光束能够精确聚焦在材料表面，产生高温和高能量的作用，使材料表面快速加热，然后通过冷却介质的喷射迅速冷却，形成淬硬层。
三、表面淬火处理的应用表面淬火处理在工业生产中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面。
1. 增加材料的硬度和耐磨性表面淬火处理可以使材料在表面形成高硬度和耐磨性的淬硬层，提高材料的硬度和耐磨性。
这对于一些工作条件苛刻、需要耐磨性能的零件非常重要，如汽车发动机的曲轴、凸轮轴等。
四、表面淬火
快速加热: 要在工件表面有限深度内达到相变点以上的温度， 必须给工件表面以极高的能量密度来加热，使工件表面的热量来 不及向心部传导，以造成极大的温差。
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三、表面淬火的分类: 表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名及分类。目前表
面淬火可以分成以下几类: 1.感应加热表面淬火 2.火焰淬火 3.电接触加热表面淬火 4.电解液加热表面淬火 5.激光加热表面淬火 6.电子束加热表面淬火
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2. 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大 如前所述，随着加热速度的增大，转变温度提高，转变温度范
围扩大. 随着转变温度的升高，与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度 降低，而与渗碳体相平衡的奥氏体碳浓度增大. 因此，与铁素体 相毗邻的奥氏体碳浓度将和与渗碳体相毗邻的奥氏体中碳浓度有 很大差异。由于加热速度快，加热时间短，碳及合金元素来不及 扩散，将造成奥氏体中成分的不均匀，且随着加热速度的提高， 奥氏体成分的不均匀性增大。例如0.4％C碳钢，当以130℃／s 的加热速度加热至900℃时，奥氏体中存在着1.6％C的碳浓度区. 显然，快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很 大影响. 对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采 用快速加热是有困难的。
快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，减小了过冷奥氏体 的稳定性，使c曲线左移. 由于奥氏体成分的不均匀性，特别是亚 共析钢，还会出现二种成分不均匀性现象。在珠光体区域，原渗 碳体片区与原铁素体片区之间存在着成分的不均匀性，这种区域 很傲小，即在微小体积内的不均匀性. 而在原珠光体区与原先共 析铁素体块区也存在着成分的不均匀性，这是大体积范围内的不 均匀性. 由于存在这种成分的大体积不均匀性，将使这二区域的 马氏体转变点不同，马氏体形态不同. 即相当于原铁素体区出现 低碳马氏体，原珠光体区出现高碳马氏体. 由于快速加热奥氏体 成分的不均匀性，淬火后马氏体成分也不均匀，所以，尽管淬火 后硬度较高，但回火时硬度下降较快，因此回火温度应比普通加 热淬火的略低。
表面淬火和化学热处理
表面淬火和化学热处理表面热处理和化学热处理都是改变钢件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。
一、表面淬火表面淬火是通过快速加热，使钢的表层很快达到淬火温度，在热量来不及传到钢件心部时就立即淬火，从而使表层获得马氏体组织，而心部仍保持原始组织。
表面淬火的目的是使钢件表层获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。
表面淬火所采用的快速加热方法有多种，如电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用最广泛的是电感应加热法。
感应加热表面淬火法就是在一个感应线圈中通以一定的交流电（有高频、中频、工频三种），使感应线圈周围产生频率相同、方向相反的感应电流，这个电流称为涡流。
由于集肤效应，涡流主要集中在钢件表层。
由涡流所产生的电阻热是钢件表层被迅速加热到淬火温度，随即向钢件喷水，将钢件表面淬硬。
感应电流的频率愈高，集肤效应愈强烈，故高频感应加热用途最广。
高频感应加热常用的频率为200~300 kHz，此频率加热速度极快，通常只有几秒钟，淬硬层深度一般为0.5~2mm，主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件。
感应加热表面淬火质量好，加热温度和淬硬层深度交易控制，易于实现机械化和自动化生产，缺点是设备昂贵，需要专门的感应线圈。
因此，主要用于成批或大量生产的轴、齿轮等零件。
二、化学热处理化学热处理是将钢件置于合适的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。
化学热处理的种类很多，依照渗入元素的不同，有渗碳，渗氮，碳氮共渗等，以适应不同的场合，其中以渗碳应用最广。
渗碳是将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使分解出来的活性碳原子渗入钢的表层。
渗碳是采用密闭的渗碳炉，并向炉内通以渗碳剂（如煤油），加热到900~950℃，经较长的时间保温，使钢件表层增碳。
渗碳件通常采用低碳钢或低碳合金钢，渗碳后渗层深一般为0.5~2mm，表层含碳量w c将增至1%左右，经淬火和低温回火后，表层硬度达到56~64HRC，因而耐磨；而心部因仍是低碳钢，故保持其良好的塑性和韧性。
钢的表面热处理
2）常用渗氮方法
① 气体渗氮：在有活性氮原子的气体中进行渗氮。 ② 离子渗氮：在低于1×105Pa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。
3）渗氮和渗碳相比有何特点？
氮原子的渗入使渗氮层内形成残留压应力，可提高疲劳强 度（25％～35％）；渗氮层表面由致密的、连续的氮化物 组成，使工件具有很高的耐蚀性；渗氮温度低，工件变形 小；渗氮层很薄（＜0.6～0.70mm），渗氮后只能精磨、 研磨或抛光。渗氮层较脆，不能承受冲击力，生产周期长 （例如0.3～0.5mm的渗层，需要30～50h），成本高。
反应气（低温下可汽化的金属盐），使其在炉内发生分解或 化学反应，并在工件上沉积成一层所要求的金属或金属化合 物薄膜的方法。 碳素工具钢、渗碳钢、轴承钢、高速工具钢、铸铁、硬质合 金等材料均可进行气相沉积。
目的：提高钢件表层的含碳量，淬火与回火后表面硬、心 部韧。
材料：低碳钢、低碳合金钢。 渗碳后处理：淬火及低温回火。 工艺路线：
锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火。 渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。
★ 渗碳后的组织及热处理
低碳钢件渗碳后表层含碳量0.85％～1.05％为最佳。表层 为过共析组织（珠光体和网状二次渗碳体），与其相邻为共 析组织（珠光体），再向里为亚共析组织的过渡层（珠光体 和铁素体），心部为原低碳钢组织（铁素源自和少量珠光体）钢的表面热处理
常用表面热处理的方法有表面淬火和化学热处理两大类。
一、表面淬火
表面淬火：仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。
原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充 分传到零件中心时就立即予以冷却淬火，得到马氏体组织。
表面淬火的优点
表面淬火的优点
表面淬火的优点主要包括：
1. 提高零件的硬度和耐磨性：通过表面淬火处理，可以在零件表面形成一层高硬度的组织，从而提高零件的硬度和耐磨性。
2. 保持零件内部的韧性：表面淬火处理只影响零件的表面层，而内部组织仍然保持良好的韧性，从而提高了零件的强度和抗冲击力。
3. 变形小：与传统的整体淬火相比，表面淬火处理的变形量较小，可以减小因热处理引起的零件形状和尺寸变化。
4. 操作简便：表面淬火处理可以在零件的局部或整个表面进行，操作简便，易于实现自动化生产。
5. 成本低：表面淬火处理通常只需要对零件的表面进行处理，不需要对整个零件进行加热和冷却，因此成本相对较低。
6. 可以改善材料的抗腐蚀性、抗疲劳性和尺寸精度等性能，从而延长其使用寿命和提高其制造精度。
因此，表面淬火技术广泛应用于汽车、机械、模具等制造行业，以提高零件的性能和使用寿命。
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2、对奥氏体晶粒度影响
提高相变区加热速度使奥氏体起始晶粒度显著细化。 原因： ◆奥氏体形核不仅在铁素体与碳化物相界，而且在α 相亚结构边界形核；晶核尺寸仅为亚结构边界宽度 1/10—1/5，形成极细的起始晶粒。 ◆在高速加热条件下，起始晶粒度不易长大，从而细 化晶粒。 ◆所形成的奥氏体晶粒内部受热应力和组织应力的作 用，形成许多位错胞。
▲感应圈形状与结构 感应圈的几何形状主要根据工件硬化部位 感应圈的几何形状主要根据工件硬化部位 的几何形状、尺寸及选择的加热方式来确定。 的几何形状、尺寸及选择的加热方式来确定。 设计时应注意以下几种效应： ▲临近效应：（采用旋转加热方法） 临近效应： ▲环状效应：（有利于圆柱体外表面） 环状效应：（有利于圆柱体外表面） ▲尖角效应：（调节线圈与零件间的间隙或改 尖角效应：（调节线圈与零件间的间隙或改 进感应圈的结构来改善）
透入式加热与传导式加热相比较有如下特点： 透入式加热与传导式加热相比较有如下特点： ●表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流 表面的温度超过A 移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过 热，而传导式加热随着加热时间的延长，表 面继续加热容易过热； ●加热迅速，热损失小，热效率高； ●热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面 压应力提高
求最小表面硬度的函数： HV） （HV）HL ＝0.8 （HV）HS HV） 式中（HV） 式中（HV）HS为零件要求最小表面硬度。
3、表面淬火后性能 ◆表面硬度：快速加热，激冷淬火的工件表面 表面硬度：快速加热，激冷淬火的工件表面 硬度往往比普通淬火高2 硬度往往比普通淬火高2～5个百分点 ◆耐磨性：快速加热表面淬火后工件的耐磨性 耐磨性：快速加热表面淬火后工件的耐磨性 优于普通淬火 ◆疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺可以显 疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺可以显 著提高零件的抗疲劳性能 ◆残余应力分布：表面淬火后的残余应力大小 残余应力分布：表面淬火后的残余应力大小 和分布与钢种、零件尺寸、硬化层深度及加 热冷却等多种因素有关
面硬度为48～55HRC，齿轮承受较大载荷且 面硬度为48～55HRC，齿轮承受较大载荷且 具有较好接触疲劳性能。如何处理？采用 整体淬火，整个齿部都会淬硬，使用过程 中易发生脆断，怎么办？
第四章：表面淬火
● 表面淬火作为强化金属零件的手段之一，具有以下 表面淬火作为强化金属零件的手段之一， 特点： 特点： 1、经表面处理零件不仅提高表面硬度和耐磨性，而且 与适当预先处理的心部组织相结合，可以获得高的 疲劳强度和强韧性。 2、表面淬火工艺简单，强化效果显著，热处理后变形 小。 3、生产过程易于自动化，生产效率高。
2、感应加热表面淬火工艺 （1）根据零件尺寸及硬化层深度要求，合理选择设备。 （a）设备频率选择
150 2500 〈f〈 2 2 δ x δ x
（b）比功率的选择：
f最佳
600 = 2 δ x
比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的 比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的 电功率。比功率选择主要决定于频率和要求硬化层 深度 设备比功率 ：设备输出功率与零件同时被加热的面 积比
残余应力和脆性，又不致降低硬度，
●一般采用的回火方式有炉中回火、自回火和感应
加热回火。
3、感应器设计简介 感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行 感应器 感应加热的能量转换器。 ▲材料 感应器中电流密度可达6000A/m㎡，故所用的 材料的电阻率必须尽可能小，一般采用电解铜，通 常用紫铜制作。 ▲组成： 有效线圈（又称施感导体）；汇流接线板；汇 流条；冷却装置等
（1）降低过冷奥氏体的稳定性 （2）改变马氏体点（Ms、Mf）及马氏体组织形态 ）改变马氏体点（Ms、Mf）及马氏体组织形态
二、表面淬火的组织与性能
1、组织：淬火后可分为淬硬层、过渡层以及心部原 、组织：淬火后可分为淬硬层、过渡层以及心部原 始组织。不同原始组织表面淬火后金相组织： （1）对于退火状态共析钢： （2）对于正火态45钢，原始组织为F+P： ）对于正火态45钢，原始组织为F+P：
3、奥氏体成分均匀化影响
奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增加 原因：
◆快速加热条件下形成的奥氏体，其含C量随加热速 快速加热条件下形成的奥氏体，其含C
度提高而偏离其平衡成分
◆大部分合金元素在碳化物中富集，从而使合金元素
在快速加热时更难固溶于奥氏体并不易均匀化
◆原始组织对奥氏体均匀化有很大影响 4、对过冷奥氏体转变及回火的影响
T AC1f AC1s
T A C3 AC1f AC1s
M
P+ M P
M +F
M + F+ P
M
F+ P
离表面距离 共析钢表面淬火沿截面温度分布 及淬火后金相组织
离表面距离 45钢表面淬火沿截面温度分布 45钢表面淬火沿截面温度分布 及淬火后金相组织
2、表面淬火后有效硬化层深度测定 国际上统一采用ISO3754标准 国际上统一采用ISO3754标准 我国制订国标GB5617我国制订国标GB5617-85 标准规定：在感应加热或火焰加热后有效硬 标准规定：在感应加热或火焰加热后有效硬 化层深度（DS）从零件表面到维氏硬度（HV） 化层深度（DS）从零件表面到维氏硬度（HV） 等于规定的硬度值的那一层之间的距离。硬 度测量是在9.8N的负荷下进行。 度测量是在9.8N的负荷下进行。 ● 极限硬度（HV）HL（即规定硬度）是零部件所要 极限硬度（HV）
主要内容
1、表面淬火目的 2、表面淬பைடு நூலகம்基本条件 3、快速加热时组织转变特点及 组织结构与性能关系 4、几种表面淬火方法
§4-1：表面淬火目的及分类
一、表面淬火目的 在工件表面一定深度范围内获得马氏 体组织，而心部仍保持表面淬火前的组织 状态（调质或正火状态）以获得表面层硬 而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。
δ的大小与金属的电阻率（ρ），相对磁导 的大小与金属的电阻率（ ），相对磁导 率Ur=u/u0和电流频率（f）有关： 和电流频率（ 2ρ δ= ωu 0 u 对钢而言简化为： uf 由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻 由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻 率的增加而增加，随材料的导磁率及电流频 率的增加而减小。 频率越高，电流透入深度越浅；当频率不 变时，温度超过居理点以后，电流透入深度 显著增加。
1、感应加热表面淬火(Induction hardening) 2、火焰加热淬火(Flame / Torch hardening) 3、电接触表面加热淬火(Contact hardening) 4、激光表面加热淬火(Laser hardening) 5、电子束表面加热淬火等(Electron-beam hardening )
§4-3：表面淬火方法
一、感应加热表面淬火 工件在交变磁场作用下产生了较高的感 应电势并在表面形成涡流，利用感应电流 应电势并在表面形成涡流，利用感应电流 在零件表面产生的热效应而使零件加热称 为感应加热；将感应加热后的零件快速冷 感应加热；将感应加热后的零件快速冷 却的淬火工艺称为感应加热淬火。 却的淬火工艺称为感应加热淬火。
离表面x 离表面x处的涡流强度为：
I x = I 0e
−
x ∆
式中Io——表面最大的涡流强度（ 式中Io——表面最大的涡流强度（A） x——到零件表面的距离（cm） ——到零件表面的距离（cm） c p ∆= 2π µf 与材料物理性质有关的系数
从式中看出：x=0时， 从式中看出：x=0时， Ix=I0 x >0时，Ix<I0 >0时，I x=Δ时 x=Δ时, Ix=I0/e＝0.368I0 /e＝ 工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低 工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低 到表面最大涡流强度的36.8％即I /e时，该 到表面最大涡流强度的36.8％即I0/e时，该 处到表面的距离∆称为电流透入深度，用δ 处到表面的距离∆称为电流透入深度，用δ 表示。
实验表明： ●在工件直径一定的情况下，随着硬化层深度 的增厚，表面残余压应力先增大，达到一定 值后，继续增加硬化层厚度，表面残余压应 力反而减少。 ●残余应力与沿硬化层深度的硬度分布有关。 过渡区硬度降落愈陡，表面压应力虽较大， 但紧靠过渡区的张应力峰值也最大；过渡区 硬度降得愈平缓，过渡区愈宽，张应力峰值 内移且减少，表面的残余压应力也减少。 ●残余应力的分布和钢中的含碳量有关。含碳 量愈高，残余压应力愈大
例一：有一个φ20×700mm的轴，材料为45 ：有一个φ20×700mm的轴，材料为45
钢，要求表面具有较高的耐磨性（50～ 钢，要求表面具有较高的耐磨性（50～ 55HRC），沿轴方向尺寸变形不能超过1mm， 55HRC），沿轴方向尺寸变形不能超过1mm， 采用淬火能否达到要求？不能怎么办？
例二：有一45钢制的φ200mm齿轮，要求表 有一45钢制的φ200mm齿轮，要求表
二、表面淬火分类
要实现表面加热必须给工件以极高的能量密度来加热，使工 件表面的热量来不及向心部传导，造成极大温差。一般认为 一般认为 若加热装置能提供≥ W/CM2能量密度就可实现表面加热 能量密度就可实现表面加热。 若加热装置能提供≥102W/CM2能量密度就可实现表面加热 （按加热装置不同可分为）
dΦ e = −K ⋅ dt
涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。 涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。
e e If = = Z R2 + X 2 L
（b）表面效应（集肤效应） 表面效应（集肤效应）
Q = 0.24 I f ⋅ R ⋅ t
2
定义：涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小 而相应减小的规律。
根据设备输出频率高低，感应加热的种类如下表所示：
加热方法 工频 中频 高频、超音频 超高频脉冲
频率（KHz） 频率（KHz） 50 <10 20～1000 20～ 27120