表面热处理的方法(常用的表面热处理方法有)

1.常用的表面热处理方法有

通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。

表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。从大的方面分，表面热处理分为两大类：表面淬火、表面化学热处理。

常用的表面淬火方法有：火焰加热表面淬火、接触电热表面淬火、感应加热表面淬火等。常用的表面化学热处理方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铜等。

表面淬火 通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。

根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

化学热处理 将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。

根据渗入元素的不同 ，化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。 最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火，此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。

接触电阻加热淬火 通过电极将小于 5伏的电压加到工件上，在电极与工件接触处流过很大的电流，并产生大量的电阻热，使工件表面加热到淬火温度，然后把电极移去，热量即传入工件内部而表面迅速冷却，即达到淬火目的。当处理长工件时，电极不断向前移动，留在后面的部分不断淬硬。

这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化，工件畸变极小，不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（0.15~0.35毫米）。显微组织和硬度均匀性较差。

这种方法多用于铸铁做的机床导轨的表面淬火，应用范围不广。电解加热淬火 将工件置于酸、碱或盐类水溶液的电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极。

接通直流电后电解液被电解，在阳极上放出氧，在工件上放出氢。氢围绕工件形成气膜，成为一电阻体而产生热量，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后断电，气膜立即消失，电解液即成为淬冷介质，使工件表面迅速冷却而淬硬。

常用的电解液为含 5~18%碳酸钠的水溶液。电解加热方法简单，处理时间短，加热时间仅需5~10秒，生产率高，淬冷畸变小，适于小零件的大批量生产，已用于发动机排气阀杆端部的表面淬火。

激光热处理 激光在热处理中的应用研究始于70年代初，随后即由试验室研究阶段进入生产应用阶段。当经过聚焦的高能量密度 （10瓦/厘米）的激光照射金属表面时，金属表面在百分之几秒甚至千分之几秒内升高到淬火温度。

由于照射点升温特别快，热量来不及传到周围的金属，因此在停止激光照射时，照射点周围的金属便起淬冷介质的作用而大量吸热，使照射点迅速冷却，得到极细的组织，具有很高的力学性能。如加热温度高至使金属表面熔化，则冷却后可以获得一层光滑的表面，这种操作称为上光。

激光加热也可用于局部合金化处理，即对工件易磨损或需要耐热的部位先镀一层耐磨或耐热金属，或者涂覆一层含耐磨或耐热金属的涂料，然后用激光照射使其迅速熔化，形成耐磨或耐热合金层。在需要耐热的部位先镀上一层铬，然后用激光使之迅速熔化，形成硬的抗回火的含铬耐热表层，可以大大提高工件的使用寿命和耐热性。

电子束热处理 70年代开始研究和应用。早期用于薄钢带、钢丝的连续退火，能量密度最高可达10瓦/厘米。

电子束表面淬火除应在真空中进行外，其他特点与激光相同。当电子束轰击金属表面时，轰击点被迅速加热。

电子束穿透材料的深度取决于加速电压和材料密度。例如，150千瓦的电子束在铁表面上的理论穿透深度大约为0.076毫米；在铝表面上则可达 0.16毫米。

电子束在很短时间内轰击表面，表面温度迅速升高，而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时，热量迅速向冷基体金属传导，从而使加热表面自行淬火。

为了有效地进行"自冷淬火"，整个工件的体积和淬火表层的体积之间至少要保持5∶1的比例。表面温度和淬透深度还与轰击时间有关。

电子束热处理加热速度快，奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短，因而工件表面晶粒很细，硬度比一般热处理高，并具有良好的力学性能。

2.表面淬火都有哪些方式方法

表面淬火仅使钢铁工件的表面得到淬火的一种表面热处理工艺。目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍具有较高的韧性。常用于轴类、齿轮类等零件。操作时利用快速加热的方法使工件表层奥氏体化，然后立即淬火使表层组织转变为马氏体，心部组织基本不变。表面淬火后一般进行低温回火。根据加热方法不同，可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以前两种方法应用最广。

加热用的能源通常有电磁感应加热，火焰加热，电接触加热及在电解液中加热；并可采用更高密度的能源，如电子束、激光、电弧等。能源提供的能量密度越高，则表面加热和淬硬层越薄。

1、电磁感应加热表面淬火

铁磁性物质的工件处在交变磁场中时，会因感应而在内部产生电流。这种电流在微小区域内形成回路，称之为涡流。涡流电流强度与交变磁场磁通变化率和工件材质有关。涡流在工件中仅集中在表层，有所谓“集肤效应”。表面电流最大，向内逐渐降低。电流值保持表面电流I0的1/e以上的厚度称为“电流透入深度”（e为自然对数的底）。钢铁材料在居里温度（磁性转变温度，中碳钢约为724℃）以上由于导磁率的突然变化，电流透入深度（△）急剧增大。当被加热材料与感应器条件相同时，△值取决于感应器中交变电流的频率（f），对于钢铁材料，△≌500/(mm)。因此要根据淬火层厚度的要求选择电流频率。常用的感应加热用交流电源有3种：（1）高频。200~300kHz，采用电子管式高频振荡电源，淬硬层厚度一般为1~3mm。(2)中频。500~800Hz，采用中频发电机或可控硅变频装置电源，淬硬层厚度一般为6~8mm。(3)工频。一般工业频率50Hz，采用加热变压器电源，由工业电网供电，淬硬层厚度一般为10~20mm，其电流透入深度则可达50~70mm，适于大件的表面淬火。

电磁感应加热表面淬火通常是将工件置于一加热感应圈内，感应圈通入交变电流以形成交变磁场。感应圈多用铜管制成，可以是单圈或多圈的，管内通入冷却水防止工作时升温。加热和喷冷淬火可采用连续和断续两种方式，皆可在图1机构上实现。喷水圈设在加热器的下方，在连续式加热-喷冷时，工件在自旋转（使加热均匀）的同时向下移动，表面各部位依次加热和淬冷；在断续式加热-喷冷时，工件自旋转时位置不变，待一定面积被加热到淬火温度时，迅速下降并喷水冷却。

表面淬火时的加热温度取决于钢的成分（临界点）、原始组织和加热速度。加热速度一般在50~500℃/s之间，属快速加热。由于钢在快速加热时奥氏体形成的动力学的特点，在加热速度、加热温度、钢的原始组织和淬火后组织、性能几方面之间具有如图2所示的关系。Ⅱ区为最佳规范，既具有细晶粒，又具有高硬度。Ⅰ区加热不足，晶粒虽细小，但加热时奥氏体形成不充分，淬火硬度不足。Ⅲ区为加热过度，晶粒长大，硬度也因残留奥氏体较多而略有下降。

2、火焰加热表面淬火

将工件置于氧-乙炔（也可用天然气等）火焰中，表面快速加热至淬火温度后喷水淬冷。火焰温度一般为3000℃左右。本法设备简单，常用于小批、单件生产或零部件的维修。其设备包括：（1）喷嘴。氧-乙炔按一定比例混合，在相当高的压力下从喷嘴小孔喷出并被点燃。喷嘴的布置，一般按工件表面制成仿形状。（2）淬火机床。固定工件和喷嘴位置，并可控制工件（或喷嘴）的旋转和移动。（3）燃烧控制装置。保证氧-乙炔气有稳定的混合比和喷出压力。

3、电接触加热表面淬火

利用触头（铜或石墨材质）和工件的接触电阻，低电压、大电流，使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件表面，即可将表层加热至淬火温度，并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行，适于大件的局部表面淬火。

4、电解液加热表面淬火

以工件作阴极，置于电解液中（常用5%~20%碳酸钠水溶液），以电解槽为阳极，通入200~300V直流电。由于电解作用使阴极（工件）表面形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部表面淬火。

3.常用的热处理方法有哪几种

1.退火 操作方法：将钢件加热到Ac3+30~50度或Ac1+30~50度或Ac1以下的温度（可以查阅有关资料）后，一般随炉温缓慢冷却。

目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。 应用要点：1.适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊接件以及供应状态不合格的原材料；2.一般在毛坯状态进行退火 。

2.正火 操作方法：将钢件加热到Ac3或Accm 以上30~50度，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却。 目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。

应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。

对于一般中、高合金钢，空冷可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。 3.淬火 操作方法：将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时间，然后在水、硝盐、油、或空气中快速冷却。

目的：淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。 应用要点：1.一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；2.淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧度，故要进行回火以得到较好的综合力学性能。

4.回火 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后，于空气或油、热水、水中冷却。 目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。

应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，因为这时会产生一次回火脆性。 5.调质 操作方法：淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高10~20度的温度，保温后进行淬火，然后在400~720度的温度下进行回火。

目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度；2.减小淬火时的变形和开裂；3.获得良好的综合力学性能。 应用要点：1.适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；2. 不仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件，如丝杠等的预先热处理，以减小变形。

6.时效 操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳定形状和尺寸。

应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。 7.冷处理 操作方法：将淬火后的钢件，在低温介质（如干冰、液氮）中冷却到-60~-80度或更低，温度均匀一致后取出均温到室温。

目的：1.使淬火钢件内的残余奥氏体全部或大部转换为马氏体，从而提高钢件的硬度、强度、耐磨性和疲劳极限；2. 稳定钢的组织 ，以稳定钢件的形状和尺寸。 应用要点：1.钢件淬火后应立即进行冷处理，然后再经低温回火，以消除低温冷却时的内应力；2.冷处理主要适用于合金钢制的紧密刀具、量具和紧密零件。

8.火焰加热表面淬火 操作方法：用氧-乙炔混合气体燃烧的火焰，喷射到钢件表面上，快速加热，当达到淬火温度后立即喷水冷却。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持韧性状态。

应用要点：1.多用于中碳钢制件，一般淬透层深度为2~6mm;2.适用于单件或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件。 9.感应加热表面淬火 操作方法：将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短的时间内加热到淬火温度，然后喷水冷却。

目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持韧性状态。 应用要点：1.多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件；2. 由于肌肤效应，高频感应淬火淬透层一般为1~2mm，中频淬火一般为3~5mm，高频淬火一般大于10mm. 10.渗碳 操作方法：将钢件放入渗碳介质中，加热至900~950度并保温，使钢件便面获得一定浓度和深度的渗碳层。

目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍然保持韧性状态。 应用要点：1.用于含碳量为0.15%~0.25%的低碳钢和低合金钢制件，一般渗碳层深度为0.5~2.5mm;2.渗碳后必须进行淬火，使表面得到马氏体，才能实现渗碳的目的。

11.氮化 操作方法：利用在5..~600度时氨气分解出来的活性氮原子，使钢件表面被氮饱和，形成氮化层。 目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。

应用要点：多用于含有铝、铬、钼等合金元素的中碳。