1.4　机械零件表面强化工艺及其特点

1.4.1　渗碳与碳氮共渗

钢的渗碳是指将低碳钢零件放在富碳气氛的介质中进行加热（温度一般为880～950℃）保温，使活性碳原子渗入零件表面，从而提高表层碳浓度的过程，零件的表面被碳所饱和而获得高碳的渗层组织。

（1）渗碳的过程及作用

渗碳是将钢件放入渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入零件表面的化学热处理工艺。渗碳对于在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力和严重磨损条件下工作的机器零件如齿轮、活塞销和凸轮轴等，在工作过程中要求其工作面必须具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有足够的强度和韧性，采用渗碳工艺处理后，可满足其性能要求，因此渗碳不仅改变了材料表面的特性，更为零件使用寿命的提高提供了有力的保障。

从钢的渗碳过程和形式来分析，钢的渗碳过程通常分为三个基本阶段：渗碳介质的分解→钢件对碳原子的吸收→碳原子的扩散，渗碳典型工艺曲线见图1-13。

气体渗碳的全过程包括分解、吸收和扩散三个基本过程，以齿轮在井式渗碳炉渗碳为例加以介绍，最常见渗碳剂为煤油。

分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了渗入钢表面的活性碳原子。通常煤油在渗碳温度920～940℃时，分解后产生如CO、CH₄、C_nH_2n+2、C_nH_2n、H₂、CO₂、O₂、N₂等气体，其中CO为弱渗碳气体，而CH₄则为强渗碳气体，高温下会在零件表面进一步分解，形成渗入能力很高的活性碳原子［C］。

吸收阶段为活性碳原子被零件表面吸附、吸收的过程，钢临界点以上所形成的奥氏体具有较大的溶解碳的能力，超过碳原子吸收能力时，会在零件表面堆积而形成炭黑，影响渗碳的正常进行，严重的甚至会造成炉罐的导热性差及电热体的短路等。

扩散阶段为已被吸收的碳原子向零件内部扩散渗入，由于表面吸收了活性碳原子，故碳浓度提高，造成零件内外产生碳的浓度差，使碳原子从浓度高的区域向低的区域扩散，形成渗碳层。

上述渗碳的三个过程均对渗碳结果有很大的影响。在吸碳阶段需要渗碳剂提供足够的活性碳原子，利于零件表面对碳原子的吸收。活性碳原子少，会使表面的含碳量低；活性碳原子太多，则多余的碳原子又结合成分子溢出，形成的炭黑会影响渗碳的正常进行；在扩散阶段，若吸收的活性碳原子数量小于扩散的数量，会造成表面的含碳量达不到技术要求，扩散的速度则明显减慢。

排气期（A+A'段）：在装炉过程中，考虑到装炉时炉温的迅速降低，一般要降到780～830℃，此时若滴入大量的煤油将形成炭黑，故必然减缓表面渗碳速度，当炉内温度上升到900℃以上，要加大煤油的滴入量，提高炉内的碳浓度，继续排气来进一步建立渗碳气氛。

吸收期（B段）：炉温升到工艺温度前采用加大煤油滴量的方法排气，因此保证渗碳有高的碳势。在吸收期内应将煤油的滴入量适当地减少，保证渗碳所需的碳势，形成表面碳浓度较高的渗碳层。

扩散期（C段）：此时炉内压力为20～35mmH₂O，零件表面已经有一定的渗碳层，炉内气体中CO₂和O₂的含量很低，为了降低表面的含碳量，扩大过渡区的范围，碳原子的浓度梯度平缓，根据工件吸碳与扩散的平衡原则，采取减小渗碳剂滴量的措施。

降温阶段（D段）：保持炉内压力为15～25mmH₂O，渗碳件随炉降温，使渗碳层析出少部分碳化物，会使奥氏体中含碳量减少，降低了M_s点，淬火后的残余奥氏体减少，提高了表面硬度。

淬火前等温阶段（E段）：炉内压力为15～25mmH₂O，等温一段时间使工件内外温度均匀，齿轮等温0.5～1h，再出炉淬火油冷。

（2）渗碳的类型和特点

①气体渗碳　国内外热处理企业一直采用气体渗碳工艺，在实际生产中渗碳的方法较多，根据介质的不同可分为固体渗碳、液体渗碳及气体渗碳三种，应用最多的为气体渗碳，它是在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺，是目前应用最广泛和成熟的渗碳方法。

气体渗碳的主要优点如下：气氛的配比基本稳定在一个范围内，产品质量易于控制；渗速较快（0.2mm/h），生产周期短，约为固体渗碳时间的1/2；适合于大批量生产，既用于贯通式连续作业炉（如震底式、旋转罐式、输送带式、推杆式、转底式炉等），又适用于周期式渗碳炉（如井式、卧式和旋转罐式炉），可实现连续生产及渗碳作业的机械化和自动化；劳动条件好，工件不需装箱可直接加热，大大提高了劳动生产率，减轻劳动强度。

这里对常用的渗碳剂介绍如下。

煤油：它是石油在200～300℃经蒸馏而得到的产物，本身含有多种碳氢化合物，其在850℃以下裂解不充分，产物及含碳量随外界条件而变化。

分解温度越高，其混合气中C、N化合物减少，故通过改变热分解温度，可得到所要的成分气体。渗碳气体中，饱和的碳氢化合物（C_nH_2n+2）中有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，不饱和的碳氢化合物（C_nH_2n）中有乙烯、丙烯、丁烯等，不饱和的C_nH_2n的碳氢化合物分解易形成炭黑和焦油，焦油析出氢气后便形成焦炭，沉积在工件上，妨碍工件的均匀渗碳。因此用煤油做渗碳剂时，如控制不当，会有炭黑沉积在工件和炉罐上。

甲醇、乙醇和丙酮：它们在高温渗碳温度下，发生分解而析出活性碳原子。

在分解气氛中，以CO和H₂为主，甲醇为稀释剂，其余为渗碳剂。它们在高温下易分解，不易产生焦油和炭黑。

气体渗碳的反应与过程如下：渗碳气氛中主要成分为CO和CH₄，它们分解产生活性碳原子。

渗碳剂分解后，气氛中含有CO和CH₄等渗碳组分，供碳组分传递到钢铁表面，在零件表面吸附反应产生活性碳原子，渗入钢铁表面，CO₂和H₂O则离开零件表面。渗入零件表面的碳向内部扩散，形成一定梯度的渗碳层。

影响气体渗碳的因素。渗碳主要由分解、吸收和扩散三个基本过程来完成，凡是影响这三个基本过程的因素，都会影响整个渗碳过程，渗碳层深度可按下式计算：

d=kt-D/β

式中　d——渗层深度；

β——传递系数；

k——渗碳速度因子；

t——渗碳时间；

D——扩散系数。

扩散系数与渗碳温度、奥氏体钢的碳浓度及合金元素品种和含量有关，由扩散系数D=0.162exp（-16575/T）可知，其中影响最大的为渗碳温度，扩散是整个渗碳过程中进行最慢的过程，在其他正常的前提下，扩散决定着渗碳速度的快慢，温度起着重要的作用，它是十分关键的因素之一。

a.渗碳温度。根据原子的扩散规律，扩散速度与扩散层的浓度梯度和扩散系数成正比，而扩散系数与温度之间呈指数关系，随温度的升高，碳在钢中的扩散系数增大。根据Fe-Fe₃C状态图可知，钢的加热温度越高，碳在奥氏体中的溶解度越大。如在800℃时仅为0.99％，而在1100℃，碳在奥氏体中溶解度为1.86％，当渗碳温度T₁>A_c3时，表面碳浓度较高，渗层较深，而当T₁<A_c3进行渗碳时，表面碳浓度较低，渗层也浅。通常的渗碳温度为920～950℃，此时渗碳钢处于全部奥氏体状态。

b.渗碳保温时间。渗碳保温时间主要取决于要求获得的渗碳层厚度，它是影响渗碳温度的主要参数，在渗碳剂渗碳能力一定的条件下，渗碳层厚度是温度和时间的函数，在相同的渗碳温度下，渗碳层厚度随着时间的延长而增加，渗碳时间延长，渗碳层越厚，渗入的碳原子的浓度越高。但考虑到渗碳有一个适宜的温度范围，因此在生产中可进行时间的调整和控制。渗碳层的厚度与时间呈抛物线关系。

渗碳钢在RJJ型渗碳炉中采用煤油做渗碳剂，于900℃左右渗碳时，时间与渗碳层深度的关系可参考表1-11，一般的经验公式中渗碳速度a=0.2mm/h。

c.渗碳剂流（滴）量。渗碳剂的流量直接关系到介质的供碳能力，滴入适量的渗碳剂，使零件表面的分解气体不断地更新、产生和提供活性碳原子，因此确定渗碳剂的流量时，应考虑到供给的碳原子与吸收的碳原子相适应。在渗碳过程中，渗碳层的厚度和表面浓度随着渗碳剂的消耗量增大而增大。

气体渗碳典型工艺举例见表1-12。

②固体渗碳　固体渗碳就是将工件埋入装有渗碳剂的渗箱内，箱盖用耐火泥密封，然后放置于热处理炉中加热，当炉温升到奥氏体状态800～850℃，保温一段时间，再继续加热到900～950℃，保温一定时间后，取出零件淬火或空冷后，再重新加热淬火的一种工艺方法。

（3）对渗碳用钢的要求

渗碳的目的是在渗碳件的表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织，覆盖在塑性和韧性好的心部基体上一层的耐磨硬化层，渗碳零件在渗碳后进行淬火和低温回火，表面有高的硬度（大于58HRC）、高的强度和耐磨性，而心部保持一定的塑性和韧性，即心部与表面获得了不同的组织和性能，使零件实际上成为一种新型的复合材料，可承受一定的冲击载荷、较重的静载荷以及复杂的交变载荷下磨损和疲劳断裂。因此一般用钢为含碳量较低的碳钢或低合金结构钢，其含碳量范围为0.10％～0.25％。含碳量低是为了保证零件的心部具有高的或较高的韧性。对于要求较高或截面较大的零件，可选用含碳量0.30％左右的合金钢。一般低碳钢的整体强度较低，淬透性差，渗碳后晶粒易长大，影响零件的力学性能。较重要的零件，如装载机、汽车及拖拉机等所用的齿轮，通常采用合金渗碳钢制作，钢中加入Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、B、Ti或Si等金属元素，提高了钢的力学性能和淬透性，增强了零件的机械强度。渗碳后工件表面的含碳量根据钢种的不同要求也有差异，在制定渗碳工艺时必须加以考虑。

①足够的强度和韧性。应能够满足渗碳零件心部的性能需要，例如对于要求强度和韧性高的零件，渗碳热处理后，应使其心部具有低碳马氏体组织，零件的尺寸越大，则要求淬透性越高，对于一般齿轮选用20CrMnTi、20CrMoTi钢，而重载或高速齿轮采用18Cr2Ni4WA渗碳钢制造。

②具有良好的机械加工性能。应满足零件制造的工艺性能，容易获得低的表面粗糙度等，热处理前的表面粗糙度直接影响渗碳零件的使用寿命。

③具有好的渗碳性能。渗碳钢在900～950℃渗碳后，奥氏体的晶粒度应细于6级，保证淬火后获得高强韧性的细晶粒马氏体组织；渗碳时不宜存在过高的碳浓度，不会形成明显的网状或块状碳化物，在使用过程中没有渗碳层的开裂和大块的剥落等缺陷。

④具有良好的淬火性能。应使零件淬火的变形小和开裂倾向小。

碳浓度梯度对力学性能有一定的影响。它反映了碳含量沿渗层下降的状况，直接影响到渗层的硬度梯度，碳浓度沿渗碳层厚度的下降要平缓，若太陡则相邻组织间的碳含量差距大，应力变化不均，在使用过程中可能产生渗层的大块剥落，造成零件的早期失效。

渗碳零件的硬度要求是有规定的。具体的硬度要求与渗碳零件对韧性的要求、零件的结构尺寸和钢的淬透性有关，一般渗碳层的硬度为56～64HRC，心部硬度为30～45HRC。

（4）常用渗碳钢渗碳前的预备热处理

在渗碳前为了保证心部有一定的强度，满足基体的工作需要，为渗碳做好组织准备，有些渗碳件需进行预备热处理。实际生产中，常用的预备热处理方法有以下几种。

①正火——组织为细片状珠光体+少量铁素体。

②调质（淬火+高温）——回火组织为均匀回火索氏体或均匀粒状状珠光体。

③正火+高温回火——组织为均匀粒状或细片状珠光体+少量铁素体。

常用渗碳钢的预备热处理工艺规范见表1-13。

（5）渗碳后的碳浓度及渗碳层及其组织

渗碳层碳浓度及渗碳层的测定：通常零件渗碳后，其渗碳层深度的测定可采用金相法，其区别在于根据钢种的差异而有所不同，有效硬化层深度检验方法按《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》（GB/T 9450—2005）中的规定执行。

钢渗碳后的缓冷组织：当零件表面的含碳量高于0.8％，其组织为二次渗碳体+珠光体；当含碳量大于1.0％，二次渗碳体将呈明显的网状碳化物，由共析层到中心含碳量逐渐降低，珠光体加铁素体亚共析组织，心部为钢的原始成分状态，即亚共析组织。

（6）渗碳后零件的热处理

渗碳热处理后的组织及性能：渗碳后热处理的目的是提高渗层表面的硬度、强度和耐磨性能；提高心部的强度和韧性；细化晶粒；消除网状的渗碳体和减少残余奥氏体；消除内应力，稳定尺寸。

正常的渗碳淬火组织为细针状的马氏体，低碳钢与低合金钢渗碳层淬火表面硬度可达60～64HRC，而高合金钢渗碳层淬火后的硬度为56～60HRC。渗碳后钢的耐磨性比普通淬火的中碳合金钢有明显提高，能保证最高耐磨性的组织为细针状马氏体或隐针马氏体加上细小球状碳化物和少量均匀分布的残余奥氏体。实践证明：渗碳除了能使零件表面硬度和耐磨性提高外，同时也可提高钢件在弯曲和扭转载荷作用下的疲劳强度。

渗碳后的几种热处理方法：渗碳后进行淬火加低温回火处理，回火温度一般为160～180℃，保温时间不低于1.5h，来改善渗碳钢的强韧性和稳定零件的尺寸。渗碳零件经过热处理后，表层的组织应为细针状的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，处理后的表面硬度可达到58～63HRC，其心部的组织随钢种和零件的形状及尺寸而不同，通常应为低碳马氏体、极细的珠光体或细珠光体，金相组织中不允许存在大块、多量的游离铁素体，其硬度范围为20～45HRC。渗碳层可采用断口法和金相法进行检测，渗碳后的常用冷却方式见表1-14。

1.4.2　渗氮与氮碳共渗

1.4.2.1　渗氮

钢的渗氮是在一定的温度下使活性氮原子渗入工件表面的一种化学热处理方法，即氮原子渗入钢件表面层的过程，它改变了零件表面的组织结构和性能，成为一种复合的材料，与普通的材料相比，零件的表面和心部的组织状态和性能发生了很大的变化。渗氮使钢铁材料在静载荷和交变应力下的强度性能、摩擦性、成形性及腐蚀性得到提高。经渗氮处理后的零件具有以下特点。

①钢件经氮化后，其表面硬度很高（如38CrMoAl氮化后表面硬度为1000～1100HV，相当于65～72HRC），具有良好的耐磨性，这种性能可保持在600℃左右而不下降。

②具有高的疲劳强度和抗腐蚀性。在自来水、过热蒸气以及碱性溶液中都有良好的抗腐蚀性，与其他表面处理相比，氮化后的工件表面的残余应力形成更大的压应力，在交变负荷作用下，表现出更高的疲劳强度（提高15％～35％）和缺口敏感性，零件表面不易咬合，经久耐用。

③渗氮处理的温度较低（450～580℃），所引起的零件变形极小，渗氮后渗层直接获得高硬度，避免了淬火引起的变形。

根据工件使用条件和目的不同，渗氮分为两类：抗磨渗氮和抗蚀渗氮。前一类工件可获得高硬度、疲劳强度和耐磨性好，后一种主要提高工件的耐腐蚀性。

（1）渗氮用钢及预先热处理

根据渗氮零件的工作条件和性能要求不同，选用的钢种也有区别：对于要求耐磨和抗疲劳的零件，一般选用含碳量为0.1％～0.45％的合金结构钢；以抗大气及水（雨水、水蒸气）腐蚀为目的的，可使用低碳钢、中碳钢，也可用高碳钢、低合金钢和不锈钢。高质量的渗氮零件不仅需要高硬度、耐磨、高疲劳强度的表面渗氮层，同时要求心部具有高的强度和与韧性匹配的综合力学性能，故一般采用中碳合金钢进行渗氮。合金钢中通常要含有Al、Cr、Mo、W、V和Ti等合金元素，在氮化过程中，这些元素均能与氮原子结合，形成颗粒细密、分布均匀、硬度很高而且非常稳定的氮化物，如AlN、CrN、VN、TiN等，因而工件表面有极高的硬度和好的耐磨性，其中Al的强化效果最好，这同铝本身的原子结构有关，在600℃不聚集粗化，性能也不会降低。另外，Cr、W、Mo、V可改善钢的组织结构，提高钢的强度和韧性，Mo可消除回火脆性。

典型渗氮用钢代表钢种为38CrMoAl、40Cr、42CrMo、3Cr2W8V等，该类材料必须经过调质处理或正火处理，其目的是消除组织内应力，获得均匀的索氏体组织，同时细化了晶粒，基体获得了要求的力学性能（如足够的强度和良好的韧性），为零件的渗氮做好组织准备。常见渗氮钢的钢种及应用范围见表1-15。

为了保证渗氮后的工件具有良好的综合力学性能，即心部的韧性、塑性、冲击性、抗弯疲劳强度等处于最佳状态，而表面又具有高的硬度和耐磨性，从而发挥渗氮钢的优越性，渗氮前的预备热处理至关重要，淬火加高温回火后的组织为回火索氏体，满足了基体韧性与强度的要求。常见结构钢、模具钢渗氮前调质（或时效）处理热处理工艺规范见表1-16。

所谓气体渗氮，是指在气体介质中进行的气体渗氮，由于其操作简单、成本低、产品质量稳定，目前国内外普遍使用，随着科学技术的发展，越来越多的渗氮工艺应用于工业领域，并发挥了重要作用。

一般气体渗氮是在井式炉内进行，氨气由液氨瓶，经过干燥箱、流量计、进气管通入密闭的渗氮罐内，而不直接接触加热器和炉衬，罐内进行强制性的气体循环，功率按区域分布，用来保证整个罐内温度的一致性和炉内气氛成分的均匀性。

气体渗氮的基本过程是：工件在一定的渗氮温度和渗氮气氛氮势条件下，开始氮原子的渗入和扩散过程，随着渗氮过程的进行，在工件的表面形成一定的渗氮层组织结构。

（2）渗氮工艺的制定

对氮化物的生成有重要影响的因素有温度、保温时间，以及不同加热、保温阶段渗氮罐内渗氮介质的氮势（用分解率表示），这三个主要的工艺参数，它们直接影响到工件的渗氮层的硬度、深度及工件的使用性能，因此在生产中必须加以控制。

渗氮工艺参数主要有渗氮温度、渗氮时间和氨的分解率等，在实际生产过程中，确定合理的工艺参数至关重要。

①渗氮温度。渗氮温度是重要的工艺参数，渗氮后的硬度取决于形成的氮化物的弥散度，合金氮化物急剧长大会引起弥散度的减小，氮化物硬度随之降低，在590℃以上氮化物强烈聚集长大，硬度下降十分明显。为了保证氮化物自身的心部强度与硬度不变化，氮化温度必须低于其调质回火温度，通常渗氮温度为500～540℃。

综合考虑温度对零件表面硬度、变形量、心部性能的影响，一般推荐渗氮温度为480～560℃，比调质回火温度低40～70℃为宜。

②渗氮时间。渗氮时间的长短与渗氮温度和渗层厚度有关，同时还与渗氮用钢的化学成分等因素有关，当温度不变时，氮化层的厚度取决于保温时间，但保温时间选择又与温度有关。渗氮温度越高，获得相同渗层所需时间越短，反之，所需时间越长。

③氨的分解率。氨的分解率表示炉内氨气的分解程度，分解率的大小影响工件表面吸收氮原子的速度，在一定的温度下，氨的分解率应控制在适当的范围，采用氨的分解率测定计测量。

氨分解率也是一个重要的工艺参数，实际测到的氨分解率是指在一定的氮化温度下，氨气分解产生的N₂、H₂混合气体占炉内气体（主要指未分解氨气和已分解产生的N₂、H₂气体三者的总和）体积的百分比，其计算式为：

它近似地表示氨的分解程度，其高低取决于氮化温度、氨气流量、进气和排气压力、零件表面的大小、有无催化（渗）剂及零件需氮化部位的总面积（钢为加速氨分解的催化剂），与时间无关。氨的分解主要在炉内管道、渗氮炉、挂具及零件本身等由钢铁材料制成的构件表面，通过催化作用进行，而在气相中自行分解的数量是很少的。对于一定温度下的分解率，通常控制在一定的范围内，见表1-17。

氨易溶于水，常温下其溶解度为25％，因此，其分解率可根据氨分解出的N₂、H₂不溶于水的性质来测定。

随着科学技术的发展，用电信号来反映氨分解率的测量仪器已应用于生产，使用微机控制氮化过程变成现实。这种仪器可分为两种：一种是利用氢气、氮气和氨气的导热性的差异来测量分解率；另一种是利用多原子气体对辐射的有选择的吸收，采用红外线测量炉气成分，从而确定氨的分解率。

抗磨渗氮一般分为一段渗氮、二段渗氮和三段渗氮，在分析渗氮工件应采用的渗氮方式时，要综合考虑其工作的载荷类型和工作条件，以发挥渗氮的作用。

（3）渗氮工艺规范

在渗氮过程中，渗氮层表面氮浓度未达到α-Fe的溶解度极限前，渗层为α-Fe组织。氮在该条件下的扩散称为纯扩散，当氮浓度超过α-Fe溶解度，表面出现γ'相，此时扩散和相变同时进行，称为相变扩散。从上述过程可以看出，铁表面对氮原子的吸收能力，取决于温度、表面状态（表面光洁程度、表面粗糙度及工件表面有无氧化膜等），对于钢而言，还同材质的化学成分（如含碳量、合金元素的含量等）有关。气体渗氮设备一般由氮化炉、供氨系统（液氨罐）、氨分解率测定系统和测温系统等组成，气体渗氮的基本装置如图1-14所示。

前面分别叙述了的氮化的三个重要的工艺参数及注意事项，在生产实践中，根据材料的化学成分、技术要求、设备条件和生产特点的不同，一般采用的工艺有等温渗氮（一段）、二段渗氮和三段渗氮。下面我们以38CrMoAlA为例，分别作简单介绍，并讲解其温度、时间及分解率的具体应用情况。

（4）抗磨渗氮

主要指以提高零件表面硬度、强度、耐磨性和疲劳强度为目的的渗氮，该种渗氮工艺要求零件的渗氮层较厚，通常为0.4～0.7mm，渗氮温度范围一般在480～570℃。渗氮温度越高，则氮原子的扩散速度越大，硬度沿截面的分布显得更为平坦。氮化物的厚度大致与氮化时间的平方根成比例，氮在氮化物层中扩散速度比在α-Fe中小25倍。图1-15～图1-17为一段渗氮、二段渗氮和三段渗氮的具体工艺。

（5）抗蚀渗氮

为了提高钢铁材料的抗腐蚀性能而进行的渗氮处理，称为抗蚀渗氮，只有高氮的ε相才具有较好的耐腐蚀性。抗蚀渗氮可使工件表面获得0.01～0.06mm致密的化学稳定性高的ε相层，由于氮化物ε相在大气和淡水中具有较高的抗腐蚀稳定性，在自来水、潮湿大气、过热蒸汽、气体燃烧产物及弱碱中，表现出良好的耐腐蚀性，可代替镀镍、镀锌和发蓝处理。但因为ε相易溶解于酸，一般耐酸腐蚀性差，大多用于中性或弱碱性的介质中。渗氮前零件的光洁度对抗蚀性影响很大。

氮化物ε相的是否致密对渗氮层的抗蚀性有很大的影响，ε相过薄或ε相不致密均能导致工件的抗蚀性能降低，故在制定渗氮工艺参数时，应考虑以下几个方面的问题。

渗氮温度。根据Fe-N平衡状态图可知，随着渗氮温度的提高，ε相区逐渐扩大，ε相的相对厚度增大，因此有助于提高其抗腐蚀性能，但采用纯氨渗氮时，温度提高氨的热分解加速，则使氨的分解率增大，ε相中易出现空洞而变得疏松，抗腐蚀性能降低。

渗氮时间。在渗氮温度下，渗氮介质经过一段时间的分解，然后被零件表面吸收并向内部扩散，形成了一定厚度的ε相层，因此，为保证获得理想的厚度，应有足够的保温时间。若保温时间过长，势必造成表面ε相中氮浓度过高，使ε相脆性增加。正确地缩短氮化时间，不仅显著提高耐腐蚀性，而且在腐蚀条件下能显著提高钢的疲劳极限，并表现出很高的抗拉强度。

氨分解率。为了确保ε相有良好的致密性，氨的分解率应控制在适当的范围内，一般氨的分解率不应超过60％～70％。实践证明：分解率不能太高，过高的分解率会增加氮化层的孔隙度，降低抗蚀性，此外，还减少表面的氮浓度；过低的分解率会使ε相氮浓度过高，造成渗氮层变脆。因此为获得致密而又脆性小的ε相层，应综合考虑，推荐采用40％～60％的氨分解率。不同的钢种有各自最佳的抗蚀氮化工艺规范。

常见材料的抗磨渗氮和抗蚀渗氮工艺见表1-18～表1-20。

（6）氮化后的组织和性能

零件和工具的耐磨性可由含氮的表层来改善，它提高了表面硬度，降低了摩擦系数和金属摩擦副的黏附性，在提高耐磨性及表层疲劳强度的同时，降低了与周围介质的反应，渗氮后的表面化合物为白亮的相，次表层是基体弥散分布相。

①表面具有高硬度与耐磨性。渗氮层的高硬度是由于表面形成了ε相、过饱和氮对α-Fe的时效强化以及渗氮扩散过程中合金元素与氮的交互作用和渗氮钢的合金氮化物沉淀硬化所致，即主要是靠渗氮层中形成与母相共格的合金元素氮化物的沉淀硬化，如38CrMoAl钢硬度可达1200HV，高于渗碳马氏体层的表面硬度，故其耐磨性特别好。

②高温下仍保持高硬度（红硬性）　零件渗氮表面在500℃可长期保持其高硬度，短时间加热到600℃，其硬度几乎不降低，保持了渗氮零件硬度和基体强度。

③较高的疲劳强度　结构钢渗氮显著提高光滑试样的旋转弯曲疲劳强度和缺口敏感性，它能部分抵消在旋转弯曲载荷下产生的表面拉应力，故可提高疲劳强度。渗氮层越深，疲劳抗力越大。

④优良的抗腐蚀性　渗氮层的表面形成一层致密的ε相时，其具有良好的耐自来水、蒸气及碱溶液的浸蚀性能。渗氮后可提高钢在铝液中的抗溶解稳定性和与铝件的抗黏着性能。

⑤提高了抗擦伤和咬合能力　渗氮零件形成的化合物层的粗糙度同渗氮前没有太大区别，高的表面硬度不会造成表面的划伤，同时化合物层的微小孔隙又容易吸附润滑油，使零件在工作过程中具有较高的抗擦伤和“咬合”能力和高的疲劳强度。

1.4.2.2　氮碳共渗

钢的氮碳共渗是在含氮和碳的介质中加热，即在渗氮的同时，还有少量的碳原子渗入。氮碳共渗时氮在铁中的溶解度比碳在铁中的溶解度大10倍，是以渗氮为主的共渗过程。活性氮原子与活性碳原子渗入工件表面后，形成氮碳化合物。

氮碳共渗可在气体、液体或固体介质中进行，渗层与渗氮时相近，而工艺周期较短。氮碳共渗的温度比气体氮化稍有提高，但低于Fe-N状态图中的共析温度（590℃），通常为540～570℃，时间1～7h，时间短、渗层较浅共渗层厚度在0.5mm以下，在扩散层中的碳被形成的氮化物吸收，称为氮碳化合层。形成了以Fe（N、C）为铁的核心，很快可得到铁的氮碳化物薄层，从而加快了氮碳速度，缩短了氮化时间，氮化后采用快冷方式（合金钢油冷、碳钢水冷），以提高零件的抗腐蚀性、疲劳强度等。

氮碳共渗不仅赋予零件耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗咬合、抗擦伤及抗腐蚀性能，而且该工艺具有时间短、温度低、变形小、化合物层脆性小等特点，故适合于要求硬化层薄，负荷较小，不易在重载荷条件下工作的零件，对承受载荷不大、需得到良好综合性能的零件，采用氮碳共渗效果甚好。

综上所述，钢的氮碳共渗具有以下特点。

①工艺温度低，时间短，零件变形小。

②显著提高零件的疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性。

③抗擦伤和抗咬合能力强。

④可对各种材料进行处理，不受钢种限制。

⑤设备简单，操作方便，工艺成熟。

⑥渗层较薄，不适于重负荷下工作的零件。

根据氮碳共渗所使用化学介质与工艺特点，可分为以下几种工艺方法。

（1）气体软氮化

气体软氮化是指工件在气体介质中进行的氮碳共渗，低碳钢进行氮碳共渗时，仅产生白色氮化层，表面硬度与基体硬度变化很小，而将其软氮化处理时，有白色氮化层，同时表面硬度提高到500HV以上。

气体软氮化常用的方法如下。

①混合气体软氮化，这种方法分为两种：吸热型（R_x）气体+NH₃；放热型（N_x）气体+NH₃。

②尿素热分解软氮化。

③含N、C有机溶剂滴入法。

④含氧气体软氮化法。

为了便于理解，结合生产过程的实际应用情况，氨气+酒精在一定的温度和压力下，分解出活性氮原子和活性碳原子完成氮碳共渗。气体氮碳共渗也称为气体软氮化，它和盐浴氮碳共渗一样，氮碳共渗是以渗氮原子为主、碳原子为辅的氮碳两种活性原子同时渗入工件表面的化学热处理工艺，它使用的介质在要求的工艺温度下能产生活性的氮、碳原子。

气体氮碳共渗使用的介质必须是在工艺温度下存在活性的氮、碳原子，要求介质容易分解，不产生公害，化学稳定性好，价格低，来源广，而且易于保存。气体氮碳共渗温度一般为570℃左右，与铁-氮-碳三元共析点（565℃，0.35％C、1.8％N）十分接近，其目的是得到α相对氮的最大固溶能力，共渗时间为0.5～7h。一般生产中采用的共渗介质见表1-21。

混合气体的共渗原理：在氮碳共渗温度下，两种介质以一定比例混合在一起，介质分解出的气体分别提供所需要的活性氮、碳原子，这里以酒精与氨气为例，分析软氮化过程。

　　 氨气的分解： 　　

式中　［N］——活性氮原子。

分解出的活性氮原子吸附在工件表面上，逐渐由外向内扩散形成氮碳化合物层，氮的浓度增加，同时氮分子本身不与钢铁件起反应，只有氨与钢铁件同时加热，在铁的催化作用下，才促进NH₃的分解。

滴入炉内的酒精受热分解，其分解温度在500℃，本身提供活性碳原子。

酒精的分解：

式中　［C］——活性碳原子。

分解出的吸热型气体如CH₄、CO等再继续分解成活性碳原子，同样吸附于钢铁件的表面，形成了碳化物。因此在540～570℃的温度范围内，氮碳原子同时渗入工件表面。经X射线结果分析，形成了Fe₄N、Fe₃C等氮化物和碳化物，没有Fe₂N的出现。

尿素热分解软氮化原理：我们以尿素的气体软氮化为例分析其氮碳共渗的过程，尿素的熔点为127℃，在130℃以上很不稳定，高于该温度则进行分解。实践证明加热温度不同，分解产生的产物也有很大的差异。尿素内含有N、C、O三种元素，具备氮碳共渗所需要的N、C原子。130℃以上的分解产物如下。

随着温度的升高，在400～500℃范围内，尿素分解出的氨发生量逐渐减少，400℃达到最高，约500℃时尿素已不产生氨气，即氨的分解停止。500℃以上尿素按下式分解。

由上述反应可知，尿素只有在500℃以上才会有活性原子产生。它的分解分两步进行：第一步是产生活性氮原子；第二步是另一种产物——一氧化碳（不稳定），其吸热后继续分解出活性碳原子，N、C原子同时与铁结合形成相应的化合物，在氮碳共渗过程中，尿素颗粒按一定的要求源源不断地被送入炉膛，因此分解出氮碳活性原子，保证了氮化温度下反应的正常进行，满足了氮碳共渗的需要。

（2）液体氮碳共渗

液体氮碳处理是利用盐浴中产生的活性氮、碳原子，渗入零件表面与工件中铁及合金元素形成化合物层及扩散层，以提高零件表面的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性等力学性能的热处理工艺。

1940年前后，德国科学家根据盐浴氮碳共渗的技术要求，着眼于在氰化钠或氰化钾为主要成分的基础上，经过多次改进，将以前有毒的盐浴转化为基本无毒的氮碳共渗基盐，开启了液体软氮化的新时代，研究无公害的热处理技术是科学家们努力的方向，使盐浴软氮化采用无毒的盐浴成分，让氰酸根在盐浴中产生，又在零件的软氮化过程中消失，从而避免了毒性的产生，具体见下面的反应过程。

国产氮碳共渗基盐TJ-2是以尿素为主的盐，该盐在常温下原料为白根块状固体，加热熔化（熔点为450℃）后，借助于KCNO的分解所得到的N、C活性原子而进行的N-C共渗，常用温度520～575℃（低于调质回火温度10～20℃为佳），共渗时间为0.5～3h。国产软氮化盐（TJ-1、TJ-2）、再生盐（Z-1）的反应过程为：氰酸根分解和氧化产生［N］、［C］原子，氮、碳原子被钢吸收，渗入工件表面，完成其工件表面的氮碳共渗。

式中　M——K⁺、Na⁺、Li⁺等金属元素离子。

盐浴使用一段时间后，盐浴中的CNO^-浓度消耗，浓度增多，CNO^-低于工艺的下限，熔盐活性差。最佳CNO^-含量在36％～38％范围内，为避免CNO^-下降太快，氮碳共渗温度必须低于590℃；温度低于520℃盐浴流动性过低，影响共渗效果，故一般工艺温度为540～575℃。添加再生盐BREG-1或Z-1可恢复盐浴的活性，再生盐可使过多的碳酸盐转变为氰酸盐。

再生盐Z-1是一种C-H-N有机物聚合物，它与碳酸盐反应形成活性的氰酸盐，即：

又产生了氰酸盐和一氧化碳，恢复了基盐的活性，产生的气体逸出，添加再生盐后，盐浴几乎没有体积变化。

氮化过程中，需要不间断地向盐浴中通入氧气或空气，以得到活性的氮、碳原子，根据经验，一般推荐通气量按下式计算：

Q=（0.10～0.15）G^2/3

式中　Q——通气量，1/min；

G——坩埚中盐浴的质量，kg。

液体氮碳共渗工艺是一种经济简便的渗氮法，近几年来得到了快速的发展，同其他氮化方法相比，液体氮碳共渗的特点如下。

①加热速度快，时间短。

②加热温度低，工件的热应力小，工件的变形小。

③液体渗氮可显著提高零件的疲劳强度。

④可提高零件的抗腐蚀性。

⑤可提高零件的表面耐磨性，在高温或润滑不当的工作条件下，工件具有抗咬合性，不易产生咬卡现象。

⑥氮碳共渗形成的共渗层致密。

该种氮碳共渗基盐具有以下特点：①熔点低（≤450℃），熔融状态密度为1.75～1.80g/dm³；②液体的流动性好，成分稳定，一般CN^-含量为1％～6％，CNO^-含量为36％～40％，工作8h后CNO^-的浓度可降低1％～2％；③盐浴中含有大量的氰酸盐，增强了渗氮效果，渗速快，生产效率高，劳动强度低；④盐浴可再生，能保证盐浴的重现性良好，使用寿命长；⑤基盐和再生盐本身无毒，在氮碳共渗过程中，仅产生轻微的CN^-；⑥沉淀渣和漂浮渣易于清理，成分调整简单易行。

同其他化学热处理过程一样，液体氮碳共渗的工艺参数有四个：盐浴成分、氮化温度、共渗时间和冷却方法。

①盐浴成分　盐浴成分的高低对渗层和硬度产生重要的影响，它是实现氮碳共渗的基础和关键。主要的技术指标为CN^-和CNO^-。CN^-若小于0.5％，化合物层会出现ε和γ氮化物组成的两相化合物层，长时间处理时，微孔占的百分比可能增加。CNO^-在氮碳共渗过程分解游离出来的氧或二氧化碳会与钢发生强烈反应，造成工件表面的严重腐蚀，CNO^-若低于36％，尤其是降到30％以下时，盐浴渗氮活性将降低，而高于38％则会发生强烈的氧化反应，盐浴成分消耗过快，工件的表面会形成大量的微孔，在这种情况下，会有贫氮的Fe₄N在化合物层中出现，如图1-18所示。开始氮化工件前盐浴中应有足够高的CNO^-含量，否则造成渗速慢，表面硬度低。一般成分控制在CN^-含量为1％～6％；CNO^-含量为36％～38％，在实际生产中，根据工件的要求，允许偏离上述指标，但应以工件表面没有腐蚀为准。

②氮化温度　盐浴氮碳共渗通常采用的温度为550～580℃，在这一温度区间内，没有组织的转变发生（参照铁氮相图），若低于520℃，会出现盐浴成分的偏析，例如碳酸盐的沉淀、成分不稳定等，该条件下生成的化合物表现出反常，如生成两层化合物，出现大量的Fe₄N以及多孔等，工件的表面甚至显现出类似腐蚀破坏的情况。氮碳共渗温度对渗层的影响较大，若温度升高到580℃以上，为了形成深层单相ε氮化物层，盐浴氮碳共渗中氮的供应应当充分，因此盐浴中的CNO^-含量会下降很快，造成盐浴中的成分波动变化大，工件表面形成的氮化层前后差别增大，同时还会出现附加的含氮马氏体。

③共渗时间　共渗时间根据所要求的渗层厚度来确定，另一方面，渗层厚度又取决于待处理零件合金成分的种类、含量和盐浴成分及处理温度，一般随着合金元素和碳含量的增高，氮原子的渗透深度降低，化合物层减薄，总渗氮层变薄。

盐浴氮碳共渗通常保温时间为10～240min，随着时间的延长，化合物层增厚，脆性增加，资料介绍氮化时间延长4倍，渗层增加1倍；时间太长，会使工件表面产生腐蚀或粗糙度差；共渗时间对各种材料的渗层深度的影响见图1-19、图1-20，硬度分布与保温时间的关系见图1-21，从硬度分布曲线明显地反映渗氮时温度和时间的影响，零件的表面硬度在6h以后随保温时间的延长而降低，并将延至与表面有较大的距离处。

④冷却方法　按冷却介质不同，冷却方法可分为四种，在生产过程中应根据其工作条件对工件尺寸和疲劳强度要求的差异，选择相应的处理方法，见表1-22。

液体氮碳共渗形成的氮化层由两个区域组成：表面是氮碳化合物区，内部为扩散区。氮碳共渗过程的主要合金化组元是氮，而碳主要是饱和表面的氮碳化合物层，资料介绍氮碳化合物区疏松的主要原因是由于氮使ε-相过饱和的结果，调整液体介质的活性能使氮碳化合物层的紧密度、组织和厚度等趋于合理化，氮碳化合物层的质量完全取决于氮碳共渗的温度和时间，可以根据最佳工艺规范来确定。

氮化后的零件在Y-1或AB-1氧化盐中进行冷却处理，在5～15min内氧化盐将氰化物和氰酸根盐膜氧化掉，形成了无毒的碳化物，另一个是氧化盐中的氧向零件表面释放，并进入化合物层，约有1μm的氧化膜牢牢地附着在零件的表面上，表面呈蓝黑色。

经过不同工艺处理后，工件的抗盐雾腐蚀性能见表1-23，可以看出，六种处理方法中，前两种为表面镀铬和化学镀镍，后四种为在盐浴氮碳共渗后采取了不同的工艺，比较可知，QPQ技术处理后的工件抗盐雾腐蚀性能最优。QPQ技术处理工艺已在抗腐蚀、抗磨损的工件上得到了广泛的应用，从某种程度上来讲，该工艺可取代镀铬工艺，同时经QPQ处理的结构钢也可替代不锈钢。

对于液体氮碳共渗而言，如果要求零件成品表面的粗糙度不高于Ra0.5μm，其原因在于零件在液体氮碳共渗后，表面产生0.01mm以上的化合物层，粗糙度提高了3μm以上，另外机械加工时发生塑性变形，也造成粗糙的提高，因此建议零件氮化前的原始粗糙度应控制为成品的最佳。

（3）固体氮碳共渗工艺

固体N、C共渗其主要原料为尿素［（NH₂）₂CO］，加热时分解出活性［N］、［C］原子。固体氮碳共渗箱用1Cr18Ni9Ti或其他耐热钢板铸造或焊接而成。

常用固体氮碳共渗渗剂配方及特点如下：

①40％～50％木炭+20％～30％骨灰+15％～20％碳酸钡+15％～35％黄血盐。

木炭及骨灰供给碳；黄血盐及碳酸钡在加热时分解，供给碳氮原子，并有催渗作用。

②50％～60％木炭+10％～15％碳酸钡+25％～35％黄血盐+3％～7％氯化铵。

活性较持久，适用于要求渗层大于0.3mm的工件，渗速明显增加。

③25％～35％尿素+25％～30％多孔陶瓷（或蛭石片）+20％～30％硅砂+1％～2％混合稀土+3％～7％氯化铵。

渗剂可多次使用，每次加入10％～15％的新渗剂，该工艺用于单件小批量生产。

固体氮碳共渗工艺如下。

加热设备：箱式电阻炉（RJX）或井式电阻炉（RJJ），炉温均匀性为±10℃。

氮碳共渗工艺为（550～600）℃×（6～8）h，空冷。

尿素装箱氮碳共渗见图1-22。

（4）氮碳共渗后的组织

钢铁件在500～600℃进行N-C共渗时，大量的活性N、C原子同时渗入工件表面，向基体内扩散，将会与铁素体、Fe₃C、合金元素等进行不断的化合、溶解，C原子在α-Fe中的扩散速度比N原子的大；但固溶度小，N在α-Fe中溶解度是C在α-Fe中的10倍。C渗入表面后形成Fe₃C及合金化合物，而N原子则以Fe₃C颗粒为核心依次形成薄而硬的化合物层Fe₄N（γ相）、Fe_2-3N（ε相），并可固溶≥4％的碳。ε相的形成为［C］原子渗入创造了条件。钢铁件碳氮共渗组织为Fe_2-3（N、C）、Fe₃N及Fe₄N构成的化合物层，合金钢还有Cr、W、V、Al、Mo等合金氮化物。主扩散层为N在α-Fe中的固溶体α（N），次扩散层中有针状析出。

氮碳化合物层、扩散层或基体中回火析出的化合物，它们均以极其细小的颗粒分布在碳氮共渗层中。合金氮碳化合物与Fe₃N（C）集中分布在渗层极薄的表面层与Fe₃C（N），γ'（Fe₄N）形成了白亮层。纯铁或碳钢渗氮的扩散层虽然比较厚，但因钢中不含合金氮化物，故表现为表面硬度低，有效硬化厚度浅薄。而合金钢的渗氮后的扩散层则具有较高的表面硬度，从氮碳共渗层的截面来看，硬度的梯度也比较小，因此有效硬化厚度比碳钢明显增加，这说明在氮化时工件中的合金元素对扩散层的影响很大，采取同样的渗氮工艺进行处理，两者的差别也就比较明显，具体见表1-24。

钢氮碳共渗后的组织自表面向里大致分为三层：最外层为白色化合物层氮化物ε相（Fe₃N）或γ相（Fe₄N）和Fe₃C，大部分为Fe₃（C、N）化合物；中间为扩散层γ相（Fe₄N）和N在α-Fe中固溶体，没有Fe₂N的存在，故脆性降低；最里层为基体组织。

（5）氮碳共渗后的性能

①提高了零件表面的耐磨性　氮碳共渗后，表面形成了一层高硬度的氮碳化合物，亚表层是较厚的扩散层，表面硬度的显著提高带来了耐磨性的大幅度提高，磨损性能的取决于化合物或扩散层的硬度，形成氮化物显得尤为重要，工件表面有较多的ε氮化物，比有较高比例的γ'氮化物的化合物层有较好的性能。与调质、高频淬火、渗碳淬火等热处理工艺相比，磨损失重分别减少1～2个数量级或成倍降低，盐浴氮碳共渗比正火和渗碳淬火的耐磨性高得多。汽车发动机、内燃机所用的进、排气门分别进行镀铬和盐浴氮碳共渗，在相同的磨损条件下，24h后检查发现，后者的失重仅为前者的1/3，充分体现了氮碳共渗的优越性。

②提高了工件表面的抗咬合性和抗擦伤能力　工件氮碳共渗后，化合物层小孔的形成不仅是盐浴处理的特点，而且同样出现在气体氮碳共渗中，这与氧的反应有关。氰酸盐分解时，具有氧化作用的碳酸盐和钢的表面发生作用，盐浴中氰化物具有一定的与氧亲和力，但其数量显然不多，故氮碳共渗中出现小孔。气体氮碳共渗炉气中出现二氧化碳和水时，使氮碳共渗表层形成小孔储油后，对承受摩擦载荷的零件，可以减轻滑动面的摩擦。

③提高了工件的疲劳性能　氮碳共渗提高了表面层硬度、强化了表面层；并在工件表面处产生压应力，而使疲劳强度显著提高，这与氮在α-Fe中的固溶强化有关，氮溶于α-Fe中使屈服强度明显提高，增大了位错运动的阻力，从而延续了疲劳裂纹的产生与扩展。固溶在渗层中的氮碳原子和产生的氮碳化合物造成较大的残余压应力，可部分抵消外加载荷作用下零件的表面拉应力，因此提高了疲劳抗力；疲劳强度的提高还与工艺、冷却速度有关，冷却速度增大，造成γ相等弥散析出物阻碍位错的滑动，扩散层的增厚，可使氮在α-Fe中溶解度增加，也使疲劳强度提高，共渗时间与疲劳强度的关系示于图1-23。氮碳共渗后疲劳抗力优于其他表面处理工艺，低中碳钢提高60％～80％，合金结构钢提高30％～35％，不锈钢提高30％～40％，铸铁提高20％～60％。

④提高了零件表面的耐蚀性，延长了使用寿命　氮碳共渗后表面组织以ε相为主，具有极强的抗腐蚀性，在工件的表面形成氧化铁，在静载荷和动载荷下表现出良好的防腐蚀性能，故化合物层具有抗大气、雨水（与镀锌、碱性发蓝、发黑相当）及抗海水腐蚀（与镀镉相当）的能力，氮碳共渗化合物层比扩散层具有更大的抗腐蚀性。

不同方法处理的42CrMo试样在含3％NaCl及0.1％H₂O₂的水溶液浸泡22h的腐蚀状况见表1-25。

1.4.3　钢的表面淬火技术

钢的表面热处理是指在不改变工件表面化学成分的前提下，通过采取强化手段来改变工件表面的组织状态和性能的热处理工艺。其目的是为了使工件表面获得高硬度和良好的耐磨性，而心部保持足够的强度和韧性，可明显提高工件的疲劳强度。

表面加热淬火相变的特点如下：①可快速改变钢中的临界点温度，即快速加热使相变过程中铁、碳原子来不及扩散，相变温度范围扩大，使钢淬火起始温度提高；②快速加热快，时间短，使奥氏体晶粒细小而均匀，淬火后获得极细或隐针马氏体组织，具有较好的脆性和高的疲劳极限；③使钢中的奥氏体晶粒度明显细化。

该工艺为节约高合金钢材料提供了依据，钢的表面热处理是强化零件的一种重要手段，凡是经过表面处理的钢件具有高的硬度、耐磨性与疲劳强度。对零件的表面进行加热，需要提供热源来完成此过程。在实际热处理生产中获得热量的方式很多，一般根据对工件表面提供热源方法的不同，通常将表面热处理分为感应加热表面热处理、火焰加热表面热处理、电接触加热表面热处理、电解液加热表面热处理和激光加热表面热处理等，考虑到上述工艺的使用性强和应用的广泛程度，这里只介绍前两种工艺。

1.4.3.1　钢的感应表面热处理工艺

（1）感应表面加热的基本原理

将零件放进感应加热器中，在感应器中通入一定频率的交流电，以产生交变磁场，在零件内部就会产生频率相同、方向相反的感应电流（涡流）。由于涡流的趋肤效应，零件表面的电流密度大而心部密度小，感应器中的电流频率越高，涡流越集中在零件的表面。利用感应电流通过零件所产生的热量，使零件的表面受到局部加热（表层）并进行快速到淬火起始温度，随后快速冷却（喷淋或浸入淬火介质中）的一种工艺方法。

感应加热淬火按频率分有高频感应加热淬火（频率100～5000kHz）、中频感应加热淬火（频率500～10000Hz）、超音频感应加热淬火（30～36kHz）和工频感应加热淬火（频率50Hz）等。在实际热处理时，应依据工件的技术要求和淬硬层的深度来选择合适的淬火工艺，既要考虑设备的使用范围，又要根据零件的使用状况，感应器形状的选用要符合有关规定，不要造成零件硬度不均和开裂现象。

（2）感应加热设备的类型

感应加热设备的种类、主要特征和应用范围见表1-26。

（3）感应表面加热的特点

事实证明，感应热处理是目前最经济、节能的热处理方法，该工艺处理后的零件相当于形成一种复合材料，通过感应热处理与其他热处理工艺耗能的对比，从中可知感应热处理的优越性十分明显，其特点如下。

①内热源直接加热，加热速度快，在几秒或几十秒内将零件加热和冷却，生产效率高，氧化脱碳少，节能显著。

②淬火质量稳定，奥氏体晶粒不易长大，表层得到细针状的马氏体组织，表面硬度高，提高零件的疲劳强度和使用寿命，表面可获得比一般淬火高的硬度。

③仅加热零件表面，变形小，对缺口的敏感性小。

④便于实现机械化和自动化操作。

⑤适用于大批量生产。

⑥可进行零件的局部淬火。

⑦劳动条件和生产环境好。

感应加热在热处理领域的应用相当广泛，以下为常见的几个方面。

①感应表面淬火为应用最多的热处理方法。

②用于细长轴类零件的调质处理。

③实现零件的局部热处理。

④进行渗碳件的表面淬火。

⑤感应加热化学热处理。

因此零件进行感应加热淬火后相当于形成一种复合材料，其力学性能取决于淬火层深度、硬度和淬火层的显微组织，是提高零件疲劳强度和使用寿命的有效手段，同时冲击抗力随淬硬层的增加而提高。

（4）高频感应加热淬火工艺参数的选择

铁碳相图是材料选择加热温度的重要依据，提高加热速度使钢的临界点向更高的温度偏移，其本质在于加热速度的作用。影响感应加热表面淬火的影响因素较多，通常包括热参数和电参数两类。热参数主要为感应加热温度、加热的时间及加热速度等几方面，电参数有设备频率、工件的单位表面功率以及阳极电压、槽路电压和栅极电流等，在实际感应加热过程中，通常采取调整电参数来合理控制热参数，保证工件感应加热表面淬火的质量。

①淬火冷却起始温度和加热速度的选择　对于不同钢种的表面淬火冷却起始温度，各种资料介绍^［14］得比较详细，淬火冷却起始温度应同钢的化学成分、原始组织的状态和加热速度等众多因素有关，由于感应加热速度快，因此对温度的测量比较困难，现在一般凭操作者的实际经验来判断。常见材料在不同加热速度下的淬火温度见表1-27。

淬火温度的选择应运用金相法或硬度法来确定，既要考虑原材料的成分、原始组织状态，又要结合加热速度的影响，经过实践确定合理的加热温度。

②淬硬层深度的确定　淬硬层的深度主要根据零件的技术要求和力学性能来确定，淬硬层的分布合理对提高零件的强度至关重要，对具体的零件而言，必须使过渡层内不出现应力的集中，否则零件有可能在尖角等处产生裂纹。高频淬火的淬硬层的深度（H热）与频率（f）存在下列关系：

凸轮轴高频淬火频率的选择为：f_最佳≈3800/r²，式中，r为齿轮尖部的曲率半径，单位为mm。通常而言零件的直径越大，所要求的硬化层越深，选择的频率应越低。一般我们按表1-28执行。齿轮的感应加热淬火频率的选择见表1-29。

③高频感应加热的方式和冷却方法的选择　感应器是由感应圈、汇流板（管）、连接板（管）和冷却水管四部分组成，而感应圈是感应器的核心，用来产生交变的磁场，连接板将感应器与设备上的输出变压器相连，电流经汇流板输出到感应圈，冷却水自空心感应圈的水管流出，该冷却水既可冷却感应圈本身也可用于零件的喷水淬火，淬火介质一般为水，也可根据材料的不同选择油、乳化油等，水的喷射压力为1～3个大气压。

零件的加热方式有两种，即同时加热淬火法和连续加热淬火法。选择的依据是在设备的功率足够大时，对于大批量的零件的热处理采用同时加热法，而对于功率小于所需要的输出功率，或零件比较细长一次难以完成零件的加热，必须采用连续加热法，现分别叙述如下。

①同时加热淬火法　是指将零件需淬硬的表面加热到淬火温度，利用感应器的喷射孔斜喷冷却剂到加热表面的冷却方法，如图1-24所示。为保证加热的均匀，圆柱形零件通常绕纵轴以50～200r/min的速度转动，也可使零件在感应器内上下往复移动，使整个表面一次加热后同时淬火。

②连续加热淬火法　是指将较大的淬火面积的一部分在感应器中同时加热，通过零件与感应器之间按一定的速度相对移动，并以50～200r/min的速度旋转，使已加热的移动到冷却位置进行冷却，同时感应器进入未加热的零件淬火区内，使未加热部分得到加热。具体的冷却方法见图1-25。

③纵向旋转加热整体淬火法　是指矩形感应器与零件一起旋转，能保证零件加热的均匀，用于处理直径不同、截面尺寸相差较大的复杂零件，如阶梯轴、球头销、半轴和曲轴等零件。该方法具有保证零件各阶段的表面温度均匀一致，提高了零件的抗拉强度和疲劳强度，扩大了淬火的应用范围等特点。

（5）感应加热淬火件的回火

与普通热处理相似，感应加热淬火后必须进行回火，通常进行低温回火处理，在生产中常采用感应回火、炉内回火和自行回火三种方式。

①感应回火　将已淬火的零件重新通过感应加热达到回火的目的，即零件经感应器加热和喷射冷却后，应立即进行感应加热回火，由于加热时间短，显微组织有大的弥散度，可获得高的耐磨性和较高的冲击韧性等，特别适用于连续加热淬火的轴类、套类等零件的回火，加热速度控制在15～20℃/s为宜，需要注意的是，一般回火温度要高于炉内回火温度。

②炉内回火　零件经高频淬火后，在井式炉、油炉或其他设备中进行回火，回火温度应根据要求的硬度和性能来确定，根据钢号及硬度要求选择回火温度和时间，作为高碳钢刀具和量具、中碳钢或中碳合金钢的齿轮和花键轴、合金铸铁凸轮轴等零件，需要较低的淬火冷却速度，往往采用在油或水中浸沉冷却方式。回火后零件的硬度稍有下降，其目的是减少内应力，防止或减少零件的变形和开裂。

③自行回火　喷射或浸沉冷却后停止冷却，利用淬火工件淬火后内部存在的热量，使淬火区再次回升到一定的温度，达到回火的要求，其温度应比炉内回火温度高。一般零件在冷却3～10s内表面有较高的温度，作为自行回火的时间，大型零件为6s、小型为40s即可完成自行回火。

1.4.3.2　火焰加热表面热处理工艺

火焰加热表面热处理与感应加热表面热处理同属于对零件表面的改良处理，前者以其投资少、适合于各种工作条件操作、搬运方便等优点，特别适合单件、小批量的热处理生产，目前火焰加热淬火技术得到不断的推广和应用，在现实生活中正发挥其重要的作用，下面对火焰加热表面热处理的具体特点和方法介绍如下。

（1）火焰加热淬火的特点

优点：①耐磨性好，具有高的接触和弯曲疲劳强度，耐冲击和振动性能好；②变形小；③比普通淬火硬度高2～5HRC；④操作和移动灵活，可用于大件、小件、异形件局部淬火；⑤设备构造简单，使用方便，费用较低；⑥淬火后表面清洁，基本无氧化和脱碳。

缺点：①加热温度不易测量，淬硬层难以控制；②硬度不稳定，表面容易过热；③仅适用于小批量生产。

（2）火焰淬火方法

根据其加热方式、零件的形状、大小及淬火后要求不同等，火焰淬火方式有以下四种形式，具体淬火方法见图1-26。

①静止火焰淬火法　零件与喷嘴均固定不动，零件被加热到淬火温度后喷水冷却，适用于处理淬火部位不大的零件以及一些端头磨损件（如发动机配气系统的气门的杆端面、挺杆的端面）等。

②旋转火焰淬火法　零件绕自轴旋转（75～150r/min）、喷嘴固定不动加热零件，然后喷水冷却，适用于处理宽度和直径不大、淬火层较深的圆柱体等，喷嘴可以是一个或几个，应根据实际需要进行配置，来确保零件的淬火质量。

③推进火焰淬火法　火焰喷嘴和冷却喷嘴一前一后，以一定的速度沿着零件表面作均匀推移，实现前面加热后边冷却。其推进速度与加热速度有关，应根据实验来确定出合理的技术参数，适用于处理淬硬长度大的零件，如长零件、大齿轮的淬火就采用推进法。

④联合火焰淬火法　用一个或数个喷嘴和冷却装置，以一定的速度对旋转的零件一边移动加热一边冷却，适用于处理直径和长度较大的圆柱体零件，由于零件旋转，零件的表面得到了均匀加热。常见的机床主轴采用此法，即将轴装在车床的卡盘上，由床头箱带动旋转，三个火焰喷嘴间隔120℃，对主轴进行表面淬火处理。

火焰淬火冷却介质的选择要依据钢的含碳量及合金元素的成分来决定，一般含碳量小于0.6％，采用水冷；当含碳量大于0.6％的碳钢和低合金钢采用水或油冷，同时为防止出现工件的淬火变形和开裂，一定要及时回火。