金屬材料表面硬化的三大方法及其應用范圍

設計中常常需要對金屬材料表面進行硬化處理以提高耐磨性、耐蝕性、耐熱性和疲勞強度。常用的表面硬化方法有：滲碳淬火、氮化、表面淬火等。

1、滲碳處理

在滲碳爐中將低碳鋼表面碳含量增至規定范圍然后進行淬火，使表面硬度達到HRc56～62，然后低溫回火以消除應力和穩定組織。滲碳采用的是專用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi、320CrNiMo、20Cr2Mn2Mo、17Cr2Ni2Mo等，設計時可根據工件尺寸和心部強度要求來選擇材料和滲碳層深度；不應過度使用材料和加大滲碳層深，否則將造成生產成本增加。通常情況下，有效截面尺寸小于50mm的零件，可選用20、20Cr；有效截面尺寸50～150且重量小于50kg的工件，可選用20CrMnTi；有效截面大于200mm，或心部強度要求大于1000MPa的零件可選用17Cr2Ni2Mo。

滲碳層深的選擇要根據實際需要進行設計，以節約成本。層深的增加意味著滲碳時間的延長，齒輪一般是根據經驗公式來設計層深，現在，軋機齒輪基本上都采用17Cr2Ni2Mo滲碳淬火工藝，從而廢棄了傳統的表面淬火工藝。

2、氮化處理

原則上講任何鋼種都可以進行氮化處理。但是最常用的氮化鋼是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)、38CrMoAl(HV>700)。

氮化是在氮化爐中進行，因此變形小。氮化后一般可不加工。氮化硬度要根據材質而定。需要注意的是設計時應盡可能采用整體氮化處理，因為氮化層本身對使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。

對必須進行局部氮化的零件需要做局部保護，氮化后去掉或加工掉保護層，但是如此一來，需要額外的工作很多，增加了制造的復雜性和成本。此外，氮化前必須進行調質處理，以提高心部的機械性能，為氮化做組織準備。

氮化工藝最大的特點是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用于與調質工藝相結合提高零件的疲勞強度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態，防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件，比如軸等。

3、表面淬火

是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡單而靈活，適合局部處理，特別適合于提高耐磨性的場合。由于只加熱表面層，心部強度保持著表淬前的狀態。表面淬火一般工藝是高頻感應加熱、中頻感應加熱或火焰加熱，噴水冷卻，然后進行低溫回火。表面淬火后零件表面將產生很大的殘余壓應力，因而使材料的疲勞強度大大提高。但需要注意的是，表淬區域的起始點和終結點處于殘余拉應力狀態下，此處的疲勞強度因此大大降低。設計時要考慮殘余拉應力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應力集中部位，以免工作應力與殘余拉應力疊加造成零件裂紋或斷裂。細軸類和薄板類零件本身容易變形，表淬時由于加工應力的釋放與表淬應力的不平衡會產生很大變形，而淬硬后的零件矯形時容易發生斷裂。因此，設計時應考慮表淬應力的平衡問題。比如將薄板類工件設計成雙面對稱淬火是一種有效解決表淬變形的方法。表淬前零件需要進行調質處理，一是提高心部強度，另一方面可以減少淬火變形和裂紋傾向。

在機械產品的設計工作中，合理選擇零件的材料，并采取適當的工藝方法使之能夠滿足結構要求和使用需要，這是一項非常重要但確常常被設計師們忽視的工作內容，而對于制造廠來講，產品制造的工藝性和經濟性對其生存與發展確是至關重要的問題，因此必須引起設計師的高度重視。