3.5　钢的表面淬火

表面淬火是一种不改变钢的化学成分，但改变表层组织的局部热处理方法。例如：生产中，有许多零件是在弯曲、扭曲等受力复杂的条件下工作的。零件表层受到比心部高得多的应力作用，而且表面还要不断被磨损，因此必须使工件表层强化，使它具有较高的强度、硬度、耐磨性及疲劳极限；而心部为了能承受冲击载荷的作用，仍应保持足够的塑性与韧性。通过对钢进行表面淬火或化学热处理，能满足同一工件在表层、心部的不同力学性能的要求。

钢表面热处理的生产手段较为简单，其应用也较为普遍。钢表面热处理是通过快速加热使钢的表面奥氏体化，不等热量传至中心，立即淬火冷却，这样就可获得表层硬而耐磨的M组织；心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火方法较多，常用的有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火。表面淬火适宜选用中碳钢或中碳合金钢；在表面淬火前要正火或调质，表面淬火后必须低温回火处理。工件应满足表面高硬、耐磨，心部为正火或调质时的高韧性和塑性的要求。

3.5.1　感应加热表面淬火

（1）感应加热表面淬火的基本原理

感应加热表面淬火如图3-22所示。把工件放入由空心铜管绕成的感应器（线圈）内，当线圈通入交变电流后，立即产生交变磁场，工件会产生频率相同、方向相反的感应电流，感应电流在工件内形成闭合回路，则有电阻热产生；且电流密度在工件截面分布不均匀，表面密度大、中心密度小，表层迅速被加热到淬火温度时而心部仍处于较低温度，立即喷水冷却后，使表面淬火获得高硬度，而心部组织保持原正火或调质的状态。

（2）感应加热输入电流频率的选用

高频感应加热：频率为200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm；主要用于处理淬硬层较薄的中、小型零件，如小模数齿轮，中、小型轴的表面淬火等。

中频感应加热：频率为500～10000Hz，淬硬层深度为2～8mm；主要用于处理淬硬层要求较深的零件，如直径较大的轴类和模数较大的齿轮等。

工频感应加热：频率为50Hz，淬硬层深度可达10～15mm；主要用于处理要求淬硬层较深的大直径零件，如轧辊、火车车轮等。

超频感应加热：频率为20～40kHz，淬硬层深度为1～4mm；适于中、小模数的齿轮、花键轴、链轮等。

（3）感应加热表面淬火的优缺点

优点：感应加热表面淬火加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。

缺点：设备较昂贵，形状复杂的零件感应圈不易制造，且仅适用于大批量生产。

3.5.2　火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是用燃烧的火焰（如乙炔-氧的燃烧）喷射至零件表面，使它快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。火焰加热表面淬火常用的装置如图3-23所示。

火焰加热表面淬火的优点为：设备简单、投资少、成本低；适用于单件或小批生产，也适用于大型工件的局部淬火要求，如大齿轮、轧辊、大型壳体（马达壳体）、导轨等；不易产生表面氧化与脱碳；不受现场环境与工件大小的限制，适用性广，操作简便。

火焰加热表面淬火的缺点是：不易稳定控制质量，大部分是手工操作和凭肉眼观察来掌握温度；表面容易烧化、过热与淬裂，很难达到均匀的淬火层与高的表面硬度；淬硬层深度一般是2～6mm；实现机械化流水线生产较为困难；火焰加热的均匀性很难保证，中、高碳钢和合金钢在进行火焰加热表面淬火时容易发生开裂。