7-2 表面淬火的种类及应用

表面淬火是将钢快速加热到转变点（奥氏体区域）以上，然后在内部温度升高之前将其快速冷却以仅固化表面的过程。如表1所示，表面硬化有四种类型：火焰硬化、感应硬化、电子束硬化和激光硬化。它们仅在加热和冷却操作上有所不同，用同一钢种可以获得的表面组织和表面硬度几乎相同。

表1 表面淬火的种类

其中感应淬火是更常用的表面淬火方法，主要应用于S45C、SCM435等机械结构钢的轴和齿轮。高频线圈快速加热钢表面使其淬火硬化，一般使用1～500kHz的宽频率范围。加热是通过高频振动在表面附近流动的涡流进行的，频率越高，表面层上流动的电流越多。因此，当固化层的深度较浅或物体较小时使用高频，而当物体要固化到内部时使用低频。

淬火方法包括固定式一次性淬火法，即在完全不移动加工材料的情况下加热和冷却加工材料，以及移动淬火方法，在移动加工材料时依次加热和冷却加工材料。例如，图 1 显示了垂直移动淬火方法。被处理物在旋转的同时被连续快速加热，并被冷却剂快速冷却以跟随被加热的部分。这是轴类常用的方法，也进行横向移动淬火。

图1 垂直移动淬火方法概要及各区域金属组织

金相组织与普通淬火相同，如图2所示，硬化层为马氏体。然而，由于它在短时间内快速加热，因此可以获得比正常硬化组织更细的马氏体。如果表面硬化，则很可能在使用过程中损坏或在后抛光过程中产生裂纹，因此通常在淬火后进行低温回火（200℃以下）。

图2 感应淬火S35C的显微组织

高频淬火S45C的硬度转变曲线如图3所示，淬硬层深度包括有效硬化层深度和总硬化层深度，规定了高频淬火。测量方法有宏观组织试验法和硬度试验法两种，通常采用硬度试验法。除非另有规定，有效硬化层深度是硬化层表面到临界硬度位置的距离。该临界硬度由待测钢的碳含量（标准的中值）决定。顺便说一下，如图3所示，S45C有效硬化层的极限硬度值为450HV。硬化层总深度是硬化层表面到硬化层与织物的物理（硬度）或化学性质（微观结构）差异无法区分的位置的距离。

图3 感应淬火S45C的硬度转变

表面淬火的更大特点是被处理物体既有耐磨性（表面）又有韧性（内部）。此外，由于硬化硬化层具有高压缩残余应力，它还具有优异的耐疲劳性。下面列出了表面淬火的优缺点。

• 〔优势〕
• 待处理的物体既有耐磨性（表面）又有韧性（内部）。
• 由于硬化层具有较大的压缩残余应力，因此被处理物具有优良的抗疲劳性。
• 加工引起的淬火变形和尺寸变化小。
• 这是一个短时间的处理。
• 即使加工的材料是质量效应较大的钢种，也容易对大型零件进行淬火硬化。
• 部分淬火相对容易。
• 〔坏处〕
• 由于无法进行准确的温度测量，因此需要经验因素。
• 由于碳的固溶与普通淬火相比不足，因此回火温度较高时容易软化。
• 除非将淬火温度提高到比正常淬火时高50～100℃左右，否则无法获得足够的硬度。
• 淬火硬化程度取决于加工产品中所含碳化物的种类和大小。
• 突出物和尖角等边缘容易过热。