表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。

  对于钢铁材料而言，表面淬火是指用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层。

  以电磁感应原理在工件表面产生电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方法。

  当低电压大电流的电极引入工件并与之接触，以电极与工件表面的接触电阻发热来加热工件表面的淬火方法。

  工件作为一个电极（阴极）插入电解液中，利用阴极效应来加热工件表面的淬火方法。

  利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面，使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升而形成奥氏体，随后经快速冷却获得晶粒细小的马氏体或其他组织的淬硬层过程的热处理加工技术。

  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，从而使加热表面并自行淬火。

  采用高能量密度的等离子束为热源，形成超音速射流，扫描金属表面，使其以极快的速度达到奥氏体化温度，热源随即移开，热量立即向工件深处和未加热部分传导，被加热的工件局部表层迅速冷却，该区域的奥氏体便转变成马氏体并被强化，硬度大幅度提高。

  快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很大影响。对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采用快速加热是有困难的。

  ①过热度大→奥氏体晶核不仅在铁素体/碳化物相界面上形成，而且也可能在铁素体的亚晶界上形成，因此使奥氏体的成核率增大；

  快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，降低了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。对于亚共析钢，相当于原F区出现低碳M，原P区出现高碳M。

  表面淬火的金相组织与钢种、淬火前的原始组织、淬火加热时沿截面温度的分布有关。

  在淬火烈度很大的淬火介质中冷却时，从表面到中心：M、M+F、M+F+P、P+F

  由于S回为粒状渗碳化均匀分布在铁素体基体上的均匀组织，因此表面淬火后不可能会出现碳浓度大体积不均匀性所造成的淬火组织的不均匀。

  当淬火加热温度高于原调质回火温度而低于临界点时，将发生进一步回火现象，硬度降低。

  快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。影响因素包括奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化。

  工件表面淬火后的耐磨性要比普通淬火的高。其影响因素为奥氏体晶粒细化、奥氏体成分的不均匀、表面硬度较高、表面压应力状态。

  2.表面淬火较浅时，沿表面向内部的应力承载能力曲线.表面淬火较深时，沿表面向内部的应力承载能力曲线）表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系

  残余应力与沿淬火层深度的硬度分布的关系：与M层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。马氏体过渡区过小时，表面压应力大、紧靠过渡区的拉应力峰值也大。易产生残余变形甚至破坏；过渡区过大则虽然拉应力峰值降低且向工件内部移动，但表面压应力也减小，表面性能下降。

  概述感应加热淬火是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得M组织的工艺。

  2) 中频感应加热表面淬火：电流频率为500~10000Hz，最常用频率为2500~8000Hz。可获淬硬层深度为3~5mm。大多数都用在要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。

  3）工频感应加热表面淬火：电流频率为50Hz，不需要变频设备。可获得淬硬层深度为10~15mm。适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的表面淬火。

  1) 由于感应加热速度极快，钢的奥氏体化温度明显升高，奥氏体化时间显著缩短，即奥氏体化是短时间内在一个很宽的温度范围内完成的。

  2) 由于感应加热时间短、过热度大，使得奥氏体形核多，且不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火的高2-3HRC，韧性也明显提高。

  3) 表面淬火后，不仅工件表层强度高，而且由于马氏体转变产生的体积膨胀，在工件表层造成了有利的残余压应力，从而有效提升了工件的疲劳强度并降低缺口敏感性。

  4) 感应加热速度快、时间短，工件正常情况下不会发生氧化和脱碳；同时由于芯部未被加热，淬火变形小。

  5) 感应加热表面淬火的生产效率高，便于实际机械化和自动化；但因设备费用昂贵，不宜用于单件生产。

  感应加热淬火通常用于中碳和中碳低合金结构钢，如45、40Cr、40MnB等。

  工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时自表面向心部依次加热。这种加热方式称为透入式加热

  1）表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热；

  感应加热表面淬火是借助调整设备的电参数来控制热参数，达到保证表面淬火质量。热参数包括感应加热温度、加热时间、加热速度等，电参数包括设备频率、零件单位表面功率、阳极电压、阳极电流、槽路电压、栅极电流等；

  ①得到坚硬耐磨的表面层→选择中碳钢或高碳钢；②得到既有坚硬表面，又保证心部的强度和韧性→合金钢，且要经过预先热处理获得细小碳化物分布在铁素体基体上的组织；③与传统热处理用钢相比，在同样条件下，可采用合金量较低的钢种；

  ①决定感应加热表面淬火用钢硬度的重要的因素；②代替渗碳钢时，由于表面硬度要求高，应选择含碳量较高的钢种（0.50~0.60%）；③为了更好的提高调质零件的耐磨性，最合适的含碳量为0.40~0.50%。

  ①原始组织为弥散细小的碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上的组织，在感应加热时，可以在较低的温度较快地转变为A，短时实现A均匀化。用这种原始组织的钢制成零件，可获得硬化层薄而硬度高的表面层和心部良好的综合力学性能。

  ②用正火预先热处理得到具有细珠光体及少量铁素体组织的中碳钢也可获得较好的结果，但比回火索氏体的心部力学性能差一些。

  ③用铸造、锻造、热轧或用退火预先热处理得到的粗片珠光体及铁素体或珠光体及大块铁素体的中碳钢，经感应快速加热表面淬火后心部的力学性能较差。

  图纸上所规定的硬化层深度，是保证零件较好力学性能而确定的，实际上还应控制感应加热表面淬火后过渡层大小和分布。（硬化层是指从表面全部M到半M的这段距离；过渡层是指半M到出现原始组织的这段距离；）过渡层呈现拉应力状态，若过宽，会使表层压应力减小，导致疲劳强度降低。过渡层一般为硬化层深度的25~30%。

  为了使零件淬火后的过渡层内不出现应力集中、淬火变形开裂，应对硬化层深度和硬化区部位作合理的规定。

  硬化层深度小于0.35×（外环直径-内环直径）时，变形规律：淬外圆，外径胀大；淬内圆，内径缩小。硬化层深度大于0.1×（圆柱外径或外环直径-圆柱内径或内环直径）时，变形规律：淬外圆，外径增大而内径缩小；淬内圆，内径缩小而外径胀大。

  主要根据硬化层深度来选择，设备确定后，频率就不能任意调节，电流频率的透入深度是不能根据硬化层深度的要求来随意选择的。要实现透入式加热，电流的频率的选择范围为：150/δ2 f 2500/δ2；当硬化层深度已知，就能够找到电流最佳频率。实践证明，硬化层深度为电流热透入深度的一半时，能够获得电流最佳频率：fbest = 600/δ2；

  增大零件与感应器之间的间隙，延长加热时间；或同时加热时采用间断加热法，以增加热传导时间；

  零件尺寸大，而设备功率不足时，应采用连续顺序加热淬火，使感应器加热的表面积尽量减小，以提高单位表面功率，并同时采取预热措施；

  比功率指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率；在频率一定时，比功率愈大，加热速度愈快；当比功率一定时，频率愈高，电流进入愈浅，加热速度愈快。比功率的选择主要根据频率和要求的硬化层深度。在频率一定时，硬化层较浅的，选用较大比功率(透入式加热)；在层深相同情况下，设备频率较低的可选用较大比功率。（3）淬火加热温度和方式的选择

  采用较高的淬火加热温度，一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30~200℃。加热速度较快的，采用较高的温度；淬火前的原始组织不同，也可适当地调整淬火加热温度。调质处理的组织比正火的均匀，可采用较低的温度。

  连续加热法：对工件需淬火部位中的一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动，把已加热部位逐渐移到冷却位置冷却，待加热部位移至感应器中加热，如此连续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。

  对细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂，可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却，这种方法称为埋油淬火法。

  聚乙烯醇水溶液用于喷射冷却，其冷却能力随浓度增大而降低，通常使用的浓度为0.05~0.30％；若浓度0.3％，则使用温度最好为32~43℃，不宜低于15℃。

  乳化液（3％）用于喷射冷却，低合金钢制作的的零件，形状复杂的碳钢制作的零件，用来防止这些零件开裂；

  油用于合金钢的浸液冷却。使用时，一定要有良好的通风和灭火条件；也可用于喷射冷却。采用埋油淬火时，一般在油中设有喷油装置或油搅拌器，对油进行强制冷却。

  回火方式一般有炉中回火、自回火、感应加热回火。自回火指当淬火后尚未完全冷却，利用在工件内残留的热量进行回火。

  概述火焰加热表面淬火是用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。

  缺点：表面容易过热； 较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上；采用的混合气体有爆炸危险。

  规定淬硬层深度的火焰淬火，工件表面加热温度应比普通淬火温度高20-30℃。

  喷嘴与工件的距离应保持在热效率最高的区域，一般为还原区顶端距工件表面2-3mm。

  手动火焰淬火，可将工件投入水或油中冷却，适用于不需要急冷的合金钢或碳钢小件。若要求急冷，可在喷嘴上加工喷射孔喷射冷却介质连续冷却。

  火焰淬火后进行炉中回火或自回火。炉中回火温度180-220℃，保温时间1-2h。

  激光表面淬火将将104～105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度将工件表面迅速升温至相变点以上，然后依靠冷态基体以105℃/s的速度自冷淬火。

  激光淬火技术是利用聚焦后的激光束进射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度能够达到2毫米以上。具有加热速度快、所得组织细密、淬硬性高、不变形等特点，并且技术适用性广，不受感应器制作难度的限制。

  第二，可以对形状复杂零件做处理或局部处理，也可根据自身的需求在同一零件的不一样的部位进行不同的处理。

  第四，对某些淬火温度较高的不锈钢零件，其淬火温度和熔点温度很接近，在使用感应器进行产品局部表面淬火时很容易烧伤夹角或不规则部位，导致零件报废，而激光表面淬火则不受此限。

  第六，表面淬硬层组织细，硬度高，耐磨性好，能满足淬硬层深度较浅（一般在0.3~2.0mm）表面淬火产品。

  激光表面淬火是一个错综复杂的快速加热、快速冷却的淬火过程。激光淬硬层的尺寸参数（淬硬层宽度、淬硬层深度、表面粗糙度）和性能参数（表面硬度、耐磨性、组织变化）取决于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、扫描速度、材料的特性（成分、原始状态）和材料表面预处理情况等，同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。

  另外，还应考虑各参数值的选择范围，D不能过大，V不能过小，以免冷却速度过低，不能够实现马氏体转变。反之，当激光输出功率过大时，易引起表面熔化，影响表面的几何形状。

  相变硬化区是极细的马氏体；过渡区为复杂的多相组织；基体为原始的基体组织。

  将激光表面淬火过的试样，沿扫描中心带切开，制备金相试样。用显微硬度计进行硬度测试（载荷：200gf，保载时间10s）。

  因极快速的加热和冷却，致使激光淬硬层的硬度比常规淬火高15％～20％。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。

  可以进行局部选择性淬火，只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理。（可以按任何复杂的几何图形进行局部选择性加热淬火，而不影响邻近部位的组织和光洁度。对一些拐角、狭窄的沟槽、齿条、齿轮、深孔、盲孔表面等用光学传导系统和反射镜可以很方便地加热淬火）

  电子束加热表面淬火通过电子流轰击金属表面，电子流和金属中的原子碰撞来传递能量加热。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。电子束加热表面淬火的特点

  钢铁材料经电子束加热表面淬火和常规淬火得到的硬度的对比，可见硬度值提高3～4个HRC。电子束淬火的表面的组织架构为表层的硬化层和硬化层与心部之间的回火区域。硬化层为加热温度高于Ac3的区域，快速冷却后转变成马氏体组织，其组织形态为低碳的板条马氏体或细针状马氏体加均匀分布的碳化物。 在回火区域的结构取决于电子束硬化前的热处理，由于温度不高于相变点，可能使基体组织产生回复或再结晶，也可能含有铁素体晶粒；在电子束重叠的区域也可以产生回火现象，这对提高硬化层的质量有利。电子束表面淬火的硬化层深度一般在几微米至几毫米，由于表面硬度的提高，电子束表面淬火后的钢材的摩擦性能能够获得大幅度的提高，也可以使疲劳性能获得改善。

  根据材料渗氮后进行电子束淬火前后的表面层的显微硬度分布和耐磨性曲线，能够准确的看出硬化层中显微硬度得到大幅度提升，高硬度区域明显加深，耐磨性提高一倍。

  等离子表面淬火是应用等离子束将金属材料表面加热到相变点以上,随着材料自身的冷却,奥氏体转变成马氏体，在表明产生由超细化马氏体组成的硬化带，具有比常规淬火更高的表面硬度和强化效应。同时硬化层内残留有相当大的压应力，从而增加了表面的疲劳强度。利用这一特点对零件表面实施等离子淬火，则能大大的提升材料的耐磨性和抗疲劳性能。而且，由于等离子表面淬火速度快，进入工件内部的热量少，由此带来的热畸变小（畸变量为高频淬火的 1/3~1/10）。因此，能够大大减少后道工序(矫正或磨制)的工作量，降低工件的制造成本。此外该工艺为自冷却方式，是一种清洁卫生的热处理方法。

  研究表明，利用等离子表面淬火对铸铁、碳钢、合金钢的典型零件的处理，都能明显提高其使用性能和延长常规使用的寿命，如内燃机的气缸套和摇臂件、汽车挂车无芯滚道、喷塑机丝杠、工模具、机床导轨、换热器生产线的轧辊等零件，均取得了良好的应用效果。

  近年来在等离子表面淬火领域中取得了一些新的进展，其中较为突出的是对淬火用等离子束流截面功率密度分布的研究和在等离子束扫描淬火的同时进行多元共渗合金化。

  对高温高速摩擦磨损机制的研究表明，单纯的表面淬火所获得的铁碳马氏体在高温高速摩擦条件下，会产生瞬间表面微凸起接触点高温退火软化，加大摩擦系数，降低抗磨损性能与配副性能，导致了表面淬火后虽然硬度提高接近两倍，但耐磨损寿命却提高不到一倍的结果。然而合金马氏体却具有高的回火抗力，亦即具有高的红硬性，在表面瞬间摩擦高温下，接触点不发生软化，同时异类合金元素具有抗粘着磨损特性，可在增强自身耐磨性的同时，降低摩擦系数，提高配副性能，因此表面合金元素共渗加淬火强化是抗高温高速磨损及降低摩擦系数的最为合理有效的途径，而借助等离子束流快速扫描同时完成表面合金元素的渗入与淬火，是这类摩擦副零件微变形优质高效低成本表面强化的有价值的实用技术，该技术已在内燃机气缸套中大面积推广使用,收到了很好的效果。

  2）激光束加热前被加热工件表面有必要进行黑化处理，电子束加热表面淬火需要在真空室内进行，而等离子体束加热无需黑化处理，也不用在线）能处理异形截面工件。由于等离子体束枪能随意移动，探入工件内部，加热工件内表面，如内圆柱面、沟槽等表面，而这些表面如用激光束加热，需要加设一种激光反射装置，而电子束则无法加热。

  4）等离子体束加热可以在惰性气体保护下进行，因而无氧化脱碳作用。如果用反应气体作载气，例如氮气，还可以在淬火加热同时掺杂氮元素，在表明产生氮化物，进一步提升淬硬层的硬度和耐磨性。