表面熱處理及化學熱處理

表面熱處理和化學熱處理是金屬材料熱處理領域中兩種重要的工藝方法，它們在改善材料表面性能方面發揮著關鍵作用，但兩者的原理、工藝過程和應用特點存在明顯差異。

一、表面熱處理

定義與原理
表面熱處理是通過快速加熱和冷卻工件表層，改變其顯微組織結構，從而獲得高硬度、高耐磨性等特殊性能的工藝。其核心在于利用熱源（如高頻感應、火焰、激光等）對工件表層進行局部加熱，隨后通過淬火介質（水、油等）快速冷卻，使表層組織發生馬氏體轉變，而心部仍保持原有組織狀態。

主要工藝方法

1. 表面淬火

   • 高頻感應淬火：利用高頻電流產生的集膚效應，使工件表層快速升溫至奧氏體化溫度，隨后噴水冷卻。

   • 火焰淬火：通過氧-乙炔火焰加熱工件表層，達到淬火溫度后噴水冷卻。

   • 激光淬火：利用高能量密度激光束掃描工件表面，實現快速加熱和自冷淬火。

   
   

2. 表面形變強化

   • 噴丸強化：通過高速彈丸撞擊工件表面，產生塑性變形層，提高表面硬度和疲勞強度。

   • 滾壓強化：利用滾輪對工件表面施加壓力，使其產生塑性變形，細化晶粒并提高表面質量。

   
   

應用特點

• 優勢：工藝簡單、成本低、效率高，適用于大批量生產。

• 局限性：僅改變表層組織結構，不涉及化學成分變化，耐磨性和耐蝕性提升有限。

• 典型應用：汽車齒輪、曲軸、模具等需要高表面硬度和耐磨性的零件。

二、化學熱處理

定義與原理
化學熱處理是通過將工件置于含有活性元素的介質中，在高溫下使活性元素滲入工件表層，改變其化學成分和組織結構，從而獲得優異的表面性能。其核心在于利用原子擴散機制，使滲入元素與基體金屬形成固溶體或化合物，顯著提高表層的硬度、耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性。

主要工藝方法

1. 滲碳

   • 將工件置于含碳介質（如氣體、液體或固體滲碳劑）中，加熱至900-950℃，使碳原子滲入表層，形成高碳馬氏體組織。

   
   

2. 滲氮

   • 在氨氣氣氛中加熱至500-570℃，使氮原子滲入工件表層，形成氮化物硬化層，顯著提高耐磨性和耐蝕性。

   
   

3. 碳氮共滲

   • 同時滲入碳和氮元素，綜合提高工件表面的硬度和韌性。

   
   

4. 滲硼、滲鋁、滲鉻等

   • 滲硼可形成高硬度的硼化物層，提高耐磨性和抗粘著性；滲鋁和滲鉻可形成致密的氧化膜，提高抗高溫氧化性和耐蝕性。

   
   

應用特點

• 優勢：通過改變表層化學成分，顯著提高耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性，適用于惡劣工況下的零件。

• 局限性：工藝復雜、周期長、成本高，且對設備要求較高。

• 典型應用：發動機氣缸套、模具、刀具、航空航天零件等需要高耐磨性和耐蝕性的關鍵部件。

三、表面熱處理與化學熱處理的比較

四、選擇建議

• 表面熱處理適用于需要快速提高表面硬度和耐磨性，且對成本敏感的場景，如汽車齒輪、曲軸等。

• 化學熱處理適用于對耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性有極高要求的場景，如發動機氣缸套、模具、刀具等。