表面淬火是强化金属材料表面的重要手段之一。在生产实际中，许多工件是在弯曲、扭转载荷下工作，同时受到磨损和冲击，这就要求工件表面一定深度范围内具有高硬度、高强度和耐磨性， 而心部保持高的塑性和韧性。经表面淬火的工件不仅提高了表面硬度、 耐磨性，而且与经过适当预备热处理的心部组织相配合，可以获得很好的韧性和高的疲劳强度。

钢的表面淬火是在不改变钢件的化学成分和心部组织的情况下，采用快速加热将表面一定深度范围内奥氏体化后，然后迅速冷却进行淬火，以达到强化工件表面的热处理方法。其特点是加热速度快，热处理变形小，强化效果显著，设备的机械化、自动化程度高，生产效率高，所以在机械制造业中得到广泛应用。

表面淬火用钢一般为W_c=0.4%~0.5%的中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr、42Mn等。如果碳的质量分数过高，虽可提高表面硬度和耐磨性，但心部塑性和韧性较低。反之，若碳的质量分数过低，会使表面硬度和耐磨性不足。

根据加热方式不同，表面淬火方法主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电子束加热表面淬火、电解液加热表面淬火，其中前两种应用最为广泛。

(1)感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是利用工件在交变磁场中所产生的感应电流，将工作表面迅速加热到淬火温度，然后快速淬火冷却以获得马氏体组织的一种热处理工艺。

感应加热表面淬火可分为高频(f=100~500 kHz)淬火、超音频(f=20~60kHz)淬火、中频(f=1~10kHz)淬火、工频(f=50Hz)淬火。

①感应加热表面淬火的原理感应加热表面淬火的装置如图1所示，主要由外接电源(图中未标出)、加热感应线圈及淬火用喷水回路组成。当加热感应线圈中通过一定频率的交变电流时，感应线圈周围所产生的交变磁场使放入感应线圈内的工件感应出很大的感应电流(涡流)。涡流在工件表面的密度最大，越往心部越小，而心部的电流密度几乎为零，电流频率越高，涡流集中的表面层越薄，这种现象称为集肤效应。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度便可升至800~1000℃，此时，立即断电，喷水冷却，工件表面即可淬硬，心部因未能加热到淬火温度，仍然保持原始的组织和性能。淬火时随着频率的降低，表面淬硬层深度增加。

②感应加热表面淬火方法

图1 感应加热表面淬火示意图

a.同时加热淬火法。这种方法是对工件需要淬硬的表面同时加热到淬火温度，然后迅速冷却淬火。冷却一般采用喷射冷却或浸液冷却。该方法适用于齿轮、凸轮轴、曲轴及局部淬硬的轴类或异形零件等的表面硬化。

b.连续加热淬火法。这种方法是对工件需淬硬部位中的一一部分同时加热，通过感应线圈与工件之间的相对移动，把已加热部分移至冷却位置冷却，待加热部分移至感应线圈中加热，如此连续进行，直至需硬化部位全部淬火完毕。这种方法适用于淬硬区较长的轴类、杆类、大平面类零件的表面淬火。

③感应加热表面淬火的特点

与普通加热表面淬火相比，感应加热表面淬火有如下特点。

a.感应加热速度快，加热时间短，生产效率高。

b.因加热速度快，奥氏体晶粒细，淬火后获得隐晶马氏体，表面硬度比一般淬火高出2~3HRC,耐磨性提高，而且脆性小。

c.淬火形成的马氏体因体积膨胀，在表面造成较大的残余压应力，可有效提高零件的疲劳强度。

d. 因加热速度快，时间短，工件表面氧化脱碳少。

e.由于表面淬火，工件心部热影响小，无相变，因此工件变形小。

f. 淬火加热温度及淬硬层深度容易控制，便于实现机械化和自动化操作，工作条件好。由于有以上优点，工业上应用感应加热表面淬火比较广泛。

(2) 火焰加热表面淬火 

应用可燃性气体(主要是氧-乙炔)火焰对零件表面一定尺寸范围进行加热，使其奥氏体化并淬火的工艺称为火焰加热表面加热淬火。氧-乙炔火焰的温度高达3100℃，可将工件表层很快加热到淬火温度，快速冷却即可达到表面淬火的效果。如图2所示为火焰加热表面淬火示意图。

火焰加热表面淬火示意图

火焰加热表面淬火的淬硬层深度可通过调整火焰喷嘴到工件表面的距离，改变喷嘴与工件相对移动速度来控制。其淬硬层深度般在2~8mm范围内。

火焰加热表面淬火有设备简单、使用方便、成本低廉等优点，但其表面易过热，淬硬层深，安全性不高，一般适用于单件、大型工件的局部淬火及其他工艺不易达到的零件的局部淬火。 

(3)激光加热淬火 

激光加热淬火是以高能量激光作为能源以极快速度加热工件并自冷硬化的淬火工艺。目前，应用于热处理的激光主要由CO₂气体激光器提供。其发射波长为10.6μm、肉眼不可见的远红外线。与其他激光器相比，CO₂激光器具有输出功率高，效率高，能长时间连续工作等特点。 

激光加热时，工件表面吸收的能量，由于工件表面光洁度较高，其反射比较大，吸收比几乎为零。为了提高吸收比，通常要对表面进行黑化处理，常用的涂料有磷酸锌盐膜、磷酸锰盐膜、炭黑等，其中以磷酸锌盐膜效果最好，吸收比可提高到80%。 

激光加热淬火的特点如下。 

①具有高达10⁶W/cm²的能量密度，加热速度极快，可在百分之几秒内加热至淬火温度;淬火靠工件自激冷却，不需冷却介质，冷却速度可达104℃/s,大大高于一般淬火速度，生产效率高。 

②由于加热冷却极快，淬火后可得到超细晶粒，硬度比常规淬火高5%~10%，耐磨性好。 

③激光加热对工件表面产生极大的冲击作用，可使表面产生4000MPa以上的压应力，有助于提高疲劳强度。 

④可对工件进行局 部的选择性淬火，特别是其他淬火方法 难于实现的部位，如内孔、盲孔、内腔、沟槽等的局部淬火。 

⑤可以利用激光进行局部表面合金化处理。用激光照射经过涂层或镀层的表面，获得与基体不同的合金化表层。 

⑥激光淬火应力及变形极小，表面光整，不需要进行表面精加工。