表面硬化的两个主要目的是：在金属部件的外表面形成一个极其坚硬、耐磨的表面，同时保持一个更柔软、更坚韧、更有韧性的内部核心。这个过程有效地创造了一种复合材料，将硬钢和软钢最理想的特性结合到单个零件中。
表面硬化解决的核心问题是金属中硬度和韧性之间固有的权衡。它使工程师能够设计出既不会因摩擦而磨损，又不会因突然的冲击而破碎的部件。
核心原理：二合一材料
表面硬化是一种选择性地设计金属部件性能的方法。它基于这样的认识：对于许多应用来说，部件所承受的应力在其横截面上不是均匀分布的。
坚硬的外层“表层”
表面层或“表层”的主要目标是抵抗磨损。这对于与其他部件摩擦、滑动或啮合的部件至关重要。
这种硬化的表层提供了出色的抗磨粒磨损、摩擦和表面压痕能力。通过使表面明显变硬，可以大大延长部件的使用寿命。
坚韧的内部“核心”
在坚硬的表层之下是核心，它被故意保持在更柔软、更有韧性的状态。其目的是提供结构完整性和抗冲击性。
这种韧性使部件能够在不破裂的情况下吸收冲击和动态载荷。一个从里到外都均匀坚硬的部件会很脆，在突然的震动下可能会发生灾难性的失效。
为什么不进行整体淬火？
整体淬火，或均匀地硬化零件，会产生一种坚固但通常很脆的材料。
把它想象成玻璃：它非常坚硬且耐刮擦，但掉落时很容易破碎。对于齿轮或凸轮轴等同时承受持续摩擦和周期性冲击的部件来说，这种脆性是一个关键的失效点。
表面硬化如何工作
该过程通过在最终热处理之前改变钢表面的化学成分来实现其双重特性。
改变表面化学成分
最常见的方法是在高温下将元素扩散到低碳钢部件的表面。
在渗碳中，碳被注入到表面。在氮化中，使用氮。这会在表面层形成高浓度的这些元素，使其有可能比低碳核心变得硬得多。
最终热处理
改变表面化学成分后，部件会经过一个热处理循环（淬火和回火）。
由于其新形成的高碳或高氮成分，表面层在淬火时会变得极其坚硬。低碳核心对淬火的反应不那么剧烈，因此仍保持较软、较韧的状态。
理解权衡
尽管表面硬化非常有用，但它并非万能的解决方案。这是一个需要考虑特定限制的工程过程。
有限的表层深度
硬化层具有特定的厚度，称为表层深度。这通常是部件总厚度的一小部分。如果磨损超过这个深度，零件会迅速失效，因为暴露出了柔软的核心。
工艺复杂性和成本
表面硬化是一个多步骤、耗时的过程，需要精确控制温度和环境条件。这使得它比简单的整体淬火更复杂、成本更高。
变形的可能性
任何时候部件受到高温和快速冷却（淬火）时，都有可能发生翘曲或变形。必须预料并控制这一点，有时需要在处理后进行精加工研磨。
何时选择表面硬化
正确应用此过程完全取决于部件的机械要求。
- 如果您的主要关注点是抵抗表面磨损，同时承受高冲击载荷：表面硬化是理想的解决方案，是齿轮、轴承和曲轴的标准做法。
- 如果您的主要关注点是整个部件的均匀强度和硬度：整体淬火合金钢是更直接和合适的选择。
- 如果您的主要关注点是防止腐蚀：电镀或涂层等其他表面处理可能比表面硬化更具成本效益和适用性。
最终，表面硬化是创造一个能够承受持续摩擦和承受突然冲击的单一组件的明确工程解决方案。
摘要表：
| 方面 | 目的 | 益处 |
|---|---|---|
| 坚硬的外层 | 抵抗磨粒磨损、摩擦和表面磨损。 | 在滑动或啮合接触下延长部件寿命。 |
| 坚韧的内部核心 | 吸收冲击和动态载荷而不开裂。 | 防止因突然冲击而发生灾难性的脆性断裂。 |
| 总体结果 | 在一个部件中结合了硬钢和软钢的最佳特性。 | 解决了齿轮和轴承等部件在硬度和韧性之间固有的权衡问题。 |
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