表面硬化钢适于制造通过某种表面热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧性适当的零件,由于表层通常还伴有较高的残余压应力,疲劳性能也可显著提高。这类钢通常通过以下三种方法达到表硬里韧效果:
    ①承受剧烈冲击、接触应力较大且要求耐磨的重要零件如汽车齿轮,采用低碳钢渗碳淬火工艺,此时的表面硬化钢称为渗碳钢;
    ②精密机床主轴、丝杠和发动机曲轴、凸轮轴等要求尺寸精确的零件,一般采用加热温度低,热处理变形小的渗氮处理工艺,此时的表面硬化钢称为氮化钢;
    ③圆柱形或形状较简单零件,采用中碳钢感应加热表面淬火工艺,此时的表面硬化钢称为表面淬火用钢。
    此处,重点介绍渗碳钢热处理特点。
    为了改善锻造组织,改善切削性能,合金元素质量分数较低的渗碳钢一般以正火作为预备热处理,处理后的硬度值在170~210HBW范围内。而对于合金元素质量分数较高的渗碳钢,由于淬透性很高,空冷后,出现硬度高的马氏体组织,因此对于这类钢,生产中常采用空冷后再进行650~680℃的高温回火,作为预备热处理得到回火索氏体组织。
    渗碳钢的最终热处理一般是在渗碳后进行淬火+低温回火。渗碳后,零件表层的碳质量分数较高(wc=0.85%~1.05%),渗碳件热处理后其表层组织为细针状回火马氏体+粒状碳化物+少量残留奥氏体,硬度一般为58~64HRC;心部的组织与淬透性有关,如果全部淬透,则组织为低碳马氏体,硬度可达40~48HRC,如不能完全淬透,则心部组织为托氏体+少量马氏体及铁素体,硬度为25~40HRC。从而达到“表硬里韧”要求。具体的工艺规范因渗碳钢的化学成分及零件的性能要求而有一些不同。由于渗碳工艺的温度高、时间长,故渗碳件的变形较大,零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。
    热处理应用举例:20CrMnTi钢制变速器齿轮,其技术要求为:渗碳层深度0.8~1.2mm,渗碳层浓度wc=0.8%~1.0%;齿表面硬度58~60HRC;心部硬度30~45HRC。
    齿轮的生产工艺路线为:下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨。
    正火工艺为:960±10℃空冷,在井式气体渗碳炉中进行的渗碳及渗碳后的淬火、回火工艺。