表面硬化鋼是一類通過特定表面處理工藝（如滲碳、氮化、表面淬火等）使材料表層獲得高硬度，而心部保持良好韌性的特殊鋼材。這種鋼材兼具耐磨性、抗疲勞性能與韌性，廣泛應用于機械、汽車、航空航天等領域，滿足復雜工況下對部件表面高硬度和內部強韌性的雙重需求。

一、定義與特性

1. 定義：通過表面硬化處理，使鋼件表層碳含量或形成硬化層，經淬火后表層硬度顯著提升，而心部仍保持低碳鋼的韌性。

2. 核心特性：

○ 表層硬度高：可達800-1000HV（如滲碳層或氮化層），耐磨性強。

○ 心部韌性好：抗沖擊載荷，避免脆性斷裂。

○ 耐疲勞性：表面硬化層可顯著提高接觸疲勞和彎曲疲勞強度。

○ 工藝多樣性：可通過滲碳、氮化、表面淬火、鍍鉻等方法實現。

二、表面硬化處理方法

1. 滲碳處理：

○ 將低碳鋼件在高溫滲碳介質（如甲烷、煤油）中加熱，使碳原子滲入表層，形成高碳層。

○ 淬火后表層硬度高，心部保持韌性，適用于齒輪、軸等承受磨損和沖擊的部件。

2. 氮化處理：

○ 將合金鋼（含Al、Cr、Mo）在氨氣中加熱至500-570℃，形成氮化物層（如Fe2N、Fe3N），兼具硬度和耐腐蝕性。

○ 常用于精密零件（如模具、軸承）的表面強化。

3. 表面淬火：

○ 快速加熱工件表層至淬火溫度（如感應加熱、火焰淬火），然后迅速冷卻，表層形成馬氏體組織。

○ 適用于中碳鋼（如45鋼）的軸、凸輪等零件。

4. 硬質陽極氧化（鋁材相關，但鋼材可通過其他涂層技術）：通過電解在鋁表面生成氧化膜，增強耐磨性。

5. 鍍鉻：沉積鉻層，硬度極高（800-1000HV），常用于裝飾性與耐磨性兼顧的部件。

三、化學成分與典型牌號

1. 關鍵元素：

○ 碳（C）：決定硬化能力，表層碳含量通常≥0.5%。

○ 鉻（Cr）：提升耐磨性和抗氧化性。

○ 鎳（Ni）、鉬（Mo）：增強心部韌性和高溫強度。

2. 典型牌號：

○ 16NiCr4（SAE 4320）：含鎳、鉻，適用于齒輪、軸等小型部件。

○ 17CrNiMo7（1.6587）：高強度滲碳鋼，用于重載齒輪和軸。

○ SAE 8620：低合金鎳鉻鉬鋼，兼具韌性和高耐磨性，常用于機械傳動部件。

四、應用領域

1. 機械傳動：齒輪、鏈輪、軸承、傳動軸。

2. 汽車工業：發動機部件（凸輪軸）、懸掛系統零件。

3. 工程設備：重載軸套、樞軸、礦山機械耐磨件。

4. 精密儀器：高精度機床主軸、模具。

五、熱處理工藝與性能調控

1. 滲碳處理參數：

○ 溫度：880-980°C，滲碳時間取決于層深需求。

○ 淬火介質：油冷或水冷，確保表層硬度。

2. 氮化處理溫度：500-570°C，長時間保溫（如數十小時），形成氮化物層。

3. 回火處理：低溫回火（150-200°C）消除淬火應力，穩定硬化層性能。

六、優勢與局限性

1. 優勢：

○ 表層與心部性能互補，兼顧耐磨與韌性。

○ 工藝成熟，成本適中，適用于批量生產。

2. 局限性：

○ 復雜零件需優化熱處理工藝，避免變形。

○ 表面硬化層厚度有限，深層磨損后性能下降。

七、標準與規范

表面硬化鋼的生產與處理需符合國際標準（如DIN、SAE）及行業規范，確保力學性能（如抗拉強度、硬度范圍）和表面質量達標。

參考資料：DIN 17210、SAE J404標準，金屬表面處理技術文獻。

編輯日期：2025年5月

所屬學科：材料工程 → 金屬材料與熱處理

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