表面硬化解析：提升金属表面强度与耐久性
耐磨损和抗压痕能力是某些金属两项极重要属性。硬度作为这些性能的度量，是选材关键考量。为确保金属基体硬度适宜，部分金属通过表面硬化改变表面硬度。
表面硬化是通过在另一金属合金顶表面添加薄层来强化金属表面、提升耐久性和外观的技术。该薄合金层通常比原始金属更硬、更耐用。
什么是表面硬化？
表面硬化也称“表面淬火”。是一种热处理工艺，使金属零件表面硬化而内部保持相对柔软。
对低碳铁或钢，表面硬化通常涉及向表面添加额外碳或氮。固体金属分子原子紧密排列成晶体结构。当碳从低碳钢或合金钢表面渗碳材料扩散进入晶体结构，外层强度硬度急剧提升。碳扩散渗层深度可精细控制以决定渗层力学性能。
为何进行表面硬化？
表面硬化材料而非整体淬火有多重理由。一是效率。相比整个金属横截面，加热金属最外层需能量和时间更少。大规模制造中可节省大量成本。
表面硬化零件适合持续接触硬质或磨料零件的场合，因表面硬化零件更耐磨，且通常比“透硬”工艺零件更强，因表面硬化零件芯部柔软，能承受更大应力而不开裂。表面硬化过程中对薄钢层等各种金属施加较低温度，防止制造过程变形。
表面硬化方法类型
加热淬火
又称火焰或感应淬火。顾名思义，此表面硬化工艺涉及火焰或热。高碳钢零件经氧焰或感应加热至极高温度，再用冷却剂（通常水）快速冷却。火焰淬火仅对含碳量足够的钢铁有效。含碳量必须0.3-0.6wt%C。含碳量低于此值的钢铁材料有其他工艺，如氮化和渗碳。
氮化
氮化是另一种表面硬化技术。此工艺中，钢件在氨和分解氨环境中加热至484-621°C。硬化表面深度取决于钢件在氨环境中停留时间。此法必须用铬、钼、铝等元素形成氮化物硬化钢件表面。高温和氮暴露促进氮化物形成，氮化物本身极硬耐磨。此工艺仅在金属含可形成氮化物元素（如铬、钼）时有效。氮化通常需较低温度且无需淬火，减少变形。
渗碳
渗碳是另一种广泛用于改善钢基体力学性能的表面硬化方法。渗碳过程中，钢合金加热至高温后暴露于大量碳环境。按应用要求，外部碳源可为气体、液体或固体。大量外部碳与钢表面其他元素形成碳化物。这些碳化物提供更高硬度和耐磨性。与氮化类似，加热要求通常较低，可能导致较少变形。
表面硬化优势
1. 表面硬化提升钢件耐久性与经济性
表面硬化主要优势之一是为钢组件提供增强耐久性。表面硬化产生的机械强度和表面硬度，配合软芯保留，显著提高零件耐磨性和疲劳寿命。保留较软芯部提高吸收冲击载荷释放能量能力，延长使用寿命和经济优势。
2. 表面硬化使具备优良切削加工性的钢材可用于重载应用
通常重载应用合金因需更硬更强而切削加工性差。此时表面硬化工艺使可精密加工的低碳钢用于武器枪械等重载应用，以及要求机械强度、精细表面处理、精确几何形状的类似重载应用。后续表面硬化为精密加工零件表面提供优异耐磨性和硬度。
3. 表面硬化改善钢材焊接性
表面硬化改善钢材焊接性，对特定工程应用重要。
4. 氮化表面硬化可最小化变形
氮化表面硬化钢材可生产低成本、耐磨承载表面且变形极小。150°C（302°F）左右氮化表面不像渗碳钢那样失去硬度。
结论
在承受冲击载荷、振动、不对中条件的应用中，表面硬化钢是首选。不同于透硬钢，表面硬化低碳钢和合金钢变得坚韧、强硬而不脆。表面硬化还产生耐磨表面，提供耐久性和可靠性。
制造工艺