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許多機(jī)器零件要求表面有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，這就需要進(jìn)行表面化學(xué)熱處理。滲碳鋼和氮化鋼是為適應(yīng)于滲碳和氮化熱處理工藝的需要而發(fā)展起來(lái)的鋼種。例如齒輪及軸等零件，除要求高的強(qiáng)度及韌性外，高的表面耐磨性往往是不可缺少的。耐磨性的提高必須配合強(qiáng)韌化熱處理，同時(shí)設(shè)法提高表面硬度，其中工程上最有效、最實(shí)用的方法就是通過(guò)化學(xué)熱處理，也就是滲碳及氮化來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1）滲碳鋼及其熱處理
①滲碳鋼的服役條件和性能要求
以齒輪為例分折滲碳鋼的工作條件及對(duì)使用性能的要求。齒輪工作時(shí)，受到幾種應(yīng)力的作用：如從嚙合點(diǎn)到齒根的整個(gè)齒面上均承受脈動(dòng)彎曲應(yīng)力，齒面接觸傳遞動(dòng)力而造成的接觸應(yīng)力，兩齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)(包括滾動(dòng)與滑動(dòng))產(chǎn)生的摩擦力等。在這些應(yīng)力的作用下，齒輪的常見(jiàn)的失效方式是彎曲疲勞破壞如斷齒、齒面產(chǎn)生接觸疲勞破壞如麻點(diǎn)和硬化層剝落等。由于齒輪的服役條件很復(fù)雜，齒輪用鋼不但應(yīng)有高的耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且還應(yīng)有較高的塑性和韌性。
②滲碳鋼的成分特點(diǎn)
碳含量：滲碳件心部低碳含量(w(C)＝0.1％-0.25％)，這對(duì)保證零件心部有足夠塑、韌性。若碳含量過(guò)低，表面的滲碳層易于剝落；碳含量過(guò)高，則心部塑、韌性下降，表層的壓應(yīng)力減少，從而降低彎曲疲勞強(qiáng)度。
合金化原則：主加Cr、Mn、Ni、Si、B等元素，提高心部淬透性和強(qiáng)化鐵素體，輔加W、Mo、V、Ti等元素，起到細(xì)化晶粒、進(jìn)一步提高心部淬透性的作用。
③熱處理特點(diǎn)
預(yù)先熱處理（滲碳前）一般是正火，其作用是提高硬度、改善切削加工性能，同時(shí)也使組織均勻、消除組織缺陷、細(xì)化晶粒。最終熱處理一般為滲碳后進(jìn)行淬火及低溫回火，以獲得高硬度、高耐磨性的表層及強(qiáng)而韌的心部。
根據(jù)鋼化學(xué)成分的差異，常用的最終熱處理方式有三種
第一種是滲碳后經(jīng)預(yù)冷、直接淬火并低溫回火(稱(chēng)直接淬火法)，適用于合金元素含量較低又不易過(guò)熱的鋼，如20CrMnTi鋼等。
第二種是滲碳后先緩冷至室溫，然后重新加熱淬火并低溫回火(稱(chēng)一次淬火法)，適用于滲碳時(shí)易過(guò)熱的碳鋼及低合金鋼，或固體滲碳后的零件等，如20、20Cr鋼等。
第三種是滲碳后緩冷至室溫、又重新加熱兩次淬火并低溫回火(稱(chēng)二次淬火法)，適用本質(zhì)粗晶粒鋼和對(duì)性能要求很高的重要合金鋼工件，但因生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、工件易氧化脫碳和變形，目前生產(chǎn)上已很少采用。
經(jīng)最終熱處理后的組織應(yīng)為，表層由回火馬氏體加粒狀合金碳化物及少量殘余奧氏體組成，心部由低碳回火馬氏體及少量鐵素體(淬透時(shí))或鐵素體加珠光體(未淬透時(shí))組成。常用滲碳鋼熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表。
表 常用滲碳鋼熱處理后的力學(xué)性能
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鋼種
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熱處理工藝
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σs/MP
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σb/MP
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δ/%
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ψ/%
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αk/J/cm2
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20
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800℃水淬180℃-200℃回火
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274-343
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490-588
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≥18
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≥45
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-
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20MnV
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880℃油淬200℃回火
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≥637
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≥833
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≥10
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≥50
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≥68
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20CrMnTi
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870℃油淬200℃回火
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≥834
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≥980
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≥10
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≥45
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≥69
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25MnTiBRE
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850℃油淬200℃回火
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≥1079
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≥1373
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≥10
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≥45
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≥59
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22CrMnMo
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850℃油淬200℃回火
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≥883
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≥1177
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≥10
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≥45
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≥69
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20Cr2Ni4
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780℃油淬200℃回火
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≥1079
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≥1177
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≥11
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≥45
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≥78.5
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18Cr2Ni4W
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850℃油淬200℃回火
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≥834
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≥1177
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≥11
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≥45
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≥98
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2）氮化鋼及其熱處理
氮化鋼多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼(如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA鋼等)。氮化鋼零件一般經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理、切削加工、500—570℃氮化處理。
零件經(jīng)滲氮處理后具有以下特點(diǎn)：
①由于存在表面化合物層，氮化后不需再進(jìn)行任何其他熱處理，即可得到非常高的表面硬度，因而有高的耐磨性；
②有一定的耐熱性，在低于滲氮溫度下工作時(shí)可保持高硬度，改善抗腐蝕性能；
③可提高鋼件的疲勞強(qiáng)度，降低缺口的敏感性；
④由于氮化處理溫度較低，熱處理變形小，因此，特別適合于尺寸精度要求較高而最終熱處理要求變形小的機(jī)械零件(如機(jī)床絲桿、鏜桿，大馬力內(nèi)燃機(jī)曲軸等)。
隨著滲氮新工藝的發(fā)展，如氮碳共滲、離子氮化等工藝的采用。滲氮工藝的適用范圍不斷擴(kuò)大，可通過(guò)氮化處理工藝改善性能的鋼種逐漸增多。如中碳合金結(jié)構(gòu)鋼、鉻鋼、鉻鉬鋼、鉻釩鋼、鎳鉻鉬鋼、鉻錳鈦鋼、鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5％的模具鋼H11和H13，鐵素體和馬氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼等。
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