表面淬火靠改变基体材料的化学成分来实现，例如渗碳或碳氮共渗，或对给定高碳轴承钢零件的表层局部热处理。感应加热淬火或火焰淬火。采用激光束和电子束来进行热处理也是可行的，但取决于所需要的淬火深度。轴承钢的表面淬火可以形成一定的深度、高硬度、高耐磨性的表层。表层产生的高残余压应力能提高耐滚动疲劳和弯曲疲劳的能力。表层下的心部较软，且韧性好，可阻止裂纹的扩展。

　　（1）渗碳

　　渗碳剂或渗碳介质(气体、液体或固体)提供钢所吸收的扩散的碳。和淬火炉的操作一样，在渗碳过程中要遵循同样的预防措施，以减少操作损伤，减小零件变形和提高工艺的经济性。正常的渗碳温度范围是899~982°C，碳的扩散速率随温度的增加而提高。因此，在较低的渗碳温度下，更易控制硬化层深度范围。

　　根据所处理的合金钢，渗碳时间、温度和气氛成分决定了渗碳后的碳浓度梯度。碳含量和碳的分布影响渗碳层的硬度、残留奥氏体的含量、渗碳层的显微组织、渗碳层的硬度分布和压应力场。尽管可直接用渗碳炉对轴承零件进行淬火热处理，但一般情况下需对渗碳后的零件重新进行淬火以改善渗碳层和心部的性能，同时使用淬火夹具以减少零件变形。必须根据渗碳的钢种，调整炉内气氛的碳势，保证不至于形成大颗粒和(或)网状碳化物。像铬这样的合金元素，降低了其析碳含量，有可能形成球状碳化物。如果钢在淬火前缓慢冷却，则碳可能进一步沉淀到晶界上。这些晶界碳化物和(或)网状碳化物降低了零件的机械性能。挑选轴承材料不仅要考虑适当的表面硬度和显微组织，而且一定要兼顾心部性能以防止表层压碎。一般靠提高次表层的强度来提高抗压碎能力。因此，所选材料的横截面厚度和其淬透性应能保证心部硬度达到35~45HRC。渗碳的钢种应该是细晶粒钢，以使高温渗碳时，对晶粒长大的敏感性降至zui低限度。

　　从渗碳炉出炉后直接淬火有个优点，即当采用低合金钢时可以获得很硬的表面显微组织而不像含贝氏体这样的较软组织。这种热处理工艺比渗碳后重新加热、淬火(尤其是淬火前温度降到816~843°C时)所造成的零件变形要小。不利的是，这种工艺可能使零件在重载下产生塑性变形，而显微裂纹则成为疲劳的起始点。使渗碳零件的含碳量保持在共析点以下，可以减小显微裂纹。在较低的奥氏体化温度下重新加热和淬火也可减少显微裂纹。气体渗碳是滚子轴承常用的工艺，这是因为渗碳气体的流速和气氛碳势可以精确控制。炉内气氛包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽、甲烷、氮气和氢气。在预定的温度下渗碳一段时间，即可达到特点的渗碳层深度。这种有效渗碳层深度(ECD)通常定义为从表面到硬度降为50HRC的远点的垂直距离。对于轴承零件而言，有效渗碳层深度通常为0.5~5mm，表层wc在0.75%~1.00%之间。为了增加渗碳零件的韧性，它们在淬火后要进行回火处理。采用冷处理工艺可以使残留奥氏体转变为马氏体，然后还需要进行附加回火处理。

　　（2）碳氮共渗

　　碳氮共渗法是一种改进的气体渗碳工艺。由于在处理氰化盐时对健康有危害和造成生态学问题，所以优先采用空气。为在高温时，产生的气氛具有一定的碳势，添加有氨水。氮和碳扩散到钢中，形成很硬的耐磨层。因为这些高硬度的碳氮共渗层事实上很浅，炉温为788~843°C范围内形成的硬化层深度约为0.07~0.75mm，所以碳氮共渗层和心部的界面很容易区分开。当零件需要很深的碳渗层时，也可获得浅碳氮共渗层的有利特性。在这种情况下，零件通常渗碳达到很深的层深，然后在碳氮共渗气氛中重新加热。

　　添加到渗碳气氛中的氨水分解，在工件表面形成新生氮。碳和氮不断被吸人钢的表层从而降低钢的临界冷却速度。即氮明显提高了钢的淬透性。这种特性可以使AISI1010和AISI1020这类廉价的材料，用油淬火达到所希望的高硬度，从而将热处理期间的零件变形降至zui低限度。

　　如果所有参数都恒定的话，碳氮共渗零件的渗层深度比渗碳零件的更均匀。因为氮降低了相变温度，所以碳氮共渗零件的残留奥氏体多于同样含碳量的渗碳零件。通过提高碳氮共渗的温度，把表面碳含量控制在wc0.70%~0.85%，在处理期间将氨气含量保持在zui低限度，以及淬火前进行扩散，可以降低残留奥氏体的高含量。碳氮共渗层的氮也可以增强抗回火性。为了提高韧性并保证58HRC以上的硬度，碳氮共渗零件在190~205°C范围内回火。

　　（3）感应加热表面淬火

　　感应加热表面淬火是将高碳低合金轴承钢零件表面快速加热到奥氏体温度范围，并由该温度直接淬火而生成马氏体的一种方法。交流电通过感应线圈或感应器，然后在线圈内部产生集中磁场。这个磁场又使置于线圈中间的零件产生感应电势。因为零件相当于一个闭合线路，所以零件中的感应电势产生电流，于是材料对感应电流的电阻起作用，结果使零件加热。

　　可根据频率需要来选择电源装置。过去一直采用电动发电设备提供1~10kHz中频电源来淬火，使表面形成较厚的淬火层。目前这种发电设备已被可控硅整流(SCR)变频器所替代。高频加热装置的频率范围为100~500kHz，可满足很浅表面硬化层的需要。影响感应表面淬火加热的主要因素是频率选择、功率大小、加热时间和耦合距离。

　　根据零件的尺寸和所需加热的深度决定频率大小。频率选择-功率大小一感应器表面每平方毫米可达到的瓦特数影响零件表面淬火深度。加热时间--将零件加热到所需温度的加热时间，对于过热和淬火深度是至关重要的因素。

　　耦合距离一-定义为线圈和零件表面之间的距离。

　　感应淬火零件通常靠喷射或浸入的方法进行冷却。喷射淬火是将带压的淬火剂通过感应器上的许多小孔或单独的淬火环喷射到零件上，浸入法是将零件从感应器中落人搅动的冷却槽中。用合成淬火剂代替水或油，就可使高碳铬轴承钢获得所需要的物理和冶金学性能。可以调整淬火剂的浓度以达到更好的淬硬性，同时将产生裂纹的可能性降至更低限度。所有表面淬火零件淬火后都要回火处理。尽管淬硬层深度可能类似于渗碳零件，但是淬

　　硬层和心部之间的过渡区内，硬度梯度较大。AISI52100钢轴承零件经适当的感应淬火，其硬度通常可达到65~67HRC。如果零件热处理前处于退火状态，则淬火表层区域的显微组织由细小球状碳化物和未回火的马氏体基体组成，进行断口检查时，可看到细小晶粒。

　　（4）火焰加热感应淬火

　　火焰淬火主要用在处理直径大于1m的高碳低合金钢大型套圈零件。可燃气体同氧气混合，点燃一组喷嘴，对零件的一定部位加热，同时套圈零件以固定的速度旋转通过燃烧的火焰。加热层的深度取决于零件在热源处停留的时间。旋转零件达到合适的奥氏体温度时，便用水冷却淬火。未热的心部材料仍然处于退火状态。接着必须进行回火处理，以消除应力，提高淬火零件的韧性。

　　从设备的角度来看，火焰淬火是花钱不多的工艺方法。它灵活简便，可有选择性地进行淬火。对于各种截面形状、壁厚的套圈，不论其如何变化，这种方法都很适用。不断改变局部加热区意味着零件旋转360°后，会出现重复加热。重复加热区造成的过度回火效应将导致软点。所以必须采取预防措施，减小重复加热区的热应力和相变应力，以防止裂纹产生。