設(shè)計中常常需要對金屬材料表面進(jìn)行硬化處理以提高耐磨性、耐蝕性、耐熱性和疲勞強(qiáng)度。常用的表面硬化方法有：滲碳淬火、氮化、表面淬火等。

1、滲碳處理

在滲碳爐中將低碳鋼表面碳含量增至規(guī)定范圍然后進(jìn)行淬火，使表面硬度達(dá)到HRc56～62，然后低溫回火以消除應(yīng)力和穩(wěn)定組織。滲碳采用的是專用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi、320CrNiMo、20Cr2Mn2Mo、17Cr2Ni2Mo等，設(shè)計時可根據(jù)工件尺寸和心部強(qiáng)度要求來選擇材料和滲碳層深度；不應(yīng)過度使用材料和加大滲碳層深，否則將造成生產(chǎn)成本增加。通常情況下，有效截面尺寸小于50mm的零件，可選用20、20Cr；有效截面尺寸50～150且重量小于50kg的工件，可選用20CrMnTi；有效截面大于200mm，或心部強(qiáng)度要求大于1000MPa的零件可選用17Cr2Ni2Mo。

滲碳層深的選擇要根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計，以節(jié)約成本。層深的增加意味著滲碳時間的延長，齒輪一般是根據(jù)經(jīng)驗公式來設(shè)計層深，現(xiàn)在，軋機(jī)齒輪基本上都采用17Cr2Ni2Mo滲碳淬火工藝，從而廢棄了傳統(tǒng)的表面淬火工藝。

2、氮化處理

原則上講任何鋼種都可以進(jìn)行氮化處理。但是最常用的氮化鋼是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)、38CrMoAl(HV>700)。

氮化是在氮化爐中進(jìn)行，因此變形小。氮化后一般可不加工。氮化硬度要根據(jù)材質(zhì)而定。需要注意的是設(shè)計時應(yīng)盡可能采用整體氮化處理，因為氮化層本身對使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。

對必須進(jìn)行局部氮化的零件需要做局部保護(hù)，氮化后去掉或加工掉保護(hù)層，但是如此一來，需要額外的工作很多，增加了制造的復(fù)雜性和成本。此外，氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做組織準(zhǔn)備。

氮化工藝最大的特點(diǎn)是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合提高零件的疲勞強(qiáng)度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態(tài)，防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件，比如軸等。

3、表面淬火

是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡單而靈活，適合局部處理，特別適合于提高耐磨性的場合。由于只加熱表面層，心部強(qiáng)度保持著表淬前的狀態(tài)。表面淬火一般工藝是高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱或火焰加熱，噴水冷卻，然后進(jìn)行低溫回火。表面淬火后零件表面將產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因而使材料的疲勞強(qiáng)度大大提高。但需要注意的是，表淬區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)下，此處的疲勞強(qiáng)度因此大大降低。設(shè)計時要考慮殘余拉應(yīng)力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應(yīng)力集中部位，以免工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力疊加造成零件裂紋或斷裂。細(xì)軸類和薄板類零件本身容易變形，表淬時由于加工應(yīng)力的釋放與表淬應(yīng)力的不平衡會產(chǎn)生很大變形，而淬硬后的零件矯形時容易發(fā)生斷裂。因此，設(shè)計時應(yīng)考慮表淬應(yīng)力的平衡問題。比如將薄板類工件設(shè)計成雙面對稱淬火是一種有效解決表淬變形的方法。表淬前零件需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，一是提高心部強(qiáng)度，另一方面可以減少淬火變形和裂紋傾向。