齒輪滲碳與淬火：參數控制與缺陷預防

摘要： 在齒輪的各種熱處理中，滲碳後淬火仍是主力工藝。它能在齒面形成 58–62 HRC 的耐磨外層，而心部仍保持 30–42 HRC 的韌性。影響結果的有四個變數——爐溫（920–950°C）、氣氛碳勢（0.75–1.05%C）、淬火起始溫度（820–860°C）與回火溫度（160–200°C）。現場記錄顯示，滲碳齒輪的失效案例中，超過 80% 來自製程漂移。

1. 製程原理

滲碳加淬火是兩段式的熱循環。齒輪置於供碳氣氛中，溫度高於奧氏體化臨界點，碳由表面向內擴散，隨後快速冷卻使富碳層轉變為高碳馬氏體。

工作定義： 一種改變表面化學成分的熱化學處理——碳含量由心部的 0.15–0.25%C 提升至表層的 0.70–1.05%C——之後再以淬火產生硬化效果。

階段順序

• 裂解： 原料氣（天然氣、丙烷或煤油）在高溫下分解，釋放出活性碳。
• 吸附： 這些活性碳原子被齒輪表層的奧氏體晶格吸收。
• 向內擴散： 隨著碳逐步向深處遷移，形成濃度梯度。

2. 參數範圍與影響

• 爐溫： 920–950°C
  • 對齒輪的影響：升溫 10°C 可使擴散速度提升約 20%，但晶粒粗化的可能性也隨之增加
  • 目標精度：±5°C
• 氣氛碳勢： 0.75–1.05%C
  • 對齒輪的影響：碳勢越高，富碳速度越快，但可能出現碳化物網狀組織
  • 目標精度：±0.05%C
• 淬火起始溫度： 820–860°C
  • 對齒輪的影響：決定殘留奧氏體的量與馬氏體的形態
  • 目標精度：±10°C
• 回火溫度： 160–200°C
  • 對齒輪的影響：每升高 10°C，硬度約下降 1–2 HRC
  • 目標精度：±5°C
• 硬化層深度： 0.3–1.5 mm
  • 對齒輪的影響：硬化層越深，抗接觸疲勞能力越好
  • 目標精度：±0.1mm

變數之間的交互作用

碳勢與硬化層深度並非線性關係。以 920°C 為基準：

• 在 1.05%C 的強滲階段，硬化層每小時推進約 0.15–0.20 mm。
• 在 0.80%C 的擴散階段，成長速度降至每小時約 0.10–0.12 mm。

一個實用的近似公式： 深度與時間的平方根成正比——深度 ≈ K × √t，其中 K 為溫度係數（爐溫 920°C 時約為 0.45），t 為強滲時間（小時）。

3. 常用製程路線

可用的滲碳路線

1. 氣氛（氣體）滲碳——主流選擇

   • 氣氛：丙烷搭配甲醇裂解載氣，或氮氣–甲醇混合氣
   • 優勢：碳勢可精確控制；適合重複性批次生產
   • 精密齒輪傳動系統的主流路線

2. 低壓（真空）滲碳

   • 氣氛：乙炔或乙烯
   • 優勢：完全無內氧化；適合高要求的齒輪品質
   • 客製齒輪製造的常用

3. 鹽浴滲碳

   • 氣氛：氰化物鹽類
   • 優勢：吸碳速度快，但環保處理困難；此路線正逐步淘汰

4. 缺陷、根本原因與對策

4.1 硬化層深度超出規格

• 根本原因： 時間或溫度漂移，或碳勢波動
• 對策： 使用氧探頭搭配碳控儀進行閉環控制；定期以箔片試樣驗證

4.2 碳化物網狀組織

• 根本原因： 碳勢超過 1.10%C，或擴散時間不足
• 對策： 將強滲階段上限設為 1.05%C，並安排足夠的擴散時間

4.3 表面下氧化

• 根本原因： 爐氣中氧含量過高（露點未控制）
• 對策： 將露點維持在 −30°C 或以下；供應高純度氮氣

4.4 變形超出限制

• 根本原因： 淬火後冷卻不均，或齒輪形狀不對稱
• 對策： 改善夾具配置；對精密軸類零件採用壓淬

4.5 硬度不足

• 根本原因： 淬火起始溫度過低，或冷卻速度太慢
• 對策： 確認油溫（60–80°C）並檢查攪拌器是否正常運作

5. 檢驗與驗收

滲碳過程的嚴格控制必須與整體齒輪加工製程規劃一併考量。

現場作業指引

1. 碳勢檢查不可妥協： 氧探頭會積垢，讀數會漂移。每週以箔片試樣驗證；若讀數偏差超過 ±0.05%C，必須校正後再繼續生產。
2. 追蹤淬火油狀態： 淬火油使用六個月或處理超過 100 噸零件後，冷卻性能會下降。每季進行一次冷卻曲線測試。
3. 夾具配置影響結果： 相鄰齒輪之間至少留 10mm 間隙，使氣體均勻流通。大型齒輪應置於料盤中央附近，遠離風扇。
4. 增加預氧化步驟： 滲碳前在 450–550°C 持溫 30–60 分鐘，可明顯改善硬化層一致性，並降低內氧化機率。

參考資料

• GB/T 9450-2018 — 鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定與驗證
• ISO 6336-5:2016 — 直齒輪與斜齒輪承載能力計算 — 第 5 部分：材料的強度與品質
• 《齒輪熱處理製程標準手冊》（機械工業出版社）
• PinyiGear 內部製程資料庫（2025 年版）

附錄：補充製程資料

以下內容彙整自先前同主題文章（原編號 29、35、38、41、42、43、46）所保留的表格與數據。所有數字、單位、材料牌號與標準編號均未變更。

A1. 滲碳介質比較

• 氣體滲碳：丙烷搭配載氣
  • 溫度範圍：920–950°C
  • 硬化層成長（mm/h）：0.15–0.35
  • 適用場合：批次生產、齒輪滲碳服務
• 真空滲碳：乙炔
  • 溫度範圍：950–1050°C
  • 硬化層成長（mm/h）：0.25–0.50
  • 適用場合：高精度齒輪、內齒圈
• 鹽浴滲碳：氰化物鹽類
  • 溫度範圍：900–930°C
  • 硬化層成長（mm/h）：0.20–0.40
  • 適用場合：小模數齒輪

A2. 有效硬化層深度與齒輪模數對照

A3. 變形的影響因素

• 滲碳前： 正火加上高溫回火可消除加工殘留應力，能使淬火變形降低 30%–50%
• 淬火起始溫度： 以高於 Ac3 約 30–50°C 為较佳；溫度過高會增加變形風險
• 冷卻介質： 維持在 80–120°C 的熱油，變形量比常溫油低 40%–60%
• 裝載方式： 齒輪應直立或吊掛於專用夾具上；不可堆疊

A4. 現場案例

備註： 近期一件 m=5 螺旋傘齒輪，精度要求 DIN 6，選用的路線為真空滲碳搭配麻淬火。經過三次調整，形狀偏差控制在 0.08 mm 以內，首次檢驗合格率達 92%。

A5. 三階段時程：時間分配與升溫速率

• 第一階段——升溫與均溫： 850–930°C
  • 佔循環時間：15–20%
  • 控制重點：升溫速率不超過 100°C/h
• 第二階段——強滲： 920–950°C
  • 佔循環時間：50–60%
  • 控制重點：碳勢 1.05-1.20%C；時間依硬化層深度公式計算
• 第三階段——擴散： 880–920°C
  • 佔循環時間：20–30%
  • 控制重點：碳勢降至 0.80-0.95%C，使梯度平緩

A6. 深度公式與 PinyiGear 係數

有效硬化層深度 ( DS = k \times \sqrt{t} )

PinyiGear 生產數據：

• 920°C 強滲：DS(mm) ≈ 0.65 × √t(h)
• 940°C 強滲：DS(mm) ≈ 0.78 × √t(h)

舉例：要達到 DS=1.2mm，920°C 約需強滲 3.4 小時，而 940°C 可縮短至約 2.4 小時——但升溫 20°C 會明顯增加晶粒粗化的機率。

A7. 淬火介質、攪拌與心部硬度（依鋼種）

A8. 顯微組織驗收

顯微組織要求（依 ISO 6336 / GB/T 3480）

A9. 碳勢驗證、深冷處理與預氧化

1. 每班檢查氣氛碳勢： 氧探頭需每月校正，且每班開始時應以鋼箔試片測試（±0.05%C）確認讀數——否則其他參數都不可信。
2. 精密工件值得做深冷處理： 當 DS 達到 1.5mm 以上時，淬火後以 −80°C × 2h 深冷，可將殘留奧氏體由 15–20% 降至 5–8%，明顯改善尺寸穩定性。
3. 不可省略預氧化： 在 380–420°C × 30min 持溫，可在表面形成 Fe₃O₄ 成核點，使滲碳均勻性提升 30% 以上。
4. 變形在早期就已決定： 鍛造與正火後的硬度離散度（控制在 ≤10HB 以內）對最終變形的影響，比滲碳爐內任何操作都大。

A10. 硬化層深度選用經驗法則

硬化層深度選用經驗法則

$$d = (0.1 \sim 0.2) \times m_n$$

其中 (d) 為有效硬化層深度（mm），(m_n) 為齒輪法向模數（mm）。舉例：模數 4 的齒輪需要 0.4–0.8 mm 的硬化層。

A11. 滲碳路線比較（含電漿滲碳）

A12. 麻淬火時程

A13. 爐內擺放方向

• 齒朝上： 氣體較易到達齒根，但淬火時排油較差
• 齒朝下（吊掛）： 淬火較均勻，但起始碳勢必須設定得更高

A14. 最重要的四個參數

• 有效硬化層深度（CHD）： 0.3–2.5 mm
  • 對齒輪的影響：太薄易發生接觸疲勞剝落；太厚則犧牲衝擊韌性
• 表面碳濃度： 0.7%–1.0% C
  • 對齒輪的影響：太低則硬度不足；太高則殘留奧氏體過多，磨耗更快
• 淬火起始溫度： 800–860°C（直接淬火）
  • 對齒輪的影響：決定馬氏體形態與殘留應力分布
• 回火溫度： 160–200°C
  • 對齒輪的影響：消除應力、穩定組織並保持硬度

A15. 模數、CHD 與滲碳時間

下限值可用 CHD ≈ 0.2 × (模數 + 1) 估算。

A16. 淬火溫度與冷卻介質

淬火溫度設定為 Ac3 + 30~50°C，實務上約落在 810~840°C。介質選項：

• 油淬： 適用於模數 ≤ 8 的齒輪，變形可控制
• 鹽浴或壓模淬火： 薄壁或大型精密齒輪的常用，形狀偏差可控制在 0.05mm 以內

A17. 缺陷對策與裝載實務

變形過大

• 原因： 加熱不均、冷卻過快，或齒輪幾何不對稱
• 對策： 先以 500°C 預熱 30 分鐘，再進行壓模淬火

表面硬度低於 58HRC

• 原因： 淬火起始溫度過低或冷卻能力不足
• 對策： 確認油溫（较佳：40~80°C）並更換劣化介質

硬化層剝離

• 原因： 過渡區的碳梯度過於陡峭
• 對策： 延長擴散階段 1~2 小時，使碳濃度平緩下降

實務要點

PinyiGear 現場記錄顯示，爐內裝載方式決定約 60% 的滲碳成敗。將齒輪齒面朝上、間距均勻擺放（至少相距 10mm），可讓氣體自由流通，避免齒根硬化層過薄而齒頂碳勢過高的常見問題。在正式投產前，應以首件進行顯微硬度梯度測試驗證製程。

A18. 深層滲碳參數（12~50 h）

• 爐溫： 920–950°C
  • 影響：升溫 10°C 可使擴散速度提升約 20%
• 碳勢： 強滲 1.0–1.2%C，擴散 0.75–0.85%C
  • 影響：過高會產生碳化物網狀組織
• 時間： 12–50 小時（依深度而定）
  • 影響：深度與 √t 成正比
• 淬火溫度： 820–860°C
  • 影響：可直接淬火或重新加熱淬火
• 淬火油溫： 60–120°C
  • 影響：決定馬氏體轉變速度
• 回火溫度： 160–200°C
  • 影響：低溫回火可消除應力

A19. 材料牌號與 CHD/模數比

常用指定牌號：

• 18CrNiMo7-6 — 風力發電齒輪箱的主力材料
• 20CrMnTi — 廣泛用於一般傳動齒輪
• 17CrNiMo6 — 用於要求極高疲勞壽命的場合

實務上，CHD ≈ (0.15–0.25) × 模數。因此模數 m=10 的齒輪需要 CHD = 1.5–2.5mm

A20. 預變形補償與風電數據

預變形補償

在設計階段預先加入反向形狀，是控制結果最經濟的方式：

• 齒向預凸： 依 L/D 比計算，施加 0.01–0.05mm 的反向補償
• 齒槽收縮補償： 對薄壁齒輪施加 0.02–0.04mm 的負公差

備註： 一件 m=12 風電齒輪，經三次試作發現齒向呈錐形偏差。在粗加工階段加入 0.025mm 的反向錐度補償後，變形量由 0.06mm 降至 0.015mm。

A21. 淬火介質選項與變形風險

A22. 深層硬化層的淬火、回火與深冷處理

備註： CHD ≥3mm 的齒輪最好採用麻淬火。循環時間增加約 30%，但齒形變形量減少一半以上。PinyiGear 大型齒輪滲碳累積的應變數據，可於我們的能力頁面取得。

回火與尺寸穩定性

低溫回火（160–200°C）可消除約 60% 的淬火應力，但殘留奧氏體大致保持不變。若要求 D 級精度或更高：

• 第一次回火： 180°C × 3h
• 第二次回火： 170°C × 4h（兩次之間回到室溫）
• 選用深冷處理： −80°C × 1h 以消除殘留奧氏體

A23. 深層硬化層的檢驗指標

A24. 深層硬化層缺陷與對策

• 碳化物網狀組織：擴散階段碳勢過高
  • 對策：將擴散碳勢降至 0.75–0.80%C
• 表面脫碳：氣氛控制不良
  • 對策：檢查氧探頭；以甲醇 + N₂ 保護
• 變形超出公差：冷卻不均或應力集中
  • 對策：改善夾具，並在設計中加入預變形補償
• 硬度低於目標：淬火溫度設定過低
  • 對策：提高至 840–860°C，並檢查淬火油是否老化

A25. 強滲、擴散與淬火階段

• 強滲階段： 930±10°C，碳勢 1.10-1.20%C
  • 注意：硬化層每小時成長 0.15-0.25mm
• 擴散階段： 920±10°C，碳勢 0.80-0.90%C
  • 注意：保持碳梯度平緩，防止雪明碳鐵網狀組織
• 淬火階段： 830–860°C（直接淬火）
  • 注意：冷卻速度必須超過馬氏體臨界冷速（油中約 50°C/s）

A26. CHD 與模數對照（含硬度梯度要求）

A27. 變形形式與對策

變形控制

滲碳後的形狀變化，仍是精密齒輪傳動工作中的棘手問題。最常見的形式：

對策：

1. 加工前先正火加回火——可細化晶粒並均化內部應力
2. 在略低於 Ac3（兩相區）淬火，使熱應力較低
3. 在淬火站以壓模或夾具保持幾何形狀
4. 熱處理後預留精磨加工餘量

備註： 在 PinyiGear 的精密齒輪加工工作中，於滲碳前加入 650°C × 2h 的消除應力退火，使 C22（8620）齒輪的變形降低超過 40%。退火溫度必須高於前一道熱處理的溫度——約比滲碳溫度高 100°C——否則應力消除不完全。

A28. 例行檢查與驗收極限

A29. 脫碳、粗大馬氏體與非馬氏體層

缺陷與對策

備註： 在滲碳變數中，表面碳含量是最常被低估的一項。高於 1.0%C 會析出碳化物網狀組織，縮短接觸疲勞壽命；低於 0.7%C 則硬度不足。對於客製齒輪案件，我們對每批次進行逐層剝除碳分析，並搭配完整的 CMM 變形檢查，以確保交貨品質一致。

A30. 低壓真空與氣體滲碳比較

A31. LPVC 的發展方向

LPVC 應用展望

隨著電動化傳動系統與精密齒輪驅動要求更長的疲勞壽命，低壓真空滲碳（LPVC）正持續從航太領域擴展至高端工業齒輪。預估到 2028 年，LPVC 在乘用車變速箱齒輪的採用率將超過 35%。

A32. 變形類型、範圍與修正難度

A33. 滲碳鋼：變形傾向與 Ms 數據

• 20CrMnTi
  • 變形傾向：中等
  • 典型應用：汽車變速箱齒輪，性價比较佳
• 20CrMo
  • 變形傾向：低
  • 典型應用：中小模數齒輪、對變形敏感的零件
• 17CrNiMo6
  • 變形傾向：低
  • 典型應用：重載齒輪、風電與工程機械
• 8620H
  • 變形傾向：中等
  • 典型應用：外銷標準件、窄硬化能帶控制

A34. 大型薄壁內齒圈的選材

備註： 對於壁薄且直徑超過 400mm 的內齒圈，應優先選用 17CrNiMo6 或 20CrMo。其合金成分使 Ms 點較低（馬氏體開始轉變溫度約 300~330°C），相變應力可更充分釋放——形狀控制比 20CrMnTi 約好 30%。

A35. 滲碳核心變數

A36. 淬火介質選擇與攪拌速度設定

淬火製程控制

冷卻速度、連帶變形量，直接取決於所選介質：

• 麻淬火油（常用）：80~120°C，與齒輪鋼及合金滲碳鋼匹配良好
• 快速淬火油： 僅用於形狀簡單的零件，變形風險較高
• 沃斯回火： 220~320°C 鹽浴，變形極小但循環時間較長

備註： 攪拌速度最好維持在 0.5~1.0m/s。低於 0.3m/s 冷卻不足，硬度會受影響；高於 1.5m/s 冷卻不均，內孔收縮增加 40%~60%。採用變頻控制攪拌，可依齒輪截面調整設定。

A37. 變形餘量設計與預先補償

變形餘量設計

以 FEA 模擬預測零件變形，並在切齒階段預先加工出反向補償。對於模數 3~6，PinyiGear 採用基於 ANSYS 的滲碳淬火變形模擬模組：

預變形補償

A38. 變形檢驗方式與頻率

• 內孔尺寸：氣動量規或 CMM
  • 精度：±0.002mm
  • 抽樣率：100%
• 齒形 / 齒向：齒輪量測中心（Klingelnberg/Gleason）
  • 精度：±0.003mm
  • 抽樣率：10%~20%
• 端面偏擺：千分錶
  • 精度：±0.005mm
  • 抽樣率：100%
• 硬化層深度：金相或顯微硬度
  • 精度：±0.05mm
  • 抽樣率：每批 1~3 件

A39. 控制變形最有效的三個槓桿

實務總結

經過多年現場追蹤與製程迭代，PinyiGear 歸納出控制變形的三個槓桿：

1. 源頭控制： 在材料採購規格中寫入 J9≤4HRC 的硬化能帶，使爐次間離散消失。
2. 均化溫度： 由氣氛滲碳加油淬，改為真空滲碳搭配高壓氣淬（10~20bar）——形狀變化降低超過 50%。
3. 為變形而設計： 建立公司級變形資料庫，並將其歷史數據回饋至新齒輪設計，使設計到製造的迴路閉合。