對應齒輪模數與心部硬度的表面硬化深度匹配

CHD 依 0.15-0.25 倍法向模數選定：模數至 2.5 時為 0.6-0.9 mm，模數 5-10 時為 1.2-1.8 mm，20CrMnTi 表面硬度為 58-62 HRC。

為何硬化層必須經過計算，而非憑猜測

重載齒輪傳動至今仍以滲碳後淬火作為預設的熱處理路線。其控制尺寸為有效硬化深度（CHD）：從齒面垂直量測至硬度降至 550 HV 的距離。實務上將此數值與法向模數掛鉤，採用 0.15–0.25 × 模數 的範圍。換算後，模數達 2.5 時為 0.6–0.9 mm，模數介於 5–10 時為 1.2–1.8 mm。太薄，赫茲接觸應力會壓潰齒面；太厚，齒根會變脆。常見的 20CrMnTi 配對可提供表面 58–62 HRC、表層下方 30–42 HRC。

滲碳與淬火循環的作用

低碳合金鋼齒輪在奧氏體溫度範圍 920–950°C 內，置於富碳氣氛中，使碳遷移至表面層。隨後淬火將此富碳表層轉變為高碳麻田散鐵，而內部則保持低碳與韌性。硬表層可抵抗磨損、點蝕與刮傷；齒根的彎曲負載則由韌性心部承擔。

滲碳、淬火，然後在 160–200°C 下回火 2–3 小時——這是標準順序。淬火應力在回火過程中釋放，齒根韌性恢復，表面硬度僅略微下降。

通常選用的鋼材包括 20CrMnTi、20CrMo、17CrNiMo6 與 SAE 8620。在中國，中小模數廣泛使用 20CrMnTi：其硬化能適中，僅靠油淬即可。

選擇有效硬化深度

CHD 與總硬化深度不同。只有硬度足以維持 550 HV 的區域才實際承受接觸負載，這就是 550 HV 邊界具有意義的原因。

經驗法則：CHD ≈ 0.15–0.25 × 法向模數。

法向模數 mn (mm)CHD (mm)典型應用
≤ 2.50.6 – 0.9汽車變速箱、小型減速機
2.5 – 50.9 – 1.3一般工業齒輪箱
5 – 101.2 – 1.8重載齒輪箱、軋鋼機傳動
> 101.6 – 2.5礦山與水泥磨機齒輪

當硬化層不足時，接觸應力超出表層所能承受的範圍，齒面會發生塌陷型剝落。當硬化層過厚時，殘留應力重新分佈，齒根更容易發生脆性斷裂。預設上，較厚並不更安全。

表面與心部硬度必須同時指定

參數數值功能
表面硬度58–62 HRC (≈650–700 HV)耐磨、抗刮傷與抗點蝕
心部硬度30–42 HRC齒根彎曲疲勞強度、韌性
表面碳含量0.75–1.05% C麻田散鐵硬度、殘留奧氏體控制

心部硬度是最常被忽略的數值。一旦超過約 45 HRC，齒根幾乎沒有塑性儲備，任何裂紋都會迅速擴展。低於約 28 HRC 時，齒根強度下降，縮短彎曲疲勞壽命。20CrMnTi 在正火或調質狀態下，心部通常落在 30 至 38 HRC 之間。

量測方法與實務注意事項

建立硬化深度有兩種途徑。蝕刻以顯示麻田散鐵或碳化物邊界是金相法——快速，但其準確性取決於蝕刻品質。硬度梯度 travers 是決定性方法：從表面向內繪製硬度曲線，讀取 550 HV 處的深度。讀數應在齒面中段與齒根處分別取得，因為這兩個位置可能需要不同的數值。

注意 1：圖面標註「硬化深度 1.0 mm」含義模糊——必須確認是指 CHD 還是總硬化深度。兩者差距為 0.2–0.4 mm，猜錯會使供應商朝向錯誤的規格。

注意 2：必須將磨削餘量加入硬化層目標。若每齒面將去除 0.2–0.3 mm，則滲碳至 CHD 加上該餘量；否則硬化區會在磨削中消失。許多報廢的磨削齒輪其實磨削正確——只是硬化層從一開始就太薄。

注意 3：螺紋孔、油孔與花鍵需要防滲碳保護，例如鍍銅或防滲碳塗料 0.03–0.05 mm。若無保護，螺紋會硬化變脆，在組裝時崩裂。

製程窗口與典型缺陷

碳勢 0.75–1.05% C 與溫度 930 ± 10°C 定義了滲碳氣氛。時間由目標深度與爐內裝載量決定；在批次爐中，每 0.1 mm 大約需 1–1.5 小時。淬火可循兩條路徑之一。直接淬火從滲碳溫度冷卻至 830–850°C 後再油淬。重新加熱淬火先緩慢冷卻，然後重新奧氏體化並淬火——變形控制較好，但循環時間較長。

缺陷症狀主因對策
表面脫碳／內氧化軟點、齒面硬度低露點高、碳勢低控制爐氣、提高 CP
晶粒粗大顯微組織粗大溫度過高或時間過長控制溫度，必要時正火
變形超差齒向誤差 0.02–0.08 mm裝載不均、淬火應力對稱裝載、磨削餘量

結語

模數決定硬化深度；材料硬化能決定心部硬度；下游的精密齒輪加工步驟決定磨削餘量。在圖面核准時將這三者鎖定，後續返工大致可避免。材料與製程問題可透過齒輪產品範圍與我們的能力頁面洽詢。

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