将渗碳层深度与齿轮模数和心部硬度相匹配
CHD按0.15-0.25倍法向模数确定：模数至2.5时为0.6-0.9 mm，模数5-10时为1.2-1.8 mm，20CrMnTi表面硬度为58-62 HRC。
为什么硬化层必须经过计算，而非凭猜测
重载齿轮传动仍然依赖渗碳后淬火作为其默认的热处理路线。控制尺寸是有效渗碳层深度，即CHD：从齿面垂直测量至硬度降至550 HV的距离。实践将此数值与法向模数关联，使用0.15–0.25 × 模数的范围。对于模数达到2.5的情况，这相当于0.6–0.9 mm；对于模数在5–10范围内的情况，则为1.2–1.8 mm。太薄，赫兹接触应力会压溃齿面；太厚，齿根会变脆。常见的20CrMnTi配对可在表面提供58–62 HRC，在其下方提供30–42 HRC。
渗碳和淬火循环的作用
低碳合金钢齿轮在奥氏体温度范围920–950°C内，置于富碳气氛中，使碳迁移到表面层。随后淬火将该富碳表层转变为高碳马氏体，而内部保持低碳和韧性。硬化的表层抵抗磨损、点蚀和胶合；齿根的弯曲载荷由韧性心部承担。
渗碳，然后淬火，再在160–200°C下回火2–3小时——这是标准顺序。淬火应力在回火过程中松弛，齿根韧性恢复，表面硬度仅略有下降。
通常选择的钢材包括20CrMnTi、20CrMo、17CrNiMo6和SAE 8620。在中国，对于中小模数，20CrMnTi被广泛使用：其淬透性适中，仅油淬即可满足要求。
选择有效渗碳层深度
CHD与总渗碳层深度不同。只有硬度足以保持550 HV的区域才实际承受接触载荷，这就是550 HV边界具有意义的原因。
经验规则：CHD ≈ 0.15–0.25 × 法向模数。
| 法向模数 mn (mm) | CHD (mm) | 典型应用 |
|---|---|---|
| ≤ 2.5 | 0.6 – 0.9 | 汽车变速箱、小型减速机 |
| 2.5 – 5 | 0.9 – 1.3 | 通用工业齿轮箱 |
| 5 – 10 | 1.2 – 1.8 | 重载齿轮箱、轧机传动 |
| > 10 | 1.6 – 2.5 | 矿山和水泥磨机齿轮 |
当渗层不足时，接触应力超出渗层所能承受的范围，导致塌陷型剥落损坏齿面。当渗层过厚时，残余应力重新分布，齿根更容易发生脆性断裂。默认情况下，越厚并不越安全。
表面硬度和心部硬度必须同时规定
| 参数 | 数值 | 作用 |
|---|---|---|
| 表面硬度 | 58–62 HRC (≈650–700 HV) | 耐磨性、抗胶合和抗点蚀性 |
| 心部硬度 | 30–42 HRC | 齿根弯曲疲劳强度、韧性 |
| 表面碳含量 | 0.75–1.05% C | 马氏体硬度、残余奥氏体控制 |
心部硬度是最常被忽视的数值。一旦超过约45 HRC，齿根几乎没有塑性储备，任何裂纹都会迅速扩展。低于约28 HRC，齿根强度下降，缩短弯曲疲劳寿命。对于正火或调质状态的20CrMnTi，心部硬度通常落在30至38 HRC之间。
测量方法和实际注意事项
确定渗碳层深度有两种途径。蚀刻以显示马氏体或碳化物边界是金相方法——快速，但其准确性取决于蚀刻质量。硬度梯度法是决定性方法：从表面向内绘制硬度曲线，读取550 HV处的深度。读数应在齿面中部和齿根处分别获取，因为这两个位置可能需要不同的数值。
注意事项1：图纸标注“渗碳层深度1.0 mm”是模糊的——需确定是指CHD还是总渗碳层深度。两者之间的差距为0.2–0.4 mm，猜错会导致供应商采用错误的规格。
注意事项2：必须在渗碳层目标值上增加磨削余量。如果每齿面将去除0.2–0.3 mm，则渗碳至CHD加上该余量；否则硬化区在磨削过程中会消失。许多报废的磨削齿轮磨削本身是正确的——只是从一开始渗碳层就太薄了。
注意事项3：螺纹孔、油孔和花键需要防渗碳保护，例如镀铜或防渗涂料，厚度0.03–0.05 mm。否则，螺纹会硬化变脆，然后在装配过程中崩裂。
工艺窗口和典型缺陷
碳势0.75–1.05% C和温度930 ± 10°C定义了渗碳气氛。持续时间由目标深度和炉子装载量决定；在周期式炉中，每0.1 mm大约需要1–1.5小时。淬火可以遵循两种路径之一。直接淬火从渗碳温度冷却至830–850°C，然后进行油淬。重新加热淬火先缓慢冷却，然后重新奥氏体化并淬火——变形控制更好，但周期更长。
| 缺陷 | 症状 | 主要原因 | 纠正措施 |
|---|---|---|---|
| 表面脱碳/内氧化 | 软点、齿面硬度低 | 露点高、碳势低 | 控制炉气、提高碳势 |
| 晶粒粗大 | 显微组织粗大 | 温度过高或时间过长 | 控制温度，必要时正火 |
| 变形超差 | 齿向误差0.02–0.08 mm | 装载不均、淬火应力 | 对称装载、磨削余量 |
结束语
模数决定渗碳层深度；材料淬透性决定心部硬度；下游的精密齿轮加工步骤决定磨削余量。在图纸批准时锁定这三者，基本上可以避免后续返工。材料和工艺问题可通过齿轮产品范围和我们的能力页面进行咨询。