一、用于制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。
滲碳鋼的主要熱處理工序一般是在滲碳之后再進行淬火和低溫回火。處理后零件的心部為具有足夠強度和韌性的低碳馬氏體組織，表層為硬而耐磨的回火馬氏體和一定量的細小碳化物組織。
有些結(jié)構(gòu)零件，是在承受較強烈的沖擊作用和受磨損的條件下進行工作的，例如汽車、拖拉機上的變速箱齒輪，內(nèi)燃機上的凸輪、活塞銷等。
根據(jù)工作條件，要求這些零件具有高的表面硬度和耐磨性，而心部則要求有較高的強度和適當(dāng)?shù)捻g性，即要求工件“表硬里韌”的性能 。
為了兼顧上述雙重性能，可以采用低碳鋼通過滲碳淬火及低溫回火來達到，此時零件心部是低碳鋼淬火組織，保證了高韌性和足夠的強度，而表層(在一定的深度)則具有高碳量(0.85%～1.05%)，經(jīng)淬火后有很高的硬度(HRC>60)，并可獲得良好的耐磨性。
二、滲碳鋼的成分特點
滲碳鋼的含碳量一般都很低(在 0.15%～0.25%之間)，屬于低碳鋼，這樣的碳含量保證了滲碳零件的心部具有良好的韌性和塑性。
為了提高鋼的心部的強度，可在鋼中加入一定數(shù)量的合金元素，如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B 等。
其中 Cr、Mn、Ni 等合金元素所起的主要作用是增加鋼的淬透性，使其在淬火和低溫回火后表層和心部組織得到強化。
另外，少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素，可形成穩(wěn)定的合金碳化物，起到細化晶粒、抑制鋼件在滲碳時發(fā)生過熱的作用。
微量的B(0.001%～0.004%)能強烈地增加合金滲碳鋼的淬透性。
滲碳鋼的分類
根據(jù)淬透性或強度等級的不同，合金滲碳鋼分為三類。
1)低淬透性合金滲碳鋼
即低強度滲碳鋼(抗拉強度≤800MPa)，如 15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2 等。這類鋼淬透性低，經(jīng)滲碳、淬火與低溫回火后心部強度較低且強度與韌性配合較差。主要用于制造受力較小，強度要求不高的耐磨零件，如柴油機的凸輪軸、活塞銷、滑塊、小齒輪等。
這類鋼滲碳時心部晶粒易于長大，特別是錳鋼。若性能要求較高時，這類鋼在滲碳后經(jīng)常采用二次淬火法，即在滲碳后先作正火處理，以消除滲碳時形成的過熱組織，然后再重新加熱淬火 。
2)中淬透性合金滲碳鋼
即中強度滲碳鋼(抗拉強度=800～1200MPa)，如 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB 等。這類鋼含合金元素總量約在 4%左右，由于主要是把 Cr 和 Mn 二元素配合加入鋼中，能更有效地提高淬透性和機械性能(抗拉強度=1000～1200MPa)。一般用來制造重負荷的中、小耐磨件和中等負荷的模數(shù)較大的齒輪。如汽車、拖拉機的變速箱與后橋齒輪、齒輪軸、十字銷頭、 花鍵軸套、氣門座、凸輪盤等。
這類鋼由于含有Ti、V、Mo，滲碳時奧氏體晶粒長大傾向小，因此可采用自滲碳溫度預(yù)冷到870°C左右直接淬火，并經(jīng)低溫回火后使零件具有較好的機械性能。
3)高淬透性合金滲碳鋼
即高強度滲碳鋼(抗拉強度>1200MPa)，如 12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA 等。這類鋼含合金元素總量≤7.5%，由于含 Cr、Ni 元素較多，可大大地提高鋼的淬透性，特別是加入了較多的 Ni，在提高強度的同時，使鋼具有良好的韌性。這類鋼可用作承受重載和強烈磨損的重要大型零件，如內(nèi)燃機車的主動牽引齒輪、柴油機曲軸、連桿及缸頭精密螺栓等。
由于含有較高的合金元素，使C曲線大為右移，因而在空氣中冷卻也能得到馬氏體組織;另外，其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也急劇下降，使?jié)B碳表層在淬火后將保留大量的殘余奧氏體。為了減少淬火后殘余奧氏體量，可在淬火前先高溫回火，使碳化物球化或在淬火后采用冷處理。
三、滲碳的幾種熱處理方法
滲碳鋼的熱處理工序包括預(yù)備熱處理和滲碳淬火工藝，其中熱處理包括普通正火、等溫正火、正火+回火、等溫退火。滲碳淬火主要有滲碳后預(yù)冷直接淬火、滲碳后空冷后一次淬火或滲碳后空冷二次淬火，滲碳淬火后進行回火。
目前齒輪鋼常用的標準 JB/T7516-1994《齒輪氣體滲碳熱處理工藝以及質(zhì)量控制》。在滲碳工序中通過控制表面碳含量、組織中的碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)、分布、表層硬度梯度、以及有效滲碳層深度等，從而可以得到最佳的滲碳層質(zhì)量和最小的變形，提高齒輪的質(zhì)量。滲碳只能改變零件表面的化學(xué)成分，要使零件獲得外硬內(nèi)韌的性能，滲碳熱處理后還必須進行淬火加低溫回火，來改善鋼的強韌性和穩(wěn)定零件的尺寸。根據(jù)工件的成分、形狀和力學(xué)性能等，滲碳后常采用以下幾種熱處理方法。
1)直接淬火+低溫回火
將零件自熱處理爐中取出直接淬火，然后回火以獲得表面所需的硬度。直接淬火的條件有兩點：滲碳熱處理后奧氏體晶粒度在 5-6 級以上;滲碳層中無明顯的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。20CrMnTi 等鋼在滲碳后大多采用直接淬火。
2)預(yù)冷直接淬火+低溫回火
預(yù)冷的目的是減小零件變形，使表面的殘余奧氏體因碳化物的析出而減少。預(yù)冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶粒沒有變化，預(yù)冷溫度應(yīng)高于 Ar3，防止心部析出鐵素體，溫度過高影響預(yù)冷過程中碳化物的析出，殘余奧氏體量增加，同時也使淬火變形增大。
3)一次加熱淬火+低溫回火
將滲碳件快冷至室溫后再重新加熱進行淬火和低溫回火，適用于淬火后對心部有較高強度和較好韌性要求的零件。
4)高溫回火+淬火+低溫回火
經(jīng)高溫回火后殘余奧氏體分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，易于機械加工同時殘余奧氏體減少，主要用于 Cr-Ni 合金鋼零件。
5)二次淬火+低溫回火
將工件冷至室溫后，再進行兩次淬火，然后低溫回火。這是一種同時保證心部與表面都獲得高性能的熱處理方法，兩次淬火有利于減少表面的殘余奧氏體數(shù)量。
6)二次淬火+冷處理+低溫回火
也稱為高合金鋼減少表層殘余奧氏體量的熱處理，多用于齒輪和軸類零件。
四、齒輪滲碳工藝及檢驗方法
滲碳件檢驗方法
滲碳層深度和有效硬化層深度均為衡量滲碳質(zhì)量的重要技術(shù)指標。合金鋼滲碳層深度為過過共析鋼+共析鋼+全部過渡層的深度，且過共析層+共析層之和應(yīng)為總深度的50%。GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》規(guī)定了測量方法。
工件的滲碳層深度一般按照工件的載荷大小選擇，一般彎曲疲勞斷裂的齒輪滲碳層深度取下限，接觸疲勞損壞的齒輪滲碳層深度取上限，載荷大的齒輪滲碳層深度取上限。
滲碳零件通常是在淬火、回火后使用，GB/T25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》 規(guī)定了有限硬化層深度大于 0.3mm 的工件滲碳淬火回火金相組織的檢驗、金相組織級別的規(guī)定方法。
1、滲碳后淬火、回火組織
(1)直接淬火組織滲碳溫度較高，若直接淬火得到粗大狀馬氏體和較多的殘余奧氏體，此時淬火應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋。因此，滲碳后一般采用降溫淬火，以析出部分碳化物，得到細針狀馬氏體和少量的殘余奧氏體。因此，滲碳后直接淬火工藝，應(yīng)該嚴格控制降溫淬火的溫度。
(2)一次淬火和低溫回火組織一次淬火和低溫回火組織是表層為較細的回火針狀馬氏體、少量的殘余奧氏體和少量的顆粒狀碳化物，心部組織為低碳馬氏體。應(yīng)嚴格控制一次淬火加熱溫度，以保證得到較細針狀馬氏體和不出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。
(3)二次淬火和低溫回火組織二次淬火的目的是消除網(wǎng)狀碳化物及細化組織。滲碳后表層碳含量偏高時，往往出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組織。例如，一次淬火工藝溫度偏高，消除網(wǎng)狀碳化物組織效果不佳，馬氏體針較為粗大，殘余奧氏體量多時，采用二次淬火工藝。第一次淬火加熱溫度選擇在心部組織的 Ac3 以上，以消除網(wǎng)狀碳化物和細化心部組織;第二次淬火選擇在 Ac1以上加熱溫度，一般為 780~800℃，采用油淬得到細小針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物組織。
2、金相試樣一般采用隨爐試樣，試樣應(yīng)與工件材料牌號相同，具有相同的預(yù)備熱處理狀態(tài)，表面粗糙度應(yīng)與工件相同，檢驗項目見表 1。
表 1 檢驗項目及檢驗方法
根據(jù)馬氏體針狀的大小進行評級：
表 2 馬氏體的級別評級
根據(jù)殘余奧氏體含量進行評級：
表 3 殘余奧氏體的級別評定
根據(jù)滲層表層內(nèi)氧化物的最深處深度進行評級：
表 4 內(nèi)氧化物層的級別評定
根據(jù)心部組織形貌及鐵素體的大小、形狀和數(shù)量評級：
表 5 心部組織的級別評定
根據(jù)碳化物形態(tài)、數(shù)量、大小及分布情況評定級別：
表 6 碳化物的級別評定
3、薄層滲碳件金相檢驗
滲碳層深度不大于 0.3mm 的薄層滲碳件按照 GB/T9451-2005《鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬度層深度的測定》的具體規(guī)定進行檢驗，可用顯微組織測量法和顯微硬度測量法。
4、重載齒輪金相檢驗
重載齒輪的熱處理指標主要是有表面硬度(58-62HRC)、心部硬度(58-62HRC)有限硬化層深度、表面碳含量和碳勢分布、晶粒度和殘余奧氏體等。重載齒輪一般要求有效硬化層在 2mm 以上。
滲碳層含碳量會影響滲層的淬透性，對多數(shù)齒輪用鋼而言，在含碳量為 0.8~0.9% 時，滲碳層具有最高的淬透性。滲碳層和心部的晶粒度應(yīng)保證在 7~8 級以上。殘余奧氏體是滲碳層淬火組織中的重要相，殘余奧氏體量過多，則可能產(chǎn)生表面殘留壓力的下降，從而降低齒輪的疲勞強度和耐磨性，但在負荷的作用下，鋼中的殘余奧氏體發(fā)生塑性變形而使齒的接觸狀況改善且維持齒輪的精度。綜合考慮，殘余奧氏體含量一般控制在10~25%之間。