渗碳和表面硬化：基础知识

理念

有些零件需要两种矛盾的性能：抵抗磨损和接触疲劳的表面，以及吸收冲击而不开裂的心部。渗碳从一块低碳钢中同时实现这两者。将零件在富碳气氛中保持在约 880–950 °C；碳扩散到表面，随后的淬火仅硬化该富碳层——硬化层——而低碳心部保持相对较软和坚韧。

硬化层深度

硬化层深度规定为硬度降至规定水平的深度——在欧洲实践中通常为 550 HV（CHD，渗碳硬化层深度）。有两个深度重要：

• 有效硬化层深度（至 550 HV）：对于齿轮和轴，通常约 0.3–2.5 mm，与齿轮的接触应力和模数相匹配。
• 总硬化层深度：完整的扩散区，始终深于有效深度。

更深的硬化层需要不成比例地更长的炉时，因为扩散深度随时间的平方根增长——深度翻倍大约需要四倍的时间。

碳势

炉内气氛被控制到一个碳势——即气氛在该温度下在纯铁中产生的表面碳含量。它通常运行在略低于或接近共析到饱和区域，增碳阶段表面通常约 0.8–1.0% C。碳势过高会形成烟炱、碳化物网和过量残余奥氏体；过低则硬化层浅而软。生产循环通常采用强渗–扩散模式：高碳势快速渗入碳，然后低碳势阶段设定最终表面碳含量和梯度。

淬火后心部与硬化层的对比

渗碳后，零件被淬火（直接淬火，或再加热以细化晶粒后淬火），并在低温约 150–200 °C 回火。高碳硬化层转变为坚硬的马氏体，表面通常约 58–62 HRC。心部——碳含量仍仅约 0.15–0.25%——仅硬化到其淬透性允许的程度，保持更软，并提供零件设计所依据的韧性。

为渗碳设计的钢种

表面硬化钢按设计为低碳钢，并通过合金化获得心部强度和淬透性：

• 8620 (AISI)：北美通用齿轮钢，Ni-Cr-Mo 心部。
• 20CrMnTi (GB)：中国标准齿轮钢；钛在长渗碳循环中钉扎晶粒。
• 16MnCr5 (EN 1.7131)：欧洲中小齿轮的主力钢种。
• 更高负荷的变体添加镍（例如 18CrNiMo7-6），适用于大截面中心部强度至关重要的场合。

指定渗碳零件意味着同时指定硬化层深度、表面硬度和心部硬度——单独任何一项都是不完整的要求。

气体、固体和低压变体

传统的在固体碳化合物中进行的固体渗碳现在基本上已成为历史。现代生产使用气氛炉中的气体渗碳，其中碳势被连续测量和控制，或低压（真空）渗碳，其中烃类气体在真空炉中脉冲输入，在复杂齿轮几何形状上提供非常均匀的硬化层且无表面氧化——通常随后进行高压气体淬火。设计者指定的冶金要求在三者中相同；变化的是均匀性、清洁度、循环经济性以及齿轮精加工必须吸收的变形行为。