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金属学及热处理试题
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光环飘过111
先申明一点：铁碳相图针对的是最具代表性的铁碳合金,也就是碳素钢.Ac1和Ac3分别是是实际加热中珠光体开始转变为奥氏体和全奥氏体的温度线,而A1和A3是理想状态下非常缓慢加热时发生平衡相变时对应的温度线,也就是实际加热时总是会有一定的偏差.Acm和Accm也是一样的道理,只是针对的是过共析钢
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《金属材料与热处理》课后习题答案
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《金属材料与热处理》课后习题答案
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铁碳合金相图与热处理 10753字 投稿：金橽橾
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铁碳合金的基本组织
1.1. 铁素体：碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。同素异构转变伴有热效应产生，因此在
纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现
平台。铁的同素异晶转变如下：温度低于912
℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。
1.2. 奥氏体：碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性，高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。碳的原子半径较小，在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入Fe 原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F 或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点770℃以下均具有铁磁性。
2 铁碳合金状态图
1.3. 渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C表示
1.4. 珠光体：F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。
1.5. 莱氏体：A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。
在HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变：转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09~0.53%的铁碳合金中。
ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变：转变产物是γ和Fe3C 的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld或Le 表示。含碳2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。
在PSK 水平线（727℃）发生共析转变：转变产物是α和Fe3C 的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P 表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1 温度（727℃）。
ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，固相加热至此全部转化为液体。 AHJECF线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相至此开始转化。 GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A3（727℃~912℃） 温度。A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A。
ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm（727℃~1148℃） 温度。低于此温度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。
PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CII。
ECF线： 共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。
状态图主要点线、主要
铁碳合金分类
2.2.1 钢含C量0.%：共析钢含C量0.77%；亚共析钢0.%；
过共析钢0.77-2.11%。
2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69%；共晶白口铸铁4.3%，亚共晶白口铸铁2.11-4.3%；过共晶白口铸铁 4.3-6.69%。
铁碳合金相图的作用：
2.3.1在铸造方面： 选择合适的浇铸温度，流动性好。
2.3.2在煅造方面： 选择合适的温度区，奥氏体区。
2.3.3在热处理方面：退火，正火，淬火等。
2.4 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。
一、含碳量对平衡组织的影响。室温下，铁碳合金均由?+ Fe3C两相组成。 随含碳量不同，可分为七个典型组织区。
二、含碳量对机械性能的影响
珠光体P：为F + Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好。
亚共析钢：由F + P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高；
过共析钢：P+ Fe3C(II)组成，当含碳量1%， Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。
莱氏体：硬而脆。Fe3C 称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。
热处理可以改善锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。也可以是使机械零件性能达到规定技术指标的最终工序，如经淬火加高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。
1.1 钢的退火和正火的定义和目的：退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺。图2 为GCr15钢等温球化退火典型工艺。正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（过供析钢）以上40~60℃或更高温度，保温适当时间达到完全奥氏体和奥氏体均匀化后，一般在自然通风的自然环境下以较快冷却速度冷却，亚共析钢正火处理后的组织是细珠光体和铁素体，共析钢和过供析钢正火后是单一细珠光体。焊接件
过正火可以改善焊缝及热影响区的组织和性能。图3 为20CrMnTi 正火工艺。
由退火和正火的热处理工艺可知，正火的冷却速度比退火快，所以相同钢材正火比退火（主要指完全退火）后获得的珠光体组织较细，钢的强度与韧性、硬度也较高。退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预先
热处理工序。机器零件的毛坯一般
是轧材、锻件、铸件或焊接件等，
毛坯料内部常出现各种组织缺陷，
如组织不均匀性、晶粒粗大、成分
偏析、带状组织等，这些缺陷不仅
影响以后各种冷热加工的进行，还
会降低零件的最终性能。
退火和正火用于毛坯的预先热处
理，可以达到以下目的：
1.1.1 消除或改善毛坯料的各种组
1.1.2 获得最有利于切削加工的组
织与硬度。
1.1.3 改善组织中相的形态与分布,
细化晶粒,为最终热处理(淬火回火)
作好组织上准备。
1.1.4 消除或降低内应力，以防后继
工序加工后变形或开裂倾响。
退火和正火经常作为预先热处理工序外，在一些普通铸钢件、焊接件、以及某些
重要的热加工工件上，还作为最终热处理工序，以改善组织，稳定尺寸。
1.2 退火和正火的正确选用
在生产上对退火和正火工艺的选用，应根据钢种、前后连接的冷、热加工工艺、以及最终零件使用条件等来进行。根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选用：
1.2.1 低碳钢（≤0.25%C） 这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。通过正火使组织均匀，硬度适当提高而易于切削。例如对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。
1.2.2 中碳钢（0.25%~0.55%C） 这类钢一般采用正火，其中含碳
量0.25%~0.35%的钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。对含碳量较高的钢，硬度虽稍高（200HBS），但由于正火生产率高，成本低，操作简便，仍采用正火，只有对合金元素含量较高的钢，因正火后硬度过高，使切削加工困难，才采用完全退火。
1.2.3 高碳钢（＞0.55%C） 这
类钢一般采用退火最为适宜，因
为含碳量较高，正火后硬度太
高，不利于切削加工，而退火后
的硬度正好适宜于切削加工。此
外，这类钢多在淬火、回火状态
下使用，因此一般工序安排是以
退火降低硬度，然后进行切削加
工，最终进行淬火、回火。当钢
中含有较多合金元素时，上述原
则就不适用（由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线），例如低碳合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体类型组织。一般需用高温回火来降低硬度，以便切削加工。
2、钢的淬火
钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性
合的性能，需要配以不同温度的回
火。所以淬火和回火又是不可分割
的、紧密衔接在一起的两种热处理
工艺。淬火、回火作为各种机器零
件及工、模具的最终热处理是赋予
钢件最终性能的关键工序，也是钢
件热处理强化的重要手段之一。
2.1 淬火的定义和目的把钢加热
到奥氏体化温度，一般亚共析钢需
要加热到Ac3以上30~50℃，过供析
钢需要加热到Ac1以上30~50℃，保
温一段时间后，然后以大于临界冷
却速度进行冷却（冷却介质可以是
水、油、聚合物、空气等），这种
热处理操作称为淬火。钢件淬火后
获得马氏体或下贝氏体组织。图4
为渗碳齿轮20CrNi2Mo 材料淬火、
回火工艺。
淬火的目的一般有：
2.1.1 提高工具、渗碳工件和其
他高强度耐磨机器零件等的强度、
硬度和耐磨性。例如高速工具钢通
过淬火回火后，硬度可达63HRC，
且具有良好的红硬性。渗碳工件通
过淬火回火后，硬度可达
58~63HRC。
2.1.2 结构钢通过火（又称调质）之后获得良好综合
力学性能。例如汽车半轴经淬火和
高温回火（280~320HB）及外圆中
频淬火后，不仅提高了花键耐磨
性，而且使汽车半轴承受扭转、弯
曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强
度和韧性）大为提高。淬火时，最
常用的冷却介质是水、盐水、碱水
和油等。通常碳素钢用水冷却，水
价廉易得，合金钢用油来冷却，但
对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。
2.2 钢的淬透性
2.2.1 淬透性的基本概念所谓钢材
的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬
层深度大小的能力（即钢材淬透能
力），其大小用钢在一定条件下（顶
端淬火法）淬火获得的有效淬硬层
深度来表示，淬透性是每种钢材所
固有的属性，淬硬层愈深，就表明
钢的淬透性愈好,例如45、40Cr 、
42CrMo 钢三种试样，按相同条件
淬火后（油冷却），经检测45 钢能
被淬透的最大直径（称临界直径）
φ10mm；40Cr 钢能被淬透的最大
直径φ22 42CrMo 钢能被淬透
的最大直径φ40mm。实际工件的有
效淬硬深度与钢的淬透性、工件尺
寸及淬火介质的冷却能力等许多因
素有关，例如，同一钢种在相同介
质中淬火，小件比大件的淬硬层深；
同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬
的淬硬层深。同一种钢，其成分和
冶炼质量必然在一定范围内波动，因而有关手册上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线，而是一个范围，称淬透性带。图1 为40Cr 钢的淬透性带。从上所述，钢材的淬透性包含两方面内容，一是钢材的淬透能力，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；二是淬透性带宽度，要求尽可能小的淬透性带宽度波
动，以有利于齿轮热处理变形的控
制。德国大众、日本小松等国外几
大公司对齿轮钢材的淬透性带宽
≤8HRC，我国的GB/T5216 标准规
定的钢材的淬透性带宽为12HRC，
2002 年在“中国齿轮行业钢材采
购通则（试行）”中要求齿轮钢材
的淬透性带宽为7HRC。
2.2.2、淬透性的表示方法
钢的淬透性值可用J（HRC/ d ）表
示，其中J 表示末端淬透性，d 表
示至水冷端的距离，HRC 为该处
测得的硬度值。例如淬透性值
（42/5）表示距水冷端5mm 处试样硬度值为42HRC；淬透性值J（30~35/10）表示距水冷端10mm 处试样硬度值为30~35HRC。对淬透性值有具体要求的钢应根据GB/T《保证淬透性结构钢》标准的规定订货，其钢号最后用H 表示，例如42CrMoH。
3、钢的回火
3.1 回火的定义和目的
钢淬火后必须经过回火，回火是指将淬火钢加热到Ac1（钢件加热时的临界点）以下的某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理工艺，见图4。
回火的目的：
3.1.1 降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。
3.1.2 获得工艺所要求的力学性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通过适当回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。
3.1.3 稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，它们会自发地向稳定的平衡组织转变，从而引起工件尺寸和形状的改变，通过回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定组织，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化。
3.1.4 对于某些高淬透性的合金钢，空冷便可淬成马氏体，如采用退火软化，则周期很长。此时可采用高温回火，降低硬度，以利切削加工。淬火钢不经回火一般不能直接使用，为了避免工件在放置过程中发生变形和开裂，淬火后应及时回火。
3.2、回火的种类
淬火钢回火后组织性能决定于回火温度，根据回火温度范围，可将回火分为三类：
3.2.1 低温回火 低温回火的温度为150~250℃，保温1~2小时，回火后组织为回火马氏体，低温回火主要降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度（一般为58~64HRC）和耐磨性，常用于处理各种工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火工件。
3.2.2 中温回火 中温回火的温度为350~500℃，回火后不仅保持较高硬度（一般为35~45HRC）和强度，而且具有高的弹性极限和足够的韧性。中温回火主要用于各种弹簧的处理，还用于某些塑料模、热锻模以及要求较高强度的轴、轴套等。
3.2.3 高温回火 高温回火的温度为500~650℃。高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能。某些中碳结构钢淬火后采用中温回火代替传统的调质工艺，可提高零件的使用寿命。钢的韧性随回火温度的变换比较复杂一般在250~400℃和450~600℃会出现两个低韧性区，低温区的脆性不能靠重新回火来消除，通常要避免在此区间（200~400℃）回火，高温回火脆性是在回火后缓慢冷却时发生的，可以用重新回火快速冷却的方法消除。
4、钢的调质
习惯上将淬火加高温回火（500~650℃）相结合的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。根据工件不同性能要求，通过调整回火温度，调质硬度可控制在于200~350HB。
4.1、调质热处理的目的
高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。调质处理广泛应用于重要结构零件，特别是在交变载荷下工作的零件，如汽车、拖拉机、机床上的连杆、连杆螺钉、齿轮和轴类零件等。调质还可作为表面强化零件（高、中频淬火和氮化等）以及某些要求较高的精密零件（如丝杆、量具、模具等）和轧辊的预先热处理。
4.2、调质齿轮保证
钢材淬透性的措施
齿轮调质的目的是
要保证齿轮的齿部
(特别是齿根部)达
到设计要求的硬度,
以满足接触疲劳强
度和弯曲疲劳强度
的要求,在我国齿
轮制造中,对大中
模数齿轮的调质其
齿根处往往达不到
要求的硬度,这与
钢材选择和淬火冷
却有关,其核心是
钢材淬透性。为了
使齿根处也达到要
求硬度，通常采用
二种措施：
4.2.1、一是以钢材
的淬透性选材，常
用调质齿轮钢材按
其淬透性高低分为
五类（Ⅰ~Ⅴ），表
1 为调质及调质后
表淬齿轮用钢。表2
为各类调质钢推荐
应用范围。
必须指出：在选用
材料时，在设计中
不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺寸工件的强度计算，而必须考虑材料实际淬透层深度，大件齿轮因重量和体积均较大，截面积厚，内部热容量大，致使实际淬透层浅，这种现象叫做“钢材尺寸效应”。
在选用材料时，必须将淬透性和淬硬性区别开来，钢的淬硬性是指钢在正常淬
条件下可能达到的最高硬度，它主要取决于钢的含碳量，钢中含碳量越高，淬火后的硬度越高。至于合金元素对淬硬性影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。所以淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性
三、钢的表面加热淬火
钢的表面加热淬火是将工件快
速加热到淬火温度，然后迅速冷
却，仅使工件表层获得淬火马氏体
组织的热处理方法。表面加热淬火
既强化了零件表面层，又保持了心
部原有的良好的综合机械性能，从
而达到这种表硬心韧的性能要求。
感应加热表面淬火通常采用喷射
冷却法，冷却速度可通过调节液体
压力、温度及喷射时间控制。采用
冷却介质有水、聚乙烯醇合成淬火
剂及油等。工件表面淬火后应进行低温回火（150~200℃），以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性为了保证工件表面淬火后的表面硬度和心部强度及韧性，一般选用中碳钢及中碳合金钢，其表面淬火前的原始组织应为调质或正火态。根据工件表面加热热源的不同，钢的表面淬火有很多种，除了感应加热表面淬火外，还有火焰表面加热淬火、电接触表面加热淬火及激光表面加热淬火等。
火焰表面淬火用的主要器具是燃烧器和喷头
四、化学热处理
工件放在一定的化学介质中加热到一定温度，使其表面与介质相互作用，吸收其中某些化学元素的原子（或离子），并自表面向内部扩散的过程称为化学热处理。化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。化学热处理的结果是改变了金属表面的化学成分和性能。例如低碳钢经过表面渗碳淬火后，该钢种的工件表面就具有了普通高碳钢淬火后的高硬度、高耐磨性。
分类工作电流频率（KHz） 特性及应用范围
高频加热 200~300 一般有效淬硬层0.8~1.5mm，主要用于中小模数（m =1.5~8）及中小尺寸的轴类零件表面加热淬火
超音频加热 30~60 一般有效淬硬层1.0~2.0mm，主要用于中小模数（m =3-6）齿轮、花健轴表面轮廓淬火和曲轴、凸轮轴等表面淬火
中频加热 1~8 一般有效淬硬层2.0~8.0mm，主要用于较大尺寸的轴和大中
模数齿轮等表面淬火工频加热 50(Hz) 一般有效淬硬层10~15mm，主要用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、车轮等表面淬火磨的性能特征，而心部仍保留低碳钢淬火后良好的塑性、韧性的特征。显然这是单一的低碳钢或高碳钢所不能达到的。
1、钢的渗碳
在渗碳温度下(920℃)渗碳过程包括三个基本过程：
一是由介质（甲醇、煤油、异丙醇）分解出活性原子。如分解产生的一氧 化碳和甲烷分解出活性碳原子： 2CO —— CO2+[C]
CH4 —— 2H2+[C]
二是活性碳原子被工件表面吸收。三是被吸收碳原子向工件内部扩散。渗碳过程由分解、吸收、扩散三过程组成，
三个过程又是同时发生的，全部过程存在着复杂物理化学反应,有效硬化层深度（渗碳层深度）有效硬化层深度取决于零件的工作条件和心部强度，是确定零件承载能力的重要参数。有效硬化层深度是指零件渗碳淬火后，从零件表面到维氏硬度值为550HV1 处的垂直距离。测定硬度所采用的试验力为9.807N（1 kgf）。
零件渗碳后的热处理:工件渗碳的目的在于使表面获得高的硬度和耐磨性，因此渗碳后的工件，必须通过热处理使表面获得马氏体组织，渗碳后的热处理方法有三种： 直接淬火法 直接淬火法是将工件自渗碳温度炉冷到淬火温度后立即淬火，然后在160~190℃进行低温回火。这种方法不需要重新加热淬火，因而减小了热处理变形，节省了时间和降低成本，但由于渗碳温度高，渗碳加热时间长，因而奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量较多，使工件性能下降，所以直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的工件。这是一般工厂经常采用工艺。
一次淬火法 一次淬火法是将工件自渗碳后以适当方式冷至室温，然后再重新加热淬火并低温回火。对于要求心部有较高强度和较好韧性的零件，可以细化晶粒。这是大型齿轮、齿轮轴等经常采用方法。
两次淬火法 两次淬火法是将工件自渗碳后冷至室温后再进行两次淬火。第一次淬火目的是细化心部晶粒，淬火温度较高，第二次淬火目的是细化表层晶粒，淬火温度较低，这种方法适宜用使用性能要求很高的工件，缺点是工艺复杂，生产周期长，工件容易变形，工厂应用较少。对于零件有不允许渗碳硬化部位应在设计图样上标明，该部位可采用防渗涂料进行保护。
1.4、渗碳齿轮钢材的选用:渗碳齿轮钢材对淬透性的要求：钢材的淬透性主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；同时要求尽可能小的淬透性带宽度波动，以有利于齿轮热处理变形的控制。对低速重载齿轮来说应保证足够心部硬度，也就是保证心部强度，ME 级齿轮要求心部硬度在35HRC以上。因此，对淬透性要求高的大尺寸工件，只有从选择钢材上找出路，即选用淬透性好的高、中合金渗碳钢来制造。例如：20CrMnTi 材料直径φ60mm园棒，经淬火、回火后表面硬度≥30HRC，中心部分硬度为25HRC左右。φ18mm 园棒经淬火、回火后，中心的硬度达37HRC，因此20CrMnTi材料适用于制造模数不大于12 的齿轮。20CrNi2Mo 材料直径φ60mm 园棒，经淬火、回火后表面硬度≥35HRC，1/2R 处≥30HRC，中心部分硬度为27HRC 左右。直径φ25mm园棒经淬火、回火后表面硬度≥39HRC，1/2R 处≥37HRC，中心部分硬度为36HRC 左右。因此对要求高速( 低速) 重载和安全可靠运行的齿轮就选用20CrNi2Mo 材料，对低速重载、大截面的齿轮，可选用淬透性更好的材料，如17CrNiMo6（国产17Cr2Ni2Mo）、18Cr2Ni4WA、18CrMnNiMoA、20Cr2Ni4A 等。
2、钢的渗氮:渗氮是向钢的表面渗入氮原子的过程。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和耐蚀性。
2.1 渗氮原理及工艺:目前工业中应用最广泛的是气体渗氮法，它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成渗氮层，同时向心部扩散。齿轮种类 性 能 要 求 钢 号起重，运输，冶金，采矿，化工等设备模数12 以下普通减速机齿轮。耐磨，承载能力较高。 20CrMo 20CrMnTi 20CrMnMo冶金，化工，电站设备，船舶等的汽轮发动机，工业汽轮机，高度鼓风机，透平压缩机等齿轮。 运行速度高，周期长，安全可靠性高。12CrNi3 20CrNi3 12Cr2Ni420CrNi2Mo
大型轧钢机减速器齿轮，大型皮带运输机传动轴齿轮，人字齿轮，大型锥齿轮，井 下采煤机传动箱齿轮。传递功率大，齿轮表面载荷高，耐冲击，齿轮尺寸大。17CrNiMo6 20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W 18CrMnNiMoA、20CrNi2Mo
氨的分解反应如下：2NH3 —— 3H2+2[N]
渗氮在专用的气体渗氮炉或井式渗碳炉中进行，渗氮前须将工件除油净化。入炉后先用氨气排除炉内空气。气体渗氮温度一般在490~560℃范围内进行。渗氮工件的加工工艺路线如下：锻造-退火-粗加工-调质-半精加工-除应力回火-精加工-渗氮
2.2 渗氮处理特点：渗氮往往是工件加工工艺路线中最后一道工序，渗氮后的工件 至多再进行精磨或研磨。为了保证渗氮工件心部具有良好的综合力学性能，在渗氮前有必要将工件进行调质处理。钢在渗氮后，无需进行淬火便具有很高的表层硬度（≥550HV~900HV）及耐磨性，这是因为渗氮层形成了一层坚硬的氮化物所致。且渗氮层具有高的热硬性（即在600~650℃仍有较高硬度）。但是渗氮层较浅
（0.25~0.6 mm），渗氮处理后一般不再加工，若需精磨则余量在直径方向上不应超过0.10~0.15mm。否则会磨掉渗氮层而使硬度大大下降。 渗氮后，显著提高钢的疲劳强度。这是因为渗氮层内具有较大的残余压应力，它能部分地抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓了疲劳破坏过程。渗氮后钢具有很高的耐蚀能力，这是由于渗氮层表面是由连续分布的、致密的氮化物所组成缘故。渗氮处理温度低，故工件变形很小。为了减小工件在渗氮处理中的变形，在切削加工后，一般须进行消除应力高温回火，渗氮最大缺点是周期长，生产率低。气体渗氮时，要达到0.5mm 的 渗氮层，渗氮速度约为每小时10μm, 如采用离子渗氮，其速度比气体渗氮速度快近三分之一，液体渗氮时，速度又更快些。
综上所述，因此渗氮广泛应用于各种高速传动精密齿轮、高精度机床主轴（如镗杆、磨床主轴），以及要求变形很小，具有一定抗热、抗蚀能力的耐磨零件。
2.3、渗氮齿轮钢材的选用：构钢，一般不宜选用碳钢，因为碳是不利于渗氮元素，它降低氮的扩散系数，使渗氮速度减慢。例如45 钢，氮化后硬度不高（≥300HV1），但氮化后可大大提高抗腐蚀性。大锻件渗氮一般常采用40Cr，35CrMo，42CrMo 等钢种。对于在循环弯曲载荷或接触应力较大的大锻件，可采用18Cr2Ni4WA、18CrMnNiMoA、20Cr2Ni4A 等钢种。38CrMoAl 钢是典型的渗氮钢，渗氮速度快，渗氮后表面硬度高，耐磨性及抗胶合性好。但是基体的强韧性不好，φ60mm 钢件淬火后，表面与心部的硬度差60HB 左右，所以不宜用于大锻件的渗氮；同样，在生产中发现，渗氮钢38CrMoAl 作为制造大直径的渗氮齿轮用钢并不理想，因该钢材只有在直径小于50mm 时才能 完全淬透，钢中含有较多的铝会造成柱状断口，非金属夹杂物多，在轧材中产生细
微裂纹和发裂，在锻件中针状小气孔增多。在热加工时，容易过热引起脆性断裂，强度下降。在热处理时易脱碳，并且对化学成分波动十分敏感，往往造成淬硬性和淬透性不够，水淬时易产生裂纹，渗氮中易产生脆性相等缺点。因此38CrMoAl 钢不大适用于制造较大直径的齿轮。只能根据工况条件适当选用。氮化齿轮的心部硬度直接影响渗氮层的支承能力。表明，当心部硬度由240~260HB 提高到310~330HB 时，接触疲劳强度可提高30%。心部硬度的高低还通过影响渗层的表面硬度来影响齿轮的承载能力，为了获得足够的表面硬度，要求心部硬度不能低于300HB。根据目前渗氮工艺所能达到的最大深度范围和工业实践经验，渗氮工艺适用于以下参数齿轮：对渗氮齿轮应用的模数范围，比较公认的模数在2~10mm；载荷系数K≤3.0（KN/mm2）；线速度V≤120m/s；精度6 级以下。
中碳铬钼钢、铬钢、铬镍钼钢、铬钛钢、铬铝钢、铬钼铝钢等渗碳之前须经调质处理，以保证心部性能，渗碳温度不可超过调质处理的高温回火温度（通常低于回火温度10℃）。
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