表面硬化钢部件的理想特性是外表坚硬、内部核心组织韧性好。这样的组合使材料表面具有良好的耐磨性能和抗疲劳强度，内部具有良好的冲击强度。这是通过对部件表面进行渗碳处理，然后进行淬火和回火来实现的。渗碳钢部件包括各种齿轮，凸轮轴，万向节，驱动小齿轮，连杆部件，车轴和梁。所有这些部件必须能够抗磨损和抗疲劳，具有固有的韧性，并且还可以进行切削加工。


典型应用包括

       运输：任何发动机驱动的车辆都需要表面硬化钢的部件，无论是小型车，赛车，卡车还是海洋船舶。

       能源发电：齿轮和大型部件必须承受水力发电站，风力涡轮发电机，钻井平台螺旋桨驱动装置和发电站蒸汽涡轮机齿轮的循环应力和磨损。
       通用机械工程：包括锻压机、金属辊压设备、机床、采矿设备和重型传动装置的传动系统、土方设备和重型起重机。对于这些应用，良好的耐磨性能和疲劳强度始终是表面硬化钢的关键特性。

一切移动的物体都需要表面硬化钢齿轮

       在渗碳过程中，部件在碳介质中被加热到钢成为完全奥氏体结构时的温度。碳在奥氏体中的溶解度比在铁素体中高得多，因此碳能够通过钢表面并扩散到部件中。渗碳可使表面碳含量增加到0.7％。控制在此温度下的停留时间可以控制碳扩散的深度，从而控制“表面壳体”的厚度。同时使内部组织的碳含量保持在约0.25％。渗碳过程中一个重要目标是得到稳定，均匀的细晶粒奥氏体金相组织。如果奥氏体晶粒尺寸均匀，则热处理后的变形较小，而细晶粒尺寸改善了抗疲劳性能和韧性。

       部件从渗碳温度淬火及随后的回火产生了高碳马氏体结构，在表面附近具有高硬度和耐磨性，而未经碳化的核心部分保留了其原有的良好强度和韧性。

       选择合适的合金元素可以精确控制从表面到核心的淬透性。图1是评估淬透性的末端淬透性（Jominy）曲线的例子。因为目标是在核心部位产生坚固，坚韧，回火的马氏体结构，所以合适的钢成分取决于待处理部件的尺寸。

表1 标准表面硬化钢图片

       钼（0.15-0.50％）用于渗碳钢，可提高碳含量较低的核心部位的淬透性，同时增强碳含量较高的表面外壳的韧性。这对于风力涡轮机齿轮这种大断面部件特别有效。在渗碳过程中钼不会被氧化，因此不会导致表面开裂和剥落。这意味着钼不会因反应而发生损失，可保留在合金中提供有效的硬化作用。


风力发电 - 渗碳钢发展的主要驱动力

       大型风力涡轮机的齿轮在其侧面和齿尖处承受着极端载荷，尤其是当风速突然发生变化或急停时。坚硬的表面和坚韧的核心使齿轮更耐磨，能够承受高冲击载荷。为了使风力发电机的运行噪音最小，风力涡轮机齿轮箱常常采用特别的设计，但由于齿轮齿面的磨损，使用期间齿轮噪音会增加。增加齿轮的表面硬度和耐磨性能可降低齿轮箱噪音。渗碳钢齿轮所具有的坚硬表面/强韧核心对此是有利的。对于要求较长疲劳寿命和高韧性的应用，表面硬化工艺常用的低合金钢（例如20MnCr5）不适用。高性能NiCrMo表面渗碳钢具有深度硬化能力，并具有高抗疲劳性能。目前，18CrNiMo7-6钢是风力发电机齿轮箱所用的标准齿轮钢。大型和重载齿轮所用的渗碳钢，其进一步优化的重点包括：
       提高核心部分的抗拉强度和韧性
       核心和外壳均有较高的疲劳强度
       改善淬透性
       淬火时变形小
       改善高温性能

       要实现这些目标，必须解决性能劣化的几个根源。渗碳层的晶间氧化可引发疲劳断裂，降低齿轮齿面的疲劳强度。它还在渗碳层表面附近产生软区。因此，消除表面结构的异常是开发高疲劳强度齿轮的重要目标。提高回火温度可提高韧性，但要求较高的抗回火性以免损失强度。实施这些改进的首要方法是采用以下指导原则调整钢的化学成分：
       防止晶间氧化 → 降低Si，Mn和Cr含量；
       提高淬透性 → 增加Mo含量；
       提高韧性 → 增加Ni和Mo含量；
       细化和均匀化晶粒尺寸 → Nb，Ti，Al和N等微合金化元素应均衡；
       强化晶界 → 减少P和S含量。
       通过形成超硬Mo和Nb碳化物的分散体，可以进一步提高表面硬度。这将为渗碳外壳或硬表面涂层提供更好的机械支撑。仅增加碳含量当然也会提高淬透性，但这种方法会牺牲韧性。

       图1显示了钢的成分改进对C含量为0.18％的渗碳钢（18CrNiMo7-6）淬透性的影响。添加碳化物形成元素的强大效果是显而易见的。图中实线表示对照钢的淬透性。提高Ni含量和降低Mo含量（底部虚线）促进了贝氏体的形成，增加了核心部分的韧性，但由于提高了渗碳后残余奥氏体的比例，所以表面外壳的硬度降低。Mo和特殊的碳化物形成元素（顶部虚线）的组合均匀地提高了部件的硬度，并且将表面硬度提高到 0.18％C钢（虚线）的基本硬度以上。

图1 两种改进的18CrNiMo7-6钢（实线）的末端淬透性试验结果，说明了添加Mo如何改善风力发电机齿轮箱的性能。

       渗碳部件淬火之后，应进行回火以提高韧性。较高的回火温度可产生较高的韧性，而相应地，硬度和强度会有损失。因此，回火温度的选择必须权衡这些相互矛盾的影响因素。

       当标准渗碳钢回火至180°C以上时，表面硬度和强度迅速下降。因此，对于关键应用，最高使用温度限制在120-160°C，齿轮冷却变得非常重要。通过大幅增加Mo含量，以及添加Nb（可选项），钢的回火抗性大大提高。图2显示了添加2％Mo而不是标准0.25％的效果。即使在300℃回火后，提高Mo含量也会产生超过700HV（60HRC）的表面硬度。

图2  添加Mo对淬火和回火NiCrMo钢表面硬度的影响