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T 渗碳温度，K； t 渗碳时间，h。
当温度在930℃时，渗碳层深度是1～1.2mm时，渗碳时间约为2.5h。
齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线
渗碳层组织 齿轮渗碳冷却后，一般认为工件渗碳层表层应有细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体；工件心部应为细晶粒低碳马氏体组织，不允许有大块的铁素体存在，此时工件畸变量最小；表层与心部之间的组织为高碳马氏体+残余奥氏体。
渗碳层性能 渗碳层的性能取决于表面含碳量及其分布梯度和淬火后的渗层组织，一般希望渗层碳分布梯度平缓。但由于残余奥氏体较软，塑性较高，借助微区域的塑性变形，可以弛豫局部应力，延缓裂纹的扩展，渗碳层中有25%～30%的残余奥氏体，反而有利于提高接触疲劳强度。表面粒状碳化物增多，将提高表面耐磨性及接触疲劳强度，碳化物数量过多，特别是呈粗大网状或条块状时，将使冲击韧度，疲劳强度等性能变坏，应加以限制。
⑶ 淬火
为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并
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不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。
渗碳后的齿轮温度在930℃左右，此时可以将齿轮留在渗碳炉中冷却，即预冷，冷却到860℃时，保温一段时间（保温时间下面有计算），取出后立即放入油中（淬火介质下面有介绍），这样对齿轮淬火，操作比较简单，降低了成本，提高了生产效率，也可以达到齿轮需要的要求，且齿轮氧化、脱碳及淬火变形均小。一般情况下，由于渗碳时工件在高温下长时间保温，奥氏体晶粒易粗大，影响淬火后工件的性能，所以齿轮的材料一般选择过热倾向小的本质细晶粒钢制造。
钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，20CrMnTi钢为亚共析钢，淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从930℃预冷到860℃左右进行油冷可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长，会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能，也容易引起齿轮的变形和开裂。过烧后的工件只能报废。加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。故可选择930℃温度渗碳,预冷860℃左右油冷淬火。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织，达到较高的硬度。
保温时间的确定 淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。
在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为：
η= a?K?D 式中 η 加热时间，min； a 加热系数，min/mm； K 装炉修正系数； D 工件有效厚度，mm。
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加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。
常用钢的加热系数
工件材料 工件直径 /mm ≤50 ＞50 ≤50 ＞50 750～850℃800～900℃1000～＜600℃箱盐炉中加热箱式炉或井1300℃高温式炉中加热 或预热 式炉中加热 盐炉中加热 0.30～0.40 0.3～0.4 0.4～0.5 0.45～0.50 0.50～0.55 0.30～0.35 0.30～0.35 0.65～0.85 1.0～1.2 1.2～1.5 1.2～1.5 1.5～1.8 0.17～0.2 0.16～0.18 0.16～0.18 碳钢 合金钢 高合金钢 高速钢 根据设计的20CrMnTi钢齿轮，加热系数a的大小取1.5。
装炉量修正系数K是考虑装炉的多少和方式来确定的。工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，齿轮在炉中的摆布如下图：
修正系数K的值取2.2 所以，淬火加热时间 η≒a?K?D ≒155min ≈2.5h
因为升温和保温当中有渗碳的过程，所以除去渗碳时间。齿轮的升温时间为1.5h，所以得到保温时间是1.0h。
冷却方式 由于20CrMnTi刚的淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形也越大，这样工件容易变形开裂，不满足齿轮的性能要求。所以应该使用较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小，因此，选择使用油冷。 由于零件尺寸不是非常大，比较小，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬经济，操作简单。淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。
为了克服机械油冷却能力低，以氧化胡易老化，选用普通淬火油油淬，80℃
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的油温冷却，并向油中加入催冷剂（将石蜡基润滑油馏分精制）、抗氧化剂和表面活性剂。普通淬火油的特性温度大约在640℃左右，特性时间2.25h。 冷却过程 齿轮从860℃冷却到室温过程中，以大于临界冷却速度迅速冷却，获得要求的组织和性能。在奥氏体的区域快冷，产生热应力是表层受压，在避免其分解的同时，也能防止零件的开裂，当温度降到Ms点以下，奥氏体转变成马氏体产生的相变应力，此时冷却速度越大泽相变应力越大，零件表层的拉应力越大，因此当相变应力与热应力差值超过材料的断裂强度，就会导致淬火开裂，此时，就要尽可能在此区域内缓慢冷却，为了淬硬而不淬裂，即在“C”曲线的鼻部快冷，马氏体转变区慢冷。
当钢在油中温度低于Ac1线时，可能会出现铁素体，过冷奥氏体会发生转变，会转变为珠光体或是下贝氏体，但是不希望发生这样的转变，而是在温度降低到Ms线，奥氏体转变为马氏体。Ac1线与Ms线之间控制好冷却的速度，使冷却线不碰到“C”曲线的鼻尖，而具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大了奥氏体相区。当温度继续下降，低于Mf线后，奥氏体向马氏体转变结束，产物为马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度，可以达到55～60HRC左右。
钢中含有的Si能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，提高了钢的综合机械性能；Mn主要的作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。Cr是碳化物形成元素，增加钢的耐磨性。Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。Ni能降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。 材料的组织及性能
⑴ 正常加热冷却 工件加热到860℃后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度。
⑵ 加热温度不足时 出现非马氏体组织，加热后组织为奥氏体+铁素体，室温后组织为马氏体+铁素体，硬度不足，塑性大。
⑶ 加热温度过高时 会引起奥氏体晶粒粗化，加热后的组织为粗大奥氏
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体，室温后的组织为粗大马氏体，脆性太大，易断裂。
⑷ 冷却速度过高时 组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。
⑸ 冷却速度不足时 组织为马氏体+贝氏体，硬度和强度不高，塑性较大。 ⑷ 回火
淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在180℃进行4小时低温回火工艺较好。
齿轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。在180℃回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的ε碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐磨性。在180℃回火时，大部分裂纹已经焊合，可大大减轻工件的脆裂倾向。低温回火得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度可以达到55HRC以上。 回火的保温时间 回火时间一般为1～3小时
在空气炉中保温时间
有效厚度/mm 保温时间/min ≤20 30～45 20～40 45～60 40～60 60～90 60～80 90～120 80～100 120～150 合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。所以齿轮的保温时间确定为2h。
材料的组织及性能 加热温度为180℃。加热到100℃时马氏体开始分解，共格析出ε-碳化物，回火保温足够长的时间后得到回火马氏体，硬度和耐磨性高。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体,
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