用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体和一定量的细小碳化物组织。

     有些结构零件，是在承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的，例如汽车、拖拉机上的变速箱齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。 

      根据工作条件，要求这些零件具有高的表面硬度和耐磨性，而心部则要求有较高的强度和适当的韧性，即要求工件“表硬里韧”的性能 。 

     为了兼顾上述双重性能，可以采用低碳钢通过渗碳淬火及低温回火来达到，此时零件心部是低碳钢淬火组织，保证了高韧性和足够的强度，而表层(在一定的深度)则具有高碳量(0.85%～1.05%)，经淬火后有很高的硬度(HRC>60)，并可获得良好的耐磨性。

     渗碳钢的含碳量一般都很低(在 0.15%～0.25%之间)，属于低碳钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。 

     为了提高钢的心部的强度，可在钢中加入一定数量的合金元素，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钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。 

     另外，少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。

     微量的B(0.001%～0.004%)能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。 

渗碳钢的分类

     根据淬透性或强度等级的不同，合金渗碳钢分为三类。

     即低强度渗碳钢(抗拉强度≤800MPa)，如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等。这类钢淬透性低，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低且强度与韧性配合较差。主要用于制造受力较小，强度要求不高的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。 

     这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。若性能要求较高时，这类钢在渗碳后经常采用二次淬火法，即在渗碳后先作正火处理，以消除渗碳时形成的过热组织，然后再重新加热淬火。

     即中强度渗碳钢(抗拉强度=800～1200MPa)，如20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB 等。这类钢含合金元素总量约在4%左右，由于主要是把Cr和Mn二元素配合加入钢中，能更有效地提高淬透性和机械性能(抗拉强度=1000～1200MPa)。一般用来制造重负荷的中、小耐磨件和中等负荷的模数较大的齿轮。如汽车、拖拉机的变速箱与后桥齿轮、齿轮轴、十字销头、 花键轴套、气门座、凸轮盘等。 

     这类钢由于含有Ti、V、Mo，渗碳时奥氏体晶粒长大倾向小，因此可采用自渗碳温度预冷到870°C左右直接淬火，并经低温回火后使零件具有较好的机械性能。

    即高强度渗碳钢(抗拉强度＞1200MPa)，如12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。这类钢含合金元素总量≤7.5%，由于含Cr、Ni元素较多，可大大地提高钢的淬透性，特别是加入了较多的Ni，在提高强度的同时，使钢具有良好的韧性。这类钢可用作承受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。

     由于含有较高的合金元素，使C曲线大为右移，因而在空气中冷却也能得到马氏体组织；另外，其马氏体转变温度也急剧下降，使渗碳表层在淬火后将保留大量的残余奥氏体。为了减少淬火后残余奥氏体量，可在淬火前先高温回火，使碳化物球化或在淬火后采用冷处理。 

渗碳件检验方法

      渗碳层深度和有效硬化层深度均为衡量渗碳质量的重要技术指标。合金钢渗碳层深度为过过共析钢+共析钢+全部过渡层的深度，且过共析层+共析层之和应为总深度的50%。GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》规定了测量方法。 

     工件的渗碳层深度一般按照工件的载荷大小选择，一般弯曲疲劳断裂的齿轮渗碳层深度取下限，接触疲劳损坏的齿轮渗碳层深度取上限，载荷大的齿轮渗碳层深度取上限。 

     渗碳零件通常是在淬火、回火后使用，GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》 规定了有限硬化层深度大于0.3mm的工件渗碳淬火回火金相组织的检验、金相组织级别的规定方法。

 1、渗碳后淬火、回火组织 

    （1）直接淬火组织渗碳温度较高，若直接淬火得到粗大状马氏体和较多的残余奥氏体，此时淬火应力大，容易产生裂纹。因此，渗碳后一般采用降温淬火，以析出部分碳化物，得到细针状马氏体和少量的残余奥氏体。因此，渗碳后直接淬火工艺，应该严格控制降温淬火的温度。 

    （2）一次淬火和低温回火组织：一次淬火和低温回火组织是表层为较细的回火针状马氏体、少量的残余奥氏体和少量的颗粒状碳化物，心部组织为低碳马氏体。应严格控制一次淬火加热温度，以保证得到较细针状马氏体和不出现网状碳化物。 

    （3）二次淬火和低温回火组织：二次淬火的目的是消除网状碳化物及细化组织。渗碳后表层碳含量偏高时，往往出现网状碳化物组织。例如，一次淬火工艺温度偏高，消除网状碳化物组织效果不佳，马氏体针较为粗大，残余奥氏体量多时，采用二次淬火工艺。第一次淬火加热温度选择在心部组织的A_c3以上，以消除网状碳化物和细化心部组织；第二次淬火选择在 A_c1以上加热温度，一般为780~800℃，采用油淬得到细小针状马氏体、少量残余奥氏体和颗粒状碳化物组织。

2、金相试样一般采用随炉试样，试样应与工件材料牌号相同，具有相同的预备热处理状态，表面粗糙度应与工件相同，检验项目见表1。 

表1 检验项目及检验方法

     根据马氏体针状的大小进行评级： 

表2 马氏体的级别评级

     根据残余奥氏体含量进行评级：

表3 残余奥氏体的级别评定

     根据渗层表层内氧化物的最深处深度进行评级： 

表4 内氧化物层的级别评定

    根据心部组织形貌及铁素体的大小、形状和数量评级：

表5 心部组织的级别评定

     根据碳化物形态、数量、大小及分布情况评定级别： 

表6 碳化物的级别评定

3、薄层渗碳件金相检验

     渗碳层深度不大于0.3mm的薄层渗碳件按照 GB/T 9451—2005《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬度层深度的测定》的具体规定进行检验，可用显微组织测量法和显微硬度测量法。

4、重载齿轮金相检验

     重载齿轮的热处理指标主要是有表面硬度（58-62HRC）、心部硬度（58-62HRC）有限硬化层深度、表面碳含量和碳势分布、晶粒度和残余奥氏体等。重载齿轮一般要求有效硬化层在 2mm以上。

     渗碳层含碳量会影响渗层的淬透性，对多数齿轮用钢而言，在含碳量为 0.8~0.9%时，渗碳层具有最高的淬透性。渗碳层和心部的晶粒度应保证在 7~8 级以上。残余奥氏体是渗碳层淬火组织中的重要相，残余奥氏体量过多，则可能产生表面残留压力的下降，从而降低齿轮的疲劳强度和耐磨性，但在负荷的作用下，钢中的残余奥氏体发生塑性变形而使齿的接触状况改善且维持齿轮的精度。综合考虑，残余奥氏体含量一般控制在10~25%之间。