真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术。真空包括低真空、中等真空、高真空和超高真空。真空热处理是“绿色热处理”，被处理工件无氧化、无脱碳、畸变小、表面质量好。本文采用五种工艺对 20CrMnTi 钢齿轮进行了真空渗碳，研究了工艺参数对其显微组织的影响。
1、试验设备和材料
试验用渗碳设备为江苏石川岛丰东真空技术有限公司开发的 VCB-243048 真空渗碳炉生产线，淬火油为日本 nippon-grease 特殊淬火油 V-1900S，清洗设备为 HWBV 超声波真空清洗机，回火设备为 NVPT 真空回火炉。
试验用 20CrMnTi 钢齿轮的尺寸如图 1 所示，化学成分如表 1 所示。试验流程为装料→清洗→真空渗碳和淬火→清洗→低温回火→检验。
2、热处理
真空渗碳前对齿轮进行真空脱脂除气和清洗，否则油脂加热会形成碳黑，影响渗碳效果。齿轮进炉后抽真空，渗碳介质为乙炔 C2H2，为不饱和烃，其加热时的分解反应为:
采用强渗-扩散交替的真空渗碳工艺，工艺参数如表 2 所示。齿轮装入真空炉后，抽真空至≤ 10 Pa，基本达到了无氧的条件，随后开始加热。齿轮达到设定渗碳的温度并均温后，开始渗碳-扩散循环。根据装炉工件的表面积确定乙炔流量为 12 L /min。渗碳后真空炉前室降温至 850 ℃ 油淬，随后 180 ℃回火。具体工艺如图 2 所示。
3、试验结果与分析
检验标准
齿轮的有效硬化层深度按 GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》检验; 显微组织和晶粒度分别按 GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》和 GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》评级。
表面含碳量
采用 EPMA-1720 电子探针按 GB /T 15074—1994《电子探针定量分析方法通则》测定齿轮节圆处的表面含碳量。表 3 为采用 5 种工艺真空渗碳的齿轮表面以下 0.1 mm 处的含碳量。表 3 数据表明，按 1 号工艺真空渗碳的齿轮表面含碳量最高。
显微组织
图 3 ～ 图 7 分别为采用五种工艺真空渗碳的齿轮节圆处的显微组织和晶粒尺寸，表 4 为对应的显微组织级别。
晶粒度
渗碳是高温长时间的化学处理工艺，工件晶粒易长大，影响其性能。齿轮节圆处晶粒度检测结果表明，采用 5 号工艺真空渗碳的齿轮节圆处的晶粒度为 7 级，其他工艺真空渗碳的齿轮均为 8 级，说明渗碳温度提高会导致晶粒粗化。
硬度梯度
渗碳和淬火回火后工件的有效硬化层深度是指从表面到维氏硬度为 550 HV 处的垂直距离，是评定渗碳淬硬件热处理质量的重要指标之一。采用五种工艺真空渗碳的齿轮节圆处渗层的硬度分布如图 8 所示。图 8 表明，随着与表面距离的增大硬度下降，采用 1 ～ 4 号工艺真空渗碳的齿轮节圆处渗层硬度先上升后下降，这与含碳量的降低和残留奥氏体的多少有关。采用五种工艺真空渗碳的齿轮节圆处的渗层深度分别为 0.884 mm、0.913 mm、0.878 mm、 0.925 mm 和 0.935 mm，表面硬度基本为 60 ～ 61 HRC(换算值) ，符合要求(58 ～ 62 HRC) 。
4、结论
(1) 经真空渗碳、淬火和低温回火的 20CrMnTi 钢齿轮渗层组织均匀，为回火马氏体和残留奥氏体及弥散分布的碳化物。
(2) 采用 1 和 2 号工艺真空渗碳、淬火和低温回火的 20CrMnTi 钢齿轮渗层残留奥氏体较多; 采用 5 号工艺真空渗碳、淬火和低温回火的 20CrMnTi 钢齿轮渗层晶粒度为 7 级; 采用其余工艺真空渗碳、淬火回火的齿轮晶粒度为 8 级。
(3) 模数为 2.5 的 20CrMnTi 钢齿轮的最佳真空渗碳温度为 950 ℃。