齿轮的接触疲劳强度，代表齿面的承载能力，表面硬度越高，接触疲劳强度越高。Chesters早年研究渗碳齿轮承载能力时，指出接触疲劳强度与其抗拉强度平方成正比，当表面硬度为62~63HRC接触疲劳强度达最大值。最新研究成果，CSS-42L钢经渗碳表面硬度达到68～72HRC，用以制造轴承接触疲劳寿命高出52100钢轴承70倍以上。可见齿轮表面高的硬度和高的抗拉强度，可以得到更高的接触疲劳强度。
齿轮模数越大，在承载接触应力下最大剪切应力的峰值深度从渗层表面下0.1～0.2mm移向齿轮心部（见表1），如果心部硬度较低，将会使接触疲劳强度显著降低。试验表明，提高心部硬度达470HV，增大渗氮层至1mm，接触疲劳强度可提高到2300MPa。
实现制造高性能渗氮齿轮和替代渗碳齿轮的关键在于研制适于齿轮切削加工和适于深层离子渗氮的时效硬化钢，以及根据齿轮不同服役条件和精度要求不同研制的特种深层离子渗氮工艺。
新型时效硬化钢20CrNi3Mn2Al，是在美国P21钢基础上进行创新，以镍铝为主导，采用低碳高锰和铝铬钼钒共存研制成功的专利钢种（专利号201210028899.9），钢的成分范围见表2。
（1）空冷固溶处理后适宜切削加工
在850～900℃保温3h后空冷，硬度为283～332HBW(30～36HRC)，可以直接进行切削加工。省去了常规调质钢的淬火和高温回火。
（2）时效硬化作为基体强化手段
时效硬化钢比调质钢的优势在于，时效硬化后基体硬度可以达到40~43HRC，而经过深层离子渗氮后基体进一步时效硬化提高到42～46HRC。
（3）时效硬化温度与渗氮强化温度一致
试样经870℃×3h空冷固溶处理后，在不同时效温度分别处理6h，试验结果如表3所示。
（4）淬透性高
常用调质钢和渗碳钢基体强度都受钢的淬透性限制，工件大小会造成性能差异，而20CrNi3Mn2Al时效硬化钢空冷固溶处理过程中贝氏体转变比较缓慢，受冷却速度影响极小。直径200mm试样空冷固溶处理和时效硬化后检查截面表面和心部硬度完全一致。表明直径200mm以下工件可保证空冷后截面性能均匀，可比对称为淬透性高。
3.深层离子渗氮特点及工艺方案
综合国内外对深层渗氮研究的成果，提出了时效硬化钢深层离子渗氮工艺应具有以下特点：表层硬度高，表面下0.1mm处硬度应大于900HV；表面化合物层薄（小于5μm）或单相?‘为主；渗氮层硬度梯度好，表面下0.4mm处硬度应大于600HV；渗氮层深应大于0.7mm；深层离子渗氮后基体硬度为400～450HV（42～46HRC）。
利用离子渗氮过程的优势，工件表面活化和活性氮原子传递通道畅通的特点，综合采用不同的渗氮温度，保温时间和供氨条件，经过反复试验确定了520～540℃×50h氨气变温离子渗氮的2号工艺，可以满足时效硬化钢深层离子渗氮的全部要求：0.1mm处981HV，0.4mm处652HV，渗氮层深0.75mm，基体硬度431HV。
注：时效硬化钢渗氮层深为基体+30HV；有效渗氮层深为500HV处层深。
结论：
（1）渗氮齿轮能够代替渗碳齿轮的关键，在于研制成功新型时效硬化钢，实现深层离子渗氮和保持齿轮心部高硬度（强度）。
（2）研制成功20CrNi3Mn2Al时效硬化钢和520～540℃×50h氨气变温离子渗氮的工艺，实现了时效硬化钢的深层离子渗氮。渗氮层表面硬度高，化合物层厚度小于5μm，表面下0.1mm处硬度大于900HV，0.4mm处硬度大于600HV，渗氮层深大于0.7mm，渗氮基体硬度为400～450HV。
（3）可以采用20CrNi3Mn2Al钢心部硬度为400～450HV渗氮层深0.7～1.0mm的深层离子渗氮齿轮，部分替代齿轮模数10mm以下，渗碳层深2mm以下应用的渗碳齿轮，实现省去渗碳和油中淬火，简化工艺，减少变形，减少污染，显著提高齿轮的性能。
（4）新型时效硬化钢和深层离子渗氮工艺的结合，可实现高性能齿轮的高端突破，有深远和重要的意义。
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