大型齿轮轴是重要的动力传动和变速零件，其性能很大程度上取决于热处理过程，因此，对热处理工艺要求十分严格。齿轮轴热处理主要包括长时间高温强渗碳势深层渗碳和空冷至一定温度淬火。目前大型齿轮轴热处理中容易发生的问题，一是表层渗碳组织不符合工艺要求，比如，由于大型齿轮轴尺寸大，热处理后一些花键齿部分表层贝氏体/珠光体含量高、形成明显网状；另一个问题是齿轮轴在热处理过程中容易发生畸变，严重时渗碳层齿面中部凹陷，呈两头翘起的马鞍型。由于渗碳齿面为啮合工作面，允许的磨削余量非常小，这就要求热处理后的齿面畸变小而尺寸精确，以确保磨削加工后齿间的啮合精度和渗层深度。大型齿轮轴热处理装炉量少，生产效率低，故优化热处理工艺、提高热处理质量很有必要。
根据陕西法士特齿轮公司的研究，造成贝氏体/珠光体组织的原因来自于：一、箱式渗碳炉的原料气和密封性。箱式炉采用电加热，原料气有甲烷、丙酮、氮气、氨气。原料气中水分、空气含量大时，就会间接的带入大量氧原子促使合金元素内氧化，降低零件的淬透性，生成大量黑色块状贝氏体/珠光体；设备密封性不好也会有大量空气侵入，使贝氏体/珠光体量增多。二、淬火冷却速率不够。淬火冷却速率越低，形成的贝氏体/珠光体组织越多。三、淬火介质。淬火过程中，由于油品氧化以及搅拌不充分等因素导致蒸汽膜破裂时间增长，加剧了表面贝氏体/珠光体增多的倾向，提高油品的淬透能力能有效抑制表层贝氏体/珠光体形成。根据上述分析，他们提出以下大型齿轮轴类零件热处理工艺的优化方案：一、采用零件竖放，气孔朝上，使零件深入淬火油中时气孔内气体及时排放，这样就不会形成封闭的气泡以至于降低淬火冷却速率。二、采用高纯度气体作为原料气，定期保养设备以保证设备有良好的密封性。三、在保证不产生严重畸变和形成淬火裂纹的前提下尽量采用快速淬火油和增强搅拌(提高电机转数)来提高淬火冷却速率和冷却均匀性。四、在扩散后期通入氨气，氨气分解可以对渗层补充合金元素氮，减少因合金元素贫化造成淬透性下降而形成的贝氏体/珠光体组织，提高零件的淬透性和淬硬性。
针对大型齿轮轴热处理中的畸变问题，重庆重型铸锻厂提出，畸变主要发生在淬火工序，由于内部热应力和组织应力产生的时间不同相互叠加而致。因此，他们建议，在确保淬硬层深度的前提下尽量减小淬火温差，取淬火温度下限。采用硝盐等温淬火，可以在很大程度上减少热应变所引起的畸变。另外，对不可避免的组织转变所引起的直径缩小，可以采取1.5mm预留收缩余量的办法。他们对500~600mm齿轮轴采用下限淬火温度和硝盐等温淬火处理方法有效地达到了控制畸变量的目的。
