滲碳件表面碳含量及其分布梯度對滲碳層的性能有重要影響。表面碳含量過高、過低或表面脫碳等都將對滲碳件表面強化效果產生不良影響。我公司生產的某種滲碳件工藝方法為滲碳→爐內風冷→機械加工→加熱淬火→清洗→回火→磨削，滲碳后重新加熱淬火過程中使工件表面發生輕微脫碳，再采用磨削的方法去除脫碳層，同時修正淬火過程中發生的畸變，可以有效提高產品尺寸精度。本文結合我公司生產實際，對滲碳件的表面碳含量分布情況進行檢測分析，確定脫碳層深度并驗證磨削加工余量的合理性。
1.試驗方案
滲碳件材質20CrMnMo，表面碳濃度要求0.75%～0.95%，滲碳有效硬化層深度1.8～2.4mm，表面硬度56～62HRC。由于滲碳件的形狀結構不便于表面碳的檢測，使用隨爐試樣進行代表性檢測。隨爐試樣規格φ25mm×50mm，材質20CrMnMo，數量6個。滲碳設備為易普森多用爐生產線TQF-27-ERM。
（1）滲碳。隨爐試棒標識1-6號，隨工件滲碳后爐內風冷，滲碳工藝曲線見圖1。
圖1滲碳風冷工藝曲線
（2）二次淬火。滲碳風冷后4～6號試棒隨工件重新加熱淬火，氣氛碳勢設置為0.18%，加熱至840℃±10℃保溫1h，好富頓K油淬火。
（3）試樣制備。試棒從端部線切割制取φ25mm×10mm表面碳試樣，并標記檢測面及標號1～6。
（4）表面碳檢測。①清潔表面碳試樣。②用千分尺測量試樣原始長度并記錄。③平面磨削量0.1mm，測量長度并記錄。④直讀光譜儀檢測表面碳含量并記錄。⑤每磨削0.1mm測定長度及碳含量一次。
（5）有效硬化層深度檢測。對4～6號試棒采用維氏硬度計檢測硬化層深度。
（6）滲碳件實物剖檢。對滲碳件進行實物剖檢硬化層深度及金相分析。
2.試驗結果及分析
共對6個試樣進行了8次磨削及表面碳含量的檢測。各試棒的單次磨削量、累計磨削量及相應的表面碳含量記錄見表1、表2。
根據表格數據繪制表面碳含量的分布梯度曲線，見圖2，1～3號曲線為滲碳——風冷后進行檢測得到的曲線，4～6號為滲碳→風冷→二次淬火后得到的曲線。
圖2 滲碳試棒表面碳含量的分布梯度曲線
4～6號試棒淬火后硬化層檢測結果為2.3～2.5mm，略高于工藝要求上限。
根據試驗數據可知1～3號試棒在滲碳風冷后表面碳含量在0.8%～0.85%之間，表面碳含量分布曲線在近表面層平緩下降，多用爐密封性能及氣氛保護效果較好；而4～6號試棒由于在二次加熱時氣氛碳勢設定比滲碳時低很多，因此表面碳含量在表層發生明顯“低頭”現象，0.1～0.15mm深度處碳含量在0.49%～0.58%。以表面碳含量0.75%為界限則試棒脫碳層深度約在0.29～0.36mm，工藝要求磨削余量在0.3～0.4mm，因此滲碳件磨削后能夠保證一定的表面硬度及耐磨性，磨削后的硬化層深度也能滿足產品的最終要求。
滲碳件磨削后的剖檢結果如表3所示。
表3 滲碳件剖檢結果
材質 | 表面硬度 HV | 硬化層深度 /mm | 碳化物級別 /級 | 殘留奧 氏體量 | 表面 脫碳 |
20CrMnMo | 699 | 2.1 | 1 | 20% | 無 |
3.結語
根據對滲碳隨爐試樣及滲碳件的檢測結果，表面碳含量的分布控制合理，滲碳淬火后磨削預留量合理，磨削后工件表面無脫碳層，既滿足了表面硬度及耐磨性能，也利于尺寸精度的提高。
