渗碳件表面碳含量如何控制？
文/谢玲珍，山推工程机械股份有限公司
渗碳件表面碳含量及其分布梯度对渗碳层的性能有重要影响。表面碳含量过高、过低或表面脱碳等都将对渗碳件表面强化效果产生不良影响。我公司生产的某种渗碳件工艺方法为渗碳→炉内风冷→机械加工→加热淬火→清洗→回火→磨削，渗碳后重新加热淬火过程中使工件表面发生轻微脱碳，再采用磨削的方法去除脱碳层，同时修正淬火过程中发生的畸变，可以有效提高产品尺寸精度。本文结合我公司生产实际，对渗碳件的表面碳含量分布情况进行检测分析，确定脱碳层深度并验证磨削加工余量的合理性。
1.试验方案
渗碳件材质20CrMnMo，表面碳浓度要求0.75%～0.95%，渗碳有效硬化层深度1.8～2.4mm，表面硬度56～62HRC。由于渗碳件的形状结构不便于表面碳的检测，使用随炉试样进行代表性检测。随炉试样规格φ25mm×50mm，材质20CrMnMo，数量6个。渗碳设备为易普森多用炉生产线TQF-27-ERM。
（1）渗碳。随炉试棒标识1-6号，随工件渗碳后炉内风冷，渗碳工艺曲线见图1。
图1渗碳风冷工艺曲线
（2）二次淬火。渗碳风冷后4～6号试棒随工件重新加热淬火，气氛碳势设置为0.18%，加热至840℃±10℃保温1h，好富顿K油淬火。
（3）试样制备。试棒从端部线切割制取φ25mm×10mm表面碳试样，并标记检测面及标号1～6。
（4）表面碳检测。①清洁表面碳试样。②用千分尺测量试样原始长度并记录。③平面磨削量0.1mm，测量长度并记录。④直读光谱仪检测表面碳含量并记录。⑤每磨削0.1mm测定长度及碳含量一次。
（5）有效硬化层深度检测。对4～6号试棒采用维氏硬度计检测硬化层深度。
（6）渗碳件实物剖检。对渗碳件进行实物剖检硬化层深度及金相分析。
2.试验结果及分析
共对6个试样进行了8次磨削及表面碳含量的检测。各试棒的单次磨削量、累计磨削量及相应的表面碳含量记录见表1、表2。
根据表格数据绘制表面碳含量的分布梯度曲线，见图2，1～3号曲线为渗碳——风冷后进行检测得到的曲线，4～6号为渗碳→风冷→二次淬火后得到的曲线。
图2 渗碳试棒表面碳含量的分布梯度曲线
4～6号试棒淬火后硬化层检测结果为2.3～2.5mm，略高于工艺要求上限。
根据试验数据可知1～3号试棒在渗碳风冷后表面碳含量在0.8%～0.85%之间，表面碳含量分布曲线在近表面层平缓下降，多用炉密封性能及气氛保护效果较好；而4～6号试棒由于在二次加热时气氛碳势设定比渗碳时低很多，因此表面碳含量在表层发生明显“低头”现象，0.1～0.15mm深度处碳含量在0.49%～0.58%。以表面碳含量0.75%为界限则试棒脱碳层深度约在0.29～0.36mm，工艺要求磨削余量在0.3～0.4mm，因此渗碳件磨削后能够保证一定的表面硬度及耐磨性，磨削后的硬化层深度也能满足产品的最终要求。
渗碳件磨削后的剖检结果如表3所示。
表3 渗碳件剖检结果
|
材质 |
表面硬度 HV |
硬化层深度 /mm |
碳化物级别 /级 |
残留奥 氏体量 |
表面 脱碳 |
|
20CrMnMo |
699 |
2.1 |
1 |
20% |
无 |
3.结语
根据对渗碳随炉试样及渗碳件的检测结果，表面碳含量的分布控制合理，渗碳淬火后磨削预留量合理，磨削后工件表面无脱碳层，既满足了表面硬度及耐磨性能，也利于尺寸精度的提高。
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