不銹鋼傳感器材料與熱處理探討
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稱重傳感器性能的優(yōu)劣，決定了衡器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性。以不銹鋼作為彈性體材料的稱重傳感器， 可以進行金屬膜片焊接密封，具有防腐、防爆、高可靠性、高穩(wěn)定性的特點，在腐蝕性場合、食品、化工等行業(yè)，將成為合金鋼傳感器的替代品，市場容量逐漸放大。
目前，稱重傳感器的彈性體材料主要分為三類：鋁合金（LY12）、合金鋼（40CrNiMoA）、不銹鋼（0Cr17Ni4Cu4Nb），前兩種材料應(yīng)用最為普遍，加工工藝、熱處理工藝、制作工藝已十分成熟。但目前國內(nèi)不銹鋼傳感器的研究、生產(chǎn)處于初級階段，市場需求不大，還沒有形成大批量生產(chǎn)不銹鋼傳感器的市場規(guī)模，不銹鋼傳感器準確度低，達到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國家標準和JJG 669-2003《稱重傳感器》計量檢定規(guī)程中C3級的比率低，只有部分形式及規(guī)格的不銹鋼傳感器可以做到高準確度等級。其原因是不銹鋼傳感器制造成本高，國內(nèi)廠家對不銹鋼傳感器的制造技術(shù)研究不夠，沒有完全掌握，主要有：1.不銹鋼傳感器彈性體材料相關(guān)基礎(chǔ)性研究不夠，對其成分、冶煉工藝、軋制要求、供貨狀態(tài)并非了如指掌。2.國內(nèi)對不銹鋼材料的熱處理工藝未能完全掌握，熱處理對傳感器性能指標（主要是滯后指標）的影響未能解決。3.應(yīng)變計與不銹鋼材料的匹配。對于稱重傳感器的彈性體材料而言，材料成分決定其組織，組織決定材料性能，材料性能決定傳感器的性能，因此材料選擇及成分的確定是第一步，其次，熱處理工藝和應(yīng)變計的匹配成為關(guān)鍵點。
二、不銹鋼傳感器彈性體材料選擇
一般來講，彈性體采用的金屬材料除了對化學(xué)成分和冶煉條件嚴格要求外，還要有優(yōu)良的綜合性能，在保證彈性和應(yīng)力的同時，盡量選用抗微塑變形能力高的材料，且材料的純度要高，成分的均勻性好。選擇彈性材料時，應(yīng)特別注意材料的彈性模量E，以及材料的彈性后效和熱彈性效應(yīng)對傳感器性能的影響。材料成分影響材料的綜合機械性能，從而決定傳感器的性能，因此材料選擇及成分的確定是關(guān)鍵。目前國內(nèi)稱重傳感器行業(yè)不銹鋼彈性體材料的選擇有：0Cr17Ni4Cu4Nb，2Cr13等；國外稱重傳感器行業(yè)不銹鋼彈性體材料也主要選擇馬氏體沉淀硬化不銹鋼，例如美國17-4PH，英國630，631，日本SUS630等，以17-4PH為例，其材料成分為：
| 牌號 | C | Si | P | S | Mn | Cr | Ni | Cu | Nb+Ta |
| ≤ | ≤ | ≤ | ≤ | ≤ | % | % | % | % | |
| 17-4PH | 0.07 | 1.00 | 0.04 | 0.030 | 1.00 | 15.5-17.5 | 3.00-5.00 | 3.00-5.00 | 0.15-0.45 |
與17-4PH相近的我國不銹鋼材料牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb，該材料是國內(nèi)傳感器生產(chǎn)廠家的首選。
0Cr17Ni4Cu4Nb材料的標準和成分為：
| 0Cr17Ni4Cu4Nb | C | Si | P | S | Mn | Cr | Ni | Cu | Nb+Ta |
| 產(chǎn)品標準 | ≤ | ≤ | ≤ | ≤ | ≤ | % | % | % | % |
| GB1220-84 | 0.07 | 1.00 | 0.035 | 0.030 | 1.00 | 15.5-17.5 | 3.00-5.00 | 3.00-5.00 | (Nb)0.15-0.45 |
| GB8732-88 | 0.055 | 1.00 | 0.035 | 0.030 | 0.05 | 15.00-16.00 | 3.80-4.50 | 3.00-3.70 | 0.15-0.35 |
從標準上查得的材料成分，國外的要求與國產(chǎn)材料沒有大的差異，不同之處在于17-4PH要求Nb+Ta：0.15～0.45%，而國產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb為Nb：0.15～0.45%，筆者認為Nb和Ta均是在熱處理過程中形成金屬強化項，起強化作用的程度基本相同。以下為17-4PH（美國）與國產(chǎn)某廠0Cr17Ni4Cu4Nb材料成分實測對比：
| 材料 | C% | Si% | P% | S% | Mn% | Cr% | Ni% | Cu% | Nb+Ta% |
| 17-4PH | 0.035 | 0.24 | 0.019 | 0.011 | 0.64 | 15.36 | 4.08 | 3.20 | / |
| 0Cr17Ni4Cu4Nb | 0.053 | 0.027 | 0.011 | 0.004 | 0.51 | 17.25 | 3.98 | 3.77 | 0.28(Nb) |
從國產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb和國外17-4PH的實測成分（可檢）上看，國外和國產(chǎn)不銹鋼材料的成分差別在于，國產(chǎn)材料的含C、Cr量均在GB1220-84標準的上限，且均大于國外材料的含量，而Ni含量則稍低于國外材料。0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料熱處理影響機械性能的因素主要有δ-鐵素體，其含量在G8732-88《汽輪機葉片用鋼》中要求平均含量不得超過5%。國產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb，若作為彈性體材料使用，應(yīng)降低Cr含量至標準的下限（15～16%），適當提高Ni含量至4.0～4.5%，達到國外材料的含量，將有助于熱處理后減少δ-鐵素體的形成。該種不銹鋼經(jīng)熱處理后有優(yōu)良的機械性能，硬度可達HRC42～47，強度極限可達135kg/mm2，線膨脹系數(shù) 11.1×10-6/℃，與現(xiàn)在常用的合金鋼40CrNiMoA相當。
必須指出，不銹鋼的化學(xué)成分波動對組織和性能有一定的影響，應(yīng)嚴格控制冶煉工藝。同時，彈性體作為承力構(gòu)件的敏感元件，力學(xué)性能要求高，冶煉和鑄造工藝以采用電弧爐+VOD真空精練+電渣冶煉+鍛造開坯+軋制成材工藝為好。采用0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼，根據(jù)傳感器對彈性體的要求，應(yīng)從技術(shù)角度對彈性體材料的冶煉、軋制工藝、成分及含量、供貨狀態(tài)提出要求，δ- 鐵素體含量最好控制在5%以內(nèi)。
三、不銹鋼彈性體熱處理
沉淀硬化型不銹鋼，屬于馬氏體不銹鋼，從固溶溫度冷卻至室溫時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，再經(jīng)時效處理，由馬氏體基體沉淀出富銅相，使強度進一步提高。固溶溫度既不能過高，也不能過低，過高則引起δ- 鐵素體增多，MS點將低，使固溶并冷至室溫后殘留奧氏體增多，從而使強度下降；太低則組織難以均化。通常固溶溫度以1020～1060℃為宜，其相變溫度為：Ms=150℃，Mf=30℃，AC1=670℃，Ac3=740℃。先通過固溶處理，使碳化合物、合金元素溶入奧氏體，快冷后得到馬氏體，深冷處理后將殘余奧氏體盡可能的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再經(jīng)過時效處理析出富銅相等強化相，產(chǎn)生彌散強化，提高了強度及硬度。不銹鋼的熱處理工藝與合金鋼相比，對溫度控制，保溫時間要求較嚴格，同時，不銹鋼材料熱處理過程中的表面清潔十分重要，表面的油污、氮離子、雜質(zhì)等，能導(dǎo)致表面氮化和滲碳，致使表面發(fā)污、生銹、晶界腐蝕等缺陷。不但影響材料的外觀，同時影響到材料的性能，因此不銹鋼彈性體最好采用真空熱處理。
1. 0Cr17Ni4Cu4Nb材料傳感器彈性體熱處理工藝流程
傳感器是技術(shù)、工藝密集型產(chǎn)品，性能的一致性需要合理嚴格的工藝作保障，熱處理工藝在傳感器的生產(chǎn)中是十分重要的。不銹鋼稱重傳感器的熱處理工藝流程為：清洗→固溶處理→深冷處理→時效處理。熱處理工藝固溶時的冷卻介質(zhì)為水冷、油冷或強制惰性氣體冷卻，冷卻速率有很大區(qū)別，同時要考慮彈性體尺寸的大小，降溫速率要有所不同，使固溶冷卻速度達到相應(yīng)要求，固溶時的冷卻介質(zhì)、冷卻速度對傳感器的指標影響很大，工藝參數(shù)不合理對傳感器指標是有害的。
2.以下對國內(nèi)兩個廠家的0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料的熱處理制度進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如下：
2.1 試驗傳感器彈性體結(jié)構(gòu)形式：L-BS-2t-ST懸臂梁型（見圖一），T-BXB-100kg-ST（見圖二）
圖1 圖2
| 材料編號 | C% | Si% | P% | S% | Mn% | Cr% | Ni% | Cu% | Nb+Ta% |
| 1 | 0.053 | 0.027 | 0.011 | 0.004 | 0.51 | 17.25 | 4.08 | 3.77 | 0.28(Nb) |
| 2 | 0.03 | 0.41 | 0.010 | 0.003 | 0.37 | 15.96 | 4.30 | 3.20 | 0.35 |
2.3 熱處理制度：用鹽浴爐加熱至1040℃,保溫時間根據(jù)彈性體尺寸的大小而定；用冰水（溫度3.5℃）冷卻；深冷處理（干冰-70℃）8小時；沉淀硬化（電阻爐加熱），480℃保溫4小時，空冷至室溫。
2.4 測試傳感器指標為：
| 傳感器型號 | 彈性體材料 | 靈敏度 | 綜合誤差 | 非線性 | 滯后 | 蠕變/30分 |
| L-BS-2t-ST | 1 | 2.12mv/v | 0.035%F.S. | -0.019%F.S. | 0.035%F.S. | -0.024%F.S. |
| L-BS-2t-ST | 2 | 2.17mv/v | 0.019%F.S. | -0.015%F.S. | 0.019%F.S. | -0.011%F.S. |
| T-BXB-100kg-ST | 1 | 2.332mv/v | 0.022%F.S. | 0.003%F.S. | 0.022%F.S. | 0.013%F.S. |
| T-BXB-100kg-ST | 2 | 2.406mv/v | 0.019%F.S. | 0.004%F.S. | 0.015%F.S. | 0.014%F.S. |
2.5 金相組織
L-BS-2t-ST型傳感器：熱處理后，1號材料硬度為HRC 44，顯微組織為均勻分布的馬氏體時效組織及強化相，有呈鏈狀分布的δ- 鐵素體，平均含量可達8%～10%左右；熱處理后2號材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時效組織及強化相，未發(fā)現(xiàn)δ-鐵素體。
T-BXB-100kg-ST型傳感器：熱處理后，1號材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時效組織及強化相，有呈鏈狀分布的δ- 鐵素體，平均含量可達5%～8%左右；熱處理后，2號材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時效組織及強化相，未發(fā)現(xiàn)δ- 鐵素體。
3.數(shù)據(jù)分析
綜合試驗數(shù)據(jù)，熱處理后出現(xiàn)大于5%的δ- 鐵素體將影響傳感器的滯后指標，對于剪切梁傳感器熱處理后鐵素體含量則越少越好，而對于雙孔平行梁傳感器滯后指標的影響小。比較兩種材料的較大區(qū)別在于金相試驗中，1號材料出現(xiàn)δ- 鐵素體，且含量大于5%，而2號材料δ- 鐵素體含量很少，形狀較小，不易觀察到。這是因為0Cr17Ni4Cu4Nb材料經(jīng)過1050℃固溶處理后，在鋼中會出現(xiàn)δ- 鐵素體，由于它不參與馬氏體的轉(zhuǎn)變，形態(tài)沿晶界條狀分布，主要降低鋼的熱塑性和室溫硬度，從而，使材料強度降低，影響最大的是滯后指標。
δ- 鐵素體的形成主要原因是材料成分和熱處理溫度，Cr是主要元素，足夠量的Cr可使鋼形成單一的δ組織，在其它的金屬元素中，Mo也是鐵素體形成元素，程度相當于Cr，Al和Ti是強烈形成鐵素體元素，能力為Cr的2.5～3倍，C和Ni是強烈形成奧氏體元素，C的能力為Ni的30倍，但由于量小，沒有Ni明顯，Ni控制鐵素體效果較好，Cu能力為Ni的30%。以下數(shù)據(jù)為加入1%合金元素對17%Cr+4%Ni合金中δ- 鐵素體的影響：
合金元素對17-4PH鋼δ- 鐵素體的影響（+增加，-減少），%
| Ni | Co | Cu | Mn | Si | Mo | Cr | V | Al、Ti |
| -10 | -6 | -3 | -1 | +8 | +11 | +15 | +19 | +38 |
要改善0Cr17Ni4Cu4Nb材料的綜合機械性能應(yīng)從組織和強化兩方面著手。降低0Cr17Ni4Cu4Nb材料的C、Cr含量至標準的下限，適當提高Ni含量，可以降低δ-鐵素體的形成，提高材料的機械性能，同時碳能顯著降低Ms點的溫度，C含量降低有助于提高Ms點的溫度，從而更容易獲得需要的馬氏體，改善材料的機械性能，有助于傳感器滯后指標的改善。使用改良后的0Cr17Ni4Cu4Nb材料，采用真空熱處理后，金相組織為保持馬氏體位向分布的索氏體組織，組織由表至里相同，機械性能均達到了要求，制作后的傳感器的性能指標也達到了C3級要求。
沉淀硬化型不銹鋼的特點之一，其彈性后效大，尤其體現(xiàn)在小量程剪切梁型傳感器上（量程＜5t），若不采取其他措施使用普通應(yīng)變計貼片，傳感器的滯后指標為+0.030%F.S.左右，若再加上金屬膜片焊接后對滯后指標影響+0.01%F.S.左右。顯然，大于+0.030%F.S.的滯后指標，傳感器的最大誤差不易達到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國家標準和OIML R60 國際建議中規(guī)定的C3級要求。隨著量程的增加，相同量程的不銹鋼與合金鋼傳感器的滯后指標區(qū)別不大。因此，對于小量程不銹鋼傳感器需對滯后指標進行補償，通過專用應(yīng)變計進行滯后補償成為一種特殊的補償技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)了不銹鋼傳感器滯后指標的調(diào)整。使滯后補償可以像蠕變補償那樣，通過選用不同補償量的應(yīng)變計進行補償，經(jīng)過匹配試驗，可保證產(chǎn)品的線性、滯后、蠕變性能指標控制在±0.02%F.S.以內(nèi)，并可以達到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國家標準和OIML R60 國際建議中規(guī)定的C3級要求。
綜上所述，做為不銹鋼傳感器，彈性體選擇0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼材料，應(yīng)控制其材料成分和含量，通過嚴格合理的熱處理工藝作保證，盡量降低δ- 鐵素體含量，使綜合機械性能達到彈性元件要求。彈性體材料0Cr17Ni4Cu4Nb的熱處理工藝成為關(guān)鍵點。經(jīng)過大量試驗證明，要獲得合格的均勻的金相組織，達到要求的機械性能，不銹鋼傳感器的彈性體采用真空固溶、深冷、真空時效效果最佳。
參考文獻
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