不銹鋼傳感器材料與熱處理探討

不銹鋼傳感器材料與熱處理探討

濟(jì)南金鐘電子衡器股份有限公司 姜來軍 李文剛

    [摘要] 沉淀硬化型不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，作為不銹鋼傳感器彈性元件的常用材料，其材料成分和含量將影響熱處理后的綜合機(jī)械性能。可通過調(diào)控其材料成分和含量及嚴(yán)格熱處理工藝降低δ-鐵素體的含量，獲得均勻的金相組織，提高材料的機(jī)械性能，從而改善傳感器的性能指標(biāo)。
    關(guān)鍵詞：不銹鋼材料 熱處理 固溶 金相組織 δ-鐵素體
一、概述
    稱重傳感器性能的優(yōu)劣，決定了衡器的準(zhǔn)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(jìn)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(diǎn)，在腐蝕性場(chǎng)合、食品、化工等行業(yè)，將成為合金鋼傳感器的替代品，市場(chǎng)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(guó)內(nèi)不銹鋼傳感器的研究、生產(chǎn)處于初級(jí)階段，市場(chǎng)需求不大，還沒有形成大批量生產(chǎn)不銹鋼傳感器的市場(chǎng)規(guī)模，不銹鋼傳感器準(zhǔn)確度低，達(dá)到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和JJG 669-2003《稱重傳感器》計(jì)量檢定規(guī)程中C3級(jí)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(zhǔn)確度等級(jí)。其原因是不銹鋼傳感器制造成本高，國(guó)內(nèi)廠家對(duì)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(duì)其成分、冶煉工藝、軋制要求、供貨狀態(tài)并非了如指掌。2.國(guó)內(nèi)對(duì)不銹鋼材料的熱處理工藝未能完全掌握，熱處理對(duì)傳感器性能指標(biāo)（主要是滯后指標(biāo)）的影響未能解決。3.應(yīng)變計(jì)與不銹鋼材料的匹配。對(duì)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(jì)的匹配成為關(guān)鍵點(diǎn)。
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(duì)化學(xué)成分和冶煉條件嚴(yán)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(shí)，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(shí)，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(duì)傳感器性能的影響。材料成分影響材料的綜合機(jī)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(guó)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(guó)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(guó)17-4PH，英國(guó)630，631，日本SUS630等，以17-4PH為例，其材料成分為：

牌號(hào)	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(guó)不銹鋼材料牌號(hào)為0Cr17Ni4Cu4Nb，該材料是國(guó)內(nèi)傳感器生產(chǎn)廠家的首選。
    0Cr17Ni4Cu4Nb材料的標(biāo)準(zhǔn)和成分為：

0Cr17Ni4Cu4Nb	C	Si	P	S	Mn	Cr	Ni	Cu	Nb+Ta
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)	≤	≤	≤	≤	≤	%	%	%	%
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(biāo)準(zhǔn)上查得的材料成分，國(guó)外的要求與國(guó)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(guó)產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb為Nb：0.15～0.45%，筆者認(rèn)為Nb和Ta均是在熱處理過程中形成金屬強(qiáng)化項(xiàng)，起強(qiáng)化作用的程度基本相同。以下為17-4PH（美國(guó)）與國(guó)產(chǎn)某廠0Cr17Ni4Cu4Nb材料成分實(shí)測(cè)對(duì)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(guó)產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb和國(guó)外17-4PH的實(shí)測(cè)成分（可檢）上看，國(guó)外和國(guó)產(chǎn)不銹鋼材料的成分差別在于，國(guó)產(chǎn)材料的含C、Cr量均在GB1220-84標(biāo)準(zhǔn)的上限，且均大于國(guó)外材料的含量，而Ni含量則稍低于國(guó)外材料。0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料熱處理影響機(jī)械性能的因素主要有δ-鐵素體，其含量在G8732-88《汽輪機(jī)葉片用鋼》中要求平均含量不得超過5%。國(guó)產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb，若作為彈性體材料使用，應(yīng)降低Cr含量至標(biāo)準(zhǔn)的下限（15～16%），適當(dāng)提高Ni含量至4.0～4.5%，達(dá)到國(guó)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(jī)械性能，硬度可達(dá)HRC42～47，強(qiáng)度極限可達(dá)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(dāng)。
    必須指出，不銹鋼的化學(xué)成分波動(dòng)對(duì)組織和性能有一定的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制冶煉工藝。同時(shí)，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(duì)彈性體的要求，應(yīng)從技術(shù)角度對(duì)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(shí)，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，再經(jīng)時(shí)效處理，由馬氏體基體沉淀出富銅相，使強(qiáng)度進(jìn)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(diǎn)將低，使固溶并冷至室溫后殘留奧氏體增多，從而使強(qiáng)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(shí)效處理析出富銅相等強(qiáng)化相，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，提高了強(qiáng)度及硬度。不銹鋼的熱處理工藝與合金鋼相比，對(duì)溫度控制，保溫時(shí)間要求較嚴(yán)格，同時(shí)，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(shí)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(yán)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(shí)效處理。熱處理工藝固溶時(shí)的冷卻介質(zhì)為水冷、油冷或強(qiáng)制惰性氣體冷卻，冷卻速率有很大區(qū)別，同時(shí)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(dá)到相應(yīng)要求，固溶時(shí)的冷卻介質(zhì)、冷卻速度對(duì)傳感器的指標(biāo)影響很大，工藝參數(shù)不合理對(duì)傳感器指標(biāo)是有害的。
    2.以下對(duì)國(guó)內(nèi)兩個(gè)廠家的0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料的熱處理制度進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：
    2.1 試驗(yàn)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

    2.2 試驗(yàn)彈性體材料0Cr17Ni4Cu4Nb，檢測(cè)成分見下表：

材料編號(hào)	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(shí)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(shí)；沉淀硬化（電阻爐加熱），480℃保溫4小時(shí)，空冷至室溫。
    2.4測(cè)試傳感器指標(biāo)為：

傳感器型號(hào)	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(hào)材料硬度為HRC 44，顯微組織為均勻分布的馬氏體時(shí)效組織及強(qiáng)化相，有呈鏈狀分布的δ- 鐵素體，平均含量可達(dá)8%～10%左右；熱處理后2號(hào)材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時(shí)效組織及強(qiáng)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(hào)材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時(shí)效組織及強(qiáng)化相，有呈鏈狀分布的δ- 鐵素體，平均含量可達(dá)5%～8%左右；熱處理后，2號(hào)材料硬度為HRC 43，顯微組織為均勻分布的馬氏體時(shí)效組織及強(qiáng)化相，未發(fā)現(xiàn)δ- 鐵素體。
    3.數(shù)據(jù)分析
    綜合試驗(yàn)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(biāo)，對(duì)于剪切梁傳感器熱處理后鐵素體含量則越少越好，而對(duì)于雙孔平行梁傳感器滯后指標(biāo)的影響小。比較兩種材料的較大區(qū)別在于金相試驗(yàn)中，1號(hào)材料出現(xiàn)δ- 鐵素體，且含量大于5%，而2號(hào)材料δ- 鐵素體含量很少，形狀較小，不易觀察到。這是因?yàn)?Cr17Ni4Cu4Nb材料經(jīng)過1050℃固溶處理后，在鋼中會(huì)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(qiáng)度降低，影響最大的是滯后指標(biāo)。
    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(dāng)于Cr，Al和Ti是強(qiáng)烈形成鐵素體元素，能力為Cr的2.5～3倍，C和Ni是強(qiáng)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(duì)17%Cr+4%Ni合金中δ- 鐵素體的影響：

合金元素對(duì)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

    0Cr17Ni4Cu4Nb材料固溶處理的冷卻應(yīng)快冷，冷卻介質(zhì)為水或空氣，冷卻速率應(yīng)根據(jù)處理的產(chǎn)品的大小而定，目的是要得到均勻一致的馬氏體組織，并通過時(shí)效處理析出強(qiáng)化相，提高硬度和機(jī)械性能，而對(duì)影響機(jī)械性能的鐵素體含量則越少越好。以上試驗(yàn)時(shí)，固溶溫度均為1040℃±10℃，因加熱溫度引起的鐵素體的因素較小。因此，驗(yàn)證了材料成分因素較大。
    要改善0Cr17Ni4Cu4Nb材料的綜合機(jī)械性能應(yīng)從組織和強(qiáng)化兩方面著手。降低0Cr17Ni4Cu4Nb材料的C、Cr含量至標(biāo)準(zhǔn)的下限，適當(dāng)提高Ni含量，可以降低δ-鐵素體的形成，提高材料的機(jī)械性能，同時(shí)碳能顯著降低Ms點(diǎn)的溫度，C含量降低有助于提高M(jìn)s點(diǎn)的溫度，從而更容易獲得需要的馬氏體，改善材料的機(jī)械性能，有助于傳感器滯后指標(biāo)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(jī)械性能均達(dá)到了要求，制作后的傳感器的性能指標(biāo)也達(dá)到了C3級(jí)要求。
    沉淀硬化型不銹鋼的特點(diǎn)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(jì)貼片，傳感器的滯后指標(biāo)為+0.030%F.S.左右，若再加上金屬膜片焊接后對(duì)滯后指標(biāo)影響+0.01%F.S.左右。顯然，大于+0.030%F.S.的滯后指標(biāo)，傳感器的最大誤差不易達(dá)到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和OIML R60 國(guó)際建議中規(guī)定的C3級(jí)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(biāo)區(qū)別不大。因此，對(duì)于小量程不銹鋼傳感器需對(duì)滯后指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，通過專用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行滯后補(bǔ)償成為一種特殊的補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不銹鋼傳感器滯后指標(biāo)的調(diào)整。使滯后補(bǔ)償可以像蠕變補(bǔ)償那樣，通過選用不同補(bǔ)償量的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過匹配試驗(yàn)，可保證產(chǎn)品的線性、滯后、蠕變性能指標(biāo)控制在±0.02%F.S.以內(nèi)，并可以達(dá)到GB/T 7551-1997《稱重傳感器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和OIML R60 國(guó)際建議中規(guī)定的C3級(jí)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(yán)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(jī)械性能達(dá)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(diǎn)。經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，要獲得合格的均勻的金相組織，達(dá)到要求的機(jī)械性能，不銹鋼傳感器的彈性體采用真空固溶、深冷、真空時(shí)效效果最佳。

參考文獻(xiàn)

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