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1、SUS630不銹鋼傳感器材料與熱處理探討摘要: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??赏ㄟ^(guò)調(diào)控其材料成分和含量及嚴(yán)格熱處理工藝降低-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 -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
2、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(méi)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(méi)有完全掌握,主要有:
3、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(lái)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
4、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)CSiPSMnCrNiCuNb+Ta%17-4PH0.071.000.040.0301.00與17-4PH相近的我國(guó)不銹鋼材料牌號(hào)為0Cr17Ni4
5、Cu4Nb,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: 0Cr17Ni4Cu4NbCSiPSMnCrNiCuNb+Ta產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)%GB1220-840.071.000.0350.0301.003.00-5.00GB8732-880.0551.000.0350.0300.05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(méi)有大的差異,不同之處在于17-4PH要求Nb+Ta:0.150.45%,而國(guó)產(chǎn)0Cr17Ni4Cu4Nb為Nb:0.150.45%,筆者認(rèn)為Nb和Ta均是在熱處理過(guò)程中形成金屬?gòu)?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)
6、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%17-4PH0.0350.240.0190.0110.6415.364.083.20/0Cr17Ni4Cu4Nb0.0530.0270.0110.0040.5117.253.983.770.28(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-鐵素
7、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(guò)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(1516%),適當(dāng)提高Ni含量至4.04.5%,達(dá)到國(guó)外材料的含量,將有助于熱處理后減少-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)HRC4247,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
8、真空精練+電渣冶煉+鍛造開(kāi)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,- 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(guò)高,也不能過(guò)低,過(guò)高則引起- 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10201060為宜,其相變溫度為:Ms=150,M
9、f=30,AC1=670,Ac3=740。先通過(guò)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(guò)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(guò)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
10、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(jiàn)圖一),T-BXB-100kg-ST(見(jiàn)圖二) 圖1 圖2
11、 2.2 試驗(yàn)彈性體材料0Cr17Ni4Cu4Nb,檢測(cè)成分見(jiàn)下表: 材料編號(hào)C%Si%P%S%Mn%Cr%Ni%Cu%Nb+Ta%10.0530.0270.0110.0040.5117.254.083.770.28(Nb)20.030.410.0100.0030.3715.964.303.200.352.3 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-ST1
12、2.12mv/v0.035%F.S.-0.019%F.S.0.035%F.S.-0.024%F.S.L-BS-2t-ST22.17mv/v0.019%F.S.-0.015%F.S.0.019%F.S.-0.011%F.S.T-BXB-100kg-ST12.332mv/v0.022%F.S.0.003%F.S.0.022%F.S.0.013%F.S.T-BXB-100kg-ST22.406mv/v0.019%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
13、強(qiáng)化相,有呈鏈狀分布的- 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)-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- 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)- 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- 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
14、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)- 鐵素體,且含量大于5%,而2號(hào)材料- 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(guò)1050固溶處理后,在鋼中會(huì)出現(xiàn)- 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)。 - 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2.53倍,C和Ni是強(qiáng)烈形成奧氏體元素,C的能力為Ni
15、的30倍,但由于量小,沒(méi)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- 鐵素體的影響: 合金元素對(duì)17-4PH鋼- 鐵素體的影響(+增加,-減少),% NiCoCuMnSiMoCrVAl、Ti-10-6-3-1+8+11+15+19+380Cr17Ni4Cu4Nb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(guò)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
16、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-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
17、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(guò)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(guò)選用不同補(bǔ)償量的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償,經(jīng)過(guò)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(guò)嚴(yán)格合理的熱處理工藝作保證,盡量降低- 鐵素體含
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