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械性能。可通過調控其材料成分和含量及嚴格熱處理工藝降低δ-鐵素體的含量，獲得均勻的金相組織，提高材料的機械性能，從而改善傳感器的性能指標。
    關鍵詞：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劣，決定了衡器的準確度、穩定性和可靠性。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、高穩定性的特點，在腐蝕性場合、食品、化工等行業，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。但目前國內不銹鋼傳感器的研究、生產處于初級階段，市場需求不大，還沒有形成大批量生產不銹鋼傳感器的市場規模，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》計量檢定規程中C3級的比率低，只有部分形式及規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，國內廠家對不銹鋼傳感器的制造技術研究不夠，沒有完全掌握，主要有：1.不銹鋼傳感器彈性體材料相關基礎性研究不夠，對其成分、冶煉工藝、軋制要求、供貨狀態并非了如指掌。2.國內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，熱處理工藝和應變計的匹配成為關鍵點。
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成分和冶煉條件嚴格要求外，還要有優良的綜合性能，在保證彈性和應力的同時，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鍵。目前國內稱重傳感器行業不銹鋼彈性體材料的選擇有：0Cr17Ni4Cu4Nb，2Cr13等；國外稱重傳感器行業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，該材料是國內傳感器生產廠家的首選。
    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0Cr17Ni4Cu4Nb和國外17-4PH的實測成分（可檢）上看，國外和國產不銹鋼材料的成分差別在于，國產材料的含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0Cr17Ni4Cu4Nb，若作為彈性體材料使用，應降低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。該種不銹鋼經熱處理后有優良的機械性能，硬度可達HRC42～47，強度極限可達135kg/mm2，線膨脹系數 11.1×10-6/℃，與現在常用的合金鋼40CrNiMoA相當。
    必須指出，不銹鋼的化學成分波動對組織和性能有一定的影響，應嚴格控制冶煉工藝。同時，彈性體作為承力構件的敏感元件，力學性能要求高，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，根據傳感器對彈性體的要求，應從技術角度對彈性體材料的冶煉、軋制工藝、成分及含量、供貨狀態提出要求，δ- 鐵素體含量最好控制在5%以內。
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，組織轉變為低碳馬氏體，再經時效處理，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變為馬氏體，再經過時效處理析出富銅相等強化相，產生彌散強化，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、雜質等，能導致表面氮化和滲碳，致使表面發污、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、工藝密集型產品，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為水冷、油冷或強制惰性氣體冷卻，冷卻速率有很大區別，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要求，固溶時的冷卻介質、冷卻速度對傳感器的指標影響很大，工藝參數不合理對傳感器指標是有害的。
    2.以下對國內兩個廠家的0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料的熱處理制度進行了試驗，試驗數據如下：
    2.1 試驗傳感器彈性體結構形式：L-BS-2t-ST懸臂梁型（見圖一），T-BXB-100kg-ST（見圖二）

圖1	圖2

    2.2 試驗彈性體材料0Cr17Ni4Cu4Nb，檢測成分見下表：

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，未發現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，未發現δ- 鐵素體。
    3.數據分析
    綜合試驗數據，熱處理后出現大于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別在于金相試驗中，1號材料出現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材料經過1050℃固溶處理后，在鋼中會出現δ- 鐵素體，由于它不參與馬氏體的轉變，形態沿晶界條狀分布，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%。以下數據為加入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

    0Cr17Ni4Cu4Nb材料固溶處理的冷卻應快冷，冷卻介質為水或空氣，冷卻速率應根據處理的產品的大小而定，目的是要得到均勻一致的馬氏體組織，并通過時效處理析出強化相，提高硬度和機械性能，而對影響機械性能的鐵素體含量則越少越好。以上試驗時，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，驗證了材料成分因素較大。
    要改善0Cr17Ni4Cu4Nb材料的綜合機械性能應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，通過專用應變計進行滯后補償成為一種特殊的補償技術。該技術實現了不銹鋼傳感器滯后指標的調整。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變計進行補償，經過匹配試驗，可保證產品的線性、滯后、蠕變性能指標控制在±0.02%F.S.以內，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鍵點。經過大量試驗證明，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

• 劉九卿《稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇》“第三屆全國稱重技術研究會論文集”2001.5
• 《機電工程金屬材料手冊》上海科學技術出版社1990.12
• 《工程材料實用手冊》第一冊 結構鋼 不銹鋼 中國標準出版社 1988.11
• 《金相檢驗》上海材料研究理化檢驗編輯部 1983.10
• 《不銹鋼熱處理》上海科學技術編譯館出版社 1965