简析传感器的材质材料与热处理技术

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 10:01 编辑

传感器，特别是称重传感器的性能的优劣，完全决定了衡器的准确度、稳定性和可靠性。以不锈钢作为弹性体材料的称重传感器， 可以进行金属膜片焊接密封，具有防腐、防爆、高可靠性、高稳定性的特点，在腐蚀性场合、食品、化工等行业，将成为合金钢传感器的替代品，市场容量逐渐放大。
一、概述
目前，称重传感器的弹性体材料主要分为三类：铝合金(LY12)、合金钢(40CrNiMoA)、不锈钢(0Cr17Ni4Cu4Nb)，前两种材料应用最为普遍，加工工艺、热处理工艺、制作工艺已十分成熟。但目前国内不锈钢传感器的研究、生产处于初级阶段，市场需求不大，还没有形成大批量生产不锈钢传感器的市场规模，不锈钢传感器准确度低，达到GB/T 7551-1997《称重传感器》国家标准和JJG 669-2003《称重传感器》计量检定规程中C3级的比率低，只有部分形式及规格的不锈钢传感器可以做到高准确度等级。其原因是不锈钢传感器制造成本高，国内厂家对不锈钢传感器的制造技术研究不够，没有完全掌握，主要有：1.不锈钢传感器弹性体材料相关基础性研究不够，对其成分、冶炼工艺、轧制要求、供货状态并非了如指掌。2.国内对不锈钢材料的热处理工艺未能完全掌握，热处理对传感器性能指标(主要是滞后指标)的影响未能解决。3.应变计与不锈钢材料的匹配。对于称重传感器的弹性体材料而言，材料成分决定其组织，组织决定材料性能，材料性能决定传感器的性能，因此材料选择及成分的确定是第一步，其次，热处理工艺和应变计的匹配成为关键点。http://www.ybzhan.cn/channel/t4031/index.html
二、不锈钢传感器弹性体材料选择
一般来讲，弹性体采用的金属材料除了对化学成分和冶炼条件严格要求外，还要有优良的综合性能，在保证弹性和应力的同时，尽量选用抗微塑变形能力高的材料，且材料的纯度要高，成分的均匀性好。选择弹性材料时，应特别注意材料的弹性模量E，以及材料的弹性后效和热弹性效应对传感器性能的影响。材料成分影响材料的综合机械性能，从而决定传感器的性能，因此材料选择及成分的确定是关键。目前国内称重传感器行业不锈钢弹性体材料的选择有：0Cr17Ni4Cu4Nb，2Cr13等；国外称重传感器行业不锈钢弹性体材料也主要选择马氏体沉淀硬化不锈钢，例如美国17-4PH，英国630，631，日本SUS630等，以17-4PH为例，其材料成分为：
牌号CSiPSMnCrNiCuNb+Ta
　≤≤≤≤≤%%%%
17-4PH0.071.000.040.0301.0015.5-17.53.00-5.003.00-5.000.15-0.45
与17-4PH相近的我国不锈钢材料牌号为0Cr17Ni4Cu4Nb，该材料是国内传感器生产厂家的首选。
0Cr17Ni4Cu4Nb材料的标准和成分为：
0Cr17Ni4Cu4NbCSiPSMnCrNiCuNb+Ta
产品标准≤≤≤≤≤%%%%
GB1220-840.071.000.0350.0301.0015.5-17.53.00-5.003.00-5.00(Nb)0.15-0.45
GB8732-880.0551.000.0350.0300.0515.00-16.003.80-4.503.00-3.700.15-0.35
从标准上查得的材料成分，国外的要求与国产材料没有大的差异，不同之处在于17-4PH要求Nb+Ta：0.15～0.45%，而国产0Cr17Ni4Cu4Nb为Nb：0.15～0.45%，笔者认为Nb和Ta均是在热处理过程中形成金属强化项，起强化作用的程度基本相同。以下为17-4PH(美国)与国产某厂0Cr17Ni4Cu4Nb材料成分实测对比：
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)
从国产0Cr17Ni4Cu4Nb和国外17-4PH的实测成分(可检)上看，国外和国产不锈钢材料的成分差别在于，国产材料的含C、Cr量均在GB1220-84标准的上限，且均大于国外材料的含量，而Ni含量则稍低于国外材料。0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料热处理影响机械性能的因素主要有δ-铁素体，其含量在G8732-88《汽轮机叶片用钢》中要求平均含量不得超过5%。国产0Cr17Ni4Cu4Nb，若作为弹性体材料使用，应降低Cr含量至标准的下限(15～16%)，适当提高Ni含量至4.0～4.5%，达到国外材料的含量，将有助于热处理后减少δ-铁素体的形成。该种不锈钢经热处理后有优良的机械性能，硬度可达HRC42～47，强度极限可达135kg/mm2，线膨胀系数 11.1×10-6/℃，与现在常用的合金钢40CrNiMoA相当。
必须指出，不锈钢的化学成分波动对组织和性能有一定的影响，应严格控制冶炼工艺。同时，弹性体作为承力构件的敏感元件，力学性能要求高，冶炼和铸造工艺以采用电弧炉+VOD真空精练+电渣冶炼+锻造开坯+轧制成材工艺为好。采用0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不锈钢，根据传感器对弹性体的要求，应从技术角度对弹性体材料的冶炼、轧制工艺、成分及含量、供货状态提出要求，δ- 铁素体含量最好控制在5%以内。
三、不锈钢弹性体热处理
沉淀硬化型不锈钢，属于马氏体不锈钢，从固溶温度冷却至室温时，组织转变为低碳马氏体，再经时效处理，由马氏体基体沉淀出富铜相，使强度进一步提高。固溶温度既不能过高，也不能过低，过高则引起δ- 铁素体增多，MS点将低，使固溶并冷至室温后残留奥氏体增多，从而使强度下降；太低则组织难以均化。通常固溶温度以1020～1060℃为宜，其相变温度为：Ms=150℃，Mf=30℃，AC1=670℃，Ac3=740℃。先通过固溶处理，使碳化合物、合金元素溶入奥氏体，快冷后得到马氏体，深冷处理后将残余奥氏体尽可能的转变为马氏体，再经过时效处理析出富铜相等强化相，产生弥散强化，提高了强度及硬度。不锈钢的热处理工艺与合金钢相比，对温度控制，保温时间要求较严格，同时，不锈钢材料热处理过程中的表面清洁十分重要，表面的油污、氮离子、杂质等，能导致表面氮化和渗碳，致使表面发污、生锈、晶界腐蚀等缺陷。不但影响材料的外观，同时影响到材料的性能，因此不锈钢弹性体最好采用真空热处理。
1. 0Cr17Ni4Cu4Nb材料传感器弹性体热处理工艺流程
传感器是技术、工艺密集型产品，性能的一致性需要合理严格的工艺作保障，热处理工艺在传感器的生产中是十分重要的。不锈钢称重传感器的热处理工艺流程为：清洗→固溶处理→深冷处理→时效处理。热处理工艺固溶时的冷却介质为水冷、油冷或强制惰性气体冷却，冷却速率有很大区别，同时要考虑弹性体尺寸的大小，降温速率要有所不同，使固溶冷却速度达到相应要求，固溶时的冷却介质、冷却速度对传感器的指标影响很大，工艺参数不合理对传感器指标是有害的。
2.以下对国内两个厂家的0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料的热处理制度进行了试验，试验数据如下：
2.1 试验传感器弹性体结构形式：L-BS-2t-ST悬臂梁型(见图一)，T-BXB-100kg-ST(见图二)

2.2 试验弹性体材料0Cr17Ni4Cu4Nb，检测成分见下表：
材料编号C%Si%P%S%Mn%Cr%Ni%Cu%Nb+Ta%
10.0530.0270.0110.0040.5117.254.083.770.28(Nb)
20.030.410.0100.0030.3715.964.303.200.35
2.3热处理制度：用盐浴炉加热至1040℃,保温时间根据弹性体尺寸的大小而定；用冰水(温度3.5℃)冷却；深冷处理(干冰-70℃)8小时；沉淀硬化(电阻炉加热)，480℃保温4小时，空冷至室温。
2.4测试传感器指标为：
传感器型号弹性体材料灵敏度综合误差非线性滞后蠕变/30分
L-BS-2t-ST12.12mv/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金相组织
L-BS-2t-ST型传感器：热处理后，1号材料硬度为HRC 44，显微组织为均匀分布的马氏体时效组织及强化相，有呈链状分布的δ- 铁素体，平均含量可达8%～10%左右；热处理后2号材料硬度为HRC 43，显微组织为均匀分布的马氏体时效组织及强化相，未发现δ-铁素体。
T-BXB-100kg-ST型传感器：热处理后，1号材料硬度为HRC 43，显微组织为均匀分布的马氏体时效组织及强化相，有呈链状分布的δ- 铁素体，平均含量可达5%～8%左右；热处理后，2号材料硬度为HRC 43，显微组织为均匀分布的马氏体时效组织及强化相，未发现δ- 铁素体。
3.数据分析
综合试验数据，热处理后出现大于5%的δ- 铁素体将影响传感器的滞后指标，对于剪切梁传感器热处理后铁素体含量则越少越好，而对于双孔平行梁传感器滞后指标的影响小。比较两种材料的较大区别在于金相试验中，1号材料出现δ- 铁素体，且含量大于5%，而2号材料δ- 铁素体含量很少，形状较小，不易观察到。这是因为0Cr17Ni4Cu4Nb材料经过1050℃固溶处理后，在钢中会出现δ- 铁素体，由于它不参与马氏体的转变，形态沿晶界条状分布，主要降低钢的热塑性和室温硬度，从而，使材料强度降低，影响最大的是滞后指标。
δ- 铁素体的形成主要原因是材料成分和热处理温度，Cr是主要元素，足够量的Cr可使钢形成单一的δ组织，在其它的金属元素中，Mo也是铁素体形成元素，程度相当于Cr，Al和ti是强烈形成铁素体元素，能力为Cr的2.5～3倍，C和Ni是强烈形成奥氏体元素，C的能力为Ni的30倍，但由于量小，没有Ni明显，Ni控制铁素体效果较好，Cu能力为Ni的30%。以下数据为加入1%合金元素对17%Cr+4%Ni合金中δ- 铁素体的影响：
合金元素对17-4PH钢δ- 铁素体的影响(+增加，-减少)，%
NiCoCuMnSiMoCrVAl、Ti
-10-6-3-1+8+11+15+19+38
0Cr17Ni4Cu4Nb材料固溶处理的冷却应快冷，冷却介质为水或空气，冷却速率应根据处理的产品的大小而定，目的是要得到均匀一致的马氏体组织，并通过时效处理析出强化相，提高硬度和机械性能，而对影响机械性能的铁素体含量则越少越好。以上试验时，固溶温度均为1040℃±10℃，因加热温度引起的铁素体的因素较小。因此，验证了材料成分因素较大。
要改善0Cr17Ni4Cu4Nb材料的综合机械性能应从组织和强化两方面着手。降低0Cr17Ni4Cu4Nb材料的C、Cr含量至标准的下限，适当提高Ni含量，可以降低δ-铁素体的形成，提高材料的机械性能，同时碳能显著降低Ms点的温度，C含量降低有助于提高Ms点的温度，从而更容易获得需要的马氏体，改善材料的机械性能，有助于传感器滞后指标的改善。使用改良后的0Cr17Ni4Cu4Nb材料，采用真空热处理后，金相组织为保持马氏体位向分布的索氏体组织，组织由表至里相同，机械性能均达到了要求，制作后的传感器的性能指标也达到了C3级要求。
沉淀硬化型不锈钢的特点之一，其弹性后效大，尤其体现在小量程剪切梁型传感器上(量程＜5t)，若不采取其他措施使用普通应变计贴片，传感器的滞后指标为+0.030%F.S.左右，若再加上金属膜片焊接后对滞后指标影响+0.01%F.S.左右。显然，大于+0.030%F.S.的滞后指标，传感器的最大误差不易达到GB/T 7551-1997《称重传感器》国家标准和OIML R60 国际建议中规定的C3级要求。随着量程的增加，相同量程的不锈钢与合金钢传感器的滞后指标区别不大。因此，对于小量程不锈钢传感器需对滞后指标进行补偿，通过专用应变计进行滞后补偿成为一种特殊的补偿技术。该技术实现了不锈钢传感器滞后指标的调整。使滞后补偿可以像蠕变补偿那样，通过选用不同补偿量的应变计进行补偿，经过匹配试验，可保证产品的线性、滞后、蠕变性能指标控制在±0.02%F.S.以内，并可以达到GB/T 7551-1997《称重传感器》国家标准和OIML R60 国际建议中规定的C3级要求。
综上所述，做为不锈钢传感器，弹性体选择0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不锈钢材料，应控制其材料成分和含量，通过严格合理的热处理工艺作保证，尽量降低δ- 铁素体含量，使综合机械性能达到弹性元件要求。弹性体材料0Cr17Ni4Cu4Nb的热处理工艺成为关键点。经过大量试验证明，要获得合格的均匀的金相组织，达到要求的机械性能，不锈钢传感器的弹性体采用真空固溶、深冷、真空时效效果最佳。
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