发布于：2006/9/7 9:25:01 | 1387 次阅读
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摘要：沉淀硬化型不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb，作为不锈钢传感器弹性元件的常用材料，其材料成分和含量将影响热处理后的综合机械性能。可通过调控其材料成分和含量及严格热处理工艺降低δ-铁素体的含量，获得均匀的金相组织，提高材料的机械性能，从而改善传感器的性能指标。
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。 0Cr17Ni4Cu4Nb材料的标准和成分为：
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：
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）
2.3 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：
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），%
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。 参考文献 刘九卿《称重传感器弹性元件金属材料的分析与选择》“第三届全国称重技术研究会论文集”2001.5 《机电工程金属材料手册》上海科学技术出版社1990.12 《工程材料实用手册》册 结构钢 不锈钢 中国标准出版社 1988.11 《金相检验》上海材料研究理化检验编辑部 1983.10 《不锈钢热处理》上海科学技术编译馆出版社 1965 |
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