CN111394556A - 应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，属于金属材料的热处理工艺技术领域。该热处理工艺主要包括预处理、真空脱气、真空高压气淬、深冷处理、真空时效处理和真空稳定化处理步骤，其通过在真空高压气淬前增加真空脱气来降低马氏体不锈钢的气体杂质；在略低的加热温度下进行长时间真空脱气降低了真空高压气淬奥氏体化所需温度和时间，能获得细小均匀奥氏体组织；真空高压气淬前缓慢升温、冷却阶段的均匀快速冷却、降低深冷处理和真空时效处理的升降温速度、增加真空时效处理后的真空稳定化处理工序等可大大消除材料内应力。该工艺显著降低了弹性体的滞后，至不大70ppm，满足C6等级对低滞后应变式力传感器不锈钢弹性体的需求。

Description

应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种热处理工艺，尤其涉及一种应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，属于金属材料的热处理工艺技术领域。
背景技术
弹性体是应变式力传感器的核心元件，其滞后特性对应变式力传感器的测量精度、稳定性和可靠性的影响很大，其中低滞后应变式力传感器弹性体的材料选择和加工工艺是研制高精度应变式力传感器的关键。
马氏体不锈钢具有高强度和耐蚀性，是较理想的应变式力传感器弹性体材料，影响马氏体不锈钢应变式力传感器弹性体滞后特性的因素主要包括弹性体设计、不锈钢成分和热处理工艺等，其中热处理工艺是控制马氏体不锈钢应变式力传感器弹性体的关键技术环节。
可制造应变式力传感器弹性体的马氏体不锈钢包括美国17-4PH、英国630、英国631、日本SUS630、国内的0Cr17Ni4Cu4Nb和国内的2Cr13等。除2Cr13外，用于制造应变式力传感器弹性体的马氏体不锈钢均为沉淀硬化马氏体不锈钢。
目前广泛应用的应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的热处理工序包括淬火—深冷处理—时效处理等工序，制造的应变式力传感器不锈钢弹性体的滞后一般为130-800ppm。为降低应变式力传感器不锈钢弹性体的滞后性，目前已有一些现有技术对其热处理工艺进行了研究和优化。如，发明专利CN200810235704通过在深冷处理后先进行形变加工再进行时效处理使应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的滞后降低到100ppm。如，王志厚等人认为内应力低是应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体获得优异测量精度和稳定性的前提(王志厚，尚学军.衡器，1998,(1):22-23)。如，姜来军认为淬火温度过低难以使沉淀硬化马氏体不锈钢组织均匀化，但淬火温度过高会导致沉淀硬化马氏体不锈钢强度下降，这些都会对应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的性能造成不利影响；此外，表面污染和氮杂质也会影响应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的性能(姜来军，李文刚.称重科技暨第五届称重技术研讨会论文集，99-103)。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，该热处理工艺大大降低了应变式力传感器不锈钢弹性体的滞后，其滞后不大于70ppm，满足C6等级应变式力传感器对低滞后应变式力传感器不锈钢弹性体的需求。
本发明的技术方案是：
本发明公开了一种应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，该热处理工艺主要包括下述步骤：
S1，预处理：将可热处理的应变式力传感器不锈钢弹性体经严格的清洗工序后装入真空高压气淬炉并抽真空到5×10-4～5×10-3Pa；
S2，真空脱气：将经S1步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中缓慢加热到950～980℃并保温3～10小时完成真空脱气；
S3，真空高压气淬：向真空室内通入惰性气体使真空室压强调整到0.01～10Pa，然后将经S2步骤处理的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中继续缓慢加热到1020～1060℃并保温1～3小时使不锈钢的组织转变为奥氏体，最后向真空室内通入高压惰性气体使应变式力传感器不锈钢弹性体快速均匀地冷却到100℃以下以使奥氏体转变为马氏体；
S4，深冷处理：将经S3步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体放入冷处理罐中，缓慢冷却到-50～-100℃并保温1～5小时，使经S3步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体的残余奥氏体转变为马氏体；
S5，真空时效处理：将经S4步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空回火炉中缓慢加热到460～510℃并保温1～4小时，然后随炉冷却到100℃以下；
S6，真空稳定化处理：将经S5步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空回火炉中缓慢加热到120～200℃并保温1～5小时，以消除应变式力传感器不锈钢弹性体的内应力，降低应变式力传感器不锈钢弹性体的弹性滞后，改善其尺寸稳定性，然后随炉冷却到50℃以下。
其进一步的技术方案是：
S1步骤中所述可热处理的应变式力传感器不锈钢弹性体的材料为沉淀硬化马氏体不锈钢；且S1步骤中的所述清洗工序采用超声波清洗、有机溶剂浸泡清洗和有机溶剂蒸汽清洗中的至少一种。
其进一步的技术方案是：
S2步骤真空脱气过程的升温速度为1～5℃/分钟，并在300～500℃和650～750℃分别保温30～60分钟，以减小应变式力传感器不锈钢弹性体在加热时的内应力。
其进一步的技术方案是：
S2步骤真空脱气过程中真空高压气淬炉的热态真空度不低于5×10-3Pa。
其进一步的技术方案是：
S3步骤真空高压气淬的加热和保温阶段向真空室内通入的惰性气体为纯度不低于99.999％的高纯氮气、高纯氩气或高纯氦气，并通过实时调整通入真空室的惰性气体的流量使真空室压强恒定；且其中加热阶段的升温速度为1～2℃/分钟。
其进一步的技术方案是：
S3步骤真空高压气淬的冷却阶段向真空室内通入的高压惰性气体为纯度不低于99.999％的高纯氮气、高纯氩气或高纯氦气，且通入的高压惰性气体的压强控制在0.4～0.8MPa。
其进一步的技术方案是：
S3步骤真空高压气淬的冷却阶段通过调控应变式力传感器不锈钢弹性体附近高压惰性气体的压力和流量实现应变式力传感器不锈钢弹性体不同部位的均匀冷却，以减小应变式力传感器不锈钢弹性体在高压气淬时的内应力；且该S3步骤中冷却阶段的冷却速度为70～160℃/分钟。
其进一步的技术方案是：
S4步骤深冷处理的冷却速度通过调控通入冷处理罐的冷却剂流量来实现，冷却速度为0.1～1℃/分钟。
其进一步的技术方案是：
S5步骤真空时效处理在真空回火炉中进行，且该真空时效处理的热态真空度优于5×10-3Pa，且加热速度为1～2℃/分钟。
其进一步的技术方案是：
S6步骤真空稳定化处理在真空回火炉中进行，且该真空稳定化处理的热态真空度优于5×10-3Pa，且加热速度为1～2℃/分钟。
本发明的有益技术效果是：
发明人在现有技术的基础上，系统深入地研究了热处理工艺对应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体性能的影响规律，发现为了制造出低滞后的沉淀硬化马氏体不锈钢应变式力传感器弹性体，需要同时满足沉淀硬化马氏体不锈钢的气体杂质含量足够低、淬火加热后形成的奥氏体组织均匀细小、深冷处理后残余奥氏体含量足够低、沉淀硬化马氏体不锈钢应变式力传感器弹性体的内应力足够低等多个条件。
(1)本发明通过在真空高压气淬前增加真空脱气工序降低了沉淀硬化马氏体不锈钢的气体杂质；此外，在略低于真空高压气淬加热温度的温度下进行长时间真空脱气，在减少沉淀硬化马氏体不锈钢气体杂质的同时还降低了沉淀硬化马氏体不锈钢真空高压气淬奥氏体化所需的温度和时间，有利于获得细小均匀的奥氏体组织。
(2)真空高压气淬前缓慢升温、冷却阶段的均匀快速冷却、降低深冷处理和真空时效处理的升降温速度、增加真空时效处理后的真空稳定化处理工序等，可大大消除应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的内应力。
(3)深冷处理前应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体低的残余压应力也有利于更多的残余奥氏体转变为马氏体。
(4)在真空高压气淬的加热保温阶段通入一定的惰性气体可抑制沉淀硬化马氏体不锈钢的铬在加热保温阶段的损失。
以上措施综合起来，采用本发明提出的热处理工艺所制造的应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体具有如下优点：首先，其氮、氢、氧杂质含量明显降低，微观组织为细小均匀马氏体基体上弥散分布沉淀相，残余奥氏体完全消除，内应力比现有热处理工艺明显降低；其次，大大降低了应变式力传感器沉淀硬化马氏体不锈钢弹性体的滞后，其滞后不大于70ppm，满足C6等级应变式力传感器对低滞后应变式力传感器不锈钢弹性体的需求。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
具体实施例一：
本具体实施例给出了应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体的热处理工艺，具体操作步骤包括：
1)预处理：应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体经严格超声波清洗后装入真空高压气淬炉并抽真空到2×10-3Pa；
2)真空脱气：将应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中缓慢加热到950℃，升温速度为3℃/分钟，并在400℃和700℃分别保温60分钟，最后在950℃保温10小时完成真空脱气，整个脱气过程中真空室的热态真空度不低于5×10-3Pa；
3)真空高压气淬：先向真空内通入氮气使真空室内压强维持在0.1Pa，再将经真空脱气的应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中继续以2℃/分钟的升温速度加热到1030℃并保温1小时；然后向真空高压气淬炉内通入压强为0.5MPa、纯度不低于99.999％的氮气，根据不同部位的应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体降温速度调整氮气压强和流量，直至工件温度以110℃/分钟的速度降低到100℃以下；
4)深冷处理：将应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体放入冷处理罐中，不断调整通入冷处理罐的干冰速度，使0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体以0.2℃/分钟的冷却速度冷却到-70℃并恒温2小时；
5)真空时效处理：将应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体在真空回火炉中以1℃/分钟的加热速度加热到480℃并保温3小时，热态真空度优于5×10-3Pa，然后随炉冷却到100℃以下；
6)真空稳定化处理：将应变式力传感器0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢弹性体在真空回火炉中以1℃/分钟的加热速度加热到150℃并保温3小时，热态真空度优于5×10-3Pa，然后随炉冷却到50℃以下。
经过本实施实例提出的热处理工艺制造的应变式力传感器不锈钢弹性体滞后为55ppm。
具体实施例二：
本实施例给出了应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体的热处理工艺，具体操作步骤包括：
1)预处理：应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体经过严格的超声波清洗后装入真空高压气淬炉并抽真空到5×10-4Pa；
2)真空脱气：将应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中缓慢加热到950℃，升温速度为2℃/分钟，并在500℃和700℃分别保温45分钟；然后在950℃保温5小时完成真空脱气，整个脱气过程中真空室的热态真空度不低于5×10-3Pa；
3)真空高压气淬：先向真空内通入氮气使真空室内压强维持在0.05Pa，再将经过真空脱气的应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中以1℃/分钟的升温速度继续加热到1040℃并保温1小时；然后向真空高压气淬炉内通入压强为0.4MPa、纯度不低于99.999％的氮气，根据应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体不同部位的降温速度调整氮气压强和流量，直至工件温度以85℃/分钟的速度降低到100℃以下；
4)深冷处理：将应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体放入冷处理罐中，不断调整通入冷处理罐的液氮流量，使应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体以0.3℃/分钟的冷却速度冷却到-100℃并恒温2小时；
5)真空时效处理：将应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体在真空回火炉中以1℃/分钟的加热速度加热到480℃并保温3小时，热态真空度优于5×10-3Pa，然后随炉冷却到100℃以下；
6)真空稳定化处理：将应变式力传感器17-4PH不锈钢弹性体在真空回火炉中以1℃/分钟的加热速度加热到120℃并保温5小时，热态真空度优于5×10-3Pa，然后随炉冷却到50℃以下。
经过本实施实例提出的热处理工艺制造的应变式力传感器不锈钢弹性体滞后为65ppm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，主要包括下述步骤：
S1，预处理：将可热处理的应变式力传感器不锈钢弹性体经严格的清洗工序后装入真空高压气淬炉并抽真空到5×10-4～5×10-3Pa；
S2，真空脱气：将经S1步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中缓慢加热到950～980℃并保温3～10小时完成真空脱气；
S3，真空高压气淬：向真空室内通入惰性气体使真空室压强调整到0.01～10Pa，然后将经S2步骤处理的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空高压气淬炉中继续缓慢加热到1020～1060℃并保温1～3小时使不锈钢的组织转变为奥氏体，最后向真空室内通入高压惰性气体使应变式力传感器不锈钢弹性体快速均匀地冷却到100℃以下以使奥氏体转变为马氏体；
S4，深冷处理：将经S3步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体放入冷处理罐中，缓慢冷却到-50～-100℃并保温1～5小时，使经S3步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体的残余奥氏体转变为马氏体；
S5，真空时效处理：将经S4步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空回火炉中缓慢加热到460～510℃并保温1～4小时，然后随炉冷却到100℃以下；
S6，真空稳定化处理：将经S5步骤处理后的应变式力传感器不锈钢弹性体在真空回火炉中缓慢加热到120～200℃并保温1～5小时，然后随炉冷却到50℃以下。
2.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S1步骤中所述可热处理的应变式力传感器不锈钢弹性体的材料为沉淀硬化马氏体不锈钢；且S1步骤中的所述清洗工序采用超声波清洗、有机溶剂浸泡清洗和有机溶剂蒸汽清洗中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S2步骤真空脱气过程的升温速度为1～5℃/分钟，并在300～500℃和650～750℃分别保温30～60分钟。
4.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S2步骤真空脱气过程中真空高压气淬炉的热态真空度不低于5×10-3Pa。
5.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S3步骤真空高压气淬的加热和保温阶段向真空室内通入的惰性气体为纯度不低于99.999％的高纯氮气、高纯氩气或高纯氦气，并通过实时调整通入真空室的惰性气体的流量使真空室压强恒定；且其中加热阶段的升温速度为1～2℃/分钟。
6.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S3步骤真空高压气淬的冷却阶段向真空室内通入的高压惰性气体为纯度不低于99.999％的高纯氮气、高纯氩气或高纯氦气，且通入的高压惰性气体的压强控制在0.4～0.8MPa。
7.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S3步骤真空高压气淬的冷却阶段通过调控应变式力传感器不锈钢弹性体附近高压惰性气体的压力和流量实现应变式力传感器不锈钢弹性体不同部位的均匀冷却；且该S3步骤中冷却阶段的冷却速度为70～160℃/分钟。
8.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S4步骤深冷处理的冷却速度通过调控通入冷处理罐的冷却剂流量来实现，冷却速度为0.1～1℃/分钟。
9.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S5步骤真空时效处理在真空回火炉中的热态真空度优于5×10-3Pa，且加热速度为1～2℃/分钟。
10.根据权利要求1所述的应变式力传感器不锈钢弹性体的热处理工艺，其特征在于，S6步骤真空稳定化处理在真空回火炉中的热态真空度优于5×10-3Pa，且加热速度为1～2℃/分钟。
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