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）
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。
