О металле, который применяется в производстве тензометрических датчиков

21.12.2015 | 15:25:52

На качество тензометрического датчика влияют многие факторы, главенствующую роль из которых занимает металл, из которого датчик изготовлен. Производители тензометрических датчиков за время своего существования прошли длительный путь, который состоял из ошибок и проб касаемо выбора идеального материала для производства качественной продукции. Именно поэтому эту статью мы хотим посвятить столь важной составляющей тензодатчика - качеству металла.

Металлы, которые применяются в производстве тензодатчиков в КНР

Сталь марки 4340

Впервые для производства тензодатчиков легированная сталь была использована в 1938 году. Датчики колонного типа были первыми тензодатчиками, которые были произведены в большом количестве. Такие тензодатчики изготавливались из легированной марки стали 40CrNiMoA (по стандарту США AISI - 4340). Оптимальной маркой стали для производства тензометрических датчиков является сталь 40CrNiMoA. Она является так называемым «королем» среди легированных типов сталиРаньше первым делом осуществляли механическую черновую обработку упругого элемента, а после производили термообработку или закалку стали. После этого осуществляли шлифовку (чистовую механическую обработкуупругого элемента.

 Сталь марки 17-4 PH

 

          Данная марка стали применяется для изготовления нержавеющих тензометрических датчиков. Она представляет собой хромоникелевый сплав нержавеющей стали. Технология осуществления закалки такой стали достаточно проста.  Марка 17-4 PH в шесть раз устойчивее к процессу коррозии, нежели марка стали 4340. Если сравнивать марку 17-4 PH с нержавеющей маркой стали 18-8, то она может термически обрабатываться до твердости со значением 40-45 единиц по шкале Роквела, а этот показатель свидетельствует об оптимальной твердости, которая существует для упругих элементов тензометрических датчиков. Недостаток марки 17-4: ее характеристики гистерезиса несколько выше, нежели у марки 4340.

Сплав марки Y12.

          Ее российским аналогом является марка стали Д16Т. Данная марка стали является оптимальным сплавом для производства алюминиевых тензометрических датчиков. Данному сплаву присущи характеристики, близкие к марке стали 4340. Из этих трех рассматриваемых марок марка 2024T351 занимает третье почетное место среди популярных материалов, используемых для производства датчиков.

Металлы, которые применяются в зарубежном производстве

         Чаще всего в зарубежном производстве тензодатчиков используют пять доминирующих сплавов металлов.

1.   Сплав 40CrNiMoA.


           Его российским аналогом является сталь 40ХНМ.  Данный сплав является распространенным и используется в зарубежном производстве тензодатчиков достаточно часто. Использование данного вида стали позволяет достигать разрешающей способности тензодатчиков в 5000-10000 делений в соответствии с классами точности OIML C3 либо NTEP.

          В странах Азии существует только один металлургический завод, который производит данный сорт металла надлежащего качества. Он пригоден для производства упругих элементов тензодатчиков. Марка легированной стали 40CrNiMoA на рынке в Азии продается по 2170 USD за одну тонну. Другие заводы в Азии также выпускают марку стали 40CrNiMoA  стоимостью 1610 USD за одну тонну. В такой разнице в цене есть подвох. Чистота такого металла и соблюдение химического состава произведенных партий не гарантируется. Соответственно качество такого сплава нестабильно. Сегодня наблюдается тенденция резкого повышения стоимости этой марки стали на рынке Азии вследствие постоянно растущего спроса на сталь для производства тензометрических датчиков.

2.   Марка 40CrNiMo

           Сталь марки 40CrNiMo отлична от марки 40CrNiMoA. Значок «А» говорит о том, что сталь подвергается двойному электрошлаковому переплаву, а это значительно повышает качество стали.  Без значка «A», сталь 40CrNiMo автоматически причисляется к «С» или «В» классу, то есть к классу более низкого качества. Такой материал не соответствует всем требованиям, предъявляемым к классу «А» и поэтому является непригодным для производства тензометрических датчиков.

          Многие китайские производители придерживаются мнения, что тензометрические датчики, произведенные из стали такого качества могут достигать класса точности C3. И в действительности это происходит в очень редких случаях. Вывод: сталь марки 40CrNiMo является нестабильным материалом для производства датчиков. Мы не рекомендуем его использование там, где требуется надежность и высокая точность тензодатчиков.

3.   Марка стали 40CrNi.


           Ее российским аналогом является сталь 40ХН. Данная марка стали не так качественна, как CrNiMo, да и стоит она дешевле. По температурным и упругим характеристикам такая сталь считается нецелесообразной для производства упругих элементов датчиков. Не смотря на это, некоторые китайские производители по сей день используют ее в производстве.

     4. Марка стали 40Cr

         Ее российским аналогом является сталь 40ХН. Преимущественно именно ее используют в своем производстве китайские производители сегодня. Этот металл достаточно дешевый и стоит 610 USD за одну тонну. Сорт металла не может подвергаться термообработке до значения 40-45 по шкале Роквела. Материал слишком хрупкий и непластичный и поэтому требования к вязко-упругим характеристикам упругих элементов датчиков не соблюдаются в полной мере, он неравномерно кристаллизуется, с концентрациями напряжений и разрывами. По этим причинам из него невозможно производить качественные тензометрические датчики.

         При нагрузке упругого элемента, изготовленного из данного сорта стали, механические напряжения распределяются в нем неравномерно, так как стали присущи низкие упругие свойства. Поэтому-то и поле деформации, которое воспринимается (измеряется) тензорезисторами тоже является неравномерным.

      5. Сталь 42CrMo

          Данный сорт стали, вероятно, считается "модным" на некоторых китайских заводах. Его применение становится популярным изо дня в день. Многочисленные испытания стали 42CrMo показали, что он несколько лучше марки 40Cr. Но все-таки он является недостаточно пригодным для производства датчиков. Главной причиной его использования является его низкая стоимость. В сравнении с маркой стали 40CrNiMoA, он дешевле на 970 USD за одну тонну.

          Существует и другая причина, о которой вслух не говорят: производители КНР открыто утверждают, что не применяют в своем производстве марку стали 40Cr. Так, они дезинформируют покупателя о фактическом качестве выпускаемого продукта!

Нержавеющая сталь, которая используется в  производстве тензодатчиков в Китае

         Существует три марки нержавеющей стали, которые используются для производства датчиков, часто встречаемых заграницей.

1. Марка 17 - 4PH.

         Впервые данную марку нержавеющей стали для производства датчиков применила компания Armco Stainless Corporation of the United States. Марке присущи все соответствующие характеристики для производства тензодатчиков. Его применяют в своем производстве мировые известные производители.

2. Марка 0Cr17N4Cu4Nb.

         Данный сорт нержавеющей стали является азиатским аналогом марки нержавеющей стали 17- 4PH . Марке присущи химический состав и механические свойства, очень схожие с маркой 17 - 4PH. Лишь один азиатский сталелитейный завод имеет достаточный опыт производства такой нержавеющей стали для изготовления датчиков. Исключением является только Япония.

3.   Марка 2Cr13.

        Данную марку нержавеющей стали можно отнести к легированной стали. В действительности, она известна как «имитация нержавеющей стали» или «нержавеющее железо». Марка 2Cr13 очень схожа с маркой 40Cr. Разница лишь в том, что коррозионная стойкость и нижний предел прочности несколько лучше, чем у марки стали 40CrNiMoA. И все-таки, вряд ли ее можно сравнить с маркой 0Cr17N4Cu4Nb с точки зрения  долговечности и коррозионной стойкости.

         Многократные испытания свидетельствуют о том, что через несколько дней после погружения в воду, тензодатчики работают некорректно и скорее всего Вам в скорости понадобится гарантийное обслуживание прибора. Параметры марки 0Cr17N4Cu4Nb значительно выше. Такой материал устойчив к коррозии. Стоимость марки стали 2Cr13 составляет 2410 USD за одну тонну. Китайские "умельцы" применяют в своем производстве этот класс стали и производят на свет поддельные нержавеющие тензодатчики.

Алюминий, который применяется  в китайском производстве

         Сегодня существует два завода в Азии, которые занимаются производством алюминия Y12 близкого к марке 2024 (Northwest Aluminum, Southwest Aluminum).  Марка Y12 является целесообразной в производстве тензодатчиков. В своем производстве большинство китайских производителей применяют переработанный алюминий по причине его дешевизны. С экономической точки зрения это является целесообразным, но есть место следующим недостаткам:


1. В составе переработанного алюминия содержится множество примесей тяжелых металлов.

2. Переработанный алюминий имеет удельный вес выше, чем марка стали 2024T351.

3. Он неоднороден. В связи с этим по окончанию процесса экструзии материал становится «волнистым». Иногда это принимают за машинные отметины.

4. Тензодатчики, произведенные из переработанного алюминия, работают гораздо хуже, чем из марок 2024 или Y12. Этот факт напрямую влияет на качество выпускаемого продукта и на Вашу репутацию!

           При производстве тензометрических датчиков кроме использования качественного материала важно обращать внимание на другие процессы: удачное конструкторское решение, правильная закалка металла, обработка поверхности (гальваническое покрытие), качественная механическая обработка (шлифовка), правильный выбор полимерных компонентов и кабелей. Если в производстве тензодатчиков все указанные выше процессы учтены, то этот продукт готов к использованию!

 

Профессор, инженер компании ZEMIC USA Inc.

Доктор Чан.