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地磅传感器弹性体开裂分析与处理

发布时间:2017-08-03

地磅传感器弹性体开裂分析与处理
地磅是汽车运输物资的常用计量设备,某企业在2003年10月份安装了1台100吨地磅,主要用于企业自产硫精矿、铁精矿、铜精矿以及外购原煤等物料入库和出库的计量。该地磅在使用一年后发现其计量误差较大,经检查发现有部分传感器已倾斜,垂直度不够,取出1只传感器后发现传感器弹性体六角头已开裂,将其余7只传感器取出发现均有此现象。另外,部分传感器弹性元件一侧有明显磨损,更换传感器后运行正常。2005年底此现象再次发生,该地磅传感器平均使用寿命低于一年。为了彻底解决此问题,对开裂的传感器弹性体进行综合分析,并校正传感器,使之保持垂直。通过改进传感器热处理工艺,提高了弹性体抗应力腐蚀系数。

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传感器弹性体开裂原因
1.试验方法。采用光学显微镜和扫描电镜分析失效弹性体裂纹和断口特征,扫描电镜型号JXA-840AEPMA;用X衍射技术分析失效弹性体表面残留物成分,X衍射仪型号D/max-rC,扫描角度10°?80°,扫描速度3°/min;用ANSYS有限元App分析弹性体受载时弹性体六角头应力分布。
2.失效分析。失效开裂2Cr13弹性体化学成分(质量分数)如下:C为0.195%,Mn为0.23%,P为0.027%,S为0.01%,Si为0.50%,Cr为12.52%,Ni为0.12%,Cu为0.12%,V为0.02%,其余为Fe。弹性体采用真空热处理,弹性体屈服强度要求大于1000MPa。沿失效弹性体纵向制备小型拉伸试棒测试力学性能,结果为抗拉强度1470MPa,屈服强度1100MPa,延伸率11.5%,断面收缩率50%,硬度46HRC。弹性体工作时,六角头部位垂直朝下,弹性体六角头与连接件接触,该弹性体工作时承受的垂直压力一般在10?30吨之间。表面残留物提取及清洗后,失效2Cr13弹性体如图1(a)所示。六角头上出现多条裂纹,裂纹均起源于六角头侧面,然后向六角头心部延伸。在距离弹性体端部6mm深处横向切开六角头,试样经研磨抛光和超声波清洗。图1(b)显示,该部位弹性体已被裂纹贯穿,距离弹性体端面一定距离处要先于弹性体端面形成贯穿裂纹,这和弹性体受压时六角头端面受压应力而侧面一定范围内受拉应力有关。
选取图1(b)中C、D部位制备试样,试样经酸蚀后微观组织分别对应于图(c)和图(d),基体为回火马氏体组织,晶粒度7级。由图1(c)、1(d)可见,裂纹起源于弹性体表面,然后沿晶界向内部发展,并呈“树根”状分布。用X衍射技术分析失效弹性体表面残留物成分,残留物X衍射结果见图2。X衍射结果显示弹性体使用
环境中含有大量硫化物,扫描电镜能谱进一步分析表明,残留物中硫元素含量达到4.0%(重量百分比)
采用ANSYS有限元App,选用Solid45单元建模并分析弹性体轴向受载30吨时的应力分布,弹性体六角头分析结果见图3。六角头端面是半径为160mm球面,弹性体轴向受压时,六角头端面受压应力,边缘受拉应力,应力是从六角头中心部位受压逐步向边缘受拉过渡。计算表明,六角头最大拉应力不在端面边缘,而是在距离端面6?9mm处六角头侧面的小平面上(图1(a)箭头所示),六角头侧面上周向最大拉应力为127MPa(图3中MX表示)。有限元分析结果和图1(a)、1(b)裂纹特征一致。
地磅传感器弹性体开裂分析与处理
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失效弹性体化学成分、力学性能和晶粒度的测试结果正常,弹性体采用真空热处理,加之该弹性体材料碳含量为0.195%,可排除淬火裂纹可能性。由图1可知,失效弹性体存在多个裂纹源,裂纹沿晶界扩展,并呈“树根”状分布,裂纹具有应力腐蚀特征。拉应力和腐蚀介质是金属发生应力腐蚀开裂的两个必备外部条件。有限元分析表明,当弹性体受30吨加载时,弹性体六角头侧面存在最大127MPa拉应力,虽然拉应力值远低于材料屈服强度,但对于应力腐蚀开裂,当拉应力超过该材料应力腐蚀开裂门槛值时裂纹即萌生和扩展。失效弹性体表面残留物分析结果表明,该弹性体使用环境中存在大量FeS2,硫含量达到4.0%。在硫化物环境中,不锈钢抗应力腐蚀开裂能力将被大大削弱,硫化物致使不锈钢开裂已有大量的文献报道,这些研究认为,硫化物开裂实际上是氢脆所致。2Cr13虽属不锈钢,但其碳高、铬低,中温回火可导致晶界贫铬和回火脆性,促进应力腐蚀开裂。
此外,因弹性元件性能需要,弹性体屈服强度高于1000MPa,在硫化物环境中,当不锈钢强度超过690MPa,材料将有明显应力腐蚀倾向,应力腐蚀倾向随材料强度增加而显着。
改进措施
传感器弹性体选用2Cr13马氏体不锈钢,2Cr13淬火后经高温回火具有良好的抗弱腐蚀介质能力和综合机械性能,其调质态组织在汽轮机、医疗器械和塑料模具等行业得到广泛应用。中温回火条件下,2Cr13钢还具有较高的屈强比和优良的滞弹性、常温蠕变等性能,该钢还可作为称重传感器弹性体使用。作为传感器的关键元件,弹性体强度对传感器性能起到至关重要作用。为保证传感器计量性能,对传感器弹性体加工工艺采取两点改进措施:①不锈钢淬火温度控制在1000°C左右,采用保护气氛或真空,延长回火时间,回火温度控制在200C-250C之间;②采用电镀--镀铭的表面处理方法。经调整弹性体热处理工艺和表面处理方式,2Cr13弹性体热处理后屈服强度要求高于1000MPa。试验表明,新工艺传感器应力腐蚀开裂敏感性指数从以前的70%降到了12%。
应力腐蚀试验和现场应用验证
1.应力腐蚀试验。采用慢应变应力腐蚀试验方法(SSRT)验证和对比工艺改进前后2Cr13弹性体抗应力腐蚀能力,应力腐蚀试验条件:常温,应变速率4.17X10-5S-1,3.5%NaCl+0.5%HAc水溶液。有限元分析表明,当弹性体受30吨加载时,弹性体六角头侧面存在最大103MPa拉应力,较未改进工艺前有所减小。
2.现场应用验证。该传感器生产工艺改进后,于2006年7月份安装应用,至今未出现类似现象,其计量性能良好,该地磅经多次检定均合格,且检定数据证明各项指标良好,改进后的传感器性能良好现仍在应用。
结论
1.应力腐蚀开裂是GD传感器开裂的根本原因。硫化物环境和弹性体受载时六角头侧面形成的拉应力是GD弹性体应力腐蚀开裂的诱导因素。
2.经调整弹性体热处理工艺和表面处理方式,SSRT试验表明,新GD应力腐蚀开裂敏感性指数从以前的70%降到了12%。
3.特殊环境下工业企业在选择地磅时,应当对使用环境加以明示,并保证地磅的使用环境达到使用要求。

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