專利名稱：包含磁彈性合金層的測(cè)量裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含形成在承載構(gòu)件上的磁彈性合金(magnetoelastic alloy )層的測(cè)量裝置及其制造方法，所述層意圖用于測(cè)量由施加到承載 構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力。施加到承載構(gòu)件上的力為例如拉力、壓縮力或 扭矩。
根據(jù)本發(fā)明的方法可用于在承載構(gòu)件上具有測(cè)量層的所有類型的 測(cè)量裝置。測(cè)量裝置測(cè)量例如由施加到承載構(gòu)件上的拉力、壓縮力和扭 矩引起的層中的應(yīng)力和/或應(yīng)變。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置可用作單獨(dú)的 部件，用于在出于不同的原因關(guān)注測(cè)量承載構(gòu)件上的力的所有這類應(yīng)用 中。測(cè)量裝置可例如被用于但不限于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、飛機(jī)、噴氣發(fā) 動(dòng)機(jī)、自行車、齒輪箱、汽車中的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置、工具、螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī) 或直升機(jī)中的力。
背景技術(shù)：
具有形成在例如軸的承載構(gòu)件的表面上的測(cè)量應(yīng)力的磁彈性或磁 致伸縮層的類型的扭矩傳感器在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。承載構(gòu)件的 目的是向應(yīng)力測(cè)量層傳送負(fù)載。磁彈性材料是當(dāng)承載力時(shí)改變其磁導(dǎo)率 (permeability)的材料。磁彈性材料的例子是鐵、鎳、鈷和稀土金屬 或它們的合金。在本申請(qǐng)中使用的術(shù)語"磁彈性"和"磁致伸縮"是同義 的。通過不同的方法，例如通過鍍敷、熱噴涂、金屬噴涂、噴槍涂覆、 焊接或膠合，在構(gòu)件的表面上形成磁彈性層。
WO0144770示出用于測(cè)量軸中的扭矩的磁致伸縮傳感器的例子， 其中，傳感器包含軸的至少一個(gè)活動(dòng)的磁致伸縮區(qū)域。磁致伸縮區(qū)域包 含一個(gè)或更多個(gè)的磁致伸縮材料層。通過鍍敷進(jìn)行該層的施加。在鍍敷 之后可在150。C和300。C之間進(jìn)行穩(wěn)定化的熱處理。在某些應(yīng)用中，還 可考慮更高的溫度。本專利申請(qǐng)涉及諸如純鎳的磁致伸縮材料，在這種 情況下高于300。C的加熱會(huì)導(dǎo)致線性偏差增加。因此，對(duì)于這種類型的 傳感器應(yīng)避免高于300°C的加熱。希望能夠在較大的負(fù)載范圍內(nèi)測(cè)量機(jī)械應(yīng)力。例如，在汽車工業(yè)中，
希望測(cè)量至高200 300MPa的扭矩引起的剪切應(yīng)力。此外，希望找到這 樣一種扭矩測(cè)量裝置，即，該扭矩測(cè)量裝置由于耐機(jī)械疲勞和熱疲勞性
而具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，并且是線性的，即來自測(cè)量裝置的輸出信號(hào)基 本上與承栽構(gòu)件上的負(fù)栽成比例。此外，希望減小或者甚至消除來自測(cè) 量裝置的輸出信號(hào)的蠕變，即，在恒定的負(fù)栽下，輸出信號(hào)不應(yīng)改變其 值。應(yīng)當(dāng)避免輸出信號(hào)的滯后，因?yàn)樗黾訙y(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在承載構(gòu)件上形成層的方法，該方法 使得能夠考慮到上述希望中的一個(gè)或更多個(gè)并且在不明顯改變承載構(gòu) 件的重要性能的情況下制造用于測(cè)量在層中引起的應(yīng)力的改進(jìn)的裝置。
通過在權(quán)利要求1中限定的方法實(shí)現(xiàn)該目的。
這種方法包括在構(gòu)件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁 彈性合金的納米晶層；和對(duì)該層進(jìn)行熱處理，直到出現(xiàn)合金的結(jié)晶化并 且平均晶粒尺寸變成100~10000nm。
出人意料的是發(fā)現(xiàn)將平均晶粒尺寸小于50nm的某些組成的磁彈性 合金的納米晶層加熱到依賴于合金組成而導(dǎo)致合金結(jié)晶化的某一溫度， 這大大改進(jìn)該層的應(yīng)力測(cè)量性能。必要的是，合金被加熱到的溫度低于 合金的熔點(diǎn)。否則，將不能獲得所希望的性能。用根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí) 現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是，通過該方法制造的測(cè)量層在大的負(fù)載范圍上是基本線性 的，具有低的滯后，并且對(duì)于老化和疲勞具有改進(jìn)的穩(wěn)定性。
實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)被熱處理到高于350。C但低于該層的熔點(diǎn)的溫度時(shí)， 以某些范圍包含鐵、鎳和其它合金化元素的合金實(shí)現(xiàn)希望的結(jié)晶化并獲 得希望的性能。但是，雖然沒有試驗(yàn)，但是，使用根據(jù)本發(fā)明的方法， 某些比率的合金化元素的其它組合很有可能實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。本領(lǐng)域技 術(shù)人員可通過適當(dāng)?shù)牟僮靼l(fā)現(xiàn)該方法是否還對(duì)其它的合金化元素起作 用以及在哪些范圍內(nèi)起作用。例如，鐵和鈷的組合或鎳和鈷的組合可能 會(huì)實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。
為了在寬的應(yīng)力幅度的范圍上實(shí)現(xiàn)線性行為，重要的是避免磁感應(yīng) 強(qiáng)度的飽和，由此意味著需要適中(moderate)的磁導(dǎo)率。與外部應(yīng)力 的磁彈性交互作用的能量密度與外部磁場(chǎng)的磁交互作用的能量密度成正比。該比例特性依賴于諸如飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、飽和磁致伸縮的磁學(xué)性 能、磁化場(chǎng)、應(yīng)力以及磁疇的尺寸。磁疇尺寸與磁導(dǎo)率成比例。為了設(shè) 計(jì)具有適中的磁導(dǎo)率的材料，必須實(shí)現(xiàn)小的磁疇尺寸。為此， 一種方法 是制造晶粒尺寸足夠大以容納單一的磁疇而又足夠小以僅容納僅僅一 個(gè)或幾個(gè)磁疇的材料的顯微結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)該顯微結(jié)構(gòu)的最小晶粒尺寸在微
米尺度的分?jǐn)?shù)量級(jí)。平均晶粒尺寸小于50nm的的納米晶層提供用于結(jié) 晶化并制造所述顯微結(jié)構(gòu)的有利條件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述層的平均晶粒尺寸為 100 5000nm、優(yōu)選為100 1000nm、最優(yōu)選為200 500nm。因此，產(chǎn)生 使得磁疇結(jié)構(gòu)與晶粒結(jié)構(gòu)一致的更有利的條件。
如在"Handbook of Magnetic Materials", Vol. 10， 1997， ISBN 0444825991， Herzer的第3章"Nanocrystalline soft magnetic alloys",第 415~461頁中描述的那樣，對(duì)于諸如Ni-Fe的磁性合金，在晶粒尺寸和 矯頑力之間存在關(guān)聯(lián)。這意味著上述的有利的晶粒尺寸會(huì)具有某些范圍 內(nèi)的矯頑力。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該層被熱處理到高于300。C但低于所 述層的熔點(diǎn)、優(yōu)選處于350~1000°C的范圍內(nèi)、最優(yōu)選處于400~800°C 的范圍內(nèi)的溫度。為了實(shí)現(xiàn)希望的結(jié)晶化，該層必須被熱處理到高于合 金的結(jié)晶化溫度的溫度。因此，熱處理的溫度依賴于合金的組成。例如， 對(duì)于所關(guān)注的Ni-Fe組成，結(jié)晶化溫度為350~450。C，由此熱處理的溫 度必須超過該溫度。如果該層被熱處理到400 800°C的溫度，那么更容 易獲得優(yōu)選的晶粒結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述合金包含23~65wt% (重量百分 比)、優(yōu)選30~60wt%、最優(yōu)選35 55wt。/。的鐵。已證明將包含23~65wt% 的鐵的合金熱處理到高于350。C的溫度降低該層的線性偏差并由此改 進(jìn)其測(cè)量性能。將包含30 60wt。/。的鐵的合金熱處理到高于350。C的溫 度進(jìn)一 步降低線性偏差并進(jìn)一步改進(jìn)合金的測(cè)量性能。將包含 35 55wt。/。的鐵的合金熱處理到高于350。C的溫度大大降低線性偏差并 由此大大改進(jìn)合金的測(cè)量性能。試驗(yàn)表明，將包含少于20wtY。的鐵的 合金熱處理到高于350。C的溫度具有相反的效果，即，線性偏差增加， 這導(dǎo)致較差的測(cè)量性能。耐機(jī)械疲勞和熱疲勞性需要熱力學(xué)穩(wěn)定性以及穩(wěn)定的磁學(xué)性能。
Ni-Fe合金系在23~65%Fe的合金化范圍內(nèi)給出這些性能。在最高為 20%的合金化范圍內(nèi)，對(duì)于高的工作溫度來說，熱力學(xué)穩(wěn)定性是不夠的， 此外，在約20 23。/。Fe的合金化范圍內(nèi)，諸如磁致伸縮和晶體各向異性 的性能改變符號(hào)并顯示出對(duì)于化學(xué)組成和制造方法的強(qiáng)烈依賴性。在 Ni中的Fe高于65%時(shí)，接近磁彈性性能不適于本發(fā)明的目的因瓦合金 范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述合金還包含35~77wt%、優(yōu)選 40~70wt%、最優(yōu)選45 65wt。/。的鎳。當(dāng)具有處于這些范圍內(nèi)的鎳和鐵 含量的合金根據(jù)本發(fā)明受到熱處理時(shí)，形成特別有利的Ni-Fe結(jié)構(gòu)，該 Ni-Fe結(jié)構(gòu)具有處于希望的間隔和希望的磁疇內(nèi)的平均晶粒尺寸。該 Ni-Fe結(jié)構(gòu)具有特別有利的磁彈性性能并由此具有改進(jìn)的測(cè)量性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述合金包含少于10wt。/。的一種或更 多種其它合金化元素。所述的其它合金化元素例如為鈷、硅、硼、硫、 碳、氧、氮、鋁、鍺、鈦、鉬、鈮、銀和銅。為了實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的測(cè)量性能， 所述合金可以包含少于10wt。/。的其它合金化元素。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述層被熱處理少于30秒的時(shí)間段。 加熱時(shí)間不是關(guān)鍵的，只要滿足對(duì)于相對(duì)磁導(dǎo)率和微分磁導(dǎo)率的要求即 可。 一旦出現(xiàn)了結(jié)晶化，就可完成加熱。熱處理應(yīng)優(yōu)選盡可能地快，以 避免對(duì)于承栽構(gòu)件的加熱并由此使其性能劣化、諸如使構(gòu)件硬化。由于 感應(yīng)加熱迅速并且提供該層的局部加熱，因此使用感應(yīng)加熱進(jìn)行熱處理 是有利的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，通過電鍍?cè)跇?gòu)件上形成所述層。為了 實(shí)現(xiàn)希望的晶粒尺寸的納米晶層，電鍍是合適的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，對(duì)所述層進(jìn)行熱處理，直到出現(xiàn)合金 的結(jié)晶化，并且相對(duì)磁導(dǎo)率變得小于500且最大微分磁導(dǎo)率變得小于相 對(duì)磁導(dǎo)率的兩倍，兩者均是在幅度小于1500A/m的磁化場(chǎng)中測(cè)量的。 當(dāng)滿足對(duì)于相對(duì)磁導(dǎo)率和最大微分磁導(dǎo)率的這些要求時(shí)，磁化曲線基本 上是直的，這意味著沒有發(fā)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和。由于具有這種層的傳 感器具有作為負(fù)載的函數(shù)而基本上線性的輸出信號(hào)，因此，這是有利的。
本發(fā)明的另 一 目的是提供包含形成在承栽構(gòu)件上的磁彈性合金層的測(cè)量裝置，該裝置在上述希望中的一個(gè)或更多個(gè)方面得到改進(jìn)。
通過在權(quán)利要求12中限定的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)該目的。
這種測(cè)量裝置在大的負(fù)載范圍上是基本上線性的，具有低的滯后， 并且對(duì)于老化和疲勞具有改進(jìn)的穩(wěn)定性。
對(duì)于制造用于測(cè)量諸如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng) 裝置的扭矩的傳感器來說，本發(fā)明是特別有用的，這是因?yàn)樗圃斓呐?矩傳感器在這種應(yīng)用的希望的負(fù)載范圍內(nèi)是線性的。


現(xiàn)在通過本發(fā)明的不同實(shí)施方案的說明并參照附圖更緊密地解釋 本發(fā)明。
圖l表示包含覆蓋有磁彈性層的承載構(gòu)件的測(cè)量裝置的例子。
圖2表示鍍敷的納米晶磁彈性層在熱處理之前的磁化曲線的例子。
圖3表示鍍敷的磁彈性層在熱處理到350 1000°C的溫度之后的磁 化曲線的例子。
圖4表示鍍敷的磁彈性層在熱處理到高于1000。C的溫度之后的磁 化曲線的例子。
圖5是表示不同類型的磁彈性層的線性偏差隨剪切應(yīng)力變化的圖。
具體實(shí)施例方式
圖l表示包含承載構(gòu)件的測(cè)量裝置的例子，該承載構(gòu)件采用被配置為 在任何類型的機(jī)械傳動(dòng)中傳送扭矩的旋轉(zhuǎn)軸l的形式。該裝置適于測(cè)量施 加到承載構(gòu)件上的扭矩。承栽構(gòu)件由具有足夠的剛度的材料例如鋼制成。 在軸1上設(shè)置磁彈性區(qū)域2。磁彈性區(qū)域2包含在所述區(qū)域2中具有基本 上連續(xù)的延伸度和厚度的磁彈性材料的第一層3。在該實(shí)施方案中，磁彈 性層3是通過m形成的，并且主要由鐵和鎳構(gòu)成。在第一層3上設(shè)置連 續(xù)條帶形式的第二層4。第二層4在第一層3上形成表面圖案。此外，測(cè) 量裝置包含為測(cè)量裝置提供交變磁場(chǎng)的繞組5a-b。例如在國(guó)際專利申請(qǐng) WO01/44770中更詳細(xì)地說明了這種類型的測(cè)量裝置。本發(fā)明涉及第一磁 彈性層3以及這種層的制造方法。
定義相對(duì)磁導(dǎo)率=丄4，這里，最大磁化場(chǎng)々是1500A/m，并且，磁
感應(yīng)強(qiáng)度》是對(duì)非負(fù)載層測(cè)得的。 微分相對(duì)磁導(dǎo)率 =丄！
最大口diff是沿磁化曲線的最大微分相對(duì)磁導(dǎo)率；
^是最大磁化場(chǎng)；
5是々下的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
;/。是自由空間磁導(dǎo)率；
矯頑力是在飽和磁化之后將磁感應(yīng)強(qiáng)度B恢復(fù)到零所需要的反向 磁化場(chǎng)；
^是晶間物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)。
根據(jù)本發(fā)明，如果對(duì)于未負(fù)載層的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線的測(cè)量滿足以下的 條件，那么獲得具有改進(jìn)的測(cè)量性能的層
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因此，對(duì)于口r的要求是口r〈500，并且，對(duì)于口礎(chǔ)的要求是對(duì)小于1500A/m
的最大磁化場(chǎng)而測(cè)量的口diff〈2口r。當(dāng)滿足對(duì)于口r和口diff的這些要求時(shí)，磁化
曲線基本上是直的，這意味著沒有發(fā)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和。由于這使得能 夠制造具有這種層的傳感器，該傳感器具有作為負(fù)載的函數(shù)的線性輸出信 號(hào)，因此，這是有利的。
以下說明在構(gòu)件1上形成磁彈性層3的方法。在第一步驟中，在承載 構(gòu)件1的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁彈性合金的納米晶體層。 小于50nm的平均晶粒尺寸《_有利的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致在該方法的下一步驟中 晶粒的快速生長(zhǎng)。如果晶粒尺寸太大，那么將不發(fā)生所希望的結(jié)晶。優(yōu)選 地，該層應(yīng)具有各向同性的質(zhì)構(gòu)和同型的晶粒結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@代表所希望的 結(jié)晶的良好開端。
在該實(shí)施方案的實(shí)施例中，通過電鍍進(jìn)行所述形成。但是，也可以使 用諸如PVD (物理氣相沉積)法、CVD (化學(xué)氣相沉積)法、金屬噴涂、 爆炸噴槍、焊接和膠合的其它方法。層的厚度一般在10 500pm的范圍內(nèi)。 這種層的平均晶粒尺寸小于50nm并例如為10 15nm。磁彈性層例如由約40wt。/o的鐵、約60wt。/。的鎳和小于lwtVo的其它合金化元素構(gòu)成。
通過鍍敷形成的層為處于亞穩(wěn)的結(jié)晶狀態(tài)的納米晶或非晶。該層;l硬 的。在層中可出現(xiàn)高的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)該層時(shí)效或在較高的溫度下使用時(shí)，層 的機(jī)械性能和磁學(xué)性能改變。當(dāng)該層遭受反復(fù)的 拉伸時(shí)，機(jī)械性能和 磁學(xué)性能也改變。對(duì)于傳感器來說，這種隨裝置的壽命改變性能的傾向是 不好的品質(zhì)。
圖2表示在構(gòu)件上形成磁彈性層之后、在對(duì)其進(jìn)行熱處理之前測(cè)量的、 該磁彈性層上的三種不同負(fù)載的磁化曲線，即BH曲線。細(xì)實(shí)線曲線表示 -lOOMPa壓縮應(yīng)力。虛線表示+100MPa拉伸應(yīng)力。粗實(shí)線表示未負(fù)載OMPa 層。當(dāng)BH曲線彎曲時(shí)出現(xiàn)磁感應(yīng)飽和。從曲線可以看出，在零負(fù)載下已 出現(xiàn)磁感應(yīng)飽和。對(duì)于零負(fù)栽曲線，口r為約800，最大口diff為約5100。因
此，最大口di薩6.4口r。磁化曲線彎曲并且不滿足對(duì)于口r和口diff的要求。在力
測(cè)量傳感器中具有這種層的一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于大的負(fù)載，輸出信號(hào)變?yōu)榉?線性的。另一缺點(diǎn)是，由于耐機(jī)械疲勞和熱疲勞性差，因此具有該層的傳 感器經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間后是不穩(wěn)定的。
在第二步驟中，將該層熱處理到350 1000°C的溫度。加熱該層直到 出現(xiàn)合金的結(jié)晶化就足夠了。 一般地，對(duì)于鐵、鎳合金，當(dāng)該層達(dá)到 350~450°C的溫度時(shí)，出現(xiàn)該結(jié)晶化。但是，可以將該層加熱到更高的溫 度并實(shí)現(xiàn)相同類型的結(jié)晶化，只要該溫度顯著低于合金的熔化溫度即可。 一旦合金達(dá)到結(jié)晶化溫度，就出現(xiàn)希望的結(jié)晶化。對(duì)于合金的進(jìn)一步的加 熱對(duì)測(cè)量性能僅有較小的影響。因此，熱處理的時(shí)間很短，小于30秒并且 一般為幾秒，并JLA以實(shí)現(xiàn)希望的結(jié)晶化。為了避免加熱承栽構(gòu)件并由此 避免影響構(gòu)件的性能，iS^的熱處理是重要的。為了避免合金的氧化，在 熱處理中使用保護(hù)性氣體是有利的。但是，使用保護(hù)性氣體不是必需的。
例如通過感應(yīng)加熱進(jìn)行層的加熱。感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)在于，它迅速并將 加熱集中于磁彈性層，并由此避免加熱承載構(gòu)件。對(duì)層進(jìn)行加熱的其它可 能方法例如但不限于激光加熱、爐加熱和紅外輻射加熱。
在結(jié)晶化過程中，出現(xiàn)晶粒的明顯生長(zhǎng)。平均晶粒尺寸的增加為結(jié)晶 化之前的尺寸的約十倍。在結(jié)晶化之后，平均晶粒尺寸變?yōu)?00 1000nm、 優(yōu)選為200~500nm。結(jié)晶化之后的機(jī)械性能和磁學(xué)性能變得隨時(shí)間更加穩(wěn) 定，并且當(dāng)暴露于較高溫度下時(shí)也更加穩(wěn)定。電鍍材料的結(jié)構(gòu)通常是納米晶。磁性納米晶材料和非晶材料的磁疇結(jié)
構(gòu)的特征是沿一個(gè)方向的至少幾十pm的大磁疇。納米晶材料是在熱力學(xué)
不平衡條件下產(chǎn)生的；因此它們處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)。例如，根據(jù)公式
^ =l-[(d-Z))/J]3,晶粒尺寸d=10nm并且晶界D=lnm的納米晶材料被估
計(jì)為具有27.1。/。的晶間物質(zhì)。在這種意義上，納米晶材料可視為被急冷的。 晶格的次序以及晶間物質(zhì)的體積的減小即微晶尺寸的增加降低能量并由 此使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。例如，Ni-Fe納米晶材料在加熱時(shí)結(jié)晶化并形成平 均晶粒尺寸大于或等于100nm的多晶材料。
Ni-Fe合金的結(jié)晶化溫度和特性依賴于鐵濃度，但是，據(jù)我們所知， 在所關(guān)注的Ni-Fe濃度下，結(jié)晶化的開始不超過450。C。如上所述，納米 晶材料或非晶材料的磁疇結(jié)構(gòu)不感測(cè)材料的微晶結(jié)構(gòu)，即，微晶界與磁疇 壁的交互作用非常低。在結(jié)晶化時(shí)，材料中的晶粒開始變得足夠大，并且 晶界足夠尖銳以使得磁疇與它們交互作用，這使得在能量上更有利于磁疇 結(jié)構(gòu)>^碎成更小的磁疇。例如，在由F.Ebrahimi和H.Q丄i寫的"Reviews on Advanced Materials Science", Vol. 5， No. 2, p. 134-138, 2003以及A.S.Kao 和P.Kasiraj的"IEEE Transactions on magnetics", vol. 27， No. 6, p. 4452-4457， 1991中更詳細(xì)地i兌明了這一點(diǎn)。
圖3表示在對(duì)磁彈性層進(jìn)行熱處理之后測(cè)量的該層上的不同負(fù)栽的磁 化曲線的例子。細(xì)實(shí)線曲線表示-100MPa壓縮應(yīng)力。虛線表示+100MPa 拉伸應(yīng)力。未負(fù)載曲線0MPa是粗實(shí)線。從曲線可以看出，不存在磁感應(yīng) 強(qiáng)度飽和。對(duì)于零負(fù)載，a為約60，最大口diff為68。因此，a與最大口diff 大致相同。磁化曲線幾乎是直的并且滿足對(duì)于a和口礎(chǔ)的要求。
圖4表示在將磁彈性層熱處理到高于1000。C且低于合金的熔化溫度的 溫度之后測(cè)量的該層上的不同負(fù)載的磁化曲線。當(dāng)該層被加熱到這種高溫 時(shí)，平均晶粒尺寸變得大于1000nm。當(dāng)晶粒變得太大時(shí)，該層的性能改 變并變得對(duì)于應(yīng)力測(cè)量不利。細(xì)實(shí)線曲線表示-100MPa壓縮應(yīng)力，虛線表 示+100MPa拉伸應(yīng)力。未負(fù)載曲線是粗實(shí)線。從曲線可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng) 度飽和開始出現(xiàn)。口r為約375,最大口d附為約950。因此，a小于500,但
口d股大于口r的值的兩倍。磁化曲線開始彎曲并且不滿足對(duì)于口r和口礎(chǔ)的要
求。在力測(cè)量傳感器中具有這種層的缺點(diǎn)是，輸出信號(hào)由于負(fù)載而變?yōu)榉?線性的。
圖5表示對(duì)于三種不同類型的層的隨施加到承載構(gòu)件上的剪切應(yīng)力變化的線性偏差。曲線20是未被熱處理的具有40%Fe的^lt的Ni-Fe層的 輸出信號(hào)。曲線22是具有50%Fe的已被鍍敷和熱處理的Ni-Fe層的輸出 信號(hào)，曲線24是沒有Fe并且沒有被熱處理的已被M的Ni層的輸出信 號(hào)。從圖中可以看出，已被熱處理的M-Fe層的線性偏差最小。由于通過 本發(fā)明的方法制造的測(cè)量層在大的負(fù)載范圍上是線性的，因此它適于在大 的負(fù)載范圍上測(cè)量扭矩。例如，本發(fā)明使得能夠制造可以以高精度測(cè)量至 高300MPa的剪切應(yīng)力的扭矩傳感器。
實(shí)驗(yàn)汪明，具有所要求保護(hù)的組成和熱處理的合金，可以實(shí)現(xiàn)寬的負(fù) 載范圍上的良好線性、低的負(fù)載滯后和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的組合。還證明，具有 所要求保護(hù)的范圍之外的組成的Ni和Fe合金不能獲得所希望的性能，并 且被熱處理到所要求保護(hù)的溫度范圍之外的溫度的合金不能獲得所希望 的性能。
在本說明書中使用的術(shù)語包括/包含用來說明所陳述的特征、步驟或成 分的存在。但是，這些術(shù)語不排除存在或添加一個(gè)或更多個(gè)附加特征、步 驟或成分或它們的組合。
本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施方案，而是可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi) 進(jìn)行改變和修改。例如，可以在不經(jīng)過納米晶層的結(jié)晶化過程的情況下形 成本發(fā)明的層，代替可以例如通過金屬噴涂直接形成具有所希望的晶粒尺 寸和磁學(xué)性能的層。
權(quán)利要求
1. 一種在承載構(gòu)件(1)上形成層(3)的方法，所述層意圖用于測(cè)量由施加到所述承載構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力，其中所述方法包括在所述構(gòu)件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁彈性合金的納米晶層；和對(duì)所述層進(jìn)行熱處理，直到出現(xiàn)所述合金的結(jié)晶化并且所述平均晶粒尺寸變?yōu)?00～10000nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述層的平均晶粒尺寸為 100 5000nm、優(yōu)選為100 1000nm、最優(yōu)選為200 500nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述層被熱處理到高于300。C 但低于所述層的熔點(diǎn)的溫度、優(yōu)選處于350 1000°C的范圍中的溫度、 最優(yōu)選處于400 800°C的范圍中的溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)的方法，其中所述合金包含 23 65wt%、優(yōu)選30 60wt。/。、最優(yōu)選35 55wt。/。的鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合金包含35 77wt。/。、優(yōu)選 40~70wt%、最優(yōu)選45 65wt。/。的鎳。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其中，所述合金包含少于10wt% 的一種或更多種其它合金化元素。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述層被熱處理，直 到出現(xiàn)所述合金的結(jié)晶化，并且相對(duì)磁導(dǎo)率(a)變得小于500且最大 微分磁導(dǎo)率(口diff)變得小于所述相對(duì)磁導(dǎo)率的兩倍，所述相對(duì)磁導(dǎo)率 和所述最大微分磁導(dǎo)率均是在幅度小于1500A/m的磁化場(chǎng)中測(cè)量的。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中通過感應(yīng)加熱進(jìn)行所 述熱處理。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中通過電鍍?cè)谒鰳?gòu)件 上形成所述層。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中對(duì)所述層進(jìn)行小于30 秒的熱處理。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述層意圖用于測(cè)量 由施加到所述承載構(gòu)件上的扭矩引起的應(yīng)力。
12. —種測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括形成在承栽構(gòu)件(1)上的 磁彈性合金層(3),所述層意圖用于測(cè)量由施加到所述承載構(gòu)件上的 力引起的應(yīng)力，其特征在于所述層的平均晶粒尺寸為100~10000nm。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述層的平均晶粒尺寸為 100~5000腿、優(yōu)選為謂 1000腿、最優(yōu)選為200 500nrn。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的裝置，其中所述合金包含23~65wt%、 優(yōu)選30 60wt。/。、最優(yōu)選35 55wt。/。的鐵。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中所述合金包含35~77wt%、優(yōu) 選40 70wt。/。、最優(yōu)選45 65wtY。的鎳。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的裝置，其中所述合金包含少于10wt% 的其它合金化元素。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12 16中任一項(xiàng)的裝置，其中相對(duì)磁導(dǎo)率(a)小于500并且最大微分磁導(dǎo)率(口diff)小于所述相對(duì)磁導(dǎo)率的兩倍，所 述相對(duì)磁導(dǎo)率和所述最大微分磁導(dǎo)率(口diff)均是在幅度小于1500A/m 的磁化場(chǎng)中測(cè)量的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12 17中任一項(xiàng)的裝置，其中通過在所述承載構(gòu) 件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁彈性合金的納米晶層、并 將所述層熱處理到高于300°C但低于所述層的熔點(diǎn)的溫度直到出現(xiàn)所 述合金的結(jié)晶化，而獲得所述的應(yīng)力測(cè)量層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12 18中任一項(xiàng)的裝置，其中所述測(cè)量裝置是扭 矩傳感器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12 18中任一項(xiàng)的裝置，其中所述測(cè)量裝置是力 傳感器。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1 11中任一項(xiàng)的方法用于制造扭矩傳感器的用途。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1 11中任一項(xiàng)的方法用于制造力傳感器的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括形成在承載構(gòu)件上的磁彈性合金層的測(cè)量裝置，該層意圖用于測(cè)量由施加到承載構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力，其中所述層的平均晶粒尺寸在100～10000nm的范圍內(nèi)。本發(fā)明還涉及該測(cè)量裝置的制造方法。
文檔編號(hào)G01L3/10GK101416036SQ200780008135
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者佩爾·S·古斯塔夫松, 哈坎·F·溫策爾, 安德留斯·米尼奧塔斯, 漢斯·靈, 王明生 申請(qǐng)人:Abb公司