一种在承载构件（１）上形成层（３）的方法，所述层意图用于测量由施加到所述承载构件上的力引起的应力，其中所述方法包括： 在所述构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于５０ｎｍ的磁弹性合金的纳米晶层；和 对所述层进行热处理，直到出现所述合金 的结晶化并且所述平均晶粒尺寸变为１００～１００００ｎｍ。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含形成在承载构件上的磁弹性合金(magnetoelastic alloy )层的测量装置及其制造方法，所述层意图用于测量由施加到承载 构件上的力引起的应力。施加到承载构件上的力为例如拉力、压缩力或 扭矩。根据本专利技术的方法可用于在承载构件上具有测量层的所有类型的 测量装置。测量装置测量例如由施加到承载构件上的拉力、压缩力和扭 矩引起的层中的应力和/或应变。根据本专利技术的测量装置可用作单独的 部件，用于在出于不同的原因关注测量承载构件上的力的所有这类应用 中。测量装置可例如被用于但不限于测量发动机、汽车、飞机、喷气发 动机、自行车、齿轮箱、汽车中的动力转向装置、工具、螺旋桨发动机 或直升机中的力。
技术介绍
具有形成在例如轴的承载构件的表面上的测量应力的磁弹性或磁 致伸缩层的类型的扭矩传感器在现有技术中是众所周知的。承载构件的 目的是向应力测量层传送负载。磁弹性材料是当承载力时改变其磁导率 (permeability)的材料。磁弹性材料的例子是铁、镍、钴和稀土金属 或它们的合金。在本申请中使用的术语"磁弹性"和"磁致伸缩"是同义 的。通过不同的方法，例如通过镀敷、热喷涂、金属喷涂、喷枪涂覆、 焊接或胶合，在构件的表面上形成磁弹性层。WO0144770示出用于测量轴中的扭矩的磁致伸缩传感器的例子， 其中，传感器包含轴的至少一个活动的磁致伸缩区域。磁致伸缩区域包 含一个或更多个的磁致伸缩材料层。通过镀敷进行该层的施加。在镀敷 之后可在150。C和300。C之间进行稳定化的热处理。在某些应用中，还 可考虑更高的温度。本专利申请涉及诸如纯镍的磁致伸缩材料，在这种 情况下高于300。C的加热会导致线性偏差增加。因此，对于这种类型的 传感器应避免高于300°C的加热。希望能够在较大的负载范围内测量机械应力。例如，在汽车工业中，希望测量至高200 300MPa的扭矩引起的剪切应力。此外，希望找到这 样一种扭矩测量装置，即，该扭矩测量装置由于耐机械疲劳和热疲劳性而具有长时间的稳定性，并且是线性的，即来自测量装置的输出信号基 本上与承栽构件上的负栽成比例。此外，希望减小或者甚至消除来自测 量装置的输出信号的蠕变，即，在恒定的负栽下，输出信号不应改变其 值。应当避免输出信号的滞后，因为它增加测量误差。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种在承载构件上形成层的方法，该方法 使得能够考虑到上述希望中的一个或更多个并且在不明显改变承载构 件的重要性能的情况下制造用于测量在层中引起的应力的改进的装置。通过在权利要求1中限定的方法实现该目的。这种方法包括在构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁 弹性合金的纳米晶层；和对该层进行热处理，直到出现合金的结晶化并 且平均晶粒尺寸变成100~10000nm。出人意料的是发现将平均晶粒尺寸小于50nm的某些组成的磁弹性 合金的纳米晶层加热到依赖于合金组成而导致合金结晶化的某一温度， 这大大改进该层的应力测量性能。必要的是，合金被加热到的温度低于 合金的熔点。否则，将不能获得所希望的性能。用根据本专利技术的方法实 现的优点是，通过该方法制造的测量层在大的负载范围上是基本线性 的，具有低的滞后，并且对于老化和疲劳具有改进的稳定性。实验证明，当被热处理到高于350。C但低于该层的熔点的温度时， 以某些范围包含铁、镍和其它合金化元素的合金实现希望的结晶化并获 得希望的性能。但是，虽然没有试验，但是，使用根据本专利技术的方法， 某些比率的合金化元素的其它组合很有可能实现相同的结果。本领域技 术人员可通过适当的操作发现该方法是否还对其它的合金化元素起作 用以及在哪些范围内起作用。例如，铁和钴的组合或镍和钴的组合可能 会实现相同的结果。为了在宽的应力幅度的范围上实现线性行为，重要的是避免磁感应 强度的饱和，由此意味着需要适中(moderate)的磁导率。与外部应力 的磁弹性交互作用的能量密度与外部磁场的磁交互作用的能量密度成正比。该比例特性依赖于诸如饱和磁感应强度、饱和磁致伸缩的磁学性 能、磁化场、应力以及磁畴的尺寸。磁畴尺寸与磁导率成比例。为了设 计具有适中的磁导率的材料，必须实现小的磁畴尺寸。为此， 一种方法 是制造晶粒尺寸足够大以容纳单一的磁畴而又足够小以仅容纳仅仅一 个或几个磁畴的材料的显微结构。出现该显微结构的最小晶粒尺寸在微米尺度的分数量级。平均晶粒尺寸小于50nm的的纳米晶层提供用于结 晶化并制造所述显微结构的有利条件。根据本专利技术的一个实施方案，所述层的平均晶粒尺寸为 100 5000nm、优选为100 1000nm、最优选为200 500nm。因此，产生 使得磁畴结构与晶粒结构一致的更有利的条件。如在"Handbook of Magnetic Materials", Vol. 10， 1997， ISBN 0444825991， Herzer的第3章"Nanocrystalline soft magnetic alloys",第 415~461页中描述的那样，对于诸如Ni-Fe的磁性合金，在晶粒尺寸和 矫顽力之间存在关联。这意味着上述的有利的晶粒尺寸会具有某些范围 内的矫顽力。根据本专利技术的一个实施方案，该层被热处理到高于300。C但低于所 述层的熔点、优选处于350~1000°C的范围内、最优选处于400~800°C 的范围内的温度。为了实现希望的结晶化，该层必须被热处理到高于合 金的结晶化温度的温度。因此，热处理的温度依赖于合金的组成。例如， 对于所关注的Ni-Fe组成，结晶化温度为350~450。C，由此热处理的温 度必须超过该温度。如果该层被热处理到400 800°C的温度，那么更容 易获得优选的晶粒结构。根据本专利技术的一个实施方案，所述合金包含23~65wt% (重量百分 比)、优选30~60wt%、最优选35 55wt。/。的铁。已证明将包含23~65wt% 的铁的合金热处理到高于350。C的温度降低该层的线性偏差并由此改 进其测量性能。将包含30 60wt。/。的铁的合金热处理到高于350。C的温 度进一 步降低线性偏差并进一步改进合金的测量性能。将包含 35 55wt。/。的铁的合金热处理到高于350。C的温度大大降低线性偏差并 由此大大改进合金的测量性能。试验表明，将包含少于20wtY。的铁的 合金热处理到高于350。C的温度具有相反的效果，即，线性偏差增加， 这导致较差的测量性能。耐机械疲劳和热疲劳性需要热力学稳定性以及稳定的磁学性能。Ni-Fe合金系在23~65%Fe的合金化范围内给出这些性能。在最高为 20%的合金化范围内，对于高的工作温度来说，热力学稳定性是不够的， 此外，在约20 23。/。Fe的合金化范围内，诸如磁致伸缩和晶体各向异性 的性能改变符号并显示出对于化学组成和制造方法的强烈依赖性。在 Ni中的Fe高于65%时，接近磁弹性性能不适于本专利技术的目的因瓦合金 范围。根据本专利技术的一个实施方案，所述合金还包含35~77wt%、优选 40~70wt%、最优选45 65wt。/。的镍。当具有处于这些范围内的镍和铁 含量的合金根据本专利技术受到热处理时，形成特别有利的Ni-Fe结构，该 Ni-Fe结构具有处于希望的间隔和希望的磁畴内的平均晶粒尺寸。该 N本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在承载构件（１）上形成层（３）的方法，所述层意图用于测量由施加到所述承载构件上的力引起的应力，其中所述方法包括： 在所述构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于５０ｎｍ的磁弹性合金的纳米晶层；和 对所述层进行热处理，直到出现所述合金的结晶化并且所述平均晶粒尺寸变为１００～１００００ｎｍ。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：汉斯·灵，哈坎·F·温策尔，王明生，佩尔·S·古斯塔夫松，安德留斯·米尼奥塔斯，
申请(专利权)人：ABB公司，
类型：发明
国别省市：SE
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。