DE102012004119A1 - Coating of power transmitting components with magnetostrictive materials - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetostriktiven Bauteils mit dem Schritt: Beschichten eines Bauteilgrundkörpers mit einem magnetostriktiven Material. Weiterhin betrifft die Erfindung ein magnetostriktives Bauteil mit einem Bauteilgrundkörper, insbesondere einer Welle; und einer magnetostriktiven Beschichtung auf dem BauteilgrundkörperThe present invention relates to a method for producing a magnetostrictive component, comprising the step of coating a component base body with a magnetostrictive material. Furthermore, the invention relates to a magnetostrictive component having a component main body, in particular a shaft; and a magnetostrictive coating on the component body
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetostriktiven Bauteils sowie ein derartiges magnetostriktives Bauteil.The present invention relates to a method for producing a magnetostrictive component and to such a magnetostrictive component.
Stand der TechnikState of the art
Für die Nutzung eines Bauteils in der magnetostriktiven Messtechnik muss derzeit das zu magnetisierende Bauteil aus einem entsprechend remanenten/magnetostriktiven Stahl gefertigt werden (1.2767, 1.6587 etc. d. h. martensitische Stähle). Die für die magnetostriktive Sensorik erforderlichen martensitischen Stähle enthalten in der Regel Chrom und Nickel und sind daher sowohl in der Beschaffung als auch in der Bearbeitung teuer. Dazu erfordert die Erzeugung des martensitischen Gefüges eine zusätzliche Wärmebehandlung, welche neben Kosten- und Logistikaspekten auch zu Verzug und relativ hoher Sprödigkeit führt. In vielen Anwendungen ist daher die Verwendung martensitischer Stähle nicht möglich und/oder aus Kostengründen nicht wirtschaftlich.For the use of a component in magnetostrictive measurement technology, the component to be magnetized currently has to be manufactured from a corresponding remanent / magnetostrictive steel (1.2767, 1.6587 etc., ie martensitic steels). The martensitic steels required for magnetostrictive sensing typically contain chromium and nickel and are therefore expensive to procure and process. For this purpose, the production of the martensitic microstructure requires an additional heat treatment, which in addition to cost and logistics aspects also leads to distortion and relatively high brittleness. In many applications, therefore, the use of martensitic steels is not possible and / or not cost-effective for economic reasons.
Diesbezüglich stellt gemäß Stand der Technik u. a. das Aufpressen einer Hülse aus einem magnetostriktiven Werkstoff als eine Weiterentwicklung dar. Dabei muss das Material für das Bauteil selbst nicht geändert werden. Das Aufpressen und Magnetisieren von Hülsen auf kraftübertragende Bauteile hat folgende Nachteile: 1.) Die für den Kraftschluss erforderliche Flächenpressung zwischen der Hülse und dem „Untergrund” ist nur unter erheblichem Aufwand realisierbar, bzw. es muss zusätzlich durch Verschweißen der Ränder sichergestellt werden, dass die Kraftübertragung auch über die Hülse erfolgt. 2.) Die Flächenpressung kann sich im Laufe der Zeit durch Wechsellasten/Temperaturzyklen ändern, und dadurch ändert sich auch der Anteil der über die Hülse übertragenen Kräfte/Momente.In this regard, according to the prior art u. a. the pressing of a sleeve of a magnetostrictive material as a further development. The material for the component itself does not need to be changed. The pressing and magnetizing of sleeves on force-transmitting components has the following disadvantages: 1.) The required for the adhesion surface pressure between the sleeve and the "underground" can be realized only with considerable effort, or it must be additionally ensured by welding the edges that the power transmission also takes place via the sleeve. 2.) The surface pressure can change over time due to alternating loads / temperature cycles, and this also changes the proportion of forces transmitted through the sleeve / moments.
Angesichts dieser Nachteile des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines magnetostriktiven Bauteils sowie ein derartiges magnetostriktives Bauteil zur Verfügung zu stellen, mit dem ein oder mehrere der genannten Nachteile überwunden werden.In view of these disadvantages of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method for producing a magnetostrictive component and such a magnetostrictive component, with which one or more of the mentioned disadvantages are overcome.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines magnetostriktiven Bauteils mit dem Schritt: Beschichten eines Bauteilgrundkörpers mit einem magnetostriktiven Material. Erfindungsgemäß wird also eine magnetostriktive Schicht auf den Bauteilgrundkörper aufgetragen. Der so beschichtete und weiterhin magnetisierte Grundkörper kann dann beispielsweise als kraftübertragendes Bauteil eingesetzt werden, wobei die magnetostriktiven Eigenschaften für die Drehmomentmessung genutzt werden können. Ohne Magnetisierung ist das Bauteil so verwendbar, dass es beispielsweise seine Länge aufgrund eines angelegten Magnetfeldes ändert.The object is achieved by a method for producing a magnetostrictive component with the step: coating a component base body with a magnetostrictive material. According to the invention, therefore, a magnetostrictive layer is applied to the component main body. The thus coated and further magnetized base body can then be used for example as a force-transmitting component, wherein the magnetostrictive properties can be used for torque measurement. Without magnetization, the component is usable such that it changes, for example, its length due to an applied magnetic field.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass das Beschichten mit einem thermischen Beschichtungsverfahren, insbesondere Auftragsschweißen oder Flammspritzen, oder mit einem chemischen Beschichtungsverfahren, insbesondere chemische Gasphasenabscheidung, oder mit einem physikalischen Beschichtungsverfahren, insbesondere physikalische Gasphasenabscheidung, oder mit einem galvanischen Beschichtungsverfahren erfolgt. Diese Beschichtungsverfahren haben sich als besonders geeignet erwiesen.The method according to the invention can be further developed in that the coating is carried out by a thermal coating method, in particular build-up welding or flame spraying, or by a chemical coating method, in particular chemical vapor deposition, or by a physical coating method, in particular physical vapor deposition, or by a galvanic coating method. These coating methods have proven to be particularly suitable.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das magnetostriktive Material ein oder mehrere der folgenden Materialien umfassen kann: ein martensitischer Stahl (insbesondere 1.2767, 1.6587, 1.5752, 1.4542, 1.2709, Eisen-Nickel-Kobalt Legierung), 15NiCr13, Terfenol-D, Galvenol, eine magnetostriktive Schicht. Diese Materialien sind besonders gut zur Ausbildung einer magnetostriktiven Schicht geeignet.Another development is that the magnetostrictive material may comprise one or more of the following materials: a martensitic steel (in particular 1.2767, 1.6587, 1.5752, 1.4542, 1.2709, iron-nickel-cobalt alloy), 15NiCr13, terfenol-D, galvenol, a magnetostrictive layer. These materials are particularly well suited for forming a magnetostrictive layer.
Das magnetostriktive Material kann in einer Weiterbildung ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: elektrische Leitfähigkeit, insbesondere größer als 106 A/Vm, magnetische Remanenz, ein Elastizitätsmodul, welches sich vom Elastizitätsmodul des Bauteilgrundkörpers um nicht mehr als 50%, vorzugsweise nicht mehr als 25%, höchst vorzugsweise nicht mehr als 10% nach oben oder unten, bezogen auf das Elastizitätsmodul des Bauteilgrundkörpers, unterscheidet. Die elektrische Leitfähigkeit ermöglicht das Magnetisieren der Beschichtung mittels eines durch die Schicht geleiteten Stroms, im Speziellen mit Pulsen von Strömen etwa nach dem Pulse Current Magnetic Encoding (PCME) Verfahren.In one development, the magnetostrictive material may have one or more of the following properties: electrical conductivity, in particular greater than 10 6 A / Vm, magnetic remanence, a modulus of elasticity which does not exceed the modulus of elasticity of the component body by more than 50%, preferably not more than 25%, most preferably not more than 10% up or down, based on the modulus of elasticity of the component body, differs. The electrical conductivity enables the coating to be magnetized by means of a current conducted through the layer, in particular with pulses of currents, for example according to the Pulse Current Magnetic Encoding (PCME) method.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Bauteilgrundkörper teilweise oder vollständig aus einem nicht-magnetostriktiven Material, insbesondere teilweise oder vollständig aus austenitischem Stahl, vorzugsweise 1.4305/V4A, und/oder einem niedrig legierten Stahl, insbesondere 42CrMo4 oder 20MnCr5, und/oder einem Nicht-Eisenwerkstoff, beispielsweise Aluminium, bestehen. Der Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass ein preislich günstiges Material für den Bauteilgrundkörper gewählt werden kann.According to another development, the component main body may be made partially or completely of a non-magnetostrictive material, in particular partially or completely of austenitic steel, preferably 1.4305 / V4A, and / or a low-alloyed steel, in particular 42CrMo4 or 20MnCr5, and / or a non-ferrous material , For example, aluminum exist. The advantage of this development is that a favorable price material for the component body can be selected.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder dessen Weiterbildungen können den weiteren Schritt des Magnetisierens des beschichteten Bauteilgrundkörpers umfassen, insbesondere eine Magnetisieren des magnetostriktiven Materials, vorzugsweise mittels Leiten eines elektrischen Stroms oder von Strompulsen durch das magnetostriktive Material. Auf diese Weise wird durch das magnetisierte Bauteil ein Primärsensor zur Verfügung gestellt der z. B. zusammen mit einem Magnetfelddetektor in Form einer oder mehrerer Spulen als Sekundärsensor einen Drehmomentsensor bilden kann.The method according to the invention or its developments can take the further step of magnetizing the coated component base body, in particular magnetizing the magnetostrictive material, preferably by passing an electric current or current pulses through the magnetostrictive material. In this way, a primary sensor is provided by the magnetized component of the z. B. together with a magnetic field detector in the form of one or more coils as a secondary sensor can form a torque sensor.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein magnetostriktives Bauteil mit einem Bauteilgrundkörper, insbesondere eine Welle; und einer magnetostriktiven Beschichtung auf dem Bauteilgrundkörper. Die Vorteile des erfindungsgemäßen magnetostriktiven Bauteils sind analog zu den weiter oben zum Herstellungsverfahren genannten Vorteilen.The above object is further achieved by a magnetostrictive component having a component base body, in particular a shaft; and a magnetostrictive coating on the component body. The advantages of the magnetostrictive component according to the invention are analogous to the advantages mentioned above for the production method.
Das erfindungsgemäße magnetostriktive Bauteil kann dahingehend weitergebildet werden, indem das magnetostriktive Material ein oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: ein martensitischer Stahl (insbesondere 1.2767, 1.6587, 1.5752, 1.4542, 1.2709, Eisen-Nickel-Kobalt Legierung), 15NiCr13, Terfenol-D, Galvenol, eine magnetostriktive Schicht.The magnetostrictive component according to the invention can be further developed in that the magnetostrictive material comprises one or more of the following materials: a martensitic steel (in particular 1.2767, 1.6587, 1.5752, 1.4542, 1.2709, iron-nickel-cobalt alloy), 15NiCr13, terfenol-D, Galvenol, a magnetostrictive layer.
Nach einer anderen Weiterbildung kann das magnetostriktive Material ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: elektrische Leitfähigkeit, insbesondere größer als 106 A/Vm, magnetische Remanenz, ein Elastizitätsmodul, welches sich vom Elastizitätsmodul des Bauteilgrundkörpers um nicht mehr als 50%, vorzugsweise nicht mehr als 25%, höchst vorzugsweise nicht mehr als 10% nach oben oder unten, bezogen auf das Elastizitätsmodul des Bauteilgrundkörpers, unterscheidet.According to another development, the magnetostrictive material may have one or more of the following properties: electrical conductivity, in particular greater than 10 6 A / Vm, magnetic remanence, a modulus of elasticity which does not exceed the modulus of elasticity of the component body by more than 50%, preferably not more as 25%, most preferably not more than 10% up or down, based on the modulus of elasticity of the component body, differs.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Bauteilgrundkörper teilweise oder vollständig aus einem nicht-magnetostriktiven Material, insbesondere teilweise oder vollständig aus austenitischem Stahl, vorzugsweise 1.4305/V4A, und/oder einem niedrig legierten Stahl, insbesondere 42CrMo4 oder 20MnCr5, und/oder einem Nicht-Eisenwerkstoff, beispielsweise Aluminium, bestehen.According to a development, the component main body can be made wholly or partly of a non-magnetostrictive material, in particular partially or completely of austenitic steel, preferably 1.4305 / V4A, and / or a low-alloyed steel, in particular 42CrMo4 or 20MnCr5, and / or a non-ferrous material, For example, aluminum exist.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Beschichtung mehrere Teilbeschichtungen aufweisen kann, insbesondere, im Falle einer Welle als Bauteilgrundkörper, in Form von jeweils entlang des Umfangs der Welle verlaufenden Teilbeschichtungen, wobei die Teilbeschichtungen entlang der Wellenachse beabstandet sind. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Teilbeschichtungen mit verschiedenen Magnetisierungen zu versehen, um mit dem magnetisierten Bauteil eine Differenzmessung durchzuführen.Another development consists in that the coating can have a number of partial coatings, in particular, in the case of a shaft as a component main body, in the form of partial coatings running along the circumference of the shaft, wherein the partial coatings are spaced along the shaft axis. In this way it is possible to provide the partial coatings with different magnetizations to perform a differential measurement with the magnetized component.
Dabei können die Teilbeschichtungen in jeweiligen Ausnehmungen des Bauteilgrundkörpers angeordnet sein, insbesondere derart, dass im Falle einer Welle der Außendurchmesser entlang der Wellenachse konstant ist. Auf diese Weise sind die Teilschichten abgesenkt, so dass eine glatte Oberfläche des Bauteils, insbesondere der Welle, erhalten wird.In this case, the partial coatings can be arranged in respective recesses of the component main body, in particular such that in the case of a shaft, the outer diameter along the shaft axis is constant. In this way, the partial layers are lowered, so that a smooth surface of the component, in particular the shaft, is obtained.
Alternativ dazu können die Teilbeschichtungen auf stufenförmigen Abschnitten des Bauteilgrundkörpers angeordnet sein, insbesondere derart, dass im Falle einer Welle der Außendurchmesser entlang der Wellenachse konstant ist.Alternatively, the partial coatings may be arranged on step-shaped sections of the component main body, in particular such that in the case of a shaft, the outer diameter along the shaft axis is constant.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.Further features and exemplary embodiments and advantages of the present invention will be explained in more detail with reference to the drawings. It is understood that the embodiments do not exhaust the scope of the present invention. It is further understood that some or all of the features described below may be combined with each other in other ways.
Zeichnungendrawings
Ausführungsformenembodiments
In der Ausführungsform nach
Claims (13)
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