DE102019108366A1 - Magnetostrictive machine element and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelementes. Das herzustellende Maschinenelement ist zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes ausgebildet. Das herzustellende Maschinenelement ist zudem als ein Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung der Kraft bzw. des Momentes ausgebildet. In einem Schritt des Verfahrens wird ein geformtes Werkstück bereitgestellt, welches aus einem Stahl besteht. Erfindungsgemäß erfolgt ein Bainitisieren des Stahles. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Maschinenelement, welches einen Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung bildet. Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung des erfindungsgemäßen Maschinenelementes.The present invention initially relates to a method for producing a machine element. The machine element to be produced is designed to transmit a force and / or a moment. The machine element to be manufactured is also designed as a primary sensor for a measurement of the force or the moment based on the inverse magnetostrictive effect. In one step of the method, a shaped workpiece is provided which consists of a steel. According to the invention, the steel is bainitized. The invention further relates to a machine element which forms a primary sensor for a measurement based on the inverse magnetostrictive effect. The invention also relates to a use of the machine element according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelementes. Das herzustellende Maschinenelement ist zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes ausgebildet. Das herzustellende Maschinenelement ist zudem als ein Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung der Kraft bzw. des Momentes ausgebildet. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Maschinenelement, welches einen Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung bildet. Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung des erfindungsgemäßen Maschinenelementes.The present invention initially relates to a method for producing a machine element. The machine element to be produced is designed to transmit a force and / or a moment. The machine element to be manufactured is also designed as a primary sensor for a measurement of the force or the moment based on the inverse magnetostrictive effect. The invention further relates to a machine element which forms a primary sensor for a measurement based on the inverse magnetostrictive effect. The invention also relates to a use of the machine element according to the invention.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung von Kräften und/oder Momenten genauer und aufwandsärmer realisieren können.The object of the present invention, based on the prior art, is to be able to implement the measurement of forces and / or moments based on the inverse magnetostrictive effect more precisely and with less effort.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Maschinenelement gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch eine Verwendung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.The stated object is achieved by a method according to the attached claim 1 and by a machine element according to the attached independent claim 9 and by a use according to the attached independent claim 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines Maschinenelementes. Das herzustellende Maschinenelement ist zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes ausgebildet. Hierfür ist das Maschinenelement bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hülse oder durch einen Flansch gebildet. Das herzustellende Maschinenelement ist zudem als ein Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung der Kraft bzw. des Momentes ausgebildet ist. Das herzustellende Maschinenelement besteht hierfür aus einem magnetostriktiven Material, welches während der Durchführung des Verfahrens gebildet wird. Für die auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung bedarf es weiterhin mindestens eines Magnetfeldsensors, welcher einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bildet. Der Primärsensor, d. h. das Maschinenelement dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der mindestens eine Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht.The method according to the invention is used to manufacture a machine element. The machine element to be produced is designed to transmit a force and / or a moment. For this purpose, the machine element is preferably formed by a shaft, a sleeve or a flange. The machine element to be manufactured is also designed as a primary sensor for a measurement of the force or the moment based on the inverse magnetostrictive effect. For this purpose, the machine element to be produced consists of a magnetostrictive material which is formed while the method is being carried out. For the measurement based on the inverse magnetostrictive effect, at least one magnetic field sensor is also required, which forms a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, i.e. H. the machine element serves to convert the force to be measured or the torque to be measured into a corresponding magnetic field, while the at least one secondary sensor enables this magnetic field to be converted into an electrical signal.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein geformtes Werkstück bereitgestellt, welches die Form des herzustellenden Maschinenelementes aufweist. Das Werkstück besteht aus einem Stahl. Der Stahl wurde geformt, um das Werkstück auszubilden.In one step of the method according to the invention, a shaped workpiece is provided which has the shape of the machine element to be produced. The workpiece consists of a steel. The steel was shaped to form the workpiece.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Bainitisieren des Stahles des Werkstückes. Das Werkstück, dessen Stahl zumindest überwiegend bainitisiert wurde, bildet das herzustellende Maschinenelement und stellt somit das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Beim Bainitisieren wird im Stahl ein Bainit-Gefüge ausgebildet. Das Bainit-Gefüge wird auch als Zwischenstufengefüge bezeichnet. Der Stahl wird Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten ausgesetzt, die zwischen denen für eine Perlit- oder Martensitbildung liegen. Beim erfindungsgemäßen Schritt des Bainitisierens wird das Bainit-Gefüge im Stahl bevorzugt zumindest so weit ausgebildet, dass es einen überwiegenden Anteil des Stahles bildet. Im Übrigen können im Stahl insbesondere Austenit-, Perlit- und/oder Martensit-Gefüge vorhanden sein.According to the invention, the steel of the workpiece is bainitized. The workpiece, the steel of which has been at least predominantly bainitized, forms the machine element to be manufactured and thus represents the result of the method according to the invention. During bainitizing, a bainite structure is formed in the steel. The bainite structure is also referred to as the intermediate structure. The steel is exposed to temperatures and cooling rates that lie between those for pearlite or martensite formation. In the bainitizing step according to the invention, the bainite structure in the steel is preferably formed at least to the extent that it forms a predominant part of the steel. In addition, austenite, pearlite and / or martensite structures can be present in the steel.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das herzustellende Maschinenelement gute mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Zähigkeit und geringe Eigenspannungen aufweist, welche seiner Funktion zur Übertragung von Kräften und/oder Momenten zuträglich sind, und dass es eine verringerte Hysterese bezüglich des Messeffektes aufweist, was seiner Funktion als Primärsensor zuträglich ist.A particular advantage of the method according to the invention is that the machine element to be produced has good mechanical properties, such as high toughness and low internal stresses, which are conducive to its function of transmitting forces and / or torques, and that it has reduced hysteresis with regard to the measuring effect which is beneficial to its function as a primary sensor.
Der Schritt des Bainitisierens des Stahles umfasst bevorzugt mehrere Teilschritte. In einem Teilschritt erfolgt ein Austenitisieren des Stahles, um ein Austenit-Gefüge im Stahl auszubilden. Hierfür wird das Werkstück auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt. Nachdem das Austenit-Gefüge im Stahl ausgebildet wurde, wird der Stahl von der Austenitisierungstemperatur auf eine Bainitisierungstemperatur abgekühlt, um das zuvor ausgebildete Austenit-Gefüge zumindest überwiegend in ein Bainit-Gefüge umzuwandeln. Das Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur auf die Bainitisierungstemperatur erfolgt bevorzugt unmittelbar, sodass während dieses Abkühlens die Bainitisierungstemperatur nicht unterschritten wird.The step of bainitizing the steel preferably comprises several sub-steps. In a partial step, the steel is austenitized in order to form an austenite structure in the steel. For this purpose, the workpiece is heated to an austenitizing temperature. After the austenite structure has been formed in the steel, the steel is cooled from the austenitizing temperature to a bainitizing temperature in order to convert the previously formed austenite structure at least predominantly into a bainite structure. The cooling from the austenitizing temperature to the bainitizing temperature preferably takes place immediately, so that the bainitizing temperature is not fallen below during this cooling.
Nachdem das Austenit-Gefüge im Stahl ausgebildet wurde, wird der Stahl bevorzugt langsam und/oder stetig von der Austenitisierungstemperatur auf die Bainitisierungstemperatur abgekühlt. Es erfolgt bevorzugt kein Abschrecken des Stahles, nachdem das Austenit-Gefüge im Stahl ausgebildet wurde. Vielmehr wird der Stahl über eine Zeitdauer hinweg von der Austenitisierungstemperatur auf die Bainitisierungstemperatur abgekühlt, wobei diese Zeitdauer bevorzugt mindestens 20 s, weiter bevorzugt mindestens 2 min und nochmals weiter bevorzugt mindestens 2 h beträgt.After the austenite structure has been formed in the steel, the steel is preferably slowly and / or steadily cooled from the austenitizing temperature to the bainitizing temperature. There is preferably no quenching of the steel after the austenite structure has been formed in the steel. Rather, the steel is cooled from the austenitizing temperature to the bainitizing temperature over a period of time, this period of time preferably being at least 20 s, more preferably at least 2 minutes and even more preferably at least 2 hours.
Die Austenitisierungstemperatur liegt für viele der geeigneten Stähle zwischen 800°C und 900°C. Entsprechend wird zum Austenitisieren des Stahles das Werkstück auf diese Austenitisierungstemperatur, d. h. auf eine Temperatur erwärmt, welche bevorzugt zwischen 800°C und 900°C beträgt. Diese Temperatur beträgt weiter bevorzugt zwischen 830°C und 870°C. Diese Temperatur beträgt besonders bevorzugt zwischen 840°C und 860°C, insbesondere 850°C.The austenitizing temperature for many of the suitable steels is between 800 ° C and 900 ° C. Correspondingly, for austenitizing the steel, the workpiece is heated to this austenitizing temperature, i.e. H. heated to a temperature which is preferably between 800 ° C and 900 ° C. This temperature is more preferably between 830 ° C and 870 ° C. This temperature is particularly preferably between 840 ° C. and 860 ° C., in particular 850 ° C.
Nachdem das Werkstück auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt wurde, wird diese über eine Haltedauer gehalten, welche bevorzugt zwischen 10 min und 50 min beträgt. Diese Haltedauer beträgt weiter bevorzugt zwischen 20 min und 40 min, insbesondere 30 min.After the workpiece has been heated to the austenitizing temperature, this is held for a holding time which is preferably between 10 minutes and 50 minutes. This holding time is more preferably between 20 minutes and 40 minutes, in particular 30 minutes.
Die Bainitisierungstemperatur liegt für viele der geeigneten Stähle zwischen 250°C und 350°C. Entsprechend wird zum Bainitisieren des Stahles das Werkstück auf diese Bainitisierungstemperatur, d. h. auf eine Temperatur abgekühlt, welche bevorzugt zwischen 250°C und 350°C beträgt. Diese Temperatur beträgt weiter bevorzugt zwischen 260°C und 310°C. Diese Temperatur beträgt besonders bevorzugt zwischen 270°C und 290°C, insbesondere 280°C.The bainitization temperature for many of the suitable steels is between 250 ° C and 350 ° C. Correspondingly, to bainitize the steel, the workpiece is heated to this bainitization temperature, i. H. cooled to a temperature which is preferably between 250 ° C and 350 ° C. This temperature is more preferably between 260 ° C and 310 ° C. This temperature is particularly preferably between 270 ° C and 290 ° C, in particular 280 ° C.
Nachdem das Werkstück auf die Bainitisierungstemperatur abgekühlt wurde, wird diese über eine Haltedauer hinweg gehalten, welche bevorzugt zwischen 1 h und 8 h beträgt. Diese Haltedauer beträgt weiter bevorzugt zwischen 3 h und 5 h, insbesondere 4 h.After the workpiece has been cooled to the bainitization temperature, this is held for a holding time which is preferably between 1 hour and 8 hours. This holding time is more preferably between 3 h and 5 h, in particular 4 h.
Der Stahl ist grundsätzlich eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Der Stahl enthält bevorzugt weiterhin Chrom. Der Stahl enthält bevorzugt weiterhin Nickel und/oder Mangan. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Stahl um einen Chrom-Nickel-Stahl oder um einen Chrom-Mangan-Stahl. Der Stahl enthält bevorzugt weiterhin Molybdän. Der Stahl ist besonders bevorzugt durch 50NiCr13 gebildet. Der Stahl ist bevorzugt durch 18NiCrMo146 oder durch 45NiCrMo16 gebildet.The steel is basically an iron-carbon alloy. The steel preferably also contains chromium. The steel preferably also contains nickel and / or manganese. The steel is particularly preferably a chromium-nickel steel or a chromium-manganese steel. The steel preferably also contains molybdenum. The steel is particularly preferably formed by 50NiCr13. The steel is preferably made of 18NiCrMo146 or 45NiCrMo16.
Das erfindungsgemäße Maschinenelement dient zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes. Das Maschinenelement ist als ein Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung der Kraft bzw. des Momentes ausgebildet. Entsprechend besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material. Das Maschinenelement besteht aus einem Stahl. Erfindungsgemäß weist der Stahl zumindest überwiegend ein Bainit-Gefüge auf.The machine element according to the invention is used to transmit a force and / or a moment. The machine element is designed as a primary sensor for a measurement of the force or the moment based on the inverse magnetostrictive effect. Accordingly, the machine element consists of a magnetostrictive material. The machine element consists of a steel. According to the invention, the steel has at least predominantly a bainite structure.
Der Stahl weist bevorzugt zumindest zu 80% das Bainit-Gefüge auf. Der Stahl weist weiter bevorzugt zumindest zu 90% das Bainit-Gefüge auf.The steel preferably has at least 80% of the bainite structure. The steel further preferably has at least 90% the bainite structure.
Das Maschinenelement weist bevorzugt mindestens Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt umfänglich um eine Achse des Maschinenelementes.The machine element preferably has at least a magnetization area for a magnetization formed in the machine element. The magnetization area preferably extends circumferentially around an axis of the machine element.
Der mindestens eine Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der mindestens eine Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen dient mindestens ein Magnet zum Magnetisieren des mindestens einen Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des mindestens einen Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.The at least one magnetization area can be magnetized permanently or temporarily. In preferred embodiments, the at least one magnetization area is permanently magnetized. In alternative preferred embodiments, at least one magnet serves to magnetize the at least one magnetization area, so that the magnetization of the at least one magnetization area is basically temporary. The at least one magnet can be formed by a permanent magnet or preferably by an electromagnet.
Das erfindungsgemäße Maschinenelement weist bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind. The machine element according to the invention preferably also has features that are specified in connection with the method according to the invention.
Die erfindungsgemäße Verwendung sieht vor, das erfindungsgemäße Maschinenelement als Primärsensor in einer Anordnung zur Messung der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes zu nutzen. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bildet. Der Primärsensor, d. h. das Maschinenelement dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der mindestens eine Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht.The use according to the invention provides for the machine element according to the invention to be used as a primary sensor in an arrangement for measuring the force acting on the machine element and / or the torque acting on the machine element. The arrangement further includes at least one magnetic field sensor which forms a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, i.e. H. the machine element serves to convert the force to be measured or the torque to be measured into a corresponding magnetic field, while the at least one secondary sensor enables this magnetic field to be converted into an electrical signal.
Bevorzugt wird eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes als Primärsensor in einer Anordnung zur Messung der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes genutzt.One of the described preferred embodiments of the machine element according to the invention is preferably used as a primary sensor in an arrangement for measuring the force acting on the machine element and / or the torque acting on the machine element.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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