JP4895108B2 - FeGaAl系合金及び磁歪式トルクセンサ - Google Patents
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Description
更に、従来から知られているFeAl合金(アルフェノール)は、磁歪は大きいが、硬くて脆いため、センサ等に用いるには不向きである。また、FeCoV合金(パーメンジュール)は引張強度は300MPa程度と低く、脆性を示す。
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Cz…(1)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)で表される組成を有することを特徴とする。
次式(2)
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Bz…(2)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)で表される組成を有することを特徴とする。
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Cz…(1)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)
又は次式(2)
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Bz…(2)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)
で表される組成を有する。
ここで、熱処理としては、例えば、1173Kで1時間保持した後、徐冷することを挙げることができる。
ここで、バルク状態とは、代表的には、厚さ0.5mm以上で幅0.5mm以上という状態を意味するものとする。
上述の如く、本発明の磁歪式トルクセンサは、以上に説明したFeGaAl系合金を用いて構成されるものであり、この合金をトルクの検出に利用していれば、その構造等は特に限定されるものではないが、以下に、かかる磁歪式トルクセンサの代表例を挙げて説明する。
この磁歪式トルクセンサは、上記FeGaAl系合金で形成され磁歪を有するリング2を有し、このリング2が回動軸1に嵌められている。これにより、リング2には、周方向に引張応力(Hoop stress)が働いていることになる。また、周方向に着磁すると、磁化は周方向に向く。
また、リング2が上記本発明のFeGaAl系合金で形成されているので、磁歪が大きく検出感度が良好であり、且つ機械的強度にも優れるため耐久性が良好である。
また、調製したFeGaAl系合金の試料に熱処理を施し、析出物相及び結晶配向性などを調査し、磁気特性への影響を検証した。
一般的に、Fe基磁性材料では、容易磁化結晶方位は[100]であり、熱処理後の内部応力緩和や一次再結晶効果などにより、当該FeGaAl系合金でも磁気特性の向上(磁化されやすいゆえに磁化率上昇)が期待できる。また、磁歪の向上も期待できる。一方、熱処理に伴う析出物分散効果により、塑性すべり(=転位の移動)を抑制し、これら材料の機械的強度を上昇させる効果が期待できるからである。
I.C(炭素)及びB(ホウ素)少量添加の影響検証
II.C添加量の影響検証
III.強度特性検証
これらI及びIIにより、調製した試料をある程度選定した後に行った。
試料組成として、FeGaAlに対しCをそれぞれ1.5, 3.0, 5.0at%を添加した試料と、FeGaAlに対しBを3.0at%添加した試料を作製し、諸特性を検証した。また、トルクシステムの測定装置を組み立て、次いで、選定した試料をリング形状に加工し、トルク印加試験を行い出力特性について検証した。
「合金作製」
原子比組成(Fe82at% Ga13at% Al5at% )100at%−xCx(x=1.5,3.0,5.0at%)のFe−Ga−Al−C合金と、(Fe82Ga13Al5)97B3の原子比組成であるFe−Ga−Al−B合金の母合金インゴットを作製することを目的とした。
試料をアーク溶解炉〔アーク溶解型急冷試料作成装置TIG400F:東栄科学産業社製〕によって合金化し、母合金インゴットを作製した。組成の均一な試料を得る目的で大電流150Aを用い、溶解した合金の対流(混合)を促し、溶解させる度に試料を裏返す工程を5回繰り返した。また、より組成の均一なインゴットを得るため、作製したインゴットを砕き、再度同じ工程を経て合金インゴットを得た。
得られた合金インゴットから各測定用の試料を作成するため、まずファイン・カッター〔マルトー社製:Million Cutter2〕により測定用試料に近い形状に切り出し、試料表面の加工ひずみ面の除去及び形状の調整をかねてSiC(炭化珪素)研磨紙で研磨を行った。その後、加工ひずみ除去を目的とした熱処理をした。これは真空中573Kで30分保持し徐冷することにより行った。
熱処理条件は、(1)823K,60分保持後徐冷、(2)1173K,60分保持後徐冷、(3)1173K,60分保持水冷、その後823K,60分保持後徐冷の3パターンとした。
(2)については、Fe−Ga状態図を参考に単相領域での熱処理を考え1173Kを選択した。
(3)については、本発明者らの過去の研究において、急冷薄帯試料に対し規則fcc構造Fe3Ga導入を抑止する目的で1173Kの熱処理後水冷という方法をとっていた。それを参考に今回の多結晶バルク試料でも水冷効果を検証した。但し、高温域からの急速な冷却は試料に大きな内部応力を導入する懸念がある。そこで水冷後、823Kでの熱処理で試料の内部応力緩和を狙った。
定性・定量分析により作製試料の組成を評価し、その後、X線による構造解析によって結晶構造解析を行い、更に磁化−磁場特性、磁歪特性を検証し、その後に強度特性を評価した。
組成の分析については、電子マイクロアナライザー(EPMA)及び炭素・硫黄分析装置を使用し、作製した試料の定性及び定量分析を行った。
EPMA用の試料としては、板状に加工し表面をSiC紙で1000番まで粗研磨、その後アセトン溶液中にて超音波洗浄したものを使用した。炭素−硫黄分析装置用の試料については、1g程度の試料を粉末状にしたものを使用した。
各試料の結晶構造解析のために、粉末X線回折装置〔マック・サイエンス社製:M18XHF−SRA〕を用いた。測定は、回折角ステップ幅0.02〜0.05deg、回折角走査範囲20〜100deg、加速電圧30 V、電流100 mAで行った。
測定は、振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)〔東英工業製:VSM model−5〕を用いた。磁化曲線(磁化−磁場ヒステリシス曲線:M−H Loop)を測定し、その結果から磁化率χ及び保磁力Hcを求めた。試料寸法はすべての試料で約縦2.5×横1.8×長さ6mm、重さ約0.27gとした。
PC(パソコン)制御による最大印加磁場を5kOeとし、この範囲で目的に合わせて調整した。ステップ数(Step Bits)10、安定化待ち時間(Wait Time)0.1 sec、時定数 0.03secとして測定した。
磁歪測定は、Cu−Ni系ゲージ〔共和電業:KFG−1−120−D16−11L3M2S,KFG−02−120−C1−11L3M2R〕と、静ひずみデータロガー〔共和電業:UCAM−20PC〕を用いて行った。
図2に、磁歪測定装置の概略的な断面図を示す。ストレイン・ゲージ4は試料5の長さ方向両面に一枚ずつ平行に貼り、二枚の真鍮板6で試料5を挟み、予荷重をかけるときは、ねじ7を締め圧縮荷重をかけた。
引張破断試験には小型引張試験機〔米倉製作所製:高温小型引張試験装置〕を用い、破断面の観察にはデジタルマイロスコープ[島津理化器械株式会社製:SCZ−BS,Moticam2000]を用いた。
ビッカース硬度試験にはマイクロビッカース硬さ試験機〔Akashi製:MVK−VL〕を用い、加重300gで試験を行った。
ヤング率測定は中型万能引張試験機[島津製作所製:AGS−H]及びひずみゲージ〔共和電業製:KFG−1−120−D16−11L3M2S〕を用いて行った。
[C及びB添加の影響検証]
・X線構造解析による分析
図3は、Fe−11.3Ga−6.3Al[at%],(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%],(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]未熱処理試料のX線構造解析結果を示す。
しかし、40°付近にFe−Ga−AlやFeGaAl−Bには見られないピークが見られた。これはFe−Ga規則fcc構造のFe3GaかC添加による相のどちらかである。格子定数の計算ではa=0.3732nm、Fe3Gaの格子定数a=0.3683nmであるため異なる。そこで、ICDD(International Centre for Diffraction Data)カードの解析の結果を参照したところ、fcc構造のGaFe3C0.5であると分かった。
(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]及び(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料を(1)823K,60分保持後徐冷、(2)1173K,60分保持後徐冷、(3)1173K,60分保持水冷という3つの熱処理条件に従って熱処理した。
ピーク強度の比(200)/(110)は条件(1)の熱処理で0.85、条件(2)の熱処理で0.03と、温度が上昇するに従って低下しているのが分かる。
また、条件(3)の熱処理試料はピーク強度の比(200)/(110)は0.05となり他の相と思われるピークも45°付近にしか観察できなかった。
条件(1)での熱処理では、ピーク強度の比(200)/(110)が0.17であり若干であるがピークの上昇が見られた。条件(2)ではピーク強度の比(200)/(110)が0.41と大きくピークが上昇していた。
条件(3)の熱処理では、ピーク強度の比(200)/(110)が0.04と逆に低下した。上記(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]と同様に、多結晶バルク材料では高温域からの水冷は適していないことが分かった。
図8には、Fe−11.3Ga−6.3Al(at%)、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]試料、(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料の未熱処理試料の磁化曲線を示す。
磁化率χ、保磁力HCはそれぞれFe−11.3Ga−6.3Al(at%)でχ=154.2、HC=5.0Oe、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]でχ=123.6、HC=6.1Oe、(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]でχ=77.1、HC=10.9Oeであった。
保磁力はB添加ではほとんど変化が見らないが、C添加は増加が見られた。これはC添加による炭化物相GaFe3C0.5の影響と考えられる。
磁歪測定に用いた試料の寸法は(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]が縦5.9×横5.4×長さ8.5mm、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]が縦6.5×横4.8×長さ9.1mmである。試料写真を図10に示す。
1173K,60分保持後徐冷で熱処理を施した(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料、Fe−Ga−Al−B試料の磁歪測定の結果を図11(予荷重0MPa)、図12(予荷重10MPa)にそれぞれ示す。
・X線構造解析による分析
Cをそれぞれ1.5,3.0,5.0at%と添加した試料の熱処理前試料のX線構造解析結果を図13に示す。
それぞれ格子定数はC添加量1.5at%でa=0.2908nm、3.0at%でa=0.2898nm、5.0at%でa=0.2903nmであった。C添加量1.5at%でのピーク強度の比(200)/(110)は上述した通り0.13、C添加量3.0at%では0.37、C添加量5.0at%では0.06とC添加量3.0at%の時が最も大きく5.0at%添加では最も小さい。
C添加量1.5at%でのピーク強度の比(111)/(110)は0.03、C添加量3.0at%では0.1、C添加量5.0at%では0.28であり、C添加量に比例してGaFe3C0.5fcc相の割合が増加している。
ピーク強度の比(200)/(110)は1.5at%添加した試料が0.41と最も大きく、3.0at%添加試料で0.1と熱処理前より減少し、5.0at%添加試料では0.08とほとんど変化しなかった。
C添加量が多くなると(3at%〜5at%)、bcc構造Fe−Ga−Al相は減少し、そのことが(200)ピーク強度の減少につながっているのではないかと考える。
これらのデータからGaFe3C0.5を少量得る、且つピーク強度の比(200)/(110)を大きく得るC添加量は1.5at%程度が良好であると考えられる。
Cをそれぞれ1.5,3.0,5.0at%と添加した試料の未熱処理試料の磁化曲線を図15に示す。
磁化率χ、保磁力HCはそれぞれ1.5at%添加でχ=77.1、HC=10.9Oe、3.0at%添加でχ=69.2、HC=20.0Oe、5.0at%添加でχ=60.1、HC=54.6Oeであった。この結果から、C添加量の増加とともに磁化率は減少するが逆に保磁力が増加する傾向にあることがわかった。このことからもGaFe3C0.5が保磁力に影響を及ぼしていることがわかる。
磁化率χ、保磁力HCはそれぞれ1.5at.%添加でχ=70.7、HC=8.7Oe、3.0at%添加でχ=74.4、HC=9.13Oe、5.0at%添加でχ=82.2、HC=13.5Oeであった。
1.5at%添加の試料は他の2つと比べ熱処理による影響は少ない。このことからC添加量が多いとより熱処理の影響を受けやすいと考えた。よってC添加量が少ないため磁化特性がほとんど変化しなかったのではないかと考えられる。
1173K,60分保持後徐冷で熱処理を施したCをそれぞれ1.5,3.0,5.0at%と添加した試料の磁歪測定の結果を図17に示す。
試料寸法は1.5at%添加試料で縦5.9×横5.4×長さ8.5mm、3.0at%添加試料で縦7.0×横1.5×長さ9.0mm、5.0at%添加試料で縦6.8×横3.0×長さ10.5mmである。
・引張破断試験
(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]試料の引張破断試験の結果を図18に示す。
試料寸法は平行部幅1.8×厚さ0.4×長さ6.0mmである。(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料はひずみε=0.0137において667MPaで破断、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]試料はε=0.0058において453MPaで破断した。Fe−11.3Ga−6.3Al[at%]の破断強度が294MPaであることから、B添加、C添加とも強度特性の向上が見られる。
これを見ると、C添加試料では表面が細かなぎざぎざ状の破断面であったが、B添加では大きなぎざぎざ状の破断面であり、グラフからも降伏伸びも観測できなかったため、B添加によるFe−Ga−Al合金の強度改善は見られたが脆性改善は見られないと言える。C添加では強度が大きく向上し、且つ脆性特性も改善が見られた。
ヤング率測定時の応力−ひずみ線図を図20に示す。
試料寸法は平行部幅2.4×厚さ1.7×長さ5.0mmである。応力は40MPa程度まで負荷し、測定結果は3回の試験の結果を平均したデータを載せている。その結果、ヤング率は138GPaという結果を得た。
マイクロビッカース硬度測定試験の結果を表1に示す。試料は測定面をSiC研磨紙で2000番まで研磨した試料を使用した。測定点は7箇所でそれらの結果を平均した結果を示している。
(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]試料Hv=281.4、(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%]試料Hv=272.7であり、Fe−11.3Ga−6.3Al[at%]試料のHv=288に比べ若干減少した。
リング材料として、(Fe−13Ga−5Al)−1.5Cについてはアーク溶解法により作製した合金インゴット用い、比較用として一般加工用炭素鋼材料[SK−105]をそれぞれ機械加工し作製した。各材料の特性を表2に示す。
また、図21にリングの寸法図、図22に加工した磁歪リングの写真を示す。本例では、フープ応力を約100MPa程度に設定したいので、リング形はFeGaAlC、SK−105鋼ともdRING=9.99[mm]、t=1.005[mm],幅L=6.0[mm]とした。
リングの装着には装着処置後の時間的余裕の確保や磁歪リングの材質変化をできるだけ抑制するために、冷やしはめを選択した。シャフトを十分に温度が低下するまで液体窒素中(−196℃)に浸し、十分にシャフトが冷却された後にリングを装着した。
このとき、シャフトは熱収縮によりリング内径より小さくなっているため装着が可能となる。装着後温度が徐々に室温に戻ると熱膨張によりシャフトが元の寸法に戻り、リングとシャフトは接着される。
リングの周方向着磁には、ネオジム磁石(Nd2Fe14B)を用いた。形状は円柱状で直径8mm、高さ6mmのものを用いた。シャフトを回転数500rpmで回転させた状態にて、磁石とリングの距離を0.5mmとして約5分間着磁を行った。
トルクを段階的にかけていき、出力磁場との関係を検証した。トルクはひずみゲージにより検出した。トルクは約14N・mまで1N・mごとに磁場をギャップG=0.1mmの条件でホールセンサを用いて測定した。測定回数は3回とした。
このグラフから、(Fe−13Ga−5Al)−1.5CリングはSK−105リングよりも感度が約2.6倍高いことがわかる。
1.C添加効果
(1)熱処理なし試料の場合
Fe−Ga−Al合金にCを添加するとGaFe3C0.5の析出物相を得ることができた。これは母相内部にこれらが分散されており、(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]合金においては保磁力が元素添加前の試料より114%増加した。
(2)熱処理あり試料の場合
(Fe−13.6Ga−6.0Al)−1.4C[at%]合金において、1173Kで1時間保持後に徐冷する条件で熱処理を施した合金は、破断強度が667MPaとなり、Cを添加前のFeGaAl合金に比べ破断強度が126%と大きく増加した。また、磁歪量は60ppmと添加前試料と比べ17%の減少であった。
(3)C量添加の影響
C添加量を増加させるとGaFe3C0.5は比例して増加する、その結果、保磁力も増加するが一方C添加量の増加とともに磁歪量は減少していく。
(1)熱処理なし試料の場合
B添加では磁化率・保磁力にはあまり影響を及ぼさなかった。
(2)熱処理あり試料の場合
(Fe−13.6Ga−5.6Al)−1.6B[at%],1173Kで1時間保持後に徐冷した試料では破断強度が453MPaとB添加前の試料と比べ54%増加した。
これらの結果を表4にまとめる。
この材料をリング形状に加工し、構築したトルク測定システム用いて、トルク印加試験を行い出力特性について検証した。その際、比較用として一般に使われている低炭素鋼であるSK−105を同様にリング形状に加工し、出力特性の比較を行った。
例えば、図1に示した磁歪式トルクセンサにおいて、トルク検出用の磁気センサとしてはホールセンサのみを示したが、省電力で小型であるところの、ホールIC、及びMIセンサを使うこともできることはいうまでもない。
2 リング
3 センサ
4 ストレイン・ゲージ
5 試料
6 真鍮板
7 ねじ
Claims (5)
- 次式(1)
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Cz…(1)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)で表される組成を有することを特徴とするFeGaAl系合金。 - 次式(2)
(Fe(100at%−x−y)−Gax−Aly)100at%−z−Bz…(2)
(式中のxは12〜14at%、yは4〜7at%、zは1〜2at%である)で表される組成を有することを特徴とするFeGaAl系合金。 - 熱処理を行い、結晶方位、析出物を制御して成ることを特徴とする請求項1又は2に記載のFeGaAl系合金。
- 厚さ0.5mm以上で幅0.5mm以上のバルク状態をなすことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載のFeGaAl系合金。
- 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載のFeGaAl系合金を用いて成ることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
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