JPS5938294B2 - ひずみゲ−ジ材料用非晶質合金 - Google Patents

ひずみゲ−ジ材料用非晶質合金

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JPS5938294B2
JPS5938294B2 JP15369879A JP15369879A JPS5938294B2 JP S5938294 B2 JPS5938294 B2 JP S5938294B2 JP 15369879 A JP15369879 A JP 15369879A JP 15369879 A JP15369879 A JP 15369879A JP S5938294 B2 JPS5938294 B2 JP S5938294B2
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JP
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alloy
resistance
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strain gauge
range
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JP15369879A
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和明 深道
健 増本
久道 木村
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Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気抵抗温度係数が小さく、電気抵抵率が高
く、かつ非磁性であることを特徴とするひずみゲージ材
料用非晶質合金に関するものである。
ひずみのゲージを用いると任意の構造物について、静的
のみならず動的あるいは衝動的ひずみや応力測定ができ
るため、最近では応力測定の90%以上がひずみゲージ
を用いて行なわれている。
ところでひずみゲージ用材料は下記の(1)H9)に記
載の特性を有することが有利であるか、あるいは必要と
されている。(1)できるだけ高いひずみ感度を有する
こと。
(2)電気抵抗率が大きいこと。(3)温度あるいはひ
ずみ速度が変化してもひずみ感度は一定であること。
(4)電気抵抗温度係数(以下単に抵抗温度係数という
)が小さく、この温度係数の値を制御できること。
(5)広いひずみ範囲内でひずみ感度が一定しているこ
と。
(6)対銅熱起電力が小さいこと。
(7)ひずみゲージの製作が容易であること。
(8)物理的、化学的に安定した材料であること。(9
)ひずみゲージの設置場所が磁場中であるときは、この
ゲージ材料が非磁性であること。従来ひずみケージ材料
としてはCu−Ni、Ni−Cr、Ni−Cr−Fe系
の結晶質合金がそれぞれの特性に応じて用いられている
が、これらの金属5 材料は製造上ならびに使用上それ
ぞれ下記の如き欠点がある。
Cu−Ni合金は常温用ひずみゲージ材料として最も一
般的に使用されているが、250℃以上の高温あるいは
−50℃以下の低温においては不安定な挙動が生ずるこ
と、耐食性が良くなることならびに銅に対する熱起電力
が大きいことなどの欠点がある。
Ni−Cr合金は、他の合金材料に比較して極低温特定
は安定しており、極低温領域では現在のところ最も優れ
たひずみゲージ材料であるが、抵抗温度係数が70(1
〔6/℃)と大きく、またこの材料は熱処理する必要が
あるが、この熱処理の結果抵抗温度係数の変化が一定し
なくなるなどの欠点がある。
Ni−Cr−Fe合金は振動測定用の如き動的ひずみに
対するひずみゲージ用材料として用いられるが、抵抗温
度係数が180(10−6/℃)と大きい欠点がある。
ひずみゲージ用材料はひずみ発生部に貼付けて使用され
、その伝達効率を高くしたり、測定箇所の影響を少なく
するために、小型で高い電気抵抗を要求するので、材料
は薄い箔(3〜5μm厚さ)あるいは細線(13〜25
μm直径)の如き形状に加工されて使用される。
薄い箔は圧延により、細線はダイス引抜きにより製造さ
れ.るので、これらは高い加工率で加工されることとな
る。しかしながら加工して製造される箔あるいは細線の
機械的、電気的特性は加工度によつて変化するので、こ
れらの特性を精密に制御することは実際には極めて困難
であり、そのため加工時において加工と熱処理の両操作
を精密に施しながら仕上げる必要がある。かくして最終
寸法に仕上げられた状態でひずみ材料として安定化のた
めに熱処理を施して特性が調整されている。このように
従来知られたひずみゲージ材料は、その製造工程が複雑
であり、製造の際に必要な燃料あるいは電力の消費量も
大であり、原材料費に比して加工費が大であり、最終製
品コストは高価となる。本発明は、従来用いられている
ひずみゲージ用材料の有する前記諸欠点を除去改善した
抵抗温度係数が小さく、電気抵抗率が高く、対銅熱起電
力が小さく、製造が容易で、かつ非磁性のひずみゲージ
材料用非晶質合金を提供することを目的とするものであ
り、特許請求の範囲記載の非晶質合金を提供することに
よつて前記目的を達成することができる。
次に本発明を詳細に説明する。
通常金属は固体状態では結晶状態であるが、ある特殊な
条件、例えば特殊な合金組成の液体を超急冷凝固させた
場合には、固体状態でも液体に類似した結晶構造を有し
ない原子構造が得られる。
このような金属あるいは合金は非晶質合金と称されてい
る。この非晶質合金は加熱するとそれぞれの成分組成に
応じてある温度で結晶質合金に変化し、非晶質合金とし
ての特性が失われる。前記温度は結晶化温度と称され、
本発明の非晶質合金の結晶化温度はほぼ490〜520
℃の範囲内にある。本発明者等は本発明の前記特定成分
組成を有する非晶質合金が抵抗温度係数が小さく、電気
抵抗率が高く、対銅熱起電力が小さく、かつ非磁性であ
るということを新規に知見し、本発明を完成した。
第1表に本発明の非晶質合金の数例と従来一般に使用さ
れているひずみゲージ用材料について、それらの成分組
成ならびに、諸特性を比較して示す。第1表において、
煮1〜9は本発明の非晶質合金の代表例であり、また、
黒10,煮11,煮12はそれぞれCu−Ni,Ni−
Cr,Ni一Cr−Fe合金である。
この表から本発明の合金は、これら従来一般に使用され
ているひずみゲージ用材粍こ比し、ひずみ感度は、ほぼ
同程度であるが、抵抗温度係数、電気抵抗率または対銅
熱起電力において、極めて優秀なひずみゲージ特性を有
することが判る。次に本発明の非晶質合金の製造方法を
説明する。
本発明の成分組成を有する合金溶湯を溶融状態からおよ
そ104℃/秒以上の冷却速度で超急冷することにより
非晶質合金を製造することができる。前記冷却速度が1
04℃/秒より遅いと完全に非晶質化することができな
いので、104℃/秒以上の冷却速度で急冷する必要が
ある。例えば、第1図aに示す如く高速回転する1つの
円板3の外周面上、または第1図bに示す如く高速に互
いに逆回転する2つのロール4,4′の間に合金溶湯1
を連続的に噴出させて回転円板または双ロールの表面上
で104℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固させて薄帯2
を得る方法が知られている。またすでに本発明者らの1
人が発明した溶融金属から直接幅広薄帯板を製造する方
法ならびにその製造装置(特開昭53−125228号
、53一125229号)を用いることができる。
本発明の非晶質合金は上記の諸方法によつて、厚さ5μ
m〜50μm1幅5μm〜10m&長さ10mの繊維状
あるいはリボン状の材料として溶解後→短時間の内に製
造することができるため、製造上でのエネルギー節約と
なり、かつ安価なひずみ材料を提供することができる。
104℃/秒以上で超急冷した本発明の非晶質合金は、
さらに、従来一般に用いられているひずみゲージ材料よ
りも優れている特性がある。
本発明の非晶質合金を実験データに基づいて説明する。
第2図は本発明のNl9O−XSi,OBxの成分組成
の非晶質合金をO℃〜100℃まで変化させた時の電気
抵抗の変化率を示した図である。
この図から判るように成分組成を変えることにより抵抗
温度係数の調節が極めて容易であり、さらに、これを零
にすることが可能であることは従来一般に使用されてい
るひずみゲージ材料では得ることが出来ない実用上極め
て有用な特徴である。第3図は本発明のNl67.6S
llOB,2.4Ni66.lcr4Si,OBl9.
9の非晶質合金を−269から700まで昇温させた時
の電気抵抗の変化率を示した図である。
この図かられかるように、本発明の非晶質合金は−26
9゜Cから37『C附近までの広い範囲で電気抵抗がそ
れぞれ一定であることが判る。第4図は本発明のNl6
7.6SilOB,2.,非晶質合金のひずみ速度5.
65X10−5sec−1の条件下でのひずみと応力、
ひずみと電気抵抗の変化率の関係を示した図である。
この図からもわかるように、広いひずみ範囲例えばO〜
2,2×10−2の範囲内で、応力と電気抵抗の変化率
が、ひずみに対してそれぞれ比例していることは、実用
的に極めて有意義である。また第5図は、本発明のNl
67.6SilO.OB22.4非晶質合金のひずみ速
度とひずみ感度の関係を示した図である。この図より本
発明の非晶質合金はひずみ感度がひずみ速度に依存する
ことなく一定であることがわかる。従来一般に使用され
ているひずみゲージ材料では得られなかつた大きな特徴
である。この理由は非晶質合金の構造がひずみに対して
安定で、ひずみ速度の変化によつてもほとんど変らない
ためと考えられる。第6図は本発明の第1発明の合金に
おいてSlとBの含有量が抵抗温度係数Cfに及ぼす影
響を示す図である。
同図から判るようにBは13.9〜31.5原子%と、
Siは3〜15原子%の範囲内で、かつSiとBとの和
が29.9〜34.5原子%の広い範囲内では抵抗温度
係数Cfがおよそ±20X10−6/℃の範囲内にあり
なかでもSiとBとの和が32原子%附近ではCf値が
零であり、ひずみゲージ材料として有用である。第7図
は本発明の第2発明の合金において抵抗温度係数Cfに
及ぼすSi<!:.Bの含有量の影響を示す図であり、
Crを4原子%含有するときはBll.O〜31.4原
子量%とSi3〜16原子%の範囲内で、かつSi(5
Bの和が27.0〜34.4原子%の範囲内で抵抗温度
係数Cfがおよそ±20X10−6/℃範囲内にあり、
なかでも前記和が29.9原子%附近ではCf値が零で
あり、ひずみゲージ材料として有用である。
本発明の第2発明の合金において、Al,Cu,Fe,
Cr,V,Ti(7)tかから選ばれる何れか1種又は
2種以上を7原子%以下含有するが0.その他にCO,
Mn,MO,W,Nb,Ta,Zr,A9,P,Ge,
C,S,As,Pbなどから選ばれる何れか1種又は2
種以上を本発明合金の特性が保持される範囲内で含有さ
せることができる。
本発明の合金において成分組成を限定する理由を説明す
る。
本発明の第1発明の合金において、Siは301)より
少ないと、または16%より多いと溶湯を超急冷しても
非晶質化することが困難であるので、Siは3〜16(
I)の範囲内にする必要がある。
Bは13.9%より少ないと、または31.5%よりも
多いと、第6図かられかるように抵抗温度係数が±20
(10−6/℃)よりも大きな値になり従来一般に使用
されているひずみゲージ材料の抵抗温度係数と同程度か
それよりも悪くなるためにBは13.9〜31.5%の
範囲内にする必要がある。なお、抵抗温度係数を±20
(10−6/℃)にするために、SiとBの和を29.
9〜34.5%の範囲内にする必要がある。本発明の第
2発明の合金において、Siは3%より少ないと、また
は16%より多いと溶湯を超急冷しても非晶質化するこ
とが困難であるのでSlは3〜16%の範囲内にする必
要がある。
Bは11.0%より少ないと、または31.4%よりも
多いと、抵抗温度係数が±20(10−6/℃)よりも
大きい値になり従来一般に使用されているひずみゲージ
材料の抵抗温度係数と同程度か、それよりも悪くなるた
めにBは11.0〜31.4(fl)の範囲内にする必
要がある。Cr,Al,Cu,Fe,V,Tiのなかか
ら選ばれる何れか1種又は2種以上の元素は、電気抵抗
率を高め、対銅熱起電力を小さくする等の効果があるが
、7%以上多くすると溶湯を超急冷しても非晶質化する
ことが困難であるので、これらの元素は701)以下に
する必要がある。
なお、抵抗温度係数をほぼ−20〜+20(10−6/
℃)にするためには、SiとBの和を27.0〜34.
4%の範囲内にする必要がある。
これらの合金は、従来一般に使用されているひずみゲー
ジ用材料に比べると、抵抗温度係数が20〜180分の
1と小さく、電気抵抗率が1.5〜3.6倍と高く、対
銅熱起電力が2〜90分の1と小さい。また、これらの
合金は、抵抗温度係数および対銅熱起電力が極めて小さ
いことから、標準用抵抗材料としても使用することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図A,bはそれぞれ非晶質合金の製造装置の縦断面
説明図、第2図は本発明のNi,O−XSi,。 Bx合金の温度と抵抗変化率との開係を示す図、第3図
は本発明の抗変化率との関係を示す図、第4図は本発明
のNl67.6SllO.。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 電気抵抗温度係数が小さく、電気抵抗率が高く、か
    つ非磁性であることを特徴とし、実質的に下記の式で示
    される成分組成よりなるひずみゲージ材料用非晶質合金
    。 NiaSibBc 但し式中aは65.5〜70.1原子%、bは3〜16
    原子%、cは13.9〜31.5原子%の範囲内にあり
    、a、bおよびcの和は実質的に100である。 2 電気抵抗温度係数が小さく、電気抵抗率が高く、か
    つ非磁性であることを特徴とし、実質的に下記の式で示
    される成分組成よりなるひずみゲージ材料用非晶質合金
    。 NidMeSifBg 但し式中MはCr、Al、Cu、Fe、V、Tiのなか
    から選ばれる何れか1種又は2種以上の元素であり、d
    は58.6〜73.0原子%、eは7原子%以下、tは
    3〜16原子%以下、gは11.0〜31.4原子%以
    下の範囲内にあり、d、e、fおよびgの和は実質的に
    100である。
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