SE529789C2 - Mätanordning omfattande ett skikt av en magnetoelastisk legering och förfarande för tillverkning av mätanordningen - Google Patents

Description

25 30 35 529 789 2 ytan av organet genom olika metoder, t ex genom plätering, termosprutning, metallsprutning, beläggning med pistol, svetsning eller limning.

WO0l44770 visar ett exempel på en magnetostriktiv sensor för att mäta vridmoment i en axel, där sensorn innefattar åtmin- stone ett aktivt magnetostriktivt område på axeln. Det mag- netostriktiva området innefattar ett eller flera skikt av ett magnetostriktivt material. Appliceringen av skiktet ut- förs genom plätering. Pläteringen kan följas av en stabili- serande värmebehandling vid mellan 150 °C och 300 °C. Vid vissa tillämpningar kan man även tänka sig en högre tempera- tur. Denna patentansökan hänför sig till magnetostriktivt material såsom ren nickel, där en uppvärmning över 300 °C skulle resultera i ökad linjäritetsavvikelse. Därför bör uppvärmning över 300 °C undvikas för denna typ av sensor.

Det finns ett önskemål att kunna mäta mekaniska spänningar i ett stort belastningsomräde. Inom bilindustrin finns det exempelvis ett önskemål att mäta momentinducerade skjuv- spänningar av en storlek på upp till 200-300 MPa. Vidare finns det ett önskemål att komma fram till en momentmätande anordning som är stabil under lång tid på grund av bestän- dighet mot mekanisk och termisk utmattning och är linjär, dvs utsignalen från mätanordningen är väsentligen propor- tionell mot belastningen på det lastbärande organet. Vidare finns ett önskemål att reducera eller till och med eliminera krypning i utsignalen från mätanordningen, dvs utsignalen bör inte ändra värde vid konstant belastning. Hysteres i utsignalen bör undvikas då den ökar mätfelen. ÅNDAIAÅL ocH REDosöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande för framställning av ett skikt på det last- bärande organet, vilket möjliggör tillverkning av en för- bättrad anordning för mätning av spänningar inducerade i skiktet med avseende pá ett eller flera av ovanstående 10 15 20 25 30 35 529 789 3 önskemål och utan att avsevärt ändra viktiga egenskaper hos det lastbärande organet.

Detta ändamål uppnås med ett förfarande som anges i patent- krav 1. 0 Ett sådant förfarande innefattar: bildning av ett nanokris- tallint skikt av en magnetoelastisk legering som har en genomsnittlig kornstorlek på mindre än 50 nm på en yta av ett organ, och värmebehandling av skiktet tills en kristal- lisering av legeringen inträffar och den genomsnittliga kornstorleken ligger i området 100 nm till 10000 nm. Överraskande nog har det upptäckts att uppvärmning av nano- kristallina skikt av magnetoelastiska legeringar av vissa sammansättningar, med en genomsnittlig kornstorlek på mindre än 50 nm, i viss utsträckning, beroende på sammansättningen av legeringen, orsakar en kristallisering av legeringen, vilket drastiskt förbättrar de spänningsmätande egenskaperna hos skiktet. Det är väsentligt att den temperatur som lege- ringen uppvärms till är lägre än legeringens smälttempera- tur. I annat fall uppnås inte de önskade egenskaperna. De W fördelar som uppnås med förfarandet enligt uppfinningen är att.mätskiktet som åstadkoms genom förfarandet är väsentli- gen linjärt över ett stort belastningsområde, har låg hys- teres och har förbättrad stabilitet mot åldring och utmatt- ning.

Det har visat sig genom experiment att en legering som innefattar järn, nickel och andra legeringsämnen inom vissa områden åstadkommer den önskade kristalliseringen och uppnår de önskade egenskaperna, när de värmebehandlas till en tem- peratur över 350 °C, men mindre än smältpunkten hos skiktet. Även om det ännu inte är testat är det emellertid högst sannolikt att andra kombinationer av legeringselement i vissa förhållanden skulle åstadkomma samma resultat med användning av förfarandet enligt uppfinningen. Fackmannen kan genom normalt utövande ta reda på om förfarandet funge- 10 15 20 25 30 35 529 789 4 rar även för andra legeringselement och inom vilka områden det fungerar. Kombinationer av järn och kobolt, eller nickel och kobolt, skulle exempelvis förmodligen ge samma resultat.

För att åstadkomma ett linjärt beteende över ett brett om- råde av spänningsamplituder är det viktigt att undvika mag- netisk induktionsmättning vilket sålunda innebär behov av en måttlig permeabilitet. Energitätheten hos en magnetisk interaktion med yttre spänning är proportionell mot energi- tätheten hos en magnetisk interaktion med ett yttre magne- tiskt fält. Denna proportionalitet beror på magnetiska egenskaper såsom magnetisk induktionsmättning, mättnings- magnetostriktion, magnetiseringsfåltet, spänningen och dessutom storleken på de magnetiska domänerna. Den magne- tiska domänstorleken är proportionell mot permeabiliteten.

För att utforma ett material med måttlig permeabilitet måste en liten domänstorlek åstadkommas. Ett sätt att uppnå detta är att skräddarsy en mikrostruktur av materialet med en kornstorlek som är tillräckligt stor för att rymma en en- staka domän men tillräckligt liten för att rymma endast en, eller ett fåtal. Den minsta kornstorleken när detta inträf- far är i storleksordningen bråkdelar av mikrometer. Ett nanokristallint skikt som har en genomsnittlig kornstorlek mindre än 50 nm ger gynnsamma förutsättningar för kristalli- sering och att skräddarsy nämnda mikrostruktur.

Enligt en utföringsform av uppfinningen ligger den genom- snittliga kornstorleken hos nämnda skikt i området 100 nm till 5000 nm, företrädesvis 100 nm till 1000 nm, och allra helst 200 nm till 500 nm, Sålunda skapas gynnsammare förut- sättningar för domänstrukturen för att sammanfalla med korn- storleken.

Såsom beskrivits i “Handbook of Magnetic Materials, Vol. 10, 1997, ISBN 0444825991, kapitel 3 “Nanocrystalline soft mag- 415-461, finns det ett förhåll- ande mellan kornstorlek och koercitivkraft för magnetiska legeringar såsom Ni-Fe. Detta skulle betyda att de fördelak- netic alloys” av Herzer, s. 10 15 20 25 30 35 e 529 789 5 tiga kornstorlekarna som beskrivits ovan skulle ha koerci- tivkraft inom vissa områden.

Enigt en utföringsform av uppfinningen värmebehandlas skik- tet till en temperatur över 300 °C men mindre än skiktets smälttemperatur, företrädesvis till en temperatur inom områ- det 350 °C till 1000 °C, och helst till en temperatur inom området 400 °C till 800 °C. För att åstadkomma den önskade kristalliseringen måste skiktet värmebehandlas till en tem- peratur över legeringens kristalliseringstemperatur_ Sålunda beror temperaturen vid värmebehandlingen på legeringens sam- mansättning. För intressanta Ni-Fe-sammansättningar ligger exempelvis kristalliseringstemperaturen inom området 350 °C - 450 °C, och sålunda måste temperaturen vid värmebehand- lingen överskrida denna temperatur. Om skiktet värmebehand- las till en temperatur inom området 400 °C till 800 °C, är det lättare att uppnå den föredragna kornstrukturen.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar lege- ringen järn inom området 23 - 65 viktprocent, företrädesvis 30 - 60 viktprocent, och helst 35 - 55 viktprocent. Det har visats att värmebehandling av legeringar, inklusive järn inom området 23 - 65 viktprocent, till en temperatur över 350 °C reducerar linjäritetsavvikelsen hos skiktet och där- med förbättrar dess mätegenskaper. Värmebehandling av lege- ringar, inklusive järn i området 30 - 60 viktprocent, till en temperatur över 350 °C reducerar vidare linjäritetsav- vikelsen och förbättrar ytterligare mätegenskaperna hos legeringen. Värmebehandling av en legering, inklusive järn i området 35 - 55 viktprocent, till en temperatur över 350 °C reducerar väsentligen linjäritetsavvikelsen och förbättrar därmed väsentligen mätegenskaperna hos legeringen. Tester har visat att värmebehandling av legeringar, inklusive mindre än 20 viktprocent järn, till en temperatur över 350 °C har motsatt effekt, dvs linjäritetsavvikelsen ökar, vilket resulterar i sämre mätegenskaper. 10 15 20 25 30 35 529 789 6 Beständigheten mot mekanisk och termisk utmattning kräver termodynamisk stabilitet och stabila magnetiska egenskaper.

Ni-Fe-legeringssystemet uppvisar dessa egenskaper i lege- ringsomrádet mellan 23 % och 65 % Fe. I legeringsområdet upp till 20 % är den termodynamiska stabiliteten otillräcklig för höga drifttemperaturer, och vidare vid omkring 20 % till 23 % Fe ändrar egenskaper såsom magnetostriktionen och kris- tallanisotropin tecken och uppvisar ett starkt beroende av kemisk sammansättning och tillverkningsmetoder. Om det finns mer än 65 % Fe i Ni närmar man sig invar-legeringsomrádet, som har olämpliga magnetoelastiska egenskaper för uppfin- ningens ändamål.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar lege- ringen vidare nickel inom området 35 - 77 viktprocent, före- trädesvis 40 - 70 viktprocent, och helst 45 - 65 viktpro- cent. När en legering, som har en nickel- och järnhalt inom dessa områden, utsätts för en värmebehandling enligt uppfin- ningen, bildas en särskilt fördelaktig Ni-Fe-struktur, som har en genomsnittlig kornstorlek inom det önskade intervall- et och önskade magnetiska domäner. Denna Ni-Fe-struktur har särskilt fördelaktiga magnetoelastiska egenskaper och såle- des förbättrade mätegenskaper.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar lege- ringen mindre än 10 viktprocent av ett eller flera andra legeringselement. De andra legeringselementen är exempelvis kobolt, kisel, bor, svavel, kol, syre, kväve, aluminium, germanium, titan, molybden, niob, silver och koppar. Lege- ringen tillåts innefatta mindre än 10 viktprocent av andra legeringselement för att uppnå de förbättrade mätegenska- perna.

Enligt en utföringsform av uppfinningen värmebehandlas skiktet under en tid mindre än 30 sekunder. Uppvärmnings- tiden är inte kritisk så länge som kraven på relativ per- meabilitet och differentiell permeabilitet uppfylls. Så snart som kristalliseringen har inträffat kan uppvärmningen 10 15 20 25 30 35 ~ 529 789 7 avslutas. Värmebehandlingen bör företrädesvis vara så snabb som möjligt för att undvika uppvärmning av det lastbärande organet och därmed försämring av dess egenskaper, såsom härdningen av organet. Det är fördelaktigt att använda in- duktionsuppvärmning för värmebehandlingen eftersom det är en snabb metod och tillhandahåller lokal uppvärmning av skik- tet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är nämnda skikt bil- dat på organet med hjälp av elektroplätering. Elektropläte- ring är en lämplig metod för att åstadkomma ett nanokristal- lint skikt av önskad kornstorlek.

Enligt en utföringsform av uppfinningen värmebehandlas skik- tet tills en kristallisering av legeringen inträffar och den relativa permeabiliteten blir mindre än 500 och den maximala differentiella permeabiliteten blir mindre än dubbla relati- va permeabiliteten, båda uppmätta i ett magnetiseringsfält med en amplitud mindre än 1500 A/m. När dessa krav pá rela- tiv permeabilitet och maximal differentiell permeabilitet är uppfyllda är magnetiseringskurvan väsentligen rak, vilket betyder att mättning av den magnetiska induktionen inte in- träffar. Detta är fördelaktigt då en sensor med ett sådant skikt har en väsentligen linjär utsignal som funktion av be- lastningen.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att till- handahålla en mätanordning innefattande ett skikt av en mag- netoelastisk legering bildad på ett lastbärande organ, vilken anordning är förbättrad med avseende på ett eller flera av ovanstående önskemål.

Detta ändamål uppnås med en mätanordning som anges i patent- krav 12.

En sådan mätanordning är väsentligen linjär över ett stort belastningsområde, har låg hysteres samt har förbättrad sta- bilitet mot åldring och utmattning. 10 15 20 25 30 35 r 529 789 8 Uppfinningen är särskilt användbar för tillverkning av en sensor för att mäta vridmomentet hos en motor eller trans- mission, såsom motorn eller transmissionen hos en bil. då den framställda momentsensorn är linjär i det önskade be- lastningsomràdet för en sådan tillämpning.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nu att förklaras närmare genom beskriv- ning av olika utföringsformer av uppfinningen och med hän- visning till de bifogade figurerna.

Figur 1 visar ett exempel pà en mätanordning innefattande ett lastbärande organ täckt med ett magnetoelastiskt skikt.

Figur 2 visar ett exempel pá en magnetiseringskurva för ett pläterat nanokristallint magnetoelastiskt skikt före värmebehandlingen.

Figur 3 visar ett exempel på en magnetiseringskurva för det pläterade magnetoelastiska skiktet efter värmebe- handling till en temperatur i området 350 °C till 1000 °C.

Figur 4 visar ett exempel på en magnetiseringskurva för det pläterade magnetoelastiska skiktet efter värmebe- handling till en temperatur över 1000 °C.

Figur 5 är ett diagram som visar linjäritetsavvikelsen som funktion av skjuvspänningen för olika typer av ett magnetoelastiskt skikt.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Figur 1 visar ett exempel på en mätanordning innefattande ett lastbärande organ i form av en roterande axel 1 som är 10 15 20 25 30 i 529 789 9 anordnad att överföra ett vridmoment i någon slags mekanisk transmission. Anordningen är anordnad att mäta vridmoment som pàförts det lastbärande organet. Det lastbärande organet är tillverkat i ett material med tillräcklig styvhet, t ex stål. Ett magnetoelastiskt område 2 anordnas på axeln l. Det magnetoelastiska området 2 innefattar ett första skikt 3 av ett magnetoelastiskt material som har en i huvudsak konti- nuerlig utsträckning och tjocklek i nämnda område 2. I denna utföringsform bildas det magnetoelastiska skiktet 3 genom plätering och är huvudsakligen sammansatt av järn och nickel. Ett andra skikt 4 i form av ett kontinuerligt band anordnas på det första skiktet 3. Det andra skiktet 4 bildar ett ytmönster på det första skiktet 3. Vidare innefattar mätanordningen lindningar Sa-b som förser mätanordningen med ett magnetiserande växelfält. Denna typ av mätanordning är exempelvis närmare beskriven i den internationella patent- ansökningen WO0l/44770. Föreliggande uppfinning avser det första magnetoelastiska skiktet 3 och ett förfarande för tillverkning av ett sådant skikt.

Definitioner: V 1 B Relativ permeabilitet: fÖ'” ;;'3§' där det maximala 0 magnetiseringsfältetlí är 150OA/m och den magnetiska A induktionen..B uppmäts för ett icke belastat skikt. 1dB fldifl = ”O dH Maximal ßæffär den största differentiella relativa permea- Differentiell relativ permeabilitet: biliteten utmed magnetiseringskurvan. Å }¶- är det maximala magnetiseringsfältet Å A 1? är den magnetiska induktionen vid 13, ÅJQ är permeabiliteten i fria rymden 10 15 20 25 30 35 529 789 10 Hc, koercitivkraften, är det omvända magnetiseringsfält som behövs för att återställa den magnetiska induktionen, B, till noll efter mättningsmagnetisering.

V2” är volymsfraktionen av den interkristallina materian.

Enligt uppfinningen åstadkoms ett skikt med förbättrade mätegenskaper om följande villkor uppfylls för mätningar av en magnetisk induktionskurva för det obelastade skiktet: 1000 > 2,1, > yw fír<1sooå Kravet på pr är således at pr < 500 och kravet på pdfif är att udfif < 2pr uppmätt för ett maximalt magnetiseringsfält mindre än l500A/m. När dessa krav på uroch pdüf är uppfyllda är magnetiseringskurvan väsentligen rak, vilket innebär att mättning av den magnetiska induktionen inte inträffar. Detta är fördelaktigt då det möjliggör tillverkning av en sensor med ett sådant skikt, vilken sensor har en linjär utsignal som funktion av belastningen.

I det följande skall ett förfarande för bildning av det mag- netoelastiska skiktet 3"pá organet 1 beskrivas. I ett första steg bildas ett nanokristallint skikt av en magnetoelastisk legering, som har en genomsnittlig kornstorlek på mindre än 50 nm, pà ytan av det lastbärande organet 1. En genomsnitt- lig kornstorlek på mindre än 50 nm är fördelaktig då den or- sakar snabb tillväxt av kornen under nästa förfarandesteg- Om kornstorleken är för stor kommer den önskade kristallise- ringen inte att äga rum. Företrädesvis bör skiktet ha en isotrop textur och isomorf kornstruktur då detta utgör en god utgångspunkt för den önskade kristalliseringen I denna utföringsform görs bildningen med hjälp av elektro- plätering. Det är emellertid också möjligt att använda andra metoder såsom fysikaliska ångdeponeringsmetoder (PVD = Physical Vapor Deposition), kemiska àngdeponeringsmetoder (CVD = Chemical Vapor Deposition), metallsprutning, detona- tionskanon, svetsning samt limning. Tjockleken hos skiktet ligger typiskt inom området 10-500 pm. Den genomsnittliga 10 15 20 25 30 35 1529 789 ll kornstorleken hos ett sådant skikt är mindre än 50 nm och exempelvis mellan 10 nm och 15 nm. Det magnetoelastiska skiktet är exempelvis sammansatt av omkring 40 viktprocent järn, omkring 60 viktprocent nickel och mindre än 1 vikt- procent övriga legeringselement.

Det genom plätering bildade skiktet är antingen nanokris- tallint eller amorft, vilket är ett metastabilt tillstånd.

Skiktet är hårt. Hög inre spänning kan förekomma i skiktet.

När skiktet åldras eller när det används vid förhöjd tempe- ratur, förändras de mekaniska och magnetiska egenskaperna hos skiktet. De mekaniska och magnetiska egenskaperna för- ändras också när skiktet utsätts för upprepad mekanisk pá- känning. Denna tendens att ändra egenskaper under anord- ningens livstid är en dålig egenskap för en sensor.

Figur 2 visar magnetiseringskurvor, dvs BH-kurvan, för tre olika belastningar på det magnetoelastiska skiktet, uppmätta efter att skiktet har bildats på organet och innan det har värmebehandlats. Kurvan med en tunn heldragen linje repre- senterar -100 MPa tryckspänning. Den streckade linjen repre- senterar +100 MPa dragspänning. Den tjocka heldragna linjen representerar ett obelastat 0 Mpa-skikt. Magnetisk induk- tionsmättning inträffar när BH-kurvan är krökt. Som framgår av kurvorna inträffar magnetisk induktionsmättning redan vid noll belastning. För nollbelastningskurvan är pr omkring 800» och maximal pfijf är omkring 5100. Sålunda är maximal pdfif z 6.4p,. Magnetiseringskurvorna är krökta och uppfyller inte kraven på pr och pdfif. En nackdel med att ha ett sådant skikt i en kraftmätande sensor är att utsignalen blir icke-linjär för stora belastningar. En annan nackdel är att en sensor med detta skikt inte är stabil över längre tid på grund av dålig motståndskraft mot mekanisk och termisk utmattning.

I ett andra steg värmebehandlas skiktet till en temperatur i området 350 °C till 1000 °C. Det är tillräckligt att värma skiktet tills en kristallisering av legeringen inträffar.

Typiskt, för en järn- och nickellegering, inträffar denna 10 15 20 25 30 35 ~ 529 789 12 kristallisering när skiktet uppnår en temperatur mellan 350 och 450 °C. Det är emellertid möjligt att värma skiktet till en högre temperatur och åstadkomma samma typ av kristallise- ring så länge som temperaturen är väsentligen under lege- ringens smälttemperatur. Den önskade kristalliseringen in- träffar så snart som legeringen uppnår kristalliseringstem- peraturen. Ytterligare uppvärmning av legeringen har endast mindre effekt på mätegenskaperna. Värmebehandlingen utförs sålunda snabbt; mindre än 30 sekunder, och typiskt ett fåtal sekunder, är tillräckligt för att åstadkomma den önskade kristalliseringen. Det är viktigt att värmebehandlingen är snabb för att undvika att värma upp det lastbärande organet, och därmed undvika att påverka organets egenskaper. För att undvika oxidering av legeringen är det fördelaktigt att an- vända en skyddsgas under värmebehandlingen. Det är emeller- tid inte nödvändigt att använda en skyddsgas.

Uppvärmningen av skiktet sker exempelvis med hjälp av induk- tionsvärmning. En fördel med induktionsvärmning är att den är snabb och koncentrerar uppvärmningen till det magneto- elastiska skiktet och sålunda undviker uppvärmning av det lastbärande organet. Andra möjliga metoder för uppvärmning av skiktet är exempelvis, men inte begränsat till, laser- värmning, ugnsvärmning samt infraröd strålningsvärmning.

Vid kristallisering uppträder en betydande tillväxt av kor- nen. Ökningen av den genomsnittliga kornstorleken är omkring tio gånger storleken före kristalliseringen. Efter kristal- liseringen ligger den genomsnittliga kornstorleken i området 100 nm till 1000 nm, företrädesvis i området 200-500 nm. De mekaniska och magnetiska egenskaperna efter kristallisering- en blir stabilare över tiden och även stabilare när de ut- sätts för en ökad temperatur.

Strukturen hos det elektropläterade materialet är vanligen nanokristallint. Magnetisk domänstruktur av magnetiska nano- kristallina och amorfa material kännetecknas av stora domä- ner, åtminstone tiondelar av pm i ena riktningen. Nanokris- 10 15 20 25 30 35 i 529 789 13 tallina material skapas under termodynamiskt outjämnade tillstånd; således är de i ett termodynamiskt metastabilt tillstånd. Nanokristallint material med d = 10 nm i korn- storlek och D = 1 nm i korngräns uppskattas exempelvis ha 27,1 % interkristallin materia enligt formeln VÅÉ=l-[(d- D)/d]3. I den bemärkelsen kan nanokristallina material be- handlas som släckta. Ordningen hos gittret och reducering av volymen hos den interkristallina materian, dvs ökning av storleken av kristalliter, reducerar energin och gör följ- aktligen systemet stabilare. Ni-Fe-nanokristallint material kristalliseras t ex vid uppvärmning och bildar polykristal- lint material med en genomsnittlig kornstorlek lika med eller mer än 100 nm.

Kristalliseringstemperaturen och karaktären i Ni-Fe-lege- ringar är beroende av järnkoncentration, men enligt vad vi vet överstiger inte inledningen av kristalliseringen 450°C vid intressanta Ni-Fe-koncentrationer. Som redan nämnts ovan avkänner inte den magnetiska domänstrukturen hos nanokris- tallint eller amorft material kristallitstrukturen hos mate- rialet, dvs den magnetiska domänväggsinteraktionen med kris- tallitgränsen är mycket låg. Vid kristallisering börjar korn i materialet att bli tillräckligt stora och korngränser tillräckligt skarpa för att den magnetiska domänen skall interagera med dem, vilket gör det energimässigt gynnsammare för den magnetiska domänstrukturen att brytas ned till mindre domäner. Detta finns t ex utförligt beskrivet i “Reviews on Advanced Materials Science", vol. 5, nr 2, s 134-138, 2003, skriven av F. Ebrahimi och H.Q. Li och “IEEE Transactions on magnetics”, vol. 27, nr 6, s 4452 - 4457, 1991 av A.S. Kao och P. Kasiraj.

Figur 3 shows exempel pä magnetiseringskurvor för olika be- lastningar på det magnetoelastiska skiktet, uppmätta efter att skiktat har värmebehandlats. Kurvan med heldragen linje representerar -100 MPa tryckspänning. Den streckade linjen representerar +l0O MPa dragspänning. Den obelastade kurvan 0 MPa är den tjocka heldragna linjen. Som framgår av kurvorna 10 15 20 25 30 35 529 789 14 föreligger inte magnetisk induktionsmättning. För nollbe- lastning är pr omkring 60 och maximal pdflf är 68. Sålunda är pr ungefär densamma som den maximala pdüf. Magnetiseringskur- vorna är nästan raka och uppfyller kraven på pr och pü¿¿ Figur 4 visar magnetiseringskurvor för olika belastningar på det magnetoelastiska skiktet, uppmätta efter att skiktet har värmebehandlats till en temperatur över 1000 °C och under legeringens smälttemperatur. När skiktet värms till en sådan hög temperatur blir den genomsnittliga kornstorleken större än 1000 nm. När kornpartiklarna blir för stora förändras skiktets egenskaper och blir mindre fördelaktiga för spän- ningsmätningar. Kurvan med en tunn heldragen linje represen- terar -100 MPa tryckspänning och den streckade linjen repre- senterar +l00 MPa dragspänning. Den obelastade kurvan är den tjocka heldragna linjen. Som framgår av kurvorna börjar mag- netisk induktionsmättning att uppträda. pr är omkring 375 och den maximala pdfif är omkring 950. Således är pr mindre än 500, men pdüf är mer än dubbla värdet av pr. Magnetiserings- kurvorna börjar böja av och uppfyller inte både krav på pr och udfif. En nackdel med att ha ett sådant skikt i en kraft- mätande sensor är att utsignalen blir icke-linjär på grund av belastningen.

Figur 5 visar linjäritetsavvikelsen som funktion av skjuv- spänningar påförda det lastbärande organet för tre olika typer av skikt. Kurvan 20 är utsignalen för ett pläterat Ni- Fe-skikt, med 40 % Fe, vilket inte är värmebehandlat. Kurvan 22 är utsignalen för ett pläterat och värmebehandlat Ni-Fe- skikt, med 50 % Fe, och kurvan 24 är utsignalen för ett plä- terat Ni-skikt, utan Fe och ej värmebehandlat. Som framgår av figuren är linjäritetsavvikelsen minst för det värme- behandlade Ni-Fe~skiktet. Då mätskiktet, framställt genom den uppfinningsenliga metoden, är linjärt över ett stort belastningsområde, är det lämpligt för mätning av vridmoment i ett stort belastningsomráde. Uppfinningen gör det t ex möjligt att framställa en momentsensor som kan mäta skjuv- spänningar med hög noggrannhet upp till 300 MPa. 10 15 20 25 30 ° 529 789 15 Genom experiment har det visats att en kombination av god linjäritet över ett brett belastningsområde, låg belast- ningshysteres och långtidsstabilitet kan åstadkommas för legeringar av den angivna sammansättningen och värmebehand- ling. Det har också visats att Ni- och Fe-legeringar med sammansättningar utanför de angivna områdena inte uppnår de önskade egenskaperna och att legeringar som värmebehandlats till en temperatur utanför det angivna temperaturområdet inte heller uppnår de önskade egenskaperna.

Termen innefattar/innefattande såsom den används i denna beskrivning skall tolkas som att specificera närvaron av angivna särdrag, steg eller komponenter. Termen utesluter emellertid inte närvaron eller tillägg av ett eller flera ytterligare särdrag, steg eller komponenter eller grupper av sådana.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de beskrivna utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för vidhängande patentkrav. Det är t ex möjligt att bilda det uppfinningsenliga skiktet utan att genomgå en kristalliseringsprocess hos ett nanokristallint skikt; i stället kan skiktet bildas direkt med den önskade korn~ storleken och de önskade magnetiska egenskaperna, t ex med hjälp av metallsprutning.

Claims (22)

10 15 20 25 30 35 529 789 16 PATENTKRAV

1. Förfarande för att tillverka ett skikt (3) på ett last- bärande organ (1), vilket skikt är avsett för mätning av spänningar inducerade genom en kraft som påförs det last- bärande organet, varvid förfarandet innefattar: ett nanokristallint skikt av en magnetoelastisk legering som har en genomsnittlig kornstorlek mindre än 50 nm bildas pá en yta av organet, och skiktet värmebehandlas tills en kristallisering av legeringen inträffar och den genomsnittliga kornstorleken ligger i området 100 nm till 10 000 nm.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, varvid den genomsnittliga kornstorleken hos nämnda skikt ligger i området 100 nm till 5000 nm, företrädesvis 100 nm till l000nm, och helst 200 nm till 500 nm.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, varvid skiktet värmebehandlas till en temperatur över 300 °C men mindre än skiktets smälttemperatur, företrädesvis till en temperatur i området 350 °C till l00O°C, och helst till en temperatur i området 400°C till 800°C.

4. Förfarande enligt något av patentkrav 1 - 3, varvid lege- ringen innefattar järn i området 23 - 65 viktprocent, företrädesvis 30 - 60 viktprocent, och allra helst 35 - 55 viktprocent.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, varvid legeringen innefattar nickel i omrâdet 35 - 77 viktprocent, företrädesvis 40 - 70 viktprocent, och allra helst 45 - 65 viktprocent.

6. Förfarande enligt patentkrav 4 eller 5, varvid legeringen innefattar mindre än 10 viktprocent av ett eller flera andra legeringselement. 10 15 20 25 30 35 - 529 789 17

7. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, varvid skiktet värmebehandlas tills en kristallisering av lege- ringen inträffar och den relativa permeabiliteten (ur) blir mindre än 500 och den maximala differentiella permeabilite- ten (pdüf) blir mindre än dubbla relativa permeabiliteten, båda uppmätta i ett magnetiseringsfält med en amplitud mindre än 1500 A/m.

8. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, varvid värmebehandlingen utförs genom induktionsvärmning.

9. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, varvid skiktet bildas på organet genom elektroplätering.

10. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, varvid skiktet värmebehandlas under en tid som är mindre än 30 sekunder.

11. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, varvid skiktet är avsett för att mäta spänningar inducerade genom ett vridmoment som påförs det lastbärande organet.

12. Mätanordning omfattande ett skikt (3) av en magneto- elastisk legering bildad på ett lastbärande organ (1), vilket skikt är avsett för att mäta spänningar inducerade genom en kraft páförd det lastbärande organet, kännetecknad av att den genomsnittliga kornstorleken ligger i området 100 nm till 10 000 nm.

13. Anordning enligt patentkrav 12, varvid den genomsnitt- liga kornstorleken hos nämnda skikt ligger i området 100 nm till 5000 nm, företrädesvis 100 nm till 1000 nm, och helst 200 nm till 500 nm.

14. Anordning enligt patentkrav 12 eller 13, varvid lege- ringen innefattar järn i området 23 - 65 viktprocent, före- trädesvis 30 - 60 viktprocent, och allra helst 35 - 55 vikt- procent. 10 15 20 25 30 35 529 789 18

15. Anordning enligt patentkrav 14, varvid legeringen inne- fattar nickel i området 35 - 77 viktprocent, företrädesvis 40 - 70 viktprocent, och allra helst 45 - 65 viktprocent.

16. Anordning enligt patentkrav 14 eller 15, varvid legeringen innefattar 10 viktprocent av övriga lege- ringselement.

17. Anordning enligt något av patentkrav 12-16, varvid den relativa permeabiliteten (pr) är mindre än 500 och den maxi- mala differentiella permeabiliteten (uamf) är mindre än dubbla relativa permeabiliteten, båda uppmätta i ett magne- tiseringsfält med en amplitud mindre än 1500 A/m.

18. Anordning enligt något av patentkrav 12-17, varvid nämnda spänningsmätande skikt erhålls genom att bilda ett nanokristallint skikt av en magnetoelastisk legering som har en genomsnittlig kornstorlek mindre än 50 nm på en yta av nämnda lastbärande organ, och att värmebehandla skiktet till en temperatur över 300 °C men mindre än skiktets smältpunkt tills en kristallisering av legeringen inträffar.

19. Anordning enligt något av patentkrav 12 - 18, varvid mätanordningen är en momentsensor.

20. Anordning enligt något av patentkrav 12 - 18, varvid mätanordningen är en kraftsensor.

21. Användning av förfarandet enligt något av patentkrav 1 - 11 för tillverkning av en momentsensor.

22. Användning av förfarandet enligt något av patentkrav 1 - 11 för tillverkning av en kraftsensor.