[发明专利]包含磁弹性合金层的测量装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含形成在承载构件上的磁弹性合金(magnetoelasticalloy)层的测量装置及其制造方法，所述层意图用于测量由施加到承载构件上的力引起的应力。施加到承载构件上的力为例如拉力、压缩力或扭矩。 

根据本发明的方法可用于在承载构件上具有测量层的所有类型的测量装置。测量装置测量例如由施加到承载构件上的拉力、压缩力和扭矩引起的层中的应力和/或应变。根据本发明的测量装置可用作单独的部件，用于在出于不同的原因关注测量承载构件上的力的所有这类应用中。测量装置可例如被用于但不限于测量发动机、汽车、飞机、喷气发动机、自行车、齿轮箱、汽车中的动力转向装置、工具、螺旋桨发动机或直升机中的力。 

背景技术

具有形成在例如轴的承载构件的表面上的测量应力的磁弹性或磁致伸缩层的类型的扭矩传感器在现有技术中是众所周知的。承载构件的目的是向应力测量层传送负载。磁弹性材料是当承载力时改变其磁导率(permeability)的材料。磁弹性材料的例子是铁、镍、钴和稀土金属或它们的合金。在本申请中使用的术语“磁弹性”和“磁致伸缩”是同义的。通过不同的方法，例如通过镀敷、热喷涂、金属喷涂、喷枪涂覆、焊接或胶合，在构件的表面上形成磁弹性层。 

WO0144770示出用于测量轴中的扭矩的磁致伸缩传感器的例子，其中，传感器包含轴的至少一个活动的磁致伸缩区域。磁致伸缩区域包含一个或更多个的磁致伸缩材料层。通过镀敷进行该层的施加。在镀敷之后可在150℃和300℃之间进行稳定化的热处理。在某些应用中，还可考虑更高的温度。本专利申请涉及诸如纯镍的磁致伸缩材料，在这种情况下高于300℃的加热会导致线性偏差增加。因此，对于这种类型的传感器应避免高于300℃的加热。

希望能够在较大的负载范围内测量机械应力。例如，在汽车工业中，希望测量至高200～300MPa的扭矩引起的剪切应力。此外，希望找到这样一种扭矩测量装置，即，该扭矩测量装置由于耐机械疲劳和热疲劳性而具有长时间的稳定性，并且是线性的，即来自测量装置的输出信号基本上与承载构件上的负载成比例。此外，希望减小或者甚至消除来自测量装置的输出信号的蠕变，即，在恒定的负载下，输出信号不应改变其值。应当避免输出信号的滞后，因为它增加测量误差。 

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在承载构件上形成层的方法，该方法使得能够考虑到上述希望中的一个或更多个并且在不明显改变承载构件的重要性能的情况下制造用于测量在层中引起的应力的改进的装置。 

通过在权利要求1中限定的方法实现该目的。 

这种方法包括：在构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁弹性合金的纳米晶层；和对该层进行热处理，直到出现合金的结晶化并且平均晶粒尺寸变成100～10000nm。 

出人意料的是发现将平均晶粒尺寸小于50nm的某些组成的磁弹性合金的纳米晶层加热到依赖于合金组成而导致合金结晶化的某一温度，这大大改进该层的应力测量性能。必要的是，合金被加热到的温度低于合金的熔点。否则，将不能获得所希望的性能。用根据本发明的方法实现的优点是，通过该方法制造的测量层在大的负载范围上是基本线性的，具有低的滞后，并且对于老化和疲劳具有改进的稳定性。 

实验证明，当被热处理到高于350℃但低于该层的熔点的温度时，以某些范围包含铁、镍和其它合金化元素的合金实现希望的结晶化并获得希望的性能。但是，虽然没有试验，但是，使用根据本发明的方法，某些比率的合金化元素的其它组合很有可能实现相同的结果。本领域技术人员可通过适当的操作发现该方法是否还对其它的合金化元素起作用以及在哪些范围内起作用。例如，铁和钴的组合或镍和钴的组合可能会实现相同的结果。 

为了在宽的应力幅度的范围上实现线性行为，重要的是避免磁感应强度的饱和，由此意味着需要适中(moderate)的磁导率。与外部应力的磁弹性交互作用的能量密度与外部磁场的磁交互作用的能量密度成 正比。该比例特性依赖于诸如饱和磁感应强度、饱和磁致伸缩的磁学性能、磁化场、应力以及磁畴的尺寸。磁畴尺寸与磁导率成比例。为了设计具有适中的磁导率的材料，必须实现小的磁畴尺寸。为此，一种方法是制造晶粒尺寸足够大以容纳单一的磁畴而又足够小以仅容纳仅仅一个或几个磁畴的材料的显微结构。出现该显微结构的最小晶粒尺寸在微米尺度的分数量级。平均晶粒尺寸小于50nm的的纳米晶层提供用于结晶化并制造所述显微结构的有利条件。