[发明专利]力传感器用非晶敏感合金及其制法

说明书

本发明属于非接触式扭矩力传感器用软磁非晶敏感合金及制造方法。

传感技术是目前国际上科技界、企业界争先发展的高技术，而敏感材料则是传感器的心脏。敏感材料的好坏，直接影响传感器的性能和应用范围，扭矩力传感器是应用较多，较重要的一种力传感器。目前一般有三种形式：应变片式、感应相位差式以及磁弹性式。应变片式的敏感材料为应变片，但其寿命低，温度稳定性差，应用温度范围窄，过载能力差。感应相位差式结构复杂，体积大，价格贵。磁弹性式则是以轴本身为敏感材料，灵敏度低，精度差、结构复杂。因而目前国内外从事扭矩力传感器研究的专家们都在寻找一种高精度的结构简单的非接触式扭矩力传感器。

一九八二年日本的K.Haracla在IEEE    Trans    Mag    18No.6杂志上，发表了应用非晶FeSiB合金做扭矩力传感器的报导，但没有报告具体指标。一九八七年日本人K.mohri在IEEE    Mag23No.5杂志上发有了类似的内容。一九八六年日本人佐播政司在日本电气学会マガネティシクス研究会资料一九八六、No.86P55发表了应用FeCoSiB系非晶作扭矩力传感器的敏感材料，其灵敏度为3mv/kg。西德真空熔炼公司（VAC）发表了应用FeCoMoSiB作敏感材料，后发表了专利，专利号为DE-OS-2939561。在此基础上又发表了专利号为DE3407917，该扭矩力传感器所用敏感材料为非晶CoNiSiB合金。一九八九年美国的M.Wun-Fogle等人在J.Mater.Eng    1989    V0111    No.1中发表了应用经横向磁场热处理FoSiB丝作扭矩力传感器的敏感材料。

日本Masumoto等人1988年发表专利US4781771，该专利报导了制备钴基非晶丝的成份和方法，其成份范围和元素虽然很宽，很多，但在其成份中不含碳元素，权利要求中没有任何形成应力感生各向异性的有关成份和方法，只是报导合金成份与形成非晶丝的关系。

本发明的目的在于，寻找一种新型的非晶合金，通过加入某些合金元素，并密切和热处理工艺配合，保证该合金做为非接触式扭矩力传感器敏感材料，有高的灵敏度，低的非线性偏移和低的迟滞。以使非接触型扭矩力传感器能在汽车、冶金、纺织机械、机床、印刷机械、各种工具等旋转机械中得到广泛应用。

根据上述目的，通过对非接触式扭矩力传感器工作原理，及敏感件的工作状态分析，发明了本合金成份及相应的热处理工艺。

本发明设定的适宜的成份范围是：

Co：56～64原子%、Fe：8～15原子%

M：2～6原子%、Si：12～17原子%

B：8～14原子%、C：0.5～2原子%

其中M＝Mn、Mo、Nb、Cr中之一种或几种组元之和。

化学成份的选择，不仅要考虑到磁性指标，如饱和磁致伸缩常数λS、感生各向异性常数Ku、导磁率μ等，更重要的是还要考虑到合金的力学性能如强度极限、弹性模量，在考虑上述主要因素的同时，还要考虑合金的非晶形成能力及稳定性等。

本非晶合金冶炼用原材料为1＃金属钴以及金属锰、钼、铌、铬、结晶硅，含硼量大于90%硼的硼粉。冶炼前硼粉要进行800℃2小时烘干。

采用真空感应炉冶炼，精炼真空度要高于0.133Pa。硼、硅及锰、钼、铌、铬元素在精炼期加入，精炼时间5～10分钟。

用单辊法制备非晶条带，带厚为0.030～0.035mm左右，表面光滑无孔洞。

众所周知，扭矩力传感器用敏感材料，其受力状况与旋转轴几乎是完全一样的，因而在轴加、减应力过程中，敏感材料由于受力而引起物性变化应与受力成正比，这里物性一般是磁性的变化。目前晶态软磁合金由于应力-应变曲线的线性部分很小，所以其磁性能再好也很难应用于扭矩力传感器。而非晶软磁合金则具备这一优点。一般情况下，非晶软磁合金在加应力时，其磁性的变化与受力成正比，但在减小应力情况下，要做到线性就很困难，一般迟滞，回差很大。为解决该问题本发明对合金成份与加减应力过程中感生各向异性的变化进行了仔细研究，同时配合适当的热处理如淬火处理、磁场处理或应力处理，视负载情况不同可采取不同方法，一般的处理工艺为：

予退火工艺：温度T＝280～450℃，时间t＝10～40分

淬火介质：酒精。

磁场退火工艺：

磁场H＝4×10⁴～10×10⁴A/m

温度T＝250～320℃，时间t＝30～120分钟

炉冷

应力退火工艺：