KR101631339B1 - 자기탄성 재료층을 포함하는 응력을 측정하기 위한 센서 및 자기탄성 재료층의 제조 방법 - Google Patents

자기탄성 재료층을 포함하는 응력을 측정하기 위한 센서 및 자기탄성 재료층의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하-지탱 부재에 적용되는 힘에 의해 유도되는 응력을 측정하기 위한 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 부하-지탱 부재 상에 형성되는 자기탄성 재료의 층을 포함한다. 층은 불균일하고, 또한 상기 층은 100 ㎚ 미만의 평균 입경 및 제 1 화학 조성을 가지는 제 1 상, 및 분명하게 상이한 화학 조성을 갖는 제 2 상 (17) 을 포함하고, 상기 제 1 상은 제 2 상에 의해 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖는 구역 (18) 으로 분할되고, 복수의 구역이 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는다. 또한 본 발명은 이러한 층의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 10 ~ 50 ㎛ 범위의 평균 크기를 갖는 연자성 및 자기탄성 재료의 입자를 가속시켜서 적어도 300 m/s 의 속도로 부하-지탱 부재의 표면을 향해서, 가속된 입자의 평균 온도가 자기탄성 재료의 용융 온도 위로 500 ℃ 보다 더 높지 않도록, 그리고 자기탄성 재료의 용융 온도 아래로 500 ℃ 보다 더 낮지 않도록 한다.

Description

자기탄성 재료층을 포함하는 응력을 측정하기 위한 센서 및 자기탄성 재료층의 제조 방법{A SENSOR FOR MEASURING STRESSES INCLUDING A LAYER OF A MAGNETOELASTIC MATERIAL AND A METHOD FOR PRODUCING THE LAYER}
본 발명은 부하-지탱 부재에 가해지는 힘에 의해 유도되는 응력을 측정하기 위한 센서에 관한 것이고, 상기 센서는 부하-지탱 부재 상에 형성된 자기탄성 재료층을 포함하고, 상기 센서는 자기탄성층에서 시변 자기장을 발생시키고, 층에 투과상의 변화를 검출하고, 층의 투과성에서 검출된 변화에 기초하여 유도된 응력을 결정하도록 배열된다. 본 발명은 이러한 층의 제조 방법에 관한 것이다.
센서는 부하-지탱 부재에 가해지는 힘에 의해 유도되는 층의 응력 및/또는 스트레인을 측정한다. 부하-지탱 부재에 가해지는 힘은, 예를 들어, 인장력, 압축력, 또는 토크이고, 부하-지탱 부재는, 예를 들어, 금속 샤프트다. 상기에 설명된 유형의 토크 센서는 예를 들어 EP0309979 의 종래기술에 공지되어 있다. 부하-지탱 부재의 목적은 응력-측정층으로 부하를 전달시키는 것이다.
자기변형으로도 표현되는 자기탄성 재료는, 힘에 의해 부하를 받을 때 재료의 투과성을 변화시키는 재료이다. 자기탄성 재료의 예로는, 철, 니켈, 코발트 및 희토류 금속 또는 이들의 합금이 있다.
강자성 재료는 강한 자기장에 노출될 때 자기화된 상태로 유지된다. 연성 자성은 강한 자기장에 노출된 이후에는 자기화된 상태로 유지될 수 없다. 연자성 재료는, 자기화된 이후에 정자계 (static magnetic field) 를 유지할 수 없다는 점에서 강자성 재료과 다르다. 강자성 재료는 통상적으로 수천 A/m 를 넘는 보자력을 갖는다. 연자성 재료는 통상적으로 1000 A/m 미만의, 상당히 낮은 보자력을 갖는다.
넓은 부하 범위에서 기계적 응력을 측정할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 자동차 산업에서, 200 ~ 300 MPa 까지의 규모의 토크-유도형 전단 응력을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 기계적 및 열적 피로에 대한 저항으로 인해 오랫동안 안정적이고 선형이고, 즉 측정 장치로부터의 출력 신호가 부하-지탱 부재 상의 부하에 본질적으로 비례하는 토크-측정 장치를 발견하는 것이 바람직하다. 또한, 측정 장치로부터 출력 신호의 크리핑 (creeping) 을 감소시키거나 또는 심지어 제거하고자 하는, 즉, 출력 신호가 일정한 부하에서 그 값을 변화시키지 않는 것이 바람직하다. 측정 오차가 증가함에 따라 출력 신호의 이력이 방지되어야 한다. 치밀층 및 치밀층과 부하-지탱 부재 사이의 우수한 접착은 오랫동안 안정하고, 넒은 부하 범위 및 낮은 이력을 갖는 측정 장치를 달성하기 위한 전제조건이다.
자기탄성 효과는 자구벽 (magnetic domain wall) 이동의 관점에서 설명되고 (예컨대 Robert C. O'Handley Chapter 7 ISBN 0-471-15566-7 에 의한 Modern Magnetic Materials 참조), 따라서 자기탄성 효과에 기초하여 센서를 구축하는 동안 자구벽의 이동성 및 자구의 형상 및 크기가 필수적으로 중요한 것이 된다.
균일한 자기화 방향을 갖는 영역인 자구는 자구벽으로서 규정되는 경계를 갖는다. 자구벽은 재료의 자기화 방향에 따라서 자기탄성 재료에서 이동할 수 있다. 상기 자구벽은, 단일 결정이 구조적으로 그리고 화학적으로 균일하기 때문에 어떠한 장애도 발견되지 않는 균일한 단일 결정에서 자유롭게 이동할 수 있다. 비정질 재료에서는, 구조적 또는 화학적 변화가 이러한 재료의 자구벽 두께보다 훨씬 작기 때문에 자구벽은 어떠한 장애도 보이지 않는다. 통상적으로, 연자성 재료 (예컨대 NiFe 또는 FeCo) 의 자구벽 두께는 대략 수백 나노미터이고, 극단적인 경우에는 1 ㎛ 까지 되어서, 100 ㎚ 미만의 입경은 자구벽에 대한 효과적인 장애물을 형성할 수 없다. 이러한 재료에서 자구 형상 및 크기는 자기화 시스템의 에너지의 최소화를 시도하는 자기화 대상물의 형상 및 반자계에 따라 달라진다.
WO2007/106024 는 부하-지탱 부재 상의 층의 제조 방법을 기재하고 있고, 상기 층은 부하-지탱 부재에 가해지는 힘에 의해 유도되는 응력을 측정하기 위한 것이고, 상기 방법은: 부재의 표면 상에서 50 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 자기탄성 합금의 나노결정 층을 형성하는 단계, 및 상기 합금의 결정화가 발생하고 평균 입경이 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 의 범위가 될 때까지 상기 층을 열처리하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 상기 방법이 하나 또는 단지 몇 개의 자구를 수용하기에 충분히 큰 입경을 갖는 미세구조층을 제조한다는 사실로 인해 층의 응력-측정 특성을 대폭 향상시킨다. 50 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 나노결정 층은 언급된 미세구조의 테일러링 (tailoring) 및 결정화를 위한 바람직한 조건을 제공한다. 10000 ㎚ 초과의 입자를 갖는 미세구조는, 상기에 언급된 광범위한 측정 범위의 달성을 시도할 때 선호되지 않는 더 높은 자기탄성 민감도를 갖는 경향이 있다.
상기 층은 바람직하게는 전기도금에 의해 상기 부재 상에서 형성되는데, 왜냐하면 전기도금이 원하는 입경의 나노결정층을 달성하기 위한 적절한 방법이기 때문이다. 상기 문헌은, 부하 지탱 부재 상에 상기 층을 적용하기 위한, PVD (물리적 기상 증착) 법, CVD (화학적 기상 증착) 법, 및 금속 분사 등의 다른 방법을 이용할 수도 있다는 것을 언급한다. 그러나, 전기도금법에는 몇 가지 단점이 있다. 일 단점은 두꺼운 층을 적용하기 위해 매우 긴 시간이 걸린다는 것이다. 부하-지탱 부재 상의 상기에 언급된 층은 적절하게는 30 ㎛ 보다 두껍고, 바람직하게는 100 ㎛ ~ 300 ㎛ 이다. 전기도금으로 이러한 두꺼운 층을 적용하기 위해서는 시간이 필요하다. 따라서, 전기도금은 부하-지탱 부재 상에 층을 적용하기에 상업적으로 매력적인 방법은 아니다. 전기도금의 다른 단점은, 층이, 특히 침탄 강 등의 경화 재료에 대해서, 적용되는 재료의 강도를 감소시킬 수 있다는 것이다.
층의 적용이 빠르고 쉬워서, 경제적으로 실현가능하다는 것이 중요하다. 물리적 또는 화학적 기상 증착 등의 원자 단위 방법을 이용한 층의 적용은 느리고 수십 또는 수백 마이크론 두께의 층을 증가시킬 때 한계가 있다. 열 분사, 레이저 클래딩, 및 소결 등의 분말 야금법은, 층 두께를 증가시킬 때 매우 빠르다는 이점을 갖고 부하 지탱 층의 강도를 악화시키지 않는다.
고속 열 분사 기법은, 입자로 형성되는 분말이 표면 상으로 분사되는 코팅 공정이다. 분말은 적용되기 전에 가열될 수 있다. 분말은 통상적으로 분사 건 안으로 공급되고, 코딩될 재료를 향해 가속되는 동안 가열될 수도 있다. 분사된 입자가 표면에 영향을 줌에 따라, 입자들은 냉각되고 코팅을 형성하는 구조체를 형성한다. 금속층을 형성하는 동안, 분말 야금법의 분명한 특징은, 코팅에 전체적으로 또는 부분적으로 용융된 채 유지되는 입자로 인해 제조된 코팅의 불균일성이다. 공통적으로, 분말 중의 입자의 표면은 다른 재료, 대부분 금속의 산화물의 외층으로 덮인다. 입자의 외층은 코팅에 포함되어서 제조된 코팅의 불균일성에 일조한다. 다수의 분말 야금법의 잘 알려진 문제점은, 분말의 가열 및 금속 분말이 분사 동안에 공기와 접촉한다는 사실로 인한 산화이다.
제조된 코팅의 불균일성 및 층의 증착시의 비교적 높은 온도로 인해서, 고속 열분사 기법은 화학 조성 및 입경의 원하는 균일성을 갖는 균일한 나노결정층을 달성하기에 적절하지 않다. 따라서, 고속 열분사 기법은 WO2007/106024 에 기재된 방법을 실시하기에 필요한 균질한 나노결정층을 제조하기 위해 사용될 수 없다.
US6,465,039 호는 샤프트 상에서 자기변형 복합 코팅의 형성 방법을 기재하고 있다. 분사 건 스트림에 있는 매트릭스 금속 입자와 자기변형 희토 철 화합물 (REF2) 입자의 분말 혼합체는 저온, 고속 분사에 의해 샤프트 상에 적용된다. 가스의 온도는 300 ~ 1000 ℃ 에서 변할 수도 있다. 매트릭스 금속 입자는 63 ~ 90 ㎛ 의 입경 범위에서 분사되고 자기변형 희토 철 입자는 샤프트에 대해서 63 ~ 106 ㎛ 의 입경으로 분사된다. 코팅 자체는 강자성 재료를 포함하여서, 코팅에서 정자계를 발생시키고 유지한다. 코팅된 샤프트는 샤프트에 적용되는 측정 기법을 위한 센서에 사용된다. 정자계는, 코팅의 투과도의 변화로 인해서, 샤프트에 적용되는 토크에 따라 재지정된다.
US6,465,039 에 기재되는 자기탄성 센서의 성공적인 작동을 위해서는, 투과성의 변화를 검출하기 위해서 측정 장치에 전압을 유도하는 층의 시변 자성의 원리에서 작동하는 자기탄성 경우에는 가질 필요가 없는 수천 또는 심지어 수만 A/m 의 보자력을 갖는 강자성 재료를 가질 것이 요구된다.
본 발명의 목적은 우수한 응력-측정 특성을 갖는 자기탄성 재료로 된 층의 제조 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법은 상기에 언급된 전기도금의 단점을 극복한다.
본 발명의 목적은 청구항 1 에 규정되는 방법에 의해 달성된다.
이러한 방법은, 10 ~ 50 ㎛ 범위의 평균 크기를 갖는 연자성 및 자기탄성 재료의 입자를 적어도 300 m/s 의 속도로 부하-지탱 부재의 표면을 향해서 가속시켜서, 가속된 입자의 평균 온도가 자기탄성 재료의 용융 온도 위로 500 ℃ 보다 높지 않도록, 그리고 자기탄성 재료의 용융 온도 아래로 500 ℃ 보다는 낮지 않게 한다.
본 발명자는 놀랍게도, 이러한 방법이 WO2007/106024 에 기재된 방법과 동일하게 우수하거나, 또는 심지어 더 나은 응력 측정 특성을 갖는 층을 달성한다는 것을 발견하였다. 이 방법의 이점은, 매우 빠르고, 따라서 경제적으로 실현가능하며, 부하-지탱 부재의 강도를 악화시키지 않는다는 것이다. 입자의 비교적 낮은 온도 및 높은 속도로 인해서, 층의 산화 레벨이 낮게 유지되어서, 센서로부터의 출력 신호의 낮은 이력이 달성된다. 또한, 입자의 높은 속도는 층과 부하-지탱 부재 사이의 우수한 접착력을 제공한다.
입자의 평균 온도는 용융 온도 아래로 500 ℃ 보다 더 낮지 않게, 바람직하게는 용융 온도 아래로 200 ℃ 보다 더 낮지 않게, 보다 바람직하게는 용융 온도 아래로 100 ℃ 보다 더 낮지 않아야 한다. 입자의 평균 온도는 용융 온도 위로 500 ℃ 보다 더 높지 않게, 바람직하게는 용융 온도 위로 200 ℃ 보다 더 높지 않게, 보다 바람직하게는 용융 온도 위로 100 ℃ 보다 더 높지 않아야 한다. 입자의 평균 온도가 입자의 용융 온도 근처이기 때문에, 대부분의 입자는 부하-지탱 부재의 표면에 적용될 때 적어도 부분적으로 용융되고 변형된다. 이는, 다수의 구역이 층에 형성되도록 해주고, 각 구역은 분명하게 상이한 화학적 또는 구조적 특성을 갖는 재료에 의해 둘러싸여서, 자기장이 존재할 때 구역 사이에 자구벽을 형성하게 된다. 구역의 재료와 둘러싸고 있는 재료는 화학 조성, 결정 방향 및/또는 입경이 다를 수도 있다. 가속된 입자의 크기, 속도, 및 온도는 구역의 크기에 상당한 영향을 끼친다. 10 ~ 50 ㎛ 의 평균 크기 및 자기탄성 재료의 용융 온도에 가까운 온도를 가지는 가속 입자가 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 가지는 구역을 달성하는 시험에 의해 입증되었다. 이 크기의 구역은 하나 또는 몇 개의 자구를 형성한다. 이러한 미세구조는 바람직한 응력-측정 특성을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 층의 평균 입경은 100 ㎚ 근처가 될 수 있고, 여전히 바람직한 응력-측정 특성이 달성될 수 있다. 또한, 입자의 용융 온도에 가까운 입자의 평균 온도는 우수한 접착력을 갖는 조밀한 층을 제공한다.
층의 소망하는 강도 및 밀도를 달성하기 위해서는, 입자의 적어도 일부가 용융된다면 샤프트에 대한 우수한 접착력이 유리하다. 자기탄성 재료의 용융 온도는 통상적으로 약 1500 ℃ 이다. 1800 ℃ 근처의 가스 온도는 자기탄성 재료의 용융점 근처의 입자 온도, 및 따라서 부분적으로 용융되는 입자를 달성한다. 용융 온도에 가까운 온도를 달성하기 위해서, 1500 ~ 1900 ℃ 범위의 온도를 갖는 가스에 의해 입자를 가속하는 것이 적절하다.
자기탄성 재료 분말 입자가 고온 가스 스트림에서 단지 밀리세컨드 또는 그보다 작게 머무르기 때문에, 기재가 지장을 받을 때 평형 온도에 다다르기 위한 시간이 없고, 즉, 가스와 직접 접촉하는 입자의 표면이 입자의 중심보다 높은 온도를 얻게 될 것이다. 이는 조대 입자의 경우이다. 먼지 입자가 가장 많이 용융되어서 고온 가스 스트림을 통해 운반 동안에 산화되게 된다. 이들 대단히 상이한 온도 조건은, 층이 형성될 때의 최종 결정 및 입자의 산화시에 큰 영향을 끼친다. 금속층을 제조할 때는, 자기탄성 센서의 경우에 센서의 이력을 더 낮게 한다는 명확한 목표가 있다. 조립 분말 입자는 상기에 나타난 논의와 비슷한 매우 낮은 산화를 야기할 것이지만, 대신에 입자의 접착력 및 입자 사이의 점착력이 손상될 것이다. 본 발명에 따른 결과로, 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 다수의 자기탄성 구역을 달성할 수 있다.
완전하게 용융된 입자는 산화되기 쉽고 기재에 손상을 입힐 때 100 ㎚ 미만의 평균 결정 크기를 갖는 나노결정 구조에서 켄칭된다. 용융 입자에서의 산소 함량은 캐리어 가스의 온도 및 가스 중의 산소의 공급량에 따라 달라진다. 본 발명에 따른 방법으로, 유리하게는 산화도가 낮은 용융 입자가 달성된다.
다른 한편으로는, 용융되지 않은 입자는 종종 기재를 향해 운반되는 동안 재결정화하기에 충분히 따뜻해지고 고형 상태의 기재에 손상을 주는 경향이 있어서, 결정 크기가 수천 나노미터 범위에서 상당히 크도록 해준다. 모든 금속 분사 증착법은 소망하는 레벨의 용융, 따라서 결정 크기, 및 우수한 접착력을 갖는 조밀한 층을 달성하게 해주는 최적 입자 크기를 갖는다.
상업적으로 이용가능한 분말은 특정 범위 내에서 상이한 크기의 입자를 포함한다. 따라서, 층은 결정 크기와 관련하여 불균일해져서, 놀랍게도 층을 자기탄성 재료의 직경이 수백 나노미터인 구역으로 쪼개는 것을 돕는 추가적인 파라미터를 제공하고 소망하는 자구 크기를 제공하고 자기탄성 층의 힘 센서 특징을 개조하는 것을 가능하게 해준다.
금속 입계, 산화물층 또는 구역 및 상이한 화학 조성을 갖는 층 등의 구조적 특징은 자구 경계를 규정하고, 이들 특징부가 적어도 100 ㎚ 간격으로 분리된다면 이들은 자구벽에 대한 장애물을 형성하고 자구벽에 대한 피닝 (pinning) 을 제공한다. 100 ㎚ 초과의 범위에 있고 층에 있는 이들 구조적 및 화학적 디펙트에 의해 피닝되는 자구는, 비교적 낮은 자기 투과성 및 자기틴성 민감도 등의 소망하는 자기탄성 센서 특성을 제공한다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 방법으로, 소망하는 비교적 낮은 레벨의 자기 투과도 및 자기탄성 민감도가 가열 등의 임의의 다른 공정 없이 달성된다.
바람직하게는, 자기탄성 재료의 입자는 10 ~ 30 ㎛ 범위의 평균 크기를 갖는다. 이에 따라 가능한 한 많은 구역이 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 범위, 그러나 가장 바람직하게는 100 ㎚ ~ 1000 ㎚ 의 평균 크기를 갖는다는 것이 확인된다. 이 실시형태는 더 나은 접착력을 갖는 더 조밀한 층도 제공한다.
바람직하게는, 입자는 고속 열 분사법, 예를 들어 고속 공기 연료 (HVAF) 에 의해 부하-지탱 부재에 적용된다. HVAF 는 소망하는 범위 내의 입자 온도 및 속도, 낮은 산소 레벨 구역 및 점착력이 우수한 조밀한 코팅을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 응력-측정 특성을 갖는 자기탄성층을 갖는 센서를 제공하는 것이고, 상기 층은 상기에 언급된 전기도금의 단점을 극복하는 방법으로 부하-지탱 부재 상에 형성할 수 있다.
이 목적은 청구항 6 에 규정되는 바와 같은 센서에 의해 달성된다.
이러한 센서는, 상기 층은 불균일하고 또한 상기 층은 평균 입경이 100 ㎚ 미만인 평균 입경을 갖고 제 1 화학 조성을 갖는 제 1 상, 및 명확하게 상이한 화학 조성을 갖는 제 2 상을 포함하고, 상기 제 1 상은 제 2 상에 의해 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖는 구역으로 분할되고, 복수의 구역이 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는다.
제 1 및 제 2 상은 용융된 분말 입자로 만들어진다. 제 1 및 제 2 상은 명확하게 상이한 화학 조성을 갖고, 제 2 상은 제 1 상을 자기장에 존재하는 자구를 형성하는 다수의 구역으로 나눈다. 명확하게 상이한 화학 조성으로 인해서, 제 2 상은 상기 구역 주위에 자구벽을 규정한다. 100 ㎚ 초과, 10000 ㎚ 미만의 범위에 있는 구역을 갖는 미세구조는 비교적 낮은 자기 투과성 및 자기탄성 민감도 등의 소망하는 자기탄성 센서 특성을 제공한다. 본 발명에 따른 센서는 선형 센서를 얻기 위해서 큰 부하 범위, 낮은 이력, 및 낮은 민감도를 갖는다. 분균일한 층의 평균 입경은, 종래 기술에서와 같이, 소망하는 응력 측정 특성을 얻기 위해 더 이상 중요하지 않다. 중요한 것은, 상기 구역들의 평균 크기이다.
상기 구역에서 1 wt% 미만의 산소 레벨은 센서로부터의 출력 신호의 낮은 이력을 보장한다. 산소 레벨은 상 중의 산소의 양을 의미한다. 1 wt% 초과의 산소 레벨을 갖는 구역들이 존재할 수도 있다. 그러나, 상기 구역의 주요 부분은 소망하는 응력-측정 특성을 달성하기 위해서 1 wt% 미만의 산소 레벨을 가져야 한다. 바람직하게는, 낮은 이력 및 소망하는 낮은 민감도를 달성하기 위해서 층의 자기탄성 재료의 적어도 50 wt% 가 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는다.
소망하는 구역 및 자구벽 피닝을 달성하기 위한 일 대안은, 제 1 조성과 상이한 제 2 화학 조성의 재료에 의해 둘러싸이는 제 1 화학 조성을 갖는 구역을 제공하는 것이다. 제 1 조성을 갖는 영역과 제 2 조성을 갖는 주변 영역과의 경계 라인은 자구벽을 형성할 것이다. 예를 들어, 제 1 화학 조성의 산소 레벨은 1 wt% 미만이고, 제 2 화학 조성의 산소 레벨은 5 wt% 초과이다. 분말의 가열 및 금속 분말이 분사 동안에 공기와 접촉한다는 사실에 의해, 입자의 표면은 산소층으로 코팅될 것이다. 부분적으로 용융된 입자가 부하-지탱 부재에 부딪힐 때, 입자는 부분적으로 변형되지만 전체적으로 파괴되지는 않는다. 산화물 코팅의 잔여물은 구역 주위의 자구벽이 될 수 있는 경계를 형성하여서, 자기탄성 센서를 위한 적절한 크기의 자구를 제공할 것이다. 이 실시형태에 따르면, 제 2 상은 금속 산화물로 만들어진다. 대안적으로, 제 2 상은 탄화 질화물 또는 불화물로 만들어질 수 있다. 순수 금속 또는 준금속도 제 2 상을 형성할 수 있다.
소망하는 구역 경계, 그에 다른 자구벽 피닝 지점, 즉 자구벽에 대한 장애물을 얻기 위한 다른 대안은, 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 입경을 갖는, 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 재료로 둘러싸인 구역을 제공하는 것이다. 더 큰 입경을 갖는 영역과 더 작은 입경을 갖는 주변 영역 사이의 경계 라인은 자구벽에 대한 장애물을 형성한다. 더 작은 입경을 갖는 영역은 용융된 분말 입자로 만들어진다. 더 큰 입경을 갖는 영역은 비용융된 분말 입자로 만들어진다. 이러한 층은, 예를 들어, 상이한 크기의 입자를 포함하고, 분사 동안에 용융되어 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 재료를 형성하는 더 작은 크기의 입자 분획을 포함하는 분말을 이용하여 제조된다.
본 발명에 따른 실시형태에 따르면, 층은 100 ㎚ 초과의 평균 입경을 갖는 제 3 상을 포함하고, 상기 제 3 상은 제 1 및 제 2 상에 의해 둘러싸이는 다수의 입자로 구성되고, 각각의 입자는 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖고 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 하나 이상의 구역을 포함하고, 각각의 구역은 명확하게 상이한 구조적 특성을 갖는 재료에 의해 둘러싸인다. 제 3 상은 용융된 입자로 둘러싸이는 비용융 입자로 만들어진다. 분말 입자는 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 입경을 갖는 하나 이상의 그레인을 포함한다. 그레인은 상이한 결정 방향을 갖는다. 그레인 사이의 경계 라인은 자구벽을 규정한다. 또한, 제 1 상과 제 3 상 사이의 경계 라인도 명확하게 상이한 입경으로 인해 자구벽을 형성한다. 따라서, 그레인은 자기장 존재시에 자구를 형성한다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 상은 층의 10 ~ 90 wt%, 보다 바람직하게는 층의 20 ~ 80 wt% 의 양이다. 가장 바람직한 응력 측정 특성은, 제 1 및 제 3 상의 중량 % 가 거의 동일할 때 얻어진다.
적절하게는, 자기탄성 층은 10 ~ 50 ㎛ 의 평균 크기를 갖는 재료 입자를 포함하는 분말의 열 분사에 의해 부재의 표면상에 형성되고, 상기 제 1 및 제 3 상은 용융되거나 부분적으로 용융된 재료 입자로 만들어진다. 열분사는 층 두께를 매우 빠르게 증가시키고 부하-지탱 부재의 강도를 악화시키지 않는다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 자기탄성 재료는 철, 니켈 및 코발트로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 구성성분으로 구성되는 금속 합금 또는 금속의 적어도 60 at% 를 포함한다. 층에 우수한 특성을 준다고 입증된 적절한 합금은, 23 ~ 65 wt%, 바람직하게는 25 ~ 50 wt%, 가장 바람직하게는 30 ~ 45 wt% 범위의 철 및 35 ~ 77 wt%, 바람직하게는 50 ~ 75 wt%, 가장 바람직하게는 55 ~ 70 wt% 범위의 니켈을 포함하는 합금이다.
본 발명에 따른 센서는, 예를 들어, 엔진, 자동차, 비행기, 제트 엔진, 자전거, 기어 박스, 자동차 조향 장치, 공구, 프로펠러 엔진 또는 헬리콥터 (이들로 한정되는 것은 아님) 에서 힘 또는 토크를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 센서는 차량에서 토크를 측정하기에 특히 유용하다.
본 발명은 본 발명의 상이한 실시형태의 설명 및 첨부되는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 자기탄성 층으로 덮인 부하-지탱 부재를 포함하는 측정 장치의 예를 도시한다.
도 2 는 내부에 그레인을 갖는 입자 및 입자 사이에 미리 용융된 영역을 포함하는 본 발명에 따른 자기변형 층의 특징적인 미세구조의 도면을 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 자기변형 층의 미리 용융된 영역의 확대도를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 자기변형 층의 미리 용융된 영역의 다른 확대도를 도시한다.
도 5 는 상이한 방법에 의해 제조된 자기탄성 층을 포함하는 4 개의 센서를 위한 토크의 함수로서 이력의 실험 데이터를 도시한다.
도 1 은, 임의의 종류의 기계적 트랜지션에서 토크를 전송하도록 배열되고, 부하-지탱 부재를 포함하는 회전 샤프트 (1) 형태의 측정 장치의 예를 도시한다. 상기 장치는 부하-지탱 부재에 적용되는 토크를 측정하기 위한 것이다. 부하-지탱 부재는 충분한 강성을 갖는 재료, 예컨대 강으로 만들어진다. 샤프트 (1) 에는 자기탄성 구역 (2) 이 제공된다. 자기탄성 구역 (2) 은 상기 구역 (2) 에서 실질적으로 연속인 연장부 및 두께를 갖는 자기탄성 재료의 제 1 층 (3) 을 포함한다. 이 실시형태에서, 자기탄성 층 (3) 은 분사에 의해 형성되고 주로 철 및 니켈로 구성된다. 연속적인 스트립 형태의 제 2 층 (4) 이 제 1 층 (3) 위에 제공된다. 제 2 층 (4) 은 제 1 층 (3) 위에 표면 패턴을 형성한다. 또한, 측정 장치는 교대의 자화장 (magnetization field) 을 갖는 측정 장치를 공급하는 권취부 (5a ~ 5b) 를 포함한다. 이 유형의 측정 장치는, 예를 들어, 국제 특허 출원 WO01/44770 에 보다 상세하게 기재되어 있다. 본 발명은 제 1 자기탄성 층 (3) 및 이러한 층의 제조 방법에 관한 것이다.
철, 니켈 및 특정 범위 내의 다른 합금 원소를 포함하는 합금이 우수한 응력-측정 특성을 달성한다는 것이 실험에 의해 입증되었다. 자기탄성 층은, 예를 들어, 대략 50 wt% 의 철, 대략 50 wt% 의 니켈 및 1 wt% 미만의 다른 합금 원소로 구성된다. 그러나, 아직 시험되지 않았지만, 특정 비의 합금 원소의 다른 조합이 본 발명에 따른 방법을 이용하여 동일한 결과를 달성하는 것도 대단히 개연성이 있다. 당업자들은 상기 방법이 다른 합금 원소에서도 작용하는지 그리고 어떤 범위 내에서 작용하는지를 실질적으로 밝힐 수도 있다. 예를 들어, 철과 코발트 또는 니켈과 코발트의 조합이 아마 동일한 결과를 달성할 수도 있다.
상기 층 (3) 재료를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 10 ~ 50 ㎛ 범위의 평균 크기를 갖는 연자성 재료 및 자기탄성 재료의 입자를 적어도 300 m/s 의 속도로 부하-지탱 부재 (1) 의 표면을 향해 가속하여서, 가속된 입자의 평균 온도가 입자의 용융 온도보다 낮지만, 용융 온도 아래로 500 ℃ 보다 더 낮지는 않도록 하는 것을 포함한다. 입자는 임의의 강자성 재료를 포함하지 않고, 연자성 재료만을 포함한다. 몇몇 상업적으로 이용가능한 열 분사 방법이 있다. 그러나, 상기 방법들은 분사시에 입자 온도 및 속도가 상이하다. 원하는 입자 온도 및 속도를 달성하기 위한 특히 적절한 방법은 고속 공기 연료 (HVAF) 이다. HVAF 의 공정은, 예를 들어, Viginia USA, Ashland, UniqueCoat Technologies 의 A. Verstak, 및 V. Baranovski 에 의해 쓰인 기사 "Activated Combustion HVAF Coatings for Protection against Wear and High Temperature Corrosion" 에 기재되어 있다. HVAF 공정에 따르면, 분사 분말 입자는, 최소의 열 열화 (heat deterioration) 로 조밀하고 비산화된 증착물을 형성하기 위해서 700 m/s 초과의 속도로 가속되면서, 용융점 아래에서 가열된다.
대안적으로, 운동 분사 (kinetic spraying) 으로도 불리는, 분말을 예열하는 냉간 분사가 부하-지탱 부재 상에 층을 적용하기 위해 사용될 수 있다. 고속 산소 연료 (HVOF) 가 사용될 수도 있는 방법이다. HVOF 가 사용된다면, 예를 들어 대향 입경을 갖는 분말을 선택하여 보호 대기 또는 진공에 분사함으로써 산소의 레벨을 감소시킬 필요가 있다. 다른 가능성은 층을 적용하기 위해 소결을 이용하는 것이다. 다른 가능성은 상이한 분사 방법의 강도를 결합시키기 위해서 상이한 방법으로 적용되는 2 개 이상의 층을 이용하는 것이다. 예를 들어, 제 1 층에는 샤프트에 대해 우수한 점착력을 갖는 층을 달성하기 위해서 금속 샤프트 상에 HVOF 가 적용된 후에, 제 1 층 위에서 제 2 층에는 우수한 응력 측정 특성을 제공하는 냉간 분사가 적용된다.
본 발명의 유리한 측정 특성을 달성하기 위해서, 레이저 코팅, 자기탄성층의 재용융 등의 층 안으로 탄소 또는 질소를 도입하는 적용 방법의 사용이 방지되어야 한다. 상기 구역에서 탄소 및 질소의 전체 함량이 1 wt% 를 초과한다면, 센서의 이력이 너무 높아진다는 위험이 있다. 상기에서 언급된 분사법은 층의 자기탄성부 안으로 탄소 또는 질소를 포함시키기 않으므로 적합한 방법이다. 따라서, 상기 구역 중 적어도 약간에서의 탄소 및 질소의 전체 함량이 1 wt% 미만이어야 한다. 상기 방법이 층에 산소로 도입한다면, 상기 구역 중 적어도 약간에서의 탄소, 질소 및 산소의 전체 함량이 1 wt% 미만이어야 한다.
분사된 상태에서 분사된 금속층은, 층의 자기탄성 특성을 안정화시키기 위해서 어닐링될 수 있는 다수의 디펙트를 포함한다.
금속 분사 증착 공정에서는, 분명하게 더 높은 용융점을 갖는, Al2O3 등의 경질 입자를 사용하는 것이 선호되어서, 층에 적절하게 (통상적으로 5 ~ 10 부피%) 포함될 것이다. 이들 입자는 가능하게는, 센서의 다른 자기탄성 특성에 크게 영향을 주지 않으면서 층의 접착력, 그에 따라 센서의 장기 안정성 및 낮은 자기탄성 센서 이력에 영향을 준다.
도 2 는 본 발명에 따르고 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 자기변형 층의 특징적인 미세구조의 도면을 도시한다. 층은 분명하게 상이한 입경을 갖는 용융상 및 비용융상을 갖는, 철-니켈 합금 등의 이종 (heterogeneous) 자기탄성 재료로 구성된다. 비용융상은 분말 입자로부터 기인한 다수의 입자 (10a, 10b) 를 포함한다. 각각의 입자는 하나 이상의 그레인 (12a, 12b) 을 포함한다. 그레인은 산화물층으로 둘러싸일 수도 있다. 그레인 (12a, 12b) 의 대부분은 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖고 비용융상의 그레인의 평균 크기는 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 이다. 그레인은 1 % 미만의 산소를 갖는 구역 (12a, 12b) 을 형성한다. 각각의 구역은 자구, 즉 균일한 자기화 방향을 갖는 영역을 형성할 수 있다. 예를 들어, 각각의 입자 (10a) 는 오직 하나의 그레인을 포함하여서, 하나의 구역 (12a) 을 형성한다. 각각의 입자 (10b) 는 다수 개의 그레인을 포함하고, 각각의 그레인은 하나의 구역 (12b) 을 형성한다. 입자의 그레인은 상이한 결정 방향을 가져서 그레인 사이에 구조적 경계가 형성되고, 이는 상기 구역 사이의 자구벽으로서 기능한다. 비용융상의 입자는 용융상의 재료 (14) 로 둘러싸인다. 용융상의 재료는 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는다. 용융상의 재료는 분사 공정에서 용융된 입가에 의해 형성된 후에 고화된다. 2 개의 상 사이의 경계 또한 자구벽을 형성한다.
도 3 은 용융상의 재료를 확대도시한다. 도 4 는 용융상의 재료의 다른 확대도이다. 용융상은, 도 4 에 도시되는 바와 같이, 분사 공정에서 용융된 재료로 만들어지고, 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 다수의 소형 그레인 (15) 을 포함한다. 대부분의 그레인은 1 wt% 미만의 산화물 레벨을 갖는다. 용융상의 재료 또한 그레인 (15) 의 구역 (18) 을 둘러싸는 다른 화학 조성물, 일반적으로 산화물의 경계 (17) 를 포함한다. 이 예에서, 경계는 금속 산화물로 만들어지고 산화물상이라고 불린다. 용융상 (14) 은 산화물상에 의해 100 ~ 10000 ㎚ 의 범위의 평균 크기를 갖는 구역으로 나뉜다. 다수의 구역은 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는다. 경계 (17) 의 재료는 분말의 입자 상의 산화물 코팅으로부터 기인할 수도 있다. 입자가 용융될 때, 산화물 코팅은 소형 그레인 (15) 의 구역 (18) 을 둘러싸는 경계를 형성할 것이다. 이러한 경우에 경계의 산화물 함량은 매우 높고, 분명하게는 5 wt% 보다 높다. 용융상은 소형 그레인의 구역 (18) 을 포함하는 제 1 상 및 상이한 화학 조성의 경계 (17) 를 포함하는 제 2 상을 포함한다.
그레인 (15) 과 경계 (17) 의 분명하게 상이한 조성으로 인해서, 상기 구역 (18) 사이의 경계 (17) 는 자구벽을 형성하고 경계 (17) 에 의해 둘러싸인 상기 구역 (18) 은 자구를 형성한다. 상기 구역 (18) 은 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖는다. 따라서, 용융상은 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 다수의 구역 (18) 도 포함한다. 따라서, 도 2, 도 3 및 도 4 에 도시되는 층은 2 가지 유형의 구역, 일 유형 (12a, 12b) 은 명확하게 상이한 구조적 특성 (입경) 을 갖는 재료에 의해 둘러싸이고, 일 유형은 명확하게 상이한 화학적 특성 (조성) 을 갖는 재료에 의해 둘러싸인다.
이러한 층은 상이한 크기의 입자를 포함하고 분사 동안에 용융되는 소형 크기의 입자의 분획을 갖는 분말을 사용하거나, 또는 입자의 상당량이 분사 동안에 용융되도록 더 높은 분사 온도를 이용하여 제조된다.
도 5 는 센서에 적용되는 토크의 함수로서 4 개의 토크 센서로부터의 출력 신호의 이력인 3 개의 곡선 A, B, C 를 도시한다. 출력 신호의 이력은 측정 오차를 증가시키므로 방지되어야 한다. 각 3 개의 센서는 상이한 방법으로 제조된 자기탄성 층 (3) 을 포함한다. 곡선은 실험 데이터에 기초한다. 이력은 +/- 300 Nm 의 측정 영역에 대해 전체 규모의 % 로 표현된다. 각각의 센서는 니켈과 철 합금 (50 wt% 의 철과 50 wt% 의 니켈) 의 입자를 포함하는 분말을 이용하는 고속 분사법으로 제조된다. 철-니켈 합금의 용융 온도는 약 1500 ℃ 이다.
3 가지 방법의 주로 다른 점은, 가속 동안에 입자를 운반하는 가스 스트림의 온도, 및 그에 따른 가속된 입자의 평균 온도, 입자의 속도 및 입자의 크기이다.
곡선 A 의 층은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되었다. 가속된 분말은 10 ~ 30 ㎛ 의 입경 크기, 약 1800 ℃ 의 가스 온도, 600 ~ 900 m/s 의 입자 속도 및 합금의 용융 온도에 가까운 평균 입자 온도를 갖는다. 이 방법은 1 wt% 미만의 산소 레벨 및 100 ㎚ ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖는 다수의 구역을 갖는 층을 달성한다. 그러나, 예컨대, 구역 사이의 경계에서 더 높은 산소 레벨을 갖는 영역도 있다. 도면에 도시되는 바와 같이, 이 방법은 낮은 이력, 및 그에 따라 우수한 측정 특성을 갖는 센서를 제조한다.
곡선 B 의 층은, 50 ㎛ 초과의 평균 입경, 약 1800 ℃ 의 가스 온도, 600 ~ 900 m/s 의 입자 속도, 및 합금의 용융 온도 이하의 평균 입자 온도를 갖는 분말에 의해 제조되었다. 이 방법은 비용융상의 큰 분획을 갖는 층을 제조해서, 층에서 밀도 및 기재에 대한 점착력이 나빠진다. 도면에 도시되는 바와 같이, 이 방법은 높은 이력을 가져서 측정 특성이 악화되는 센서를 제조한다. 입자의 평균 입경이 크기 때문에, 이 방법으로는 샤프트에 대한 접착력이 악화되고 층의 밀도가 떨어진다.
곡선 C 의 층은 10 ~ 30 ㎛ 의 입경, 약 2800 ℃ 의 가스 온도, 300 ~ 800 m/s 의 입자 속도 및 합금의 용융 온도를 많이 초과하는 평균 입자 온도를 갖는 분말에 의해 제조되었다. 높은 입자 온도로 인해서, 이 방법은 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 어떠한 구역도 제조하지 않는다. 높은 입자 온도는 모든 입자가 분사 동안에 용융되도록 해준다. 도면에 도시되는 바와 같이, 이 방법은 매우 높은 이력을 가져서 측정 특성이 매우 나쁜 센서를 제조한다.
도 5 로부터 본 발명에 따른 방법이 상당히 낮은 이력을 가져서 측정 특성이 가장 좋은 센서를 제조한다는 것이 분명해진다.
입자 온도는 예컨대 SprayWatch (Oseir Inc.) 에 의해 측정될 수 있다. 입자의 온도는 입자의 크기뿐만 아니라 가스 온도에 따라서도 달라진다. 입자의 평균 크기가 너무 작다면, 입자는 타버릴 것이다. 입자의 평균 크기가 너무 크고 및/또는 가속된 입자의 속도 또는 입자의 온도가 너무 낮다면 샤프트에 대한 층의 접착력이 나빠질 것이다.
본 발명은 기재된 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 이하의 청구범위의 범위 내에서 변화되고 변경될 수도 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 부하-지탱 부재 (1) 에 가해지는 힘에 의해 유도되는 응력을 측정하기 위한 센서로서, 상기 센서는 부하-지탱 부재 상에 형성된 자기탄성 재료로 된 층 (3) 을 포함하고, 상기 센서는 자기탄성 층의 시변 자기장을 발생시키고, 층의 자기 투과성의 변화를 검출하고, 층의 자기 투과성의 검출된 변화에 기초하여 응력을 결정하도록 배열되는 센서에 있어서,
    상기 층은 불균일하고 또한 상기 층은 100 ㎚ 미만의 평균 입경 및 제 1 화학 조성을 가지는 제 1 상, 및 제 1 상과 상이한 화학 조성을 갖는 제 2 상 (17) 을 포함하고, 상기 제 1 상은 제 2 상에 의해 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기를 갖는 구역 (18) 으로 분할되고, 복수의 구역이 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 상은 5 wt % 초과의 산소 레벨을 갖는 센서.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 층은 제 1 및 제 2 상에 의해 둘러싸이는 다수의 입자를 포함하고, 각각의 입자는 100 ~ 10000 ㎚ 범위의 평균 크기 및 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 하나 이상의 그레인을 포함하는 센서.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 상은 층의 10 ~ 90 wt% 가 되는 센서.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 자기탄성 층은 10 ~ 50 ㎛ 범위의 평균 크기를 갖는 재료 입자를 포함하는 분말의 열 분사에 의해 부재의 표면 상에 형성되고, 상기 제 1 및 제 2 상은 용융되거나 부분적으로 용융된 재료 입자로 만들어지는 센서.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 자기탄성 재료는 철, 니켈 및 코발트로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 구성 성분으로 이루어진 금속 또는 금속 합금의 적어도 60 at% 를 포함하는 센서.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 자기탄성 재료는 23 ~ 65 wt% 범위의 철 및 35 ~ 77 wt% 범위의 니켈을 포함하는 센서.
  15. 제 8 항에 있어서, 층의 자기탄성 재료의 적어도 50 wt% 는 1 wt% 미만의 산소 레벨을 갖는 센서.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 자기탄성 재료는 23 ~ 65 wt% 범위의 철 및 35 ~ 77 wt% 범위의 니켈을 포함하는 센서.
  17. 제 8 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 차량에서 토크를 측정하기 위해 사용되는 센서.
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