JPH0258339B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は鉄（Fe）、クロム（Cr）、コバルト
（Co）およびニツケル（Ni）を主成分とし、少量
の不純物を含むストレインゲージ用合金およびそ
の製造方法に関するもので、その目的とするとこ
ろはゲージ率が大きく、ゲージ率の組成に対する
変化が小さく、他の諸特性に優れ、かつ加工が容
易なストレインゲージ用合金を提供するにある。 ストレインゲージは、一般に弾性歪によつてゲ
ージ細線またはゲージ箔の電気抵抗が変化する現
象を利用し、逆に抵抗変化を測定することによつ
て歪の量あるいは応力を計測するもので、広く歪
測定に用いられるばかりでなく、近年は平衡型記
録計等の工業機器の機械量−電気量変換器要素、
所謂、ストレインセンサとしても利用される。 ストレインゲージ材料に課せられる条件は、 １ ゲージ率が大きいこと ２ 対銅熱起電力が小さいこと ３ 比電気抵抗が大きいこと ４ 比電気抵抗の温度係数が小さいこと ５ 加工性がよく、機械的性質がよいこと ６ 安価なこと などに要約される。 ところで、ストレインゲージは、その構造が金
属細線（13〜25μｍ）または箔（３〜5μｍ）を格
子状あるいはロゼツト状に配置してなり、またそ
の使用法としては前記ゲージを被測定物に接着剤
で貼付し、被測定物に生じた歪を、ゲージの抵抗
変化から間接的に測定するものである。 ストレインゲージの感度はゲージ率Ｋによつて
決まり、Ｋの値は一般に次の式で表される。 Ｋ＝ΔR／Ｒ／Δl／ｌ＝１＋2δ＋Δρ／ρ／Δl
／ｌ ここでＲはゲージ細線の全抵抗 δはゲージ細線のポアソン比 ρはゲージ細線の比電気抵抗 ｌはゲージ細線の全長 この式でδは金属においてほぼ0.3であるから、
ゲージ率Ｋを大きくするためにはΔρ／ρ・（Δl／
ｌ）^-1を大きくしなければならない。すなわち、
引張変形を与えた時に、材料の長さ方向の電子構
造が大幅に変化して、ρが増すという性質を具備
する必要がある。 さてストレインゲージは、近年マイクロコンピ
ユーターの進歩に伴つて、その応用領域がますま
す拡大して高感度な圧力変換器やロードセルに多
用されつつある。特にロードセルにおいては、商
業面における料金秤の他にホツパースケールやタ
ンクスケールの力量計、圧延や押出における圧力
計、コンスタントフイーダや車両重量計やクレー
ン荷重計等の工業用秤に用いられ、マイクロコン
ピユーターと共に部品の個数、重量あるいは圧力
等の検出と指示の他に、自動制御による工場管理
において製品の高品位安定化が歩留まりの向上ば
かりでなく、省力および省エネルギーの目的も担
つている。 ところが自動制御技術において、計測機器の高
精度および高信類性を得るためにはロードセルに
用いられているストレインゲージ素子の特性が重
要な決定要因となる。第１表には、現在知られて
いる主要なストレインゲージ素子の材料につい
て、そのゲージ率Ｋ、対銅熱起電力Emf、比電気
抵抗ρと比較気抵抗ρの温度係数Cfが示してあ
る。

【表】 第１表のうちCu−Ni系合金が従来最も多く用
いられている。この合金は比電気抵抗ρの温度係
数Cfの小さい特長を有する反面、ゲージ率Ｋお
よび比電気抵抗ρの値も小さすぎ、また対銅熱起
電力Emfが大きいために、ストレインゲージ用材
料の特性としては十分とはいえない。また同一ロ
ツト内またはロツト間における性能のばらつきは
５〜10％にも達し非常に不安定である。その他の
合金の特性についても一長一短があり、従来用い
られてきたストレインゲージ材料の代替用として
は、その特性が十分とはいい難かつた。 本発明者らは先にゲージ率Ｋが大きく、かつ他
の諸特性に優れたストレインゲージ用材料とし
て、Fe−Cr−Co系合金が非常に有望であること
を提案してきた（特公昭45−13229）。しかし上記
合金系はそのゲージ率Ｋが組成に対して大きく変
化する欠点、即ち組成に対するゲージ率の変動が
20％にも達するため、ばらつきの少ない安定した
製品を製造することは至難であつた。 よつて本発明者らは、ばらつきの少ない高性能
なストレインゲージ用材料を得るために、ゲージ
率Ｋが大きく、組成に対するゲージ率の変化が少
なく、他の諸特性も優れ、そして鍛造や圧延、引
抜きの如き加工性の良好なストレインゲージ用合
金の開発およびその製造方法を得る目的で研究を
続け、上記Fe−Cr−Co系合金の改良を試みた結
果、Cr3〜15％、Co17〜40％、Ni0.01〜28.6％お
よび残部Feからなる合金を主成分とし、少量の
不純物とからなる合金は、ゲージ率Ｋが大きく、
組成に対するゲージ率の変化が極めて小さく、そ
の他の諸特性に優れ、かつ加工が容易であるスト
レインゲージ用合金を見い出した。 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 本発明合金を製造するには、上記合金組成にな
るようにまず主成分のCr3〜15％、Co17〜40％、
Ni0.01〜28.6％残部Feとよりなる適当量を含有す
る合金を空気中、好ましくは非酸化性雰囲気中あ
るいは真空中において適当な溶解炉を用いて溶解
した後、カルシウム合金、マグネシウム合金ある
いはその他の脱酸剤、脱硫剤を少量（溶湯に対し
１％以下）添加してできるだけ不純物を取り除
き、十分に撹拌し、組成的に均一な溶融合金を得
る。 次にこれを適当な形および大きさの鋳型に注入
して健全な鋳魂を得、さらにこの鋳魂を高温ある
いは常温において、鍛造、圧延あるいは引抜き等
の方法によつて、加工率10％以上の冷間加工を施
し、目的の形状のもの例えば直径0.06mmの線材あ
るいは厚さ0.02mmの箔材を造り、この線材または
箔材を上記の加工後そのまま、あるいは水素中そ
の他の適当な非酸化性ガス中もしくは真空中で
400℃以下の温度で１分以上10時間以下加熱する
熱処理を加えて目的の試料を得る。そして上記方
法により得られた合金試料について、ゲージ率
Ｋ、対銅熱起電力Emf、比電気抵抗ρおよび比電
気抵抗ρの温度係数Cfを測定したところ、ゲー
ジ率Ｋ：３〜5.7、対銅起電力Emf：±3μV／℃
以下、比電気抵抗ρの最大値：90μΩ−cmおよび
ρの温度係数Cf：±10×10^-4／℃以下の特性を有
し、かつゲージ率Ｋの組成依存性が極めて小さい
特長を有するストレインゲージ用合金が得られ
る。 第１図はゲージ率Ｋにおよぼす冷間加工率の効
果を調べたものである。図からわかるように、加
工を加える前のゲージ率Ｋはいずれの合金試料の
場合でも２以下であるが、加工処理を施すことに
よつてゲージ率は急激に増加して、ほぼ一定値と
なる。そしてゲージ率Ｋが３以上を示す加工率は
いずれの合金試料の場合においても、10％以上で
あることが明白である。したがつて上記冷間加工
は緻密な加工組織を形成することにより、高いゲ
ージ率を得る効果があるが、特に加工率70％以上
の加工を施した場合に著しい。また上記の冷間加
工について行われる加熱処理（再結晶温度以下の
温度と時間）は加工による内部歪の一部を除去
し、ゲージ率およびその他の諸特性を安定化する
効果がある。その場合加熱温度が高いほど、ある
いは加熱時間が長いほど効果が著しい。ここで加
熱温度が高ければ加熱時間はより短くてよく、ま
た逆に加熱温度が低ければ加熱時間はより長くし
なければならないことは当然である。 次に本発明の実施例について述べる。 実施例 １ 合金番号30（組成Fe＝45.8％、Cr＝12.5％、Co
＝25.0％、Ni＝16.7％）の製造） 原料としては99.97％純度の電解鉄、99.44％純
度の金属クロム、99.59％純度の電解コバルトお
よび99.8％純度の電解ニツケルを用いた。試料を
造るには原料を全重量100ｇでアルミナ坩堝に入
れ、酸化を防ぐため表面にアルゴンガスを吹きつ
けながら、空気中で高周波誘導電気炉を用いて溶
かした。その後よく撹拌して均質な溶融合金とし
た。次にその溶融合金を内径10mm、高さ120mmの
鉄型に鋳込み、得られた鋳塊を1000℃で鍛造して
外径５mmの丸棒とした。さらに1000℃で中間焼鈍
した後、スエージングおよび冷間引抜きにより直
径0.5mmとし、再び1000℃で中間焼鈍をして冷間
引抜きにより直径0.06mmの細線とし、長さ70cmに
切断して試料とした。この場合の最終加工率〔減
面率）は98％である。これらの各種加工は高温に
おいても常温においても容易に行うことができ
た。この試料の加工および熱処理条件と対応した
特性は第２表のとおりである。

【表】 実施例 ２ 合金番号32（組成Fe＝43.4％、Cr＝10.7％、Co
＝17.3％、Ni＝28.6％）の合金の製造 原料は実施例１と同じ鈍度の鉄、クロム、コバ
ルトおよびニツケルを用いた。試料の製造方法は
実施例１と同じである。試料に種々な加工および
熱処理を施して第３表に示すような特性を得た。 なお本発明合金領域に属する代表的な合金は特
性値を、Fe−Cr−Co系三元合金との比較で示す
と第４表のとおりである。

【表】

【表】 第２図は加工率98％で冷間引抜きして得たFe
−15％Cr−０〜50％Co比較合金（Ni＝０％）お
よびこの合金に異なつたNi量を添加した（Fe−
15％Cr−０〜50％Co）＋Ni系合金についてNi＋
20〜＋60％を組成パラメーターとした場合のゲー
ジ率ＫとCo量との関係を示す曲線図である。 ここで図に示したFe、Cr、CoおよびNiそれぞ
れの組成はNi添加量によつて異なるので、次に
それらの求め方を説明する。 合金組成は、Fe−15％Cr−０〜50％Co系合金
を100％として、これにNiを20％、30％、40％、
50％あるいは60％添加した合計量がそれぞれ120
％、130％、140％、150％あるいは160％とした。
すなわち第２図の各曲線の組成式は次のように書
ける。 Ni＝＋20％の曲線の場合では （Fe−15％Cr−０〜50％Co）＋20％Ni →組成の合計120％ Ni＝＋30％の曲線の場合では （Fe−15％Cr−０〜50％Co）＋30％Ni →組成の合計130％ Ni＝＋40％の曲線の場合では （Fe−15％Cr−０〜50％Co）＋40％Ni →組成の合計140％ Ni＝＋50％の曲線の場合では （Fe−15％Cr−０〜50％Co）＋50％Ni →組成の合計150％ Ni＝＋60％の曲線の場合では （Fe−15％Cr−０〜50％Co）＋60％Ni →組成の合計160％ 上述のように合金の合計量はNiの添加量によ
つて異なつていることがわかる。合金全体の合計
量を100％に変換する表示法は、上記組成式の各
成分の組成量をNiを添加した組成の合計量で割
り、さらに100倍することによつて得られる。 すなわち換算式は Ｖ＝（Vo／VT）×100％ ……(1) ここでＶは100％表示法における各元素の組成
量、VoおよびVTはそれぞれNi添加の組成式に
おける各元素の組成量および組成の合計量であ
る。 例えばNi＝＋20％の曲線の場合では、換算式
(1)を用いて（組成量／120）×100から Fe−12.5％Cr−０〜41.7％Co−16.7％Ni と表され、この合金の組成の合計量は100％とな
る。以下第３図乃至第５図においても第２図の場
合と同様な方法で組成量を求めることができる。 さて第２図にみるようにFe−15％Cr−Co3元
合金のゲージ率ＫはCo量の増加とともに減少す
るが、本発明合金である（Fe−15％Ｃ−０〜50
％Co）＋Ni系合金の場合、Niを添加することに
よつて低Co側におけるゲージ率Ｋは急激に減少
する。そのためCo軸に対してゲージ率Ｋの極大
を示す領域が出現する。すなわちゲージ率Ｋが極
大を示す部分においてはCo量に対して不変のゲ
ージ率を有することを示している。この極大は
Ni添加量が増加するとともに漸次Co量の少ない
側に移動し、それとともに極大の値も小さくな
り、Ni＝＋60％の曲線においてはCo量に関係な
くゲージ率が３以下となる。例えば、Ni＝＋20
％の曲線についてみると、Co27〜30％の範囲に
おけるゲージ率Ｋは3.90〜3.91で、ほとんど一定
値とみなしてもよいほどで、Fe−15％Cr−Co3
元系比較合金（Ni＝０％）の曲線には全くみら
れない大きな特長である。 当然ゲージ率Ｋが３以下を示す合金組成は本発
明の請求範囲からはずれることはいうまでもな
い。 第３図は加工率98％で冷間引抜きして得た
（Fe−15％Cr−Co）＋０〜60％Ni系合金の各試料
について、Co25〜40％を組成パラメータとした
場合におけるゲージ率ＫとNi量との関係を示す
曲線図である。Ni量に対するゲージ率の変化は
一般にNi＝＋10〜＋15％において極小、および
Ni＝＋20〜＋25％において極大を示した後、Ni
量の増加とともに漸次減少する。そしてその変化
の様子は、Co＝０％曲線の場合を除いて、Co量
にはほとんど関係がないことが明らかである。 第３図においても、第２図と同様極小と極大を
有する組成領域ではＫが不変であることを示すの
がわかる。第３図より明らかなように、Fe−Cr
−Co系合金にNiを添加することによりゲージ率
Ｋの組成依存性が少なくなりＫ＝３〜４の間で安
定となることがわかる。 第４図は、第２図および第３図と同様の加工率
で冷間引抜きして得た（Fe−０〜30％Cr−25％
Co）＋Ni合金（およびFe−０〜30％Cr−30％Co）
＋Ni合金について、それぞれNi＝０％、＋20％、
＋30％あるいは＋40％を組成パラメータとした場
合のゲージ率ＫとCr量との関係を示す曲線図で
ある。Cr量に対するゲージ率の変化は一般に
（Fe−０〜30％Cr−25％Co）＋Ni合金あるいは
（Fe−０〜30％Cr−30％Co）＋Ni合金のいずれの
曲線の場合でもCr量約10％において極大を示し、
Ni量とともに減少する。 第５図は上記第３図と同じ試料について、対銅
熱起電力Emf、比電気抵抗ρおよび比電気抵抗ρ
の温度係数Cfの特性を示してある。第５図にみ
るように対銅熱起電力EmfはNi量やCo量に対し
て複雑に変化し、その最大の変化量は＋３〜−
4μV／℃であるが、従来のCu−Ni系合金（第１
表参照）の値に比べると非常に小さいことがわか
る。特に対銅熱起電力Emfの極大を示すNi＝＋
35％の組成において約1μV／℃下となり、合金組
成を任意に選ぶことにより極めて小さい値を示す
ため、応用上直流電源を用いる装置においては安
定した性能を発揮できる。比電気抵抗ρはCoを
含まないFe−15％Cr−Ni比較合金を除いた本発
明合金ではCo量に関係なくNi＝約＋15％におい
て極小を示す。そしてその値は68〜72μΩ・cmで
Cu−Ni系合金のそれより大きい。比電気抵抗ρ
の温度係数Cfはρの組成変化にほぼ対応してお
り、Ni＝＋15％において極大を示す。Cfの値は
最高＋10×10^-4／℃でCu−Ni系合金の＋20×
10^-6／℃と比べるとはるかに大きいが、±10×
10^-4／℃以下の場合には補償回路を用いることに
よつて相殺可能である。 第６Ａ図は本発明合金No.30と比較合金No.７の加
工率90％の冷間加工後におけるゲージ率Ｋの加熱
温度（歪取り熱処理温度）依存性を示すもので、
冷間加工後に400℃以下の歪取り熱処理を施すこ
とはゲージ率Ｋを３〜４に保持する上で極めて有
効であるが、加熱温度を400℃以上とし、加熱時
間を長くするとゲージ率Ｋは下がることを示して
いる。 第６Ｂ図は本発明合金のゲージ率Ｋの加工依存
性を示すもので、加工率を10〜90％と上昇させる
とゲージ率Ｋ＝３〜４となることを示している。
比較合金No.７（Fe−15Cr−35Co）と比較して加
工率10〜50％の範囲で比較合金より良い値を示し
ており、加工率50％以上ではほぼ同じ値を示して
いる。以上の理由で冷間加工率は10％以上と限定
した。 第７図は本発明合金の冷間加工（加工率90％）
後におけるゲージ率Ｋの加熱時間依存性を示すも
のである。１分ないし100時間および200〜500℃
で熱処理を行つた結果、100時間以上では加熱温
度の高い程、ゲージ率Ｋが低下する傾向にあり、
400℃の曲線では加熱時間が10時間ではゲージ率
Ｋ＝３以上の値を示している。従つて熱処理の限
界である加熱温度および時間はそれぞれ400℃以
下および10時間以下であることが必要である。 以上のように本発明合金のゲージ特性は広い範
囲の組成に亘つて優秀である。すなわち上記実施
例１乃至実施例２、第５表および第２図乃至第４
図からもわかるように、Cr＝３〜35％、Co＝17
％〜40％、Ni＝0.01〜28.6％、および残部Feから
なるFe−Cr−Co−Ni系４元合金においてゲージ
率Ｋが３〜5.7、対銅熱起電力Emfが±3μV／℃
以下、比電気抵抗ρが68〜90μΩ−cm、ρの温度
係数Cfが＋10×10^-4／℃以下の特性が得られる。 第５表に主成分の組成と各種条件の関係を示
す。

【表】 −：変化なし
×：悪化
本発明合金は特にゲージ率Ｋが大きく、かつＫ
の組成依存性がほとんどないという従来比類をみ
ない特長を有しているので、高感度高安定性を要
求されているロードセル用ストレインゲージとし
て非常に好適である。本発明合金は加工状態があ
るいは約400℃以下の低温度の熱処理を施して使
用するが、実施例にみられるように300℃以下で
は諸特性は僅かの変化しか示さない。しかし400
℃以上では特性が急速に変化する。また本発明合
金は常温においてもまた高温においても鍛造、圧
延、引抜き、スエージングなどの加工が容易で工
業上利するところが大きい。 次に本発明合金においては、合金の組成をCr
＝３〜15％、Co＝17〜40％、Ni＝0.01〜28.6％、
および残部Feと限定した理由は、第２図乃至第
５図、各実施例、第４表および第５表で明らかな
ように、その組成範囲のゲージ率Ｋは３以上で、
しかも優れたゲージ特性を示し、かつ加工性も良
好であるが、組成がこの範囲をはずれるとゲージ
特性は劣化し所期の特性は得られなくなるばかり
でなく、加工が困難となり、ストレインゲージ用
合金として不適当となるからである。 また本発明合金においては、冷間加工率（減面
率）を20％以上と限定した理由は第１図で明らか
なように、加工率10％以上のゲージ率Ｋは３以上
の高い値を示すが、これ以下の加工率ではゲージ
率Ｋが小さいばかりでなく、製造における加工率
の制御が困難となるので、ストレインゲージ用合
金の製造方法として不適当となるからである。 また本発明合金において冷間加工後の加熱温度
を400℃以下と限定した理由は、第２表乃至第３
表、第６図および第７図からも明らかなように、
400℃以下ではゲージ特性は僅かしか変化しない
が、400℃以上の加熱を行うと比電気抵抗の温度
係数Cfが10×10^-4／℃の値を越え、しかもゲージ
率Ｋが急激に低下してしまい、ストレインゲージ
の要求特性からはずれてしまうため、ストレイン
ゲージ用合金の製造方法として不適当となるから
である。 最後に本発明合金において、冷間加工後、さら
に400℃以下の温度で加熱を行う場合、加熱時間
を１分以上10時間以下と限定した理由は、第２表
乃至第４表および第７図からも明らかなように、
上記時間の範囲内で加熱処理を行うと加工歪が一
部除去されてゲージ特性が安定化するので、経年
変化の少ないストレインゲージ用合金を提供する
ことが可能である。しかし、加熱時間を１分未満
とする場合はゲージの安定性が悪く、また10時間
以上の場合にはゲージ率Ｋが急速に劣化すること
によるため、ストレインゲージ用合金の製造方法
として不適当となるからである。 以上本発明によれば従来実用化されているNi
−Cu系合金あるいは公知のFe−Cr−Co系合金な
どに比較してゲージ率の組成に対するばらつきが
皆無な材料を得ることができるばかりでなく、か
つ優れたゲージ特性と良好な加工性を有する合金
とその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な本発明合金のゲージ率Ｋと冷
間加工率との関係を示す曲線図、第２図は98％冷
間加工を施したFe−15％Cr−０〜50％Co比較合
金（Ni＝０％）と、この合金に異なつた量のNi
（＋20、＋30、＋40、＋50あるいは＋60％）を添加し
た合金のゲージ率ＫとCo量との関係を示す曲線
図、第３図は98％冷間加工を施した（Fe−15％
Cr）＋０〜60％Ni比較合金（Co＝０％）と、異
なつた量のCo（25、30、35あるいは40％）を含む
（Fe−15％Cr−Co）＋０〜60％Ni合金のゲージ率
ＫとNi添加量との関係を示す曲線図、第４図は
98％冷間加工を施した｛（Fe−Cr−25％Co）＋Ni
（０％、＋20％、＋30％、＋40％）｝合金及び｛（Fe
−Cr−30％Co）＋Ni（０％、＋20％、＋30、＋40
％）｝合金のゲージ率ＫとCr量との関係を示す特
性図、第５図は｛（Fe−15％Cr−Co）＋Ni｝合金
の対銅熱起電力Emf、比電気抵抗ρおよび比電気
抵抗の温度係数CrとNi量との関係を示す特性図、
第６Ａ図は本発明合金の試料No.30の冷間加工（加
工率90％）後におけるゲージ率Ｋの加熱温度依存
性を示す特性図、第６Ｂ図は本発明合金の試料No.
30と比較合金No.７のゲージ率Ｋの加工率依存性を
示す特性図、第７図は本発明合金の試料No.30と比
較合金No.７の冷間加工（加工率90％）後における
ゲージ率Ｋの加熱時間依存性を示す特性図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比にてクロム３〜15％、コバルト17〜40
   ％、ニツケル0.01〜28.6％および残部鉄と、少量
   の不純物からなり、ゲージ率が３以上を有するこ
   とを特徴とするストレインゲージ用合金。 ２ 重量比にてクロム３〜15％、コバルト17〜40
   ％、ニツケル0.01〜28.6％および残部鉄と、少量
   の不純物からなる合金に加工率10％以上の冷間加
   工を施し、さらにこれを400℃以下の温度で１分
   以上10時間以下加熱することによりゲージ特性が
   安定で、ゲージ率が３以上を有する合金を得るこ
   とを特徴とするストレインゲージ用合金の製造方
   法。