JPH0542499B2

JPH0542499B2 -

Info

Publication number: JPH0542499B2
Application number: JP16872983A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Masumoto; Kazumitsu Shinohara; Akihisa Inoe; Takashi Naohara; Hiroyuki Tomioka
Original assignee: Unitika Ltd
Current assignee: Unitika Ltd
Priority date: 1983-09-13
Filing date: 1983-09-13
Publication date: 1993-06-28
Also published as: JPS6059048A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、ひずみゲージ特性に優れたFe系合
金材料に関するものである。一般に知られているように、ひずみゲージは抵
抗素子を伸び縮みさせると、その抵抗値が増減す
るという原理に基づいており、任意の構造物に対
して、静的、動的あるいは衝撃的な応力測定が可
能であり、またゲージの構造が非常に簡単で、か
つ小型化が可能なため、工業的に各種分野に用い
られている。ひずみゲージ用材料として必要な条
件、すなわちひずみゲージ特性として(1)ひずみ感
度（ゲージフアクター）が大きいこと、(2)電気抵
抗値が高いこと、(3)抵抗温度係数が小さく、広い
温度範囲にわたつて一定であること、(4)リード線
材に対する熱起電力が小さいこと、(5)線引き、圧
延加工が容易であること、(6)耐食性があること、
(7)経年変化が極めて小さいこと等があげられる。現在、ひずみゲージとして用いられている材料
の中でも、ひずみの感度が6.0と大きい白金合金
（Pt90原子％、Ir10原子％）は、電気抵抗の温度
係数が800×10^-6K^-1と大変大きい。同様にひず
み感度が3.5〜3.6と大きいアイソ・エラステイツ
ク（Fe53原子％、Ni35原子％、Cr9原子％、Mn
＋Mo3原子％）も、電気抵抗温度係数が450×
10^-6K^-1とかなり大きい。また、抵抗温度係数が
±10×10^-6K^-1と小さいカルマ（Ni61原子％、
Cr21原子％、Al＋Fe9原子％）はひずみ感度が
2.4と小さく、同様にアドバンス（Cu52原子％、
Ni46原子％、Mn1原子％、Fe0.6原子％）も、電
気抵抗温度係数は20×10^-6K^-1と小さいが、ひず
み感度は2.0でしかない。しかも、アドバンスは
さらに対銅熱起電力が43μV／Ｋと極めて高いと
いう欠点も有している。また、特殊用ひずみゲージとして、高温用及び
極低温用ひずみゲージがある。高温に耐える抵抗
体は電気抵抗温度係数が大きいのが通例で、常温
からの温度変化と、大きな電気抵抗温度係数によ
り、極めて大きな見掛けひずみを生じ、その補正
はかなり困難である。また、現在極抵温用ひずみ
ゲージに使用されているNi−Cr合金及び安定化
Fe−Cr−Al合金系の材料は温度変化によるひず
みゲージ特性への影響が大きいという欠点を有し
ており、ひずみゲージ材料としては不十分であ
る。このように、ひずみゲージ用材料としての必要
条件を大体満足している材料が一応実用に供され
ているが、当業界ではさらにひずみ感度が大き
く、電気抵抗の温度係数が小さく、リード線に対
する熱起電力が小さい等、ひずみゲージ特性をよ
り向上させたひずみゲージ用材料の出現が待ち望
まれている。そこで、本発明者らはこれらの事情に鑑み、ひ
ずみゲージ特性に優れたFe系合金材料を提供す
ることを目的として鋭意研究した結果、特定の組
成からなるFe系合金を溶湯状態から急冷固化す
ると、現用材に比べ、はるかにひずみゲージ特性
に優れた合金材料が得られることを見い出し、本
発明を完成した。すなわち、本発明は、液体急冷法によつて得ら
れ、Crが10〜41原子％で、Al又はSiからなる群
より選ばれた１種又は２種の元素が7.5〜17.5原
子％で、残部が実質的にFeからなるひずみゲー
ジ特性に優れたFe系合金材料及び液体急冷法に
よつて得られ、Crが10〜41原子％で、Al又はSi
からなる群より選ばれた１種又は２種の元素が
7.5〜17.5原子％で、40原子％以下のNi、10原子
％以下のCo、Nb、Ta、Mo及びCu、1.0原子％
以下のHf、Ce及びＹからなる群より選ばれた１
種の元素を含有し、残部が実質的にFeからなる
ひずみゲージ特性に優れたFe系合金材料である。本発明の合金材料について説明すると、Crが
10〜41原子％で、Al又はSiが7.5〜17.5原子％必
要で、好ましくは12.5〜32.5原子％、10〜17.5原
子％である。Crが10原子％未満、Al又はSiが7.5
原子％未満では、電気抵抗は低下し、また電気抵
抗温度係数も大きくなり、しかも耐食性、耐疲労
性、機械的性能、耐酸化性も向上させることはで
きず、ひずみゲージとしての必要な条件を満たす
ことができなくなる。また、Crが41原子％より
多い場合及びAl又はSiが17.5原子％より多い場合
は、電気抵抗温度係数も極端に増大し、ひずみゲ
ージとしての特性は低下する。本発明の合金材料にNi、Co、Nb、Ta、Ｖ、
Mo、Mn、Cu、Ge、Ga、Ti、Zr、Hf、Ca、
Ce、Ｙ及びThからなる群より選ばれた１種又は
２種以上の元素を40原子％以下添加すると（ただ
し、Niは40原子％以下、Co、Nb、Ta、Ｖ、
Mo、Mn、Cu、Ge及びGaはそれぞれ10原子％以
下、Ti、Zr、Hf、Ca、Ce、Ｙ及びThはそれぞ
れ1.0原子％以下である。）、電気抵抗及び電気抵
抗温度係数、耐食性等ひずみゲージに必要な特性
を向上させることができる。しかし、上記した添
加元素量を超えて添加すると、冷間加工性が低下
し、脆くなり、実用に供しなくなる。また、上記総ての合金系において、通常の工業
材料中に存在する程度の不純物、例えばＢ、Ｐ、
Ｃ、Ｓ、Sn、In、As、Sb等が少量含まれていて
も、本発明を達成するにはなんら支障をきたすも
のではない。本発明の合金を製造するには、前記合金組成を
用い、不活性ガス雰囲気中あるいは真空中で加熱
溶融した後、液体急冷法で急冷凝固させることが
必要である。その液体急冷法としては、片ロール
法、双ロール法及び回転液中紡糸法が特に有用で
ある。片ロール法、双ロール法は冷却温度10⁵〜
10⁶℃／secを有しており、薄帯状材料を製造する
ことができる。また、回転液中紡糸法としては、
特開昭56−165016号公報に記載されているよう
に、回転するドラム中に水膜を形成させ、この水
膜の中に溶融状態の金属を紡糸ノズルを通して噴
出し、円形断面を有する連続細線を得る方法があ
げられる。この回転液中紡糸法において、特に均
一な連続細線を製造する場合には、回転するドラ
ムの周速度を噴出された溶融金属流の速度よりも
５〜30％程度速くすることが望まれ、また水膜と
噴出された溶融金属流とのなす角度は20゜以上が
好ましい。本発明の合金材料は、冷間加工を連続して行う
ことができ、寸法精度及び機械的性質をより向上
させることができる。また、必要に応じて焼なま
し等の熱処理をも行うことができ、より一層ひず
みゲージ特性を安定化させることができる。この
ような液体急冷法の高速化、工程の単純さは、本
発明の合金材料を製造するに際して、製造コスト
の低減、省エネルギーといつた効果をももたら
す。このように液体急冷法により得られた本発明の
合金材料は、先に記したような従来のNi−Cr系
合金及びFe−Cr−Al系合金等と比較してさらに
向上したひずみゲージ特性を有する。一例をあげ
るならば、Fe65原子％、Cr20原子％、Al15原子
％からなる、急冷凝固により得られた本発明の
Fe−Cr−Al合金材料は、150.0μΩ・cmと高い電
気抵抗値を有し、ひずみ感度は3.7と非常に高く
なつている〔従来のアーマアロイＤ（Fe62原子
％、Cr20原子％、Al18原子％）は1.3〜3.0と低
い。〕。また、本発明のFe65原子％、Cr20原子％、
Al15原子％組成合金の対銅熱起電力は−
1.21μV／Ｋとかなり小さく、さらにひずみ率の
変化がひずみ感度に与える影響も小さい。ひずみ
ゲージとして重要な特性のひとつである電気抵抗
温度係数も２×10^-6K^-1と非常に小さく、それと
比較してアーマアロイＤは250×10^-6K^-1とかな
り大きい。また、冷間線引きやアーマアロイＤで
は、困難な冷間圧延加工も容易であり、良好な耐
食性も有している。特に、液体急冷法により得ら
れる薄帯状の合金材料は、厚さが10〜20μmで、
圧延により表裏両面を平担にしたあと打ち抜き加
工が簡単にでき、また細線状材料は容易に冷間線
引きが可能で、線径25μm程度以下に加工するこ
とができ、ひずみゲージ用材料を製造する上にお
いても非常に好ましい。また、本発明合金材料は、極低温及び高温にお
けるひずみゲージ特性にも非常に優れている。例
えば上記Fe65原子％、Cr20原子％、Al15原子％
組成の合金において、電気抵抗値は−196℃では、
150.5μΩ・cm、０℃では150.0μΩ・cm、300℃で
は150.2μΩ・cm、900℃では150.3μΩ・cmと極低
温から高温に至るまで、電気抵抗値はほとんど変
化せず、また電気抵抗の温度係数も−196℃〜０
℃では、17×10^-6K^-1、０℃〜900℃では、２×
10^-6K^-1と広温度域にわたつて極めて小さな値で
あり、温度変化からくるひずみによる誤差も極端
に小さい。また、温度変化によるひずみ感度への
影響は１％以下と極めて小さく、極低温域及び高
温域においても使用に供することが可能な合金材
料である。このように、本発明の合金材料はひずみゲージ
特性に優れた材料として、工業用材料に有用なも
のであり、広く使用することができる。次に、本発明を実施例により具体的に説明す
る。実施例１〜25、比較例１〜26 表１に示す各種組成よりなるFe−Cr−（Al、
Si）元素及びFe−Cr−（Al、Si）−Ｍ（Ｍは、Ni、
Co、Nb、Ta、Mo、Cu、Hf、Ce及びＹからな
る群より選ばれた１種を表す）元素を、アルゴン
ガス雰囲気中で溶融した後、アルゴンガス噴出圧
1.5Kg／cm²で、孔径0.30mmφのルビー製ノズルよ
り、4000rpmで回転している直径20cmの鋼鉄ロー
ル表面に噴出して厚さ10〜20μm（幅３mm）の連続
した薄帯状材料を製造した。これら薄帯状の合金材料について、ひずみゲー
ジ特性として、四端子法での電気抵抗（μΩ・
cm）、０℃から900℃までの温度範囲における電気
抵抗温度係数（K^-1）、ひずみ感度（ひずみ感度
ＫはＫ＝dR／Ｒ・１／εで求めたものであり、
ここでＲはひずみをかけない時の抵抗体の電気抵
抗、dRはひずみをかけた時の電気抵抗の変化分、
εはひずみを表す。）、対銅熱起電力（μV／Ｋ）
及び180゜密着曲げ性について測定した。その結果を表１に示す。なお、比較のため、現在使用されている合金材
料（比較例１〜４）についても表１に示す。

【表】

【表】表１より明らかなごとく、本発明の実施例１〜
25の合金材料は、適正なCr量、Al量、Si量及び
添加元素量を有しているため、非常に小さい電気
抵抗温度係数、大きなひずみ感度、かなり小さい
対銅熱起電力を有し、ひずみゲージ材料として非
常に好ましい特性を有している。また、比較例１
〜４は、現在ひずみゲージとして用いられている
合金材料であるが、電気抵抗温度係数が小さけれ
ば、ひずみ感度が小さく、対銅熱起電力が大きい
とか、それぞれのひずみゲージとして必要な条件
がすべて満足されてはいない。比較例５〜８は、
Cr及びAl、Siの含有量が適正量外であるため、
電気抵抗も低く、特に電気抵抗温度係数は非常に
大きく、ひずみ感度は小さく、ひずみゲージ用合
金材料としては不満足なものであつた。さらに、比較例９〜26は、添加する元素の量が
適正量を超えているため、靭性を失い脆くなり実
用に供することは不可能であつた。実施例 26〜49 表２に示す各種組成よりなるFe−Cr−（Al、
Si）合金及びFe−Cr−（Al、Si）−Ｍ（ＭはNi、
Co、Ta、Mo、Cu、Hf、Ce及びＹからなる群よ
り選ばれた１種を表す。）合金を、アルゴンガス
雰囲気中で溶解した後、アルゴンガス噴出圧4.5
Kg／cm²で、孔径0.115mmφのルビー製紡糸ノズル
より、350rpmで回転している内径50cmφの円筒
ドラム内に形成された温度４℃、深さ25mmの回転
冷却液体水中に噴出して急冷凝固させ、平均直径
0.1mmφの円形断面を有した均一な連続細線を得
た。この時の紡糸ノズルと回転冷却液体面との距離
は２mmに保持し、ノズルより噴出された溶融金属
流と回転冷却液体面とのなす角は70度であつた。作製した急冷合金細線のひずみゲージ特性につ
いて、実施例１と同様に、電気抵抗、電気抵抗温
度係数、ひずみ感度、対銅熱起電力及び180度密
着曲げ性について測定したその結果を表２に示
す。

【表】表２より明らかなごとく、回転液中紡糸法によ
り作製した本発明の実施例26〜49の合金材料は、
適正なCr量、Al量、Si量及び添加元素量を有し
ているため、非常に小さい電気抵抗温度係数、大
きなひずみ感度、かなり小さい対銅熱起電力を有
し、ひずみゲージ材料として非常に好ましい特性
を有している。

Claims

【特許請求の範囲】１液体急冷法によつて得られ、Crが10〜41原
子％で、Al又はSiからなる群より選ばれた１種
又は２種の元素が7.5〜17.5原子％で、残部が実
質的にFeからなるひずみゲージ特性に優れたFe
系合金材料。２液体急冷法によつて得られ、Crが10〜41原
子％で、Al又はSiからなる群より選ばれた１種
又は２種の元素が7.5〜17.5原子％で、40原子％
以下のNi、10原子％以下のCo、Nb、Ta、Mo、
及びCu、1.0原子％以下のHf、Ce及びＹからなる
群より選ばれた１種の元素を含有し、残部が実質
的にFeからなるひずみゲージ特性に優れたFe系
合金材料。