DE102007029683B4

DE102007029683B4 - Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten

Info

Publication number: DE102007029683B4
Application number: DE200710029683
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr.-Ing. 31241 Bandorf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: WO2009000391A1; DE102007029683A1

Abstract

Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten, bei welchem mittels einer Sensorschicht ein von der Zustandsgröße abhängiges elektrisches Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht mindestens eine Verbindung der Summenformel MnA1Xn-1 enthält, wobei der Parameter n zwischen 2 und 4 ausgewählt ist, das Element M ausgewählt ist aus Sc oder Ti oder V oder Cr oder Zr oder Nb oder Mo oder Hf oder Ta, das E S oder Ga oder Ge oder As oder Cd oder In oder Sn und das Element X ausgewählt ist aus C oder N.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten mittels einer Sensorschicht, welche zumindest als Teilbeschichtung ausgeführt ist und welche mindestens eine Verbindung der Summenformel M_nA₁X_n-1 enthält, wobei der Parameter n zwischen 2 und 4 ausgewählt ist, das Element M ausgewählt ist aus Sc oder Ti oder V oder Cr oder Zr oder Nb oder Mo oder Hf oder Ta, das Element A ausgewählt ist aus Al oder Si oder P oder S oder Ga oder Ge oder As oder Cd oder In oder Sn und das Element X ausgewählt ist aus C oder N.
Aus der DE 199 54 164 A1 ist bekannt, mechanische Komponenten mit amorphen Kohlenstoffschichten mit piezoresistiven Eigenschaften zu beschichten. Diese Kohlenstoffschichten können fallweise mit einem oder mehreren metallischen Elementen dotiert werden. Sie weisen eine hohe Verschleißfestigkeit und einen geringen Reibungswiderstand auf. Dadurch werden die Lebensdauer und die tribologischen Eigenschaften der mechanischen Komponente erhöht. Gleichzeitig gibt der elektrische Widerstand der amorphen Kohlenstoffschicht Auskunft über die auf die mechanische Komponente einwirkende Kraft.
Aus der DE 102 53 178 A1 ist weiterhin bekannt, dass der elektrische Widerstand von Schichten aus diamantartigem Kohlenstoff von der Temperatur der Schicht abhängt. Somit kann über eine Widerstandsmessung nicht nur die einwirkende Kraft, sondern auch die Temperatur der Schicht und damit die Bauteiltemperatur unmittelbar in der Belastungszone gemessen werden. Nachteilig an diesen Kohlenstoffschichten ist jedoch, dass diese als Hartstoffschichten hohe innere Spannungen aufweisen und unter Belastung zum Abplatzen vom Untergrund neigen. Ein weiterer Nachteil der Kohlenstoffschichten besteht darin, dass diese bereits ab einer Einsatztemperatur von 450°C nicht mehr stabil sind. Ab dieser Temperatur beginnt die Veränderung der Matrix der Schichten hin zu graphitischen Phasen. Der sp³-Anteil der Bindungen und damit die Schichthärte nimmt stetig ab.
Die US 2005/0076825 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, welche ein Material der Summenformel M_nA₁X_n-1 umfasst. Diese Beschichtung kann als Dünnschicht auf mechanische Komponenten aufgebracht werden. Dabei dient die Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten, als Antihaftbeschichtung, dem Korrosionsschutz oder dem Verschleißschutz.
Außerdem offenbart die US 2005/0262965 A1 eine mechanische Komponente für den Hochtemperatureinsatz, beispielsweise ein Bauteil eines Turboladers. Dieses Bauteil wird aus einem Sintermaterial gefertigt, welches eine Verbindung der Summenformel M_nA₁X_n-1 sowie ein duktiles Metall enthält.
Darüber hinaus offenbart US 6,544,674 B2 elektronische Bauelemente, welche aus dotiertem und strukturiertem Siliziumcarbid hergestellt sind. Zur elektrischen Kontaktierung dieser Bauelemente wird in US 6,544,674 B2 ein Kontakt vorgeschlagen, welcher ein Material der Summenformel M_nA₁X_n-1 enthält. Dieser Kontakt soll den Einsatz der elektronischen Bauelemente auf der Basis von Siliziumcarbid auch bei Temperaturen über 400°C ermöglichen.
Schließlich werden noch in dem Artikel von Michel W. Barsoun „The M_n+1AX_n Phases: A New Class of Solids” in Progress in Solid State Chemistry 28 (2000) S. 201–204 und 228–232 mechanische thermische und elektrische Eigenschaften vom Schichtmaterial offenbart. Es werden hier allerdings lediglich allgemeine Materialparameter angegeben.
Allen vorgenannten Veröffentlichungen des Standes der Technik mangelt es aber daran, dass aus ihnen keine Beschichtung erkennbar ist, welche als Sensorschicht zur Bestimmung des Zustandes einer mechanischen Komponente verwendbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Beschichtung anzugeben, welche als Sensorschicht zur Bestimmung des Zustandes einer mechanischen Komponente verwendbar ist, bei Reibungsbeanspruchung einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist und als duktile Schicht bei Verformung der mechanischen Komponente den Bewegungen folgt ohne abzuplatzen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Sensorschicht bereitzustellen, welche bei Temperaturen über 500°C, bevorzugt über 1000°C, eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten, bei welchem als Sensor eine Schicht verwendet wird, welche mindestens eine Verbindung der Summenformel M_nA₁X_n-1 enthält, wobei der Parameter n zwischen 2 und 4 ausgewählt ist, das Element M ausgewählt ist aus Sc oder Ti oder V oder Cr oder Zr oder Nb oder Mo oder Hf oder Ta, das Element A ausgewählt ist aus Al oder Si oder P oder S oder Ga oder Ge oder As oder Cd oder In oder Sn und das Element X ausgewählt ist aus C oder N.
Eine mechanische Komponente im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst beispielweise ein Lager mit oder ohne eingebrachte Wälzkörper, ein Spannsystem, ein Kolben-Zylinder-System, aber auch Umformwerkzeuge, Gussformen oder spanabhebende Werkzeuge. Zur Bestimmung einer Zustandsgröße unmittelbar in der Wirkzone der mechanischen oder thermischen Belastung der mechanischen Komponente ist zumindest im Messbereich eine Beschichtung aufgebracht. Fallweise kann jedoch auch die gesamte mechanische Komponente großflächig mit der Beschichtung versehen sein.
Die zu messende Zustandsgröße ist beispielsweise eine Längenänderung, eine Kraft, ein Abstand zweier Bauteile oder eine Temperatur. Fallweise können auch mehrere Zustandsgrößen unabhängig oder eine Kombination von Zustandsgrößen mit der erfindungsgemäßen Sensorschicht bestimmt werden.
Das erfindungsgemäß verwendete Beschichtungsmaterial der Summenformel M_nA₁X_n-1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Bindungen innerhalb des Gefüges teilweise metallischen, teilweise ionischen und teilweise kovalenten Charakter aufweisen. Als Folge daraus ergeben sich für die Schichten teilweise metallische und teilweise keramische Eigenschaften. So sind die Schichten elektrisch leitfähig, weisen die für Metalle charakteristische hohe Wärmeleitfähigkeit auf und sind duktil. Im Gegensatz zu metallischen Schichten oder Kohlenstoffschichten zeigen die erfindungsgemäß verwendeten Schichten jedoch eine geringere Dichte, eine größere Härte und eine hohe Oxidationsbeständigkeit, weshalb die erfindungsgemäßen Schichten thermisch stabil sind und auch bei hohen Temperaturen einsetzbar bleiben.
Weiterhin sind die Schichten in gewissem Umfang selbstschmierend, so dass bei geringen Anforderungen eine zusätzliche Schmierstoffzugabe unterbleiben kann. Bei höheren Anforderungen ergeben sich zumindest noch Notlaufeigenschaften, welche die sofortige Zerstörung der Sensorschicht verhindern. Weiterhin kann die Sensorschicht dadurch eine Doppelfunktion wahrnehmen und sowohl die mechanischen Eigenschaften der mechanischen Komponente verbessern und gleichzeitig zur Zustandsüberwachung dienen.
Das Schichtmaterial der Summenformel M_nA₁X_n-1 kann dabei in einer kristallinen Phase vorliegen. Besonders bevorzugt ist allerdings die Verwendung als Nanokomposit. Die o. g. Eigenschaften bleiben dabei im Wesentlichen erhalten. Allerdings ist die Abscheidung bei erheblich niedrigeren Temperaturen möglich, beispielsweise bei 100°C–150°C. Dadurch wird der Anwendungsbereich erweitert, da hoch legierte Stähle bei zu großer Erwärmung ihre Eigenschaften stark verändern. Die Mikrostruktur von Nanokompositschichten besteht aus einzelnen kristallinen Partikeln, welche in einer kristallinen oder amorphen Matrix eingebettet sind. Die kristallinen Partikel weisen dabei mittlere Korngrößen von etwa 10^–10 m bis etwa 10^–6 m auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird diejenige Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, durch eine Isolierschicht von der mechanischen Komponente elektrisch isoliert. Als Isolierschicht kommen beispielsweise Schichten aus Al₂O₃, AlN, SiO_x, BN oder amorphen Kohlenstoff (a–C) in Frage. Beim Auslesen eines elektrischen Signals mittels einer Auswerteeinheit wird man typischerweise einen Beitrag der Sensorschicht und einen durch die mechanische Komponente bedingten Beitrag zu diesem elektrischen Signal messen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Isolierschicht können beide Beiträge voneinander getrennt werden. Die Signalqualität des von der Sensorschicht herrührenden Nutzsignals wird dadurch erhöht.
Fallweise kann die Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, eine laterale Strukturierung aufweisen. Mittels einer solchen Strukturierung können beispielsweise Leitungen zur Kontaktierung der Sensorfläche monolithisch integriert in die mechanische Komponente eingebracht werden. Weiterhin kann die laterale Strukturierung dazu dienen, zwei oder mehrere Messbereiche zu definieren, welche unterschiedliche Zustandsgrößen bestimmen oder dieselbe Zustandsgröße an unterschiedlichen Stellen aufnehmen. Schließlich kann fallweise durch eine Strukturierung auch eine erhöhte Messgenauigkeit erzielt werden.
Zur Messung eines Abstandes zwischen zwei mechanischen Komponenten wird vorteilhaft die Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, so ausgebildet, dass diese eine Elektrode eines Plattenkondensators bildet. Diese Elektrode kann dann einem weiteren Bauteil gegenüberstehen, welches entweder ebenfalls eine erfindungsgemäße Beschichtung aufweist oder nicht. Die elektrische Kapazität zwischen den zwei Platten des auf diese Weise gebildeten Plattenkondensators ist umgekehrt proportional zu ihrem Abstand. Sofern also eine konstante Spannung angelegt ist, wird ein zur Abstandsänderung proportionaler Strom in den Zuleitungen fließen. Dadurch können Abstandsänderungen zwischen mechanischen Komponenten, beispielsweise die Lagerluft eines Kugellagers, berührungsfrei detektiert werden. Sofern es zum Aufsetzen eines Bauelementes auf das andere Bauelement kommt, wird durch die vorteilhaften Eigenschaften der Sensorschicht eine sofortige Zerstörung, wie dies bei metallischen Schichten auftreten würde, vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Sensorschicht mit einer elektrischen Messeinrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes der Schicht verbunden. Der elektrische Widerstand kann sich dabei entweder durch eine Längenänderung des Schichtmaterials verändern, so dass über die Widerstandsmessung auf eine Formänderung der mechanischen Komponente geschlossen werden kann. Alternativ kann die Widerstandsänderung jedoch auch durch eine Temperaturänderung des Sensormaterials bewirkt werden. In diesem Fall ist der Sensor als Temperatursensor verwendbar. Als weitere Möglichkeit kommt die direkte Widerstandsänderung durch eine aufgeprägte Kraft aufgrund von piezoresistiven Eigenschaften in Betracht. Somit kann durch die erfindungsgemäße Beschichtung unmittelbar die einwirkende Kraft bestimmt werden, ohne den Umweg über eine Verformung eines Bauelementes nehmen zu müssen.
Sofern mittels der erfindungsgemäßen Sensorschicht eine Formänderung gemessen werden soll, wirkt sich auf die Messgenauigkeit vorteilhaft aus, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes pro Längenänderung größer ist als bei den bekannten metallischen Dehnungsmessstreifen aus NiCr.
Zur Widerstandsmessung wird die Schicht entweder mit zwei oder mehreren Kontakten versehen, so dass der zur Messung vorgesehene Schichtbereich von einem oberflächenparallelen Strom durchflossen und der Spannungsabfall über die Schicht bestimmt wird. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Schicht mit nur einer Leitung zu kontaktieren und den senkrechten Stromfluss über die Schicht in die mechanische Komponente hinein oder in ein auf der Schicht anliegendes Bauteil zu messen.
Besonders bevorzugt weist die Beschichtung eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm auf. Durch eine solch dünne Beschichtung bleibt die mechanische Komponente maßhaltig. Dadurch kann die Beschichtung auch großflächig ausgeführt werden, ohne dass die weitere Verwendbarkeit der Komponente eingeschränkt oder eine nachträgliche mechanische Nacharbeit erforderlich wird.
Sofern die mechanische Komponente eine laterale Strukturierung aufweist, kann eine erste Teilfläche zur Bestimmung einer ersten Zustandsgröße und eine zweite Teilfläche zur Bestimmung einer zweiten Zustandsgröße vorgesehen werden. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Teilfläche mit einer Kraft zu beaufschlagen, so dass sich der elektrische Widerstand der Beschichtung abhängig von der Temperatur der mechanischen Komponente und der aufgeprägten Kraft ändert. Ein zweiter, daneben oder vertieft angeordneter Teilbereich, welcher nicht mit einer Kraft beaufschlagt wird, misst hingegen nur die Temperatur. Somit können beide Parameter getrennt voneinander bestimmt werden. Auf ähnliche Weise können auch von Messgrößen aktuelle Werte mit Referenzwerten verglichen werden.
Besonders bevorzugt wird die Beschichtung durch Physical-Vapor-Deposition (PVD) auf die mechanische Komponente abgeschieden. Besonders bevorzugt ist dabei die Zusammensetzung Ti₃SiC₂ oder Ti₂AlN oder Cr₂AlC. Eine solche Beschichtung weist eine besonders große Haftfestigkeit auf der mechanischen Komponente auf und lässt sich zusammen mit weiteren Schichten zur Isolation und zum Verschleißschutz in einem Arbeitsgang im Vakuum aufbringen.
Im Gegensatz zu bisher verwendeten Sensorschichten, wie beispielsweise die eingangs erwähnten DLC-Beschichtungen, weist die erfindungsgemäße Schicht bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 36 W·m^–1K^–1 auf. Dadurch wird eine gute Wärmeabfuhr aus der Wirkzone der mechanischen Komponente gewährleistet. Da die Schichten nicht oxidieren, können sie auch bei höheren Temperaturen als die bekannten DLC-Schichten eingesetzt werden.
Die elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Sensorschicht beträgt bevorzugt mehr als 30 μΩ·cm. Dadurch wird die Herstellung in einem PVD-Prozess mit angelegter Bias-Spannung wesentlich erleichtert. Im Einsatz der mechanischen Komponente erlaubt der Leitfähigkeitswert eine einfache elektrische Kontaktierung der aktiven Sensorschicht.
Um die elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Sensorschicht gezielt zu beeinflussen, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Dotierung der Schicht mit mindestens einem weiteren Element vorgesehen, insbesondere Gold (Au) und/oder Silber (Ag) und/oder Kupfer (Cu). Dadurch ist es möglich, die Widerstands änderung der Schicht mit der Temperatur gezielt zu Beeinflussen. So kann für eine Anwendung als Temperatursensor für eine vorgegebene Temperaturänderung eine besonders große Widerstandsänderung eingestellt werden um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Für eine Anwendung als Längen- oder Kraftsensor kann bevorzugt für eine vorgegebene Temperaturänderung eine besonders kleine Widerstandsänderung eingestellt werden, um so die Unterscheidung der kraft- bzw. dehnungsinduzierten Widerstandsänderung von der temperaturinduzierten Widerstandsänderung u erleichtern.
Im Gegensatz zu metallischen Sensor- und Vergütungsschichten weisen bevorzugte Verbindungen der erfindungsgemäßen Sensorschicht eine Härte von mehr als 5 GPa auf. Dadurch verringert sich der abrasive Verschleiß und die Lebensdauer der mechanischen Komponente wird gegenüber dem Stand der Technik wunschgemäß erhöht.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Sensorschicht auch mit einer weiteren Funktionsschicht kombiniert werden. Diese Funktionsschicht kann entweder eine andere Sensorschicht umfassen, welche ein Referenzsignal liefert und damit die Genauigkeit der Messung erhöht oder eine weitere tribologische Schicht, so dass sich ein mehrlagiger Aufbau ergibt, welcher den Verschleißschutz weiter verbessert.

Claims

Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten, bei welchem mittels einer Sensorschicht ein von der Zustandsgröße abhängiges elektrisches Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht mindestens eine Verbindung der Summenformel M_nA₁X_n-1 enthält, wobei der Parameter n zwischen 2 und 4 ausgewählt ist, das Element M ausgewählt ist aus Sc oder Ti oder V oder Cr oder Zr oder Nb oder Mo oder Hf oder Ta, das Element A ausgewählt ist aus Al oder Si oder P oder S oder Ga oder Ge oder As oder Cd oder In oder Sn und das Element X ausgewählt ist aus C oder N.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur und/oder eine einwirkende Kraft und/oder eine Längenänderung und/oder ein Abstand zweier Bauteile gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Sensorschicht bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität zwischen der Sensorschicht und einer weiteren, elektrisch leitfähigen Fläche bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit verschiedenen Teilflächen des Sensors verschiedene Zustandsgrößen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilfläche der Sensorschicht durch eine Isolierschicht von der mechanischen Komponente elektrisch isoliert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht durch Physical-Vapor-Deposition hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 36 W·m^–1K^–1 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorschicht eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 30 μΩ·cm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorschicht eine Dichte von weniger als 4.4 g·cm^–3 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorschicht eine Härte von mehr als 5 GPa verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Komponente ausgewählt ist aus einem Lager oder einem Spannsystem oder einem Kolben-Zylinder-System oder einem Umformwerkzeug oder einer Gussform oder einem spanabhebenden Werkzeug.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht als Teilbeschichtung der mechanischen Komponente ausgeführt ist.