WO2009000391A1 - Coated mechanical component and method for measuring state variables on mechanical components - Google Patents

Coated mechanical component and method for measuring state variables on mechanical components Download PDF

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WO2009000391A1
WO2009000391A1 PCT/EP2008/004477 EP2008004477W WO2009000391A1 WO 2009000391 A1 WO2009000391 A1 WO 2009000391A1 EP 2008004477 W EP2008004477 W EP 2008004477W WO 2009000391 A1 WO2009000391 A1 WO 2009000391A1
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determining
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Ralf Bandorf
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung_E.V.
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
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    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the invention relates to a mechanical component with a coating, which is embodied at least as a partial coating and which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X 111 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or N.
  • Resistance of the amorphous carbon layer Information about the force acting on the mechanical component.
  • the object of the present invention is therefore to provide a coating which can be used as a sensor layer for determining the state of a mechanical component, has a low coefficient of friction under frictional stress and, as a ductile layer, follows the movements without deformation when the mechanical component is deformed. Furthermore, the object of the invention is to provide a sensor layer which can be used at temperatures above 500 ° C., preferably above 1000 ° C.
  • a mechanical component with a coating which is embodied at least as a partial coating and which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X 111 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the element M is selected is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected is from C or N wherein at least a partial surface of the coating is used as a sensor element for determining a state variable of the mechanical component.
  • the solution of the object in a method for measuring state quantities of mechanical components in which a layer is used as sensor, which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X n-1 , wherein the parameter n is between 2 and 4 is selected, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or N.
  • a mechanical component in the sense of the present invention comprises, for example, a bearing with or without introduced rolling elements, a clamping system, a piston-cylinder system, but also forming tools, casting molds or cutting tools.
  • a coating is applied at least in the measuring range. In some cases, however, the entire mechanical component can be provided over a large area with the coating.
  • the state variable to be measured is, for example, a change in length, a force, a distance between two components or a temperature.
  • several state variables can be determined independently or a combination of state variables with the sensor layer according to the invention.
  • the coating material of the molecular formula M n A 1 X n-1 used according to the invention is characterized in that the bonds within the microstructure have partially metallic, partially ionic and partially covalent character. As a result of this, partially metallic and partly ceramic properties are obtained for the layers.
  • the layers are electrically conductive, have the characteristic of metals high thermal conductivity ability and are ductile.
  • the layers used according to the invention exhibit a lower density, a greater hardness and a high resistance to oxidation, which is why the layers according to the invention are thermally stable and remain usable even at high temperatures.
  • the layers are self-lubricating to a certain extent, so that at low requirements an additional lubricant additions can be omitted. At higher requirements, at least still runflat properties, which prevent the immediate destruction of the sensor layer. Furthermore, the sensor layer can thereby perform a dual function and improve both the mechanical properties of the mechanical component and at the same time serve for condition monitoring.
  • the layer material of the empirical formula M n A 1 X n-1 can be present in a crystalline phase.
  • the use as nanocomposite is particularly preferred.
  • the above-mentioned properties are essentially preserved.
  • the deposition is possible at considerably lower temperatures, for example at 100 0 C - 150 0 C. This extends the scope of application, since high alloyed steels change their properties greatly when heated too much.
  • the microstructure of nanocomposite layers consists of individual crystalline particles embedded in a crystalline or amorphous matrix.
  • the crystalline particles have mean particle sizes of about 10 "10 m to about 10 " 6 m.
  • that partial area of the coating which is provided for determining a state variable is electrically insulated from the mechanical component by an insulating layer.
  • Insulating layer for example, layers of Al 2 O 3 , AlN, SiO x , BN or amorphous carbon (aC) in question.
  • aC amorphous carbon
  • the partial surface of the coating which is intended to determine a state variable, may have a lateral structuring.
  • lines for contacting the sensor surface can be monolithically integrated into the mechanical component.
  • the lateral structuring can serve to define two or more measuring ranges which determine different state variables or record the same state variable at different locations.
  • increased accuracy of measurement can also be achieved on a case-by-case basis.
  • the partial surface of the coating which is provided for determining a state variable, is advantageously designed such that it forms an electrode of a plate capacitor.
  • This electrode can then face a further component which either also has a coating according to the invention or not.
  • the electric capacitance between the two plates of the plate capacitor thus formed is inversely proportional to their pitch. So if a constant voltage is applied, a current proportional to the distance change will flow in the supply lines. This allows changes in the distance between mechanical Components, such as the bearing air of a ball bearing, are detected without contact. If it comes to placing a component on the other component, the advantageous properties of the sensor layer immediate destruction, as would occur in metallic layers avoided.
  • the sensor layer is connected to an electrical measuring device for determining the electrical resistance of the layer.
  • the electrical resistance can change either by a change in length of the layer material, so that it can be concluded about the resistance measurement on a change in shape of the mechanical component.
  • the resistance change can also be caused by a temperature change of the
  • Sensor material can be effected.
  • the sensor can be used as a temperature sensor.
  • Another possibility is the direct change in resistance due to an impressed force due to piezoresistive properties.
  • the coating according to the invention directly the acting force can be determined without having to take the detour via a deformation of a component.
  • the layer is provided with either two or more contacts, so that the layer area provided for the measurement flows through a surface-parallel current and the voltage drop across the layer is determined.
  • the coating has a thickness of about 0.1 .mu.m to about 10 .mu.m. Such a thin coating keeps the mechanical component dimensionally stable. As a result, the coating can also be carried out over a large area without restricting the further usability of the component or requiring subsequent mechanical reworking.
  • a first partial area for determining a first state variable and a second partial area for determining a second state variable can be provided. This makes it possible, for example, to apply a force to a partial surface so that the electrical resistance of the coating changes depending on the temperature of the mechanical component and the applied force. A second, adjacent or recessed arranged portion which is not acted upon by a force, however, measures only the temperature. Thus, both parameters can be determined separately. In a similar way, current values can also be compared with reference values from measured variables.
  • the coating is deposited on the mechanical component by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • Such a coating has a particularly high adhesive strength on the mechanical component and can be used together with further layers for insulation and for Wear protection in a single pass in a vacuum.
  • the layer according to the invention preferably has one
  • the electrical conductivity of the sensor layer used is preferably more than 30 ⁇ cm. This greatly facilitates manufacturing in a PVD process with applied bias voltage. When using the mechanical component, the conductivity value allows a simple electrical contacting of the active sensor layer.
  • Layer provided with at least one further element, in particular gold (Au) and / or silver (Ag) and / or copper (Cu).
  • Au gold
  • Ag silver
  • Cu copper
  • Resistance change can be adjusted so as to facilitate the distinction of the force or strain-induced resistance change of the temperature-induced resistance change u.
  • preferred compounds of the sensor layer according to the invention have a hardness of more than 5 GPa. This reduces the abrasive wear and the life of the mechanical component is increased as desired compared to the prior art.
  • the sensor layer according to the invention can also be combined with a further functional layer.
  • This functional layer can either comprise another sensor layer, which supplies a reference signal and thus increases the accuracy of the measurement, or a further tribological layer, so that a multilayer construction results, which further improves wear protection.

Abstract

The invention relates to mechanical components and to a method for the use thereof, to coated mechanical components which are embodied at least as a partial coating and which contain at least one compound of the empirical formula MnA1Xn-1, wherein the parameter n is between 2 and 4, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or N, and at least one partial surface of the coating can be used as a sensor element for determining a state variable of the mechanical component.

Description

Patentanmeldung: Patent Application:
Mechanische Komponente mit einer Beschichtung undMechanical component with a coating and
Verfahren zur Messung von ZuStandsgroßen an mechanischen KomponentenMethod for measuring additive quantities of mechanical components
Die Erfindung betrifft eine mechanische Komponente mit einer Beschichtung, welche zumindest als Teilbeschichtung ausgeführt ist und welche mindestens eine Verbindung der Summenformel MnA1X111 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.The invention relates to a mechanical component with a coating, which is embodied at least as a partial coating and which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X 111 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or N.
Aus der DE 199 54 164 Al 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 elektrischeFrom DE 199 54 164 Al it is known to coat mechanical components with amorphous carbon layers with piezoresistive properties. These carbon layers may occasionally be doped with one or more metallic elements. They have high wear resistance and low frictional resistance. This increases the service life and the tribological properties of the mechanical component. At the same time there is the electric
Widerstand der amorphen KohlenstoffSchicht Auskunft über die auf die mechanische Komponente einwirkende Kraft.Resistance of the amorphous carbon layer Information about the force acting on the mechanical component.
Aus der DE 102 53 178 Al 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 Hartstoff- schichten 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 0C 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.It is further known from DE 102 53 178 A1 that the electrical resistance of layers of diamond-like carbon depends on the temperature of the layer. Consequently can be measured by a resistance measurement not only the acting force, but also the temperature of the layer and thus the component temperature directly in the load zone. However, a disadvantage of these carbon layers is that they have high internal stresses as hard material layers and, under load, tend to flake off the substrate. Another disadvantage of the carbon layers is that they are no longer stable from an operating temperature of 450 0 C. From this temperature begins the change of the matrix of the layers towards graphitic phases. The sp 3 content of the bonds and thus the layer hardness decreases steadily.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Beschichtung anzugeben, welche als Sensor- schicht 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 0C, bevorzugt über 1000 0C eingesetzt werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a coating which can be used as a sensor layer for determining the state of a mechanical component, has a low coefficient of friction under frictional stress and, as a ductile layer, follows the movements without deformation when the mechanical component is deformed. Furthermore, the object of the invention is to provide a sensor layer which can be used at temperatures above 500 ° C., preferably above 1000 ° C.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine mechanische Komponente mit einer Beschichtung, welche zumindest als Teilbeschich- tung ausgeführt ist und welche mindestens eine Verbindung der Summenformel MnA1X111 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 wobei zumindest eine Teilfläche der Beschichtung als Sensorelement zur Bestimmung einer Zustandsgröße der mechanischen Komponente verwendbar ist. Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten, bei welchem als Sensor eine Schicht verwendet wird, welche 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 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.The object is achieved by a mechanical component with a coating which is embodied at least as a partial coating and which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X 111 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the element M is selected is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected is from C or N wherein at least a partial surface of the coating is used as a sensor element for determining a state variable of the mechanical component. Furthermore, the solution of the object in a method for measuring state quantities of mechanical components, in which a layer is used as sensor, which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X n-1 , wherein the parameter n is between 2 and 4 is selected, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or 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 einerA mechanical component in the sense of the present invention comprises, for example, a bearing with or without introduced rolling elements, a clamping system, a piston-cylinder system, but also forming tools, casting molds or cutting tools. To determine a
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.State variable immediately in the effective zone of the mechanical or thermal stress of the mechanical component, a coating is applied at least in the measuring range. In some cases, however, the entire mechanical component can be provided over a large area with the coating.
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.The state variable to be measured is, for example, a change in length, a force, a distance between two components or a temperature. In some cases, several state variables can be determined independently or a combination of state variables with the sensor layer according to the invention.
Das erfindungsgemäß verwendete Beschichtungsmaterial der Summenformel MnA1Xn-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 Wärmeleit- fähigkeit 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.The coating material of the molecular formula M n A 1 X n-1 used according to the invention is characterized in that the bonds within the microstructure have partially metallic, partially ionic and partially covalent character. As a result of this, partially metallic and partly ceramic properties are obtained for the layers. Thus, the layers are electrically conductive, have the characteristic of metals high thermal conductivity ability and are ductile. In contrast to metallic layers or carbon layers, however, the layers used according to the invention exhibit a lower density, a greater hardness and a high resistance to oxidation, which is why the layers according to the invention are thermally stable and remain usable even at high temperatures.
Weiterhin sind die Schichten in gewissem Umfang selbstschmierend, so dass bei geringen Anforderungen eine zusätzliche Schmierstoffzugäbe 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.Furthermore, the layers are self-lubricating to a certain extent, so that at low requirements an additional lubricant additions can be omitted. At higher requirements, at least still runflat properties, which prevent the immediate destruction of the sensor layer. Furthermore, the sensor layer can thereby perform a dual function and improve both the mechanical properties of the mechanical component and at the same time serve for condition monitoring.
Das Schichtmaterial der Summenformel MnA1Xn-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 0C - 150 0C. Dadurch wird der Anwendungsbereich erweitert, da hoch legierte Stähle bei zu großer Erwärmung ihre Eigenschaften stark verändern. Die Mikrostruktur von Nanokomposit- schichten 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.The layer material of the empirical formula M n A 1 X n-1 can be present in a crystalline phase. However, the use as nanocomposite is particularly preferred. The above-mentioned properties are essentially preserved. However, the deposition is possible at considerably lower temperatures, for example at 100 0 C - 150 0 C. This extends the scope of application, since high alloyed steels change their properties greatly when heated too much. The microstructure of nanocomposite layers consists of individual crystalline particles embedded in a crystalline or amorphous matrix. The crystalline particles have mean particle sizes of about 10 "10 m to about 10 " 6 m.
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, SiOx, 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.In a preferred embodiment, that partial area of the coating which is provided for determining a state variable is electrically insulated from the mechanical component by an insulating layer. When Insulating layer, for example, layers of Al 2 O 3 , AlN, SiO x , BN or amorphous carbon (aC) in question. When reading out an electrical signal by means of an evaluation unit, one typically measures a contribution of the sensor layer and a contribution to this electrical signal caused by the mechanical component. By inventively provided insulating layer both contributions can be separated from each other. The signal quality of the useful signal originating from the sensor layer is thereby increased.
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.In some cases, the partial surface of the coating, which is intended to determine a state variable, may have a lateral structuring. By means of such structuring, for example, lines for contacting the sensor surface can be monolithically integrated into the mechanical component. Furthermore, the lateral structuring can serve to define two or more measuring ranges which determine different state variables or record the same state variable at different locations. Finally, by structuring, increased accuracy of measurement can also be achieved on a case-by-case basis.
Zur Messung eines Abstandes zwischen zwei mechanischen Komponenten wird vorteilhaft die Teilfläche der Beschich- tung, 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 Abstands- änderung 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 order to measure a distance between two mechanical components, the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, is advantageously designed such that it forms an electrode of a plate capacitor. This electrode can then face a further component which either also has a coating according to the invention or not. The electric capacitance between the two plates of the plate capacitor thus formed is inversely proportional to their pitch. So if a constant voltage is applied, a current proportional to the distance change will flow in the supply lines. This allows changes in the distance between mechanical Components, such as the bearing air of a ball bearing, are detected without contact. If it comes to placing a component on the other component, the advantageous properties of the sensor layer immediate destruction, as would occur in metallic layers avoided.
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 desIn another embodiment of the invention, the sensor layer is connected to an electrical measuring device for determining the electrical resistance of the layer. The electrical resistance can change either by a change in length of the layer material, so that it can be concluded about the resistance measurement on a change in shape of the mechanical component. Alternatively, however, the resistance change can also be caused by a temperature change of the
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.Sensor material can be effected. In this case, the sensor can be used as a temperature sensor. Another possibility is the direct change in resistance due to an impressed force due to piezoresistive properties. Thus, by the coating according to the invention directly the acting force can be determined without having to take the detour via a deformation of a component.
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.If a change in shape is to be measured by means of the sensor layer according to the invention, it has an advantageous effect on the measurement accuracy that the change in the electrical resistance per change in length is greater than in the case of the known metallic strain gauges made of NiCr.
Zur Widerstandsmessung wird die Schicht entweder mit zwei oder mehreren Kontakten versehen, so dass der zur Messung vorgesehene Schichtbereich von einem oberflächenparallelen Strom durchflössen 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.For resistance measurement, the layer is provided with either two or more contacts, so that the layer area provided for the measurement flows through a surface-parallel current and the voltage drop across the layer is determined. In a further embodiment of the However, it is also possible to contact the layer with only one line and to measure the vertical current flow through the layer into the mechanical component or into a component lying on the layer.
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.Particularly preferably, the coating has a thickness of about 0.1 .mu.m to about 10 .mu.m. Such a thin coating keeps the mechanical component dimensionally stable. As a result, the coating can also be carried out over a large area without restricting the further usability of the component or requiring subsequent mechanical reworking.
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.If the mechanical component has a lateral structuring, a first partial area for determining a first state variable and a second partial area for determining a second state variable can be provided. This makes it possible, for example, to apply a force to a partial surface so that the electrical resistance of the coating changes depending on the temperature of the mechanical component and the applied force. A second, adjacent or recessed arranged portion which is not acted upon by a force, however, measures only the temperature. Thus, both parameters can be determined separately. In a similar way, current values can also be compared with reference values from measured variables.
Besonders bevorzugt wird die Beschichtung durch Physical- Vapor-Deposition (PVD) auf die mechanische Komponente abgeschieden. Besonders bevorzugt ist dabei dieParticularly preferably, the coating is deposited on the mechanical component by physical vapor deposition (PVD). Particularly preferred is the
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.Composition Ti 3 SiC 2 or Ti 2 AlN or Cr 2 AlC. Such a coating has a particularly high adhesive strength on the mechanical component and can be used together with further layers for insulation and for Wear protection in a single pass in a vacuum.
Im Gegensatz zu bisher verwendeten Sensorschichten, wie beispielsweise die eingangs erwähnten DLC-BeSchichtungen, weist die erfindungsgemäße Schicht bevorzugt eineIn contrast to previously used sensor layers, such as the DLC coatings mentioned above, the layer according to the invention preferably has one
Wärmeleitfähigkeit von mehr als 36 Wm-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.Thermal conductivity of more than 36 Wm -1 K '1 on. This ensures a good heat dissipation from the active zone of the mechanical component. Since the layers do not oxidize, they can also be used at higher temperatures than the known DLC layers.
Die elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Sensorschicht beträgt bevorzugt mehr als 30 μΩcm. 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 .The electrical conductivity of the sensor layer used is preferably more than 30 μΩcm. This greatly facilitates manufacturing in a PVD process with applied bias voltage. When using the mechanical component, the conductivity value allows a simple electrical contacting of the active sensor layer.
Um die elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Sensorschicht gezielt zu beeinflussen, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Dotierung derIn order to specifically influence the electrical conductivity of the sensor layer used, in a further preferred embodiment, a doping of the
Schicht mit mindestens einem weiteren Element vorgesehen, insbesondere Gold (Au) und/oder Silber (Ag) und/oder Kupfer (Cu) . Dadurch ist es möglich, die Widerstandsänderung der Schicht mit der Temperatur gezielt zu Beeinflussen. So kann für eine Anwendung als Temperatur- sensor 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 kleineLayer provided with at least one further element, in particular gold (Au) and / or silver (Ag) and / or copper (Cu). This makes it possible to specifically influence the change in resistance of the layer with the temperature. Thus, for an application as a temperature sensor for a given temperature change, a particularly large change in resistance can be set in order to increase the measurement accuracy. For an application as a length or force sensor, a particularly small one may be preferred for a given temperature change
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 .Resistance change can be adjusted so as to facilitate the distinction of the force or strain-induced resistance change of the temperature-induced resistance change u. In contrast to metallic sensor and tempering layers, preferred compounds of the sensor layer according to the invention have a hardness of more than 5 GPa. This reduces the abrasive wear and the life of the mechanical component is increased as desired compared to the prior art.
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. Of course, the sensor layer according to the invention can also be combined with a further functional layer. This functional layer can either comprise another sensor layer, which supplies a reference signal and thus increases the accuracy of the measurement, or a further tribological layer, so that a multilayer construction results, which further improves wear protection.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mechanische Komponente mit einer Beschichtung, welche zumindest als Teilbeschichtung ausgeführt ist und welche mindestens eine Verbindung der Summenformel MnA1X111 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 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilfläche der Beschichtung als Sensorelement zur Bestimmung einer Zustandsgröße der mechanischen Komponente verwendbar ist.1. Mechanical component with a coating, which is at least as a partial coating and which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X 111 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, the element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and the element X is selected from C or N therethrough characterized in that at least a partial surface of the coating can be used as a sensor element for determining a state variable of the mechanical component.
2. Mechanische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, durch eine Isolierschicht von der mechanischen Komponente elektrisch isoliert ist.2. Mechanical component according to claim 1, characterized in that the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, is electrically insulated by an insulating layer of the mechanical component.
3. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungs- material mindestens einen Dotierstoff aufweist, welcher insbesondere Au und/oder Ag und/oder Cu umfasst.3. Mechanical component according to one of claims 1 or 2, characterized in that the coating material has at least one dopant, which in particular comprises Au and / or Ag and / or Cu.
4. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, eine laterale Strukturierung aufweist.4. Mechanical component according to one of claims 1 or 3, characterized in that the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, has a lateral structuring.
5. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche der Be- Schichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, eine Elektrode eines Plattenkondensators bildet. 5. Mechanical component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, forms an electrode of a plate capacitor.
6. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche der Be- schichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, eine durch eine Messgröße induzierbare Änderung des elektrischen Widerstandes aufweist.6. Mechanical component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, has a variable inducible by a variable of the electrical resistance.
7. Mechanische Komponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes durch eine Längenänderung und/oder eine einwirkende Kraft und/oder eine Änderung der Temperatur bewirkbar ist.7. Mechanical component according to claim 6, characterized in that the change of the electrical resistance by a change in length and / or an applied force and / or a change in the temperature is effected.
8. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke von etwa 0.1 μm bis etwa 10 μm aufweist.8. Mechanical component according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coating has a thickness of about 0.1 microns to about 10 microns.
9. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche der Beschichtung, welche zur Bestimmung einer Zustandsgröße vorgesehen ist, in eine erste Teilfläche zur Bestimmung einer ersten Zustandsgröße und eine zweite Teilfläche zur Bestimmung einer zweiten Zustandsgröße unterteilt ist.9. Mechanical component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the partial surface of the coating, which is provided for determining a state variable, is divided into a first partial area for determining a first state variable and a second partial area for determining a second state variable.
10. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Physical-Vapor-Deposition erhältlich ist.10. Mechanical component according to one of claims 1 to 9, characterized in that the coating is obtainable by physical vapor deposition.
11. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine11. Mechanical component according to one of claims 1 to 10, characterized in that the coating has a
Wärmeleitfähigkeit von mehr als 36 Wm-1K"1 aufweist.Thermal conductivity of more than 36 Wm -1 K "1 has.
12. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 30 μΩcm aufweist. 12. Mechanical component according to one of claims 1 to 11, characterized in that the coating has an electrical conductivity of more than 30 μΩcm.
13. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmate- rial eine Dichte von weniger als 4.4 gern"3 aufweist.13. Mechanical component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the coating mate- rial a density of less than 4.4 like "3 has.
14. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine14. Mechanical component according to one of claims 1 to 13, characterized in that the coating a
Härte von mehr als 5 GPa aufweist,Hardness of more than 5 GPa,
15. Mechanische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Beschichtung eine weitere Funktionsschicht vorgesehen ist.15. Mechanical component according to one of claims 1 to 14, characterized in that in addition to the coating, a further functional layer is provided.
16. Verfahren zur Messung von Zustandsgrößen an mechanischen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine Schicht verwendet wird, welche 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 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.16. A method for measuring state variables on mechanical components, characterized in that a layer is used as sensor, which contains at least one compound of the empirical formula M n A 1 X n-1 , wherein the parameter n is selected between 2 and 4, the Element M is selected from Sc or Ti or V or Cr or Zr or Nb or Mo or Hf or Ta, element A is selected from Al or Si or P or S or Ga or Ge or As or Cd or In or Sn and that Element X is selected from C or N.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur und/oder eine einwirkende Kraft und/oder eine Längenänderung und/oder ein Abstand zweier Bauteile gemessen wird.17. The method according to claim 16, characterized in that a temperature and / or an acting force and / or a change in length and / or a distance between two components is measured.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Sensorschicht bestimmt wird.18. The method according to any one of claims 16 or 17, characterized in that the electrical resistance of the sensor layer is determined.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität zwischen der Sensorschicht und einer weiteren, elektrisch leitfähigen Fläche bestimmt wird. 19. The method according to any one of claims 16 or 17, characterized in that the electrical capacitance between the sensor layer and another, electrically conductive surface is determined.
0. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit verschiedenen Teilflächen des Sensors verschiedene Zustandsgrößen bestimmt werden. 0. The method according to any one of claims 16 to 19, characterized in that different state variables are determined with different partial surfaces of the sensor.
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