Entwicklung eines ferromagnetischen Schichtsystems auf Hartmetallsubstraten für die Anwendung als Temperatur- und Kraftsensor

Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung und Charakterisierung der Sensoreigenschaften von weichmagnetischen Fe32Co45Hf11N12-Dünnschichten auf Hartmetall- und Siliziumsubstraten. Der Fokus liegt auf der Entwicklung und Realisierung der Sensorfunktionalität der ferromagnetischen Schicht auf dem Hartmetallsubstrat. Die Idee ist mit diesem Schicht-Substratverbund nachzuweisen, dass man weichmagnetische Dünnschichten zur kontaktlosen Temperatur- und / oder Kraftbestimmung auf thermomechanisch belasteten Werkzeugen für die spanende Bearbeitung (spanabhebende Fertigung) oder mechanisch belasteten Wellen einsetzen kann. ... mehrDie Schicht-Substratsysteme werden bezüglich der Sensoranwendung materialwissenschaftlich charakterisiert. An ausgewählten, optimierten Schicht-Substratverbunden wird die Anwendung als Temperatur- und / oder Kraftsensor demonstriert.

Die Schichtherstellung erfolgte mit der Magnetron-Hochleistungskathodenzerstäubung. Zur Einprägung einer uniaxialen Anisotropie in die ferromagnetische Schicht wurden die Proben in einem statischen Magnetfeld im Hochvakuum wärmebehandelt. Nach der Präparation wurden die statischen und dynamischen magnetischen Eigenschaften der Proben charakterisiert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die dünne ferromagnetische Fe32Co45Hf11N12-Schicht mit dem magnetisch härteren Substrat wechselwirkt, was zu einem Verlust der Sensorfunktionalität führt. Anhand von verschiedenen nicht-magnetischen Schichten zwischen Substrat und Film wurde experimentell gezeigt dass die Fe32Co45Hf11N12-Schicht vom Substrat magnetisch entkoppelt werden kann. Als Zwischenschichtmaterial wurden die beiden Hartstoffmaterialien TiN und (Ti1-xAlx)Ny hinsichtlich der potentiellen Anwendung als Temperatursensor auf zerspanenden Werkzeugen ausgewählt und eine amorphe Zwischenschicht aus dem binären System Si-O wurde benutzt, um eine grundlegende Untersuchung des Entkopplungsmechanismus durchzuführen. Durch die Entkopplung ist es gelungen, eine uniaxiale Anisotropie in die ferromagnetische Schicht einzuprägen, so dass diese Schicht bei der Anregung mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld eine ausgeprägte Signalantwort im Hochfrequenzbereich zeigt. Die Grenzfrequenz liegt bei über 2 GHz und die ferromagnetische Schicht weist eine hohe Anfangspermeabilität von mehr als 300 auf, was mit vergleichbaren Schichten auf dem nicht-magnetischen Siliziumsubstrat übereinstimmt. Anhand der verschiedenen Zwischenschichtmaterialien konnte eindrucksvoll nachgewiesen werden, dass sowohl die elektrische Leitfähigkeit des Materials für die Zwischenschicht, das Hartmetallsubstrat wie auch Poren beziehungsweise nicht-magnetische Einschlüsse und die Oberflächenrauheit einen bedeuteten Einfluss auf die Signalgüte und magnetischen Schichteigenschaften haben.

Die Anwendung der ferromagnetischen Schicht auf dem Hartmetallsubstrat als Temperatursensor konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich und reproduzierbar gezeigt werden. Die Grenzfrequenz verschiebt sich bei einer Temperaturerhöhung zu niedrigeren Frequenzen und die Halbwertsbreite des Sensorsignals erhöht sich mit zunehmender Temperatur. Das Schicht-Substratsystem ist für die Temperaturbestimmung geeignet. Auf einer Drehbank konnte erfolgreich die Anwendung der ferromagnetischen Schicht als kontaktloser Temperatursensor während der spanenden Materialbearbeitung demonstriert werden. Die durchgeführten Zerspanexperimente heben hervor, dass die Schicht als Sensorschicht zur in-situ Temperaturüberwachung bei spanenden Fertigungsverfahren genutzt werden kann.

Die Änderung der Grenzfrequenz der ferromagnetischen Schicht in Abhängigkeit einer mechanischen Kraft wurde eindrucksvoll an einer mechanisch belasteten Welle demonstriert. Anhand dieses Experiments wurde nachgewiesen, dass das Messsignal berührungslos mit einer speziellen kurzgeschlossenen Streifenleitung detektiert werden kann.

The present PhD Thesis is about the investigation and characterization of the sensor properties of soft ferromagnetic thin Fe32Co45Hf11N12 films on cemented carbide and silicon substrates. The focus is on the development and realization of the sensor functionality of the ferromagnetic film on the cemented carbide substrate. The idea is to use soft ferromagnetic thin films for non-contact temperature and / or force determination on thermomechanically loaded cutting tools or mechanically loaded shafts. The film substrate systems are characterized with respect to the sensor application. ... mehrThe application as a temperature and / or stress sensor is demonstrated on selected, optimized film substrate composites.

PVD magnetron sputtering was used, in order to deposit the films on the substrates. After deposition the samples were annealed in a static magnetic field in high vacuum. After preparation, the static and dynamic magnetic properties were characterized. It could be shown that the thin ferromagnetic Fe32Co45Hf11N12 film interacts with the magnetically harder substrate which leads to a loss of the sensor functionality. Through the deposition of various non-magnetic buffer layers between the substrate and the film it was experimentally shown that the Fe32Co45Hf11N12 film can be magnetically decoupled from the substrate. For this purpose two hard coatings TiN and(Ti1-xAlx)Ny were selected, in order to realize the application as a temperature sensor on cutting tools. Amorphous SiO2 was used, in order to carry out the fundamental decoupling mechanism. The decoupling leads to soft ferromagnetic films with an imprinted uniaxial anisotropy after annealing and the film shows a defined response in the high-frequency range when it is subjected hence a high-frequency alternating electromagnetic field. The cut-off frequency is above 2 GHz and the initial permeability of the film reached more than 300, which is consistent with comparable films on the non-magnetic silicon substrate. The different film buffer layer substrate systems impressively show that the electrical conductance of the interlayer, the cemented carbide substrate as well as voids in the film and the surface roughness possess a significant influence on the signal quality and magnetic film properties.

In this dissertation the application of the ferromagnetic film on the cemented carbide substrate as a temperature sensor could be successfully and reproducibly demonstrated. The cut-off frequency shifts to lower frequencies as the temperature increases with increasing the full width at half maximum of the sensor signal. Thus the film substrate system is suitable for temperature determination. The application as a non-contact temperature sensor during machining was successfully demonstrated on a metal working lathe. The machining tests indicate that the ferromagnetic layer can be used as a sensor system for online temperature monitoring during the machining process.

The change of the cut-off frequency of the ferromagnetic film as a function of mechanical force was demonstrated on a mechanically loaded shaft as well based on this experiment it was shown that the sensor signal can be detected without contacting the ferromagnetic film by using a certain short circuited stripline technique.