Manyetik alanda sıçratma metodu ile üretilen TiAlN kaplamaların yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerinin incelenmesi
Structural, mechanical and tribological properties of TiAlN coatings deposited by magnetron sputtering method
Yazar: SONER SAVAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ŞENGÜL DANIŞMAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Fiziksel buhar biriktirme (PVD) metodu ile üretilen TiAlN kaplamalar, yüksek sertlik, aşınma direnci, korozyon direnci ve yüksek sıcaklık oksidasyon direnci gibi üstün özelliklerinden dolayı, özellikle kalıp ve kesici takım sanayinde en çok tercih edilen kaplamalar arasında gelmektedir. Kaplama özellikleri ve performansı ise daha ziyade kaplama parametreleri ile taban malzemesi özelliklerinden etkilenmektedir. Bu çalışmada, TiAl bileşik hedef (atomik %50 Ti-%50 Al) kullanılarak, sertleştirilmiş ve sertleştirilmiş+plazma nitrürlenmiş AISI H13 numuneler ve silisyum yongalar üzerinde, farklı azot kısmi basınçları (0.3, 0.6, 1.2 mtorr), taban malzemesi bias voltajları (0, -100, -200 V) ve hedef-taban malzemesi mesafelerinde (6, 11, 16, 21 cm) üretilen TiAlN kaplamaların yapısal, mekanik ve tribolojik özellikleri incelenmiş ve optimum özellikleri veren kaplama parametreleri tespit edilmiştir. Kaplamaların sertlikleri ve elastiklik modülleri CSEM-nano sertlik ölçüm cihazı, taban malzemesine yapışma dirençleri CSEM-çizik test cihazı ve kalınlıkları SEM ile tespit edilmiştir. Kaplamaların elemental bileşimleri EDX, kristallografik yapıları XRD metodu ile tespit edilmiş, SEM ve AFM teknikleri ile yüzey yapıları incelenmiştir. Aşınma testleri için CSEM-çizik test cihazı, çok-geçişli kayma aşınması testlerine adapte edilmiş ve Al2O3 seramik bilyeler aşındırma elemanı olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak, kaplama sertliği ve mekanik özelliklerinin, düşük azot basıncı ve yüksek bias voltajı değerlerinde arttığı, hedef-taban malzemesi arasındaki mesafenin ise bu artış üzerinde oldukça etkili bir parametre olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, dubleks işlemin kaplama yapışma ve aşınma direncini geliştirdiği tespit edilmiş ve mevcut uygulama alanları için önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
TiAlN coatings deposited by physical vapour deposition (PVD) techniques have been widely used especially in cutting tool and die industries because of excellent properties such as high hardness, wear resistance, corrosion resistance and high temperature oxidation resistance. Properties and performance of the coatings are largely affected by deposition parameters and substrate properties. In this study, structural, mechanical and tribological properties of TiAlN coatings deposited on hardened and hardened+plasma nitrided AISI H13 steel substrates and silicon wafers using a compound TiAl target (atomic %50 Ti-%50 Al) and using different nitrogen partial pressures (0.3, 0.6, 1.2 mtorr), substrate bias voltages (0, -100, -200 V) and target to substrate distances (6, 11, 16, 21 cm) were investigated and optimum coating parameters were determined. Hardness and elastic modulus of the coatings were determined using CSEM-nano hardness tester, adhesion of the coatings were determined using CSEM-Revetest scratch tester and thickness of the coatings were determined using SEM. Composition and crystallographic structure of the coatings were found using EDX and XRD techniques, respectively, and surface properties of the coatings were investigated using SEM and AFM. CSEM-Revetest scratch tester was adapted for wear tests as a multi-pass sliding wear tester and Al2O3 ceramic balls were used as counter materials. As a result, it was found that hardness and mechanical properties of the coatings increased at low nitrogen pressures and high bias voltages, and target to substrate distance was very important parameter on this increase. Also, it was found that duplex treatment increased the adhesion and the wear resistance of the coatings and lastly some suggestions were provided for existing application areas.