Fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile yapılan zirkonyum nitrür ince film kaplamanın kaplama parametrelerinin incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of the coating parameters of zirconium nitride thin film coating deposited by physical vapor deposition technique
Yazar: MUSTAFA CENK TÜRKÜZ
Danışman: PROF.DR. E. SABRİ KAYALI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Fiziksel buhar biriktirme = Physical vapour deposition ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Seramik kaplama = Ceramic coating ; Zirkonyum nitrit = Zirconium nitrite ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Zirkonyum Nitrür (ZrN) kaplamalar endüstriyel alanda yaygın uygulaması olan digerfiziksel buhar biriktirme (FBB) kaplamalar ile kıyaslandıgında, düsük yüzey sürtünmekatsayısına, az sayıda metalik makropartikül (droplet) dagılımına ve düsük yüzeypürüzlülügüne sahip olmasına ragmen, görece düsük sertligi ve kötü adhezyon(yapısma) mukavemeti sebebiyle yaygın uygulama alanına sahip degildir. Genelkullanım alanı sadece demir dısı yumusak metal ve alasımların (alüminyum, bakır,pirinç vb.) talaslı sekillendirilmesi prosesleriyle kısıtlıdır. Bazı özel üretim proseslerininkullanımıyla, ZrN'in sürtünme katsayısı arttırılmaksızın, kaplama sertligi ve adhezyonmukavemeti arttırılabilirse, ZrN kaplamalara yeni kullanım alanları olusturmakmümkün olabilecektir. Özetle, eger hem yüksek sertlige ve adhezyon mukavemetine,hem de düsük sürtünme katsayısına sahip bir kaplama üretilebilirse bu ideal birkaplama olur ve endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılabilir. Böyle birkaplama gelistirmek amacıyla FBB kaplama proses parametrelerinin etkilerininincelendigi bu çalısmada, öncelikle ZrN kaplamaların üretiminde azot kısmi basıncınınoptimizasyonu yapılmıs, sonra belirlenen azot kısmi basıncı degerinde dogru akım (d.c.)bias, tek kutuplu (ünipolar) pulse ve asimetrik çift kutuplu (bipolar) pulse bias voltajlarıuygulanarak elde edilen kaplamaların yapısı ve kalınlık, sertlik ve adhezyonmukavemeti gibi mekanik özelliklerindeki degisimler incelenmistir. Deneysel çalısmalarsonucunda, 8 mtorr azot kısmi basıncında, -200 volt asimetrik bipolar pulse biasvoltajıyla üretilen FBB ZrN kaplamanın en iyi mekanik özelliklere sahip oldugu tespitedilmistir.Anahtar Kelimeler: FBB kaplamalar, ZrN, d.c. bias, ünipolar pulse bias, asimetrikbipolar pulse bias.

Abstract:
When compared to the other Physical Vapor Deposition (PVD) coatings which areextensively used in industry, Zirconium Nitride (ZrN) coating does not have a wideapplication because of its relatively low hardness and low adhesion strength despite itsdesirable properties such as low friction coefficient, low surface roughness and lessmetallic macroparticle (droplet) distribution. Its common application field is restrictedto machining soft and ductile non-ferrous metals and alloys like aluminium, copper,brass etc. under well-cooled machining conditions. If the hardness and adhesionstrength of ZrN coating could be improved by performing some special productionprocesses without altering its friction properties, it would be possible to extend its usagein new applications. In the first step of the experimental studies, ZrN coating isoptimized due to reactive gas (nitrogen) partial pressure. In the next step of theexperimental studies, a bias voltage scan is performed by applying different d.c.,unipolar pulse and asymmetric bipolar pulse bias voltages. The basic mechanicalproperties such as coating hardness, coating thickness and adhesion strength of ZrNfilms deposited in various nitrogen partial pressures and bias voltages are investigated.As the result of experimental studies, the best results are achieved in ZrN coatingsdeposited by applying 8 mtorr nitrogen partial pressure and -200 volt asymmetricbipolar pulse bias voltage.Keywords: PVD coatings, ZrN, d.c. bias, unipolar pulse bias, asymmetric bipolar pulsebias