Termo-reaktif difüzyon (TRD)yöntemi ile çeliklerin Nb-Al-N kaplanması
Coating of steels with Nb-Al-N by thermo reactive diffusion (TRD) process
Yazar: ERAY ABAKAY
Danışman: PROF. DR. UĞUR ŞEN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Yüzey aşınması = Surface wear

Özet:
Genellikle çelik malzemeler, mekanik etkileşimler sonucu aşınma, kimyasal reaksiyonlar sonucu korozyon türü hasarlarla servis dışı kalarak, ülke ekonomilerinde büyük kayıplara yol açmaktadırlar. Aşınma ve korozyonun neden olduğu hasarın, ülke ekonomilerine bu denli yük getirmesi bilimsel ve endüstriyel çevreleri harekete geçirmiş ve daha dayanıklı malzemeler arayışına itmiştir. Bu amaçla endüstride yoğun olarak kullanılan çelik malzemeler üzerine, difüzyonla ve/veya kimyasal ve fiziksel çökertme ile kaplama teknikleri geliştirilerek 2-10 µm kalınlığında sert tabakalar elde edilmiştir. Seramik karakterli olan bu tabakalar, aşınmaya, korozyona ve yüksek sıcaklık uygulamalarına karşı oldukça dirençlidir. Bundan dolayı, sert yüzey kaplama yöntemleri, hem bilimsel hem de endüstriyel çevrelerde önem kazanmıştır

Niyobyum nitrür, sahip olduğu üstün mekanik özellikler ve korozyon dayanımı, süper iletkenlik geçiş sıcaklığı değerleri ile araştırmacıların dikkatini çeken bir malzeme olmuştur. Yapılan çalışmalar Ti-Al-N ve Cr-Al-N üzerinde yoğunlaşmış olup, Ti-N ve Cr-N?e göre sertlik ve ısıl kararlılıkta artış sağlanmıştır. Niyobyum nitrüre alüminyum ilavesi son yıllarda araştırma konusu olmaya başlamıştır. Yapılan alüminyum ilavesinin metallik bağ yapısını kovalent bağ ile değiştirerek mekanik özellikler, korozyon dayanımı ve ısıl kararlılığı arttırması beklenmektedir. Literatürde niyobyum alüminyum nitrür ile ilgili yapılmış olan çalışma sayısı sınırlıdır. 

Bu çalışmada, ilk aşamada nitrasyon işlemine, ikinci aşamada ise termoreaktif difüzyon (TRD) yöntemiyle 1000°C sıcaklıkta 1, 2 ve 4 saat sürelerde farklı Al bileşimlerinde hazırlanan ortamlarda yüzeyde oluşturulan Nb-Al-N tabakasının özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla niyobyum alüminyum nitrür (Nb-Al-N) kaplanan çeliklerin mikro yapı incelemeleri optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elementel yapı analizi (EDS) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Niyobyum alüminyum nitrür esaslı tabakaların faz analizleri x-ışınları difraksiyon analizi (XRD) ile sertlikleri ise knoop indentasyon tekniği ile belirlenmiştir. Ayrıca, niyobyum nitrür ve niyobyum alüminyum nitrür kaplanmış numuneler üzerinde 2,5N, 5N ve 10 N yükler altında 180 metre mesafede ve 0,1m/s, 0,3m/s ve 0,5 m/s hızlarda aşınma deneyleri gerçekleştirilmiş ve aşınma hızı değerleri ile sürtünme katsayıları belirlenmiştir. Aşınma yüzeylerin incelemeleri optik, taramalı elektron mikroskopları ve 3D profilometre ile gerçekleştirilmiştir.
Anahtar kelimeler: Niyobyum, Nitrür, Niyobyum Alüminyum Nitrür, Termo-reaktif difüzyon kaplama, Aşınma.

Abstract:
Mechanical contact and chemical reactions causes wear and corrosion of steels. Corrosion and wear have been interested for scientists and industrialists so that they work for improving more resistant materials. So, hard coatings which have 2-10 µm thickness were obtained with diffusion and physical or chemical vapor techniques on steel substrates. These coatings have ceramic structure and they resistant to wear, corrosion or high temperature conditions. For these good properties, hard coating techniques are an important issue for scientists and industrialists.

Niobium nitride is known with good mechanical properties, corrosion resistance and superconducting properties. Ti-Al-N and Cr-Al-N are searched by researchers for many years. Addition of aluminum is improved hardness and thermal stability of Ti-N and Cr-N coatings. For Nb-N coatings, this technique has researched in a few years. Mechanical properties, corrosion resistance and thermal stability of Nb-N coatings can improve with addition of aluminum. There are only a few working for this issue.

In this investigation, firstly nitriding process was realized on the steel substrates then Nb-Al-N coating was obtained by thermo reactive diffusion process at 1000 °C for 1, 2 and 4 hours and different aluminum content in the bed composition was changed and coating properties realized on the steel samples according to aluminum content in the bed composition was investigated. Nb-Al-N coatings investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), elemental dispersive analysis (EDS) and atomic force microscopy (AFM). Phase analyses of coatings are investigated by x-ray diffraction analysis. Hardness was measured by knoop indentation test. Wear tests of Nb-N and Nb-Al-N were performed at 180 m distance by 2.5N, 5N and 10N loads at the sliding speeds of 0.1m/s, 0.3m/s and 0.5m/s. Wear properties of the coatings were investigated by optical microscopy, SEM and 3D profilometer.
Key Words: Niobium Nitride, Niobium Aluminum Nitride, Thermo Reactive Diffusion Process, Wear