TaN, ZrN ve TaN
ZrN çok katlı  kaplamaların aşınma özelliklerinin incelenmesi / Investigation of wear properties of TaN, ZrN And TaN / ZrN multilayer thin film coatings
Yazar: OĞUZ YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. KÜRŞAT KAZMANLI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
İleri teknolojik uygulamalarda kullanılan mühendislik malzemelerinin aşınma ve sürtünme özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla yapılan sert koruyucu ince film kaplamalar genel olarak geçiş metallerine ait nitrür esaslı sert seramik bileşiklerden oluşmakta ve farklı çalışma koşullarında kimyasal yapılarına bağlı olarak farklı aşınma ve sürtünme özellikleri sergilemektedirler. Sert olmalarının yanı sıra kuru ortamlarda gösterdikleri katı yağlayıcılık özellikleri, sürtünme sırasında temas yüzeylerinde oluşan tribokimyasal reaksiyonlarla açıklanmakta ve bu reaksiyonlar sonucu oluşan tribofilmlerin karakteristiği büyük bir önem taşımaktadır. Tek katmanlı sert seramik ince filmlerin aşınma ve sürtünme özellikleri bu koşullar altında değişirken çok katmanlı yapıda bu özelliklerin nasıl değiştiği merak konusu olmakla beraber iki farklı nitrür bileşikten oluşan çok katmanlı ince film kaplamaların aşınma ve sürtünme davranışlarının incelenmesi çalışmanın temelini oluşturmaktadır.Çok katmanlı ince film kaplamalarda katmanları oluşturan sert nitrür bileşikler elektriksel olarak (iletken, yalıtkan veya dirençli) farklı özelliklere sahip olabilirler. Sürtünme sırasında aşınan katmanlara bağlı elektriksel direnç değişiminin aşınma ile eş zamanlı olarak meydana gelmesi, sürtünme esnasında aşınmanın hangi katmanda ya da hangi derinlikte olduğu konusunda bize bilgi verecek önemli bir durumdur. Bu durum iki farklı elektriksel dirence (yüksek dirençli / düşük dirençli) sahip sert nitrür bileşikteki ince film katmanlarının çok katlı olarak oluşturulmasıyla sağlanabilir. TaN, yüksek dirence sahip sert nitrür bileşiğe en uygun aday malzemedir. Elektriksel direnci daha düşük (neredeyse iletken) olan nitrür bileşik için ise oldukça sert ve düşük sürtünme katsayısında sahip ZrN seçilebilir.Bu çalışmanın amacı, TaN, ZrN ve TaN / ZrN çok katlı (4 ve 8 katlı) ince film kaplamaların Fiziksel Buhar Biriktirme (FBB) yöntemleriyle kaplanması ve tanımlanması ayrıca bu kaplamaların tribolojik deneyler aracılığı ile aşınma ve sürtünme özelliklerinin belirlenerek aşınmaya bağlı elektriksel direnç değişimlerinin tespit edilmesidir. Bu amaca yönelik saf Ta ve Zr - %15Ti hedef malzemeler kullanılarak fiziksel buhar biriktirme teknikleri yardımıyla TaN, ZrN ve TaN / ZrN çok katlı kaplamalar (ilk kez) üretilmiş, yapısal, mekanik özellikleri tanımlanmıştır. Bu kaplamaların aşınma özellikleri düşük yüklerde (1N ve 2N) kuru ve yağlı ortamda karşılıklı aşınma deneyi kullanılarak belirlenmiş, aşınmaya bağlı elektriksel direnç değişimleri ise aşınma cihazı üzerine dahil edilen elektriksel direnç-devre sistemi yardımıyla tanımlanmıştır. Karşılıklı aşınma deneyleri oda sıcaklığında gerçekleştirilmiş ve kullanılan aşındırıcı toplara (Al2O3 ve çelik 400C) bağlı olarak sürtünme katsayıları ve aşınma karakteristikleri ile oluşması muhtemel tribofilm kimyası arasında ilişkiler kurulmaya çalışılmıştır.Ayrıca TaN / ZrN çok katlı ince film kaplamalarda katmanlara bağlı olarak elektriksel direnç değerlerinde meydana gelen değişimlerde katman sayısına eş sayıda rejim elde edilmeye çalışılarak katman sayısının doğrulanmasına ilişkin yorumlarda bulunulmuştur. TaN / ZrN çok katlı kaplamalar ilk defa bu çalışmada üretilerek katmanlara bağlı direnç değişimleri incelenmiştir.TaN ince film kaplamanın 2N yük altında Al2O3 top kullanılarak yüksek hızda (10 cm/s) yapılan karşılıklı aşınma deneylerinde oldukça düşük sürtünme katsayısı (0.17) değeri verdiği, çelik 440C top kullanılarak yine yüksek hızda (10 cm/s) yapılan karşılıklı aşınma deneylerinde ise Al2O3 topa göre daha da düşük (0.15) sürtünme katsayısı verdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca TaN kaplamanın ZrN' e göre daha az aşındığı ve topları da daha az aşındırdığı gözlemlenmiştir. ZrN ince film kaplamanın 2N yük altında Al2O3 top kullanılarak yüksek hızda (10 cm/s) yapılan karşılıklı aşınma deneylerinde TaN'e göre daha yüksek (0.58) sürtünme katsayısı verdiği, çelik 440C top kullanılarak yine yüksek hızda (10 cm/s) yapılan karşılıklı aşınma deneylerinde ise yine daha yüksek (0.78) sürtünme katsayısı verdiği gözlemlenmiştir. Çok katlı kaplamalarda ise yine her iki topa karşı yapılan aşınma deneylerinde TaN' den oldukça yüksek sürtünme katsayıları verdikleri görülmüştür. Ayrıca çok katlı kaplamalarda TaN katmanının mevcudiyetinin aşınma izi derinliğini azalttığı görülürken katman kalınlığının incelmesiyle aşınma derinliğinin arttığı gözlemlenmiştir.Elde edilen sonuçlar saf TaN' ün oda sıcaklığında iyi derecede aşınma ve sürtünme davranışı sergilerken temas yüzeyinde sıcaklığın artışı ile hızlanan oksidasyon ve bu oksitlerin aşındırıcı nitelikte olması nedeni ile sürtünme katsayısının yükseldiğini göstermektedir. Bunun haricinde inert aşındırıcı koşulunda oluşan oksitlerin katı yağlayıcılık özelliği gösterdiği ve aşınmayı azaltıcı etkide bulunduğu açıkça belirlenmiştir. Çok katlı kaplamalarda Elektriksel direnç değişimlerine bakıldığında en belirgin periyodik direnç değişiminin TaN / ZrN 4 katlı ince film kaplamalarda ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Katmanlardaki TaN ve ZrN kaplamaların tek başlarına gösterdikleri elektriksel direnç değerlerine bağlı olarak TaN / ZrN 4 katlı kaplamadaki direnç değişimi periyodik olarak belirgin bir şekilde tespit edilmiştir.Sonuç olarak bu çalışma kapsamında :TaN, ZrN ve TaN / ZrN çok katlı kaplamalar (ilk kez) Fiziksel Buhar Biriktirme (manyetik alanda sıçratma, katodik ark ve hibrit) yöntemleri kullanılarak üretilmiş ve tanımlanmıştır.Söz konusu kaplamaların sürtünme ve aşınma özellikleri incelenmiş ve aşınmaya bağlı elektriksel direnç değerlerindeki değişimler ortaya konmuştur.

Abstract:
Hard protective thin film coatings which are designed to improve wear and friction behaviour of engineering materials that are used in advenced technological applications generally are comprised of nitride based hard ceramic compounds. They also can show different wear and friction properties under different conditions according to their chemical composition and structure. In addition to being hard, their solid lubrication properties which are shown under dry conditions, are explained by tribochemical reactions that occur in contact surface and characteristics of tribofilms that are formed by these reactions are very important. While wear and friction properties of hard ceramic thin film coatings with single layer changes under these conditions, the object of curiosity that how they changes in multilayered structures. At the same time the investigation of multilayer thin film coatings that comprised of two different nitride compounds constitutes the basis of this study.The hard nitride compounds that constitue the layers in multilayer thin film coatings, have different electrical properties. Electrical resistance changing which depends on wearing layers gives technical information about on which layer wearing is occurred. This situation can be provided by the coating as the multilayer of hard nitride compounds with different electrical resistance (with high resistance / low resistance). TaN is the best candidate material for hard nitride compound with high electrical resistance. However, ZrN that is very hard and has low coefficient of friction can be selected for the other layer with low resistance.The aim of this study is to deposit and characterize TaN, ZrN and TaN / ZrN multilayer thin film coatings by Physical Vapour Deposition (PVD) techniques, investigate the wear and friction properties of these coatings by tribological measurements and determine the electrical resistance changing depends on wearing. In this study, TaN, ZrN and TaN / ZrN multilayer (first time) thin film coatings were produced by reactive Physical Vapour Deposition techniques from pure Ta and Zr-Ti with %15 Ti alloy. Their structure and mechanical properties were also investigated. Wear properties of these coatings were determined by reciprocating tests with low load (1N and 2N) and in dry / lubricated conditions and their electrical resistance changings were fixed by electrical circuit with reference resistance system which is integrated on tribometer. Reciprocating wear tests were carried at room temperature and some relationships were tried to define between coefficients of friction with wear characteristics and possible tribofilm chemistry. However, some comments were tried to make about changes occurring in electrical resistance depends on layers and some periodic changes were tried to see on changings according to number of layers. TaN / ZrN multilayer thin film coatings were produced and investigated the electrical resistance changings depends on layers for the first time within this study.Reciprocating wear tests of TaN coatings conducted against Al2O3 ball with a velocity of 10 cm/s gave very low coefficient of friction value (0.17) and against steel 440C ball with the same velocity gave lower coefficient of friction value (0.15). Additionally observed that the TaN coating are less worn and cause less wear on the balls in comparison with ZrN coating. Reciprocating wear tests of ZrN coatings conducted against Al2O3 ball with a velocity of 10 cm/s gave high coefficient of friction value (0.58) and against steel 440C ball with the same velocity gave higher coefficient of friction value (0.78). Reciprocating wear tests of TaN / ZrN multilayer coatings conducted against both the ball (Al2O3 and steel) with a velocity of 10 cm/s gave higher coefficient of friction values than TaN coating and observed that their coefficient of friction values are close to ZrN coating. On multilayer coatings, while TaN layer is seen to reduce the depth of wear path, observed that the depth of wear path increasing with the thickness of TaN layer decreasing.These results showed that TaN with single layer show excellent wear and friction properties at room temperature. However, coefficient of friction increased catastrophyically with increasing temperature on contact surface because of faster oxidation and hard characteristics of metal oxides. Apart from this, observed that occurring oxides in inert erosive condition (Al2O3 ball) shows the solid lubrication propertie and clearly determine that they reduce the wear. When the electrical resistance changes were investigated, observed that the neatest periodic resistance changing was appeared on TaN / ZrN 4 layered multilayer thin film coatings. Electrical resistance changing was determine clearly depends on reference resistance of TaN and ZrN coatings.The original results accomplished in this study can be summarized as follows:Production and characterization of TaN, ZrN and TaN / ZrN multilayer thin film coatings by Physical Vapour Deposition techniques (cathodic arc, magnetron and hybrid).Comprehensive investigation of wear and friction properties of the coatings and presenting the electrical resistance changing with dependence on wear.