CrYN: Nb kaplamanın AISI 4140 alaşımlı çelik üzerine sentezlenmesi: Mekanik ve tribolojik özelliklerinin araştırılması
Synthesis of CrYN: Nb coating on AISI 4140 alloy steel: Investigation of its mechanical and tribological roperties
Yazar: FURKAN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. İHSAN EFEOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Enerji verimliliği, özellikle havacılık ve otomotiv sektörlerinde olmak üzere endüstri
için önemi gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle sürtünme ve aşınmadan doğan enerji kayıplarını
önlemek için, bu alanlarda kullanılan bazı özel parçaların mekanik ve tribolojik özelliklerinin
iyileştirilmesi esastır. Literatürde, bu özel parçaların yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerini
artırmak için yüzeylerine çeşitli geçiş metali esaslı nitrür kaplamalar uygulanmaktadır. Bu
uygulanan nitrür kaplamalar içerisinde CrN, yüksek sertlik, aşınma direnci, kimyasal ve termal
kararlılık gibi üstün özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. CrN kaplama yapısına reaktif bir
element olan Y ilavesi, yüksek sıcaklık uygulamalarında oksidasyon direnci ve termal kararlılık
özelliklerini geliştirebileceğini göstermiştir. Kaplama yapısına Nb ilavesi sürtünme ve aşınma
dirençlerini artırabileceği düşünülmektedir. Bu çalışmada, endüstride yaygın bir şekilde
kullanılan AISI 4140 alaşımlı çelik üzerine CrYN:Nb kompozit yapıda kaplama oluşturulması
ile yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerin iyileştirilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışmada yapılan deneyde değişken parametreler Taguchi L4 ortogonal diziler
kullanılarak oluşturulmuş ve Nb katkılı CrY ince filmlerin 4140 alaşımlı çeliği üzerine sentezi
için Fiziksel Buhar biriktirme yöntemlerinden biri olan kapalı alan dengesiz manyetik alanda
sıçratma (CFUBMS) tekniği kullanılmıştır. Sentezlenen CrYN:Nb ince filmlerin yapısal,
mekanik ve tribolojik özellikleri ANOVA analizi yapılarak incelenmiştir.
Bulgular: Taguchi L4 deney tasarımı kullanılarak farklı proses parametrelerinde CrYN:Nb
filmler; darbeli-doğru akım (pulsed-dc) kapalı alan dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemi
ile kaplanmıştır. En yüksek kaplama kalınlığı 1,391 µm ile R2 kaplama koşullarında elde
edilmiştir. En yüksek sertlik değeri 21,16 GPa ile R1 kaplama koşullarında, en düşük sertlik
değeri 12,43 GPa ile R4 kaplama koşullarında elde edilmiştir. En yüksek kritik yük değeri 60
N ile R4 kaplama koşullarında, en düşük kritik yük değeri ise 27 N ile R1 kaplama koşullarında
elde edilmiştir. Aşınma deney sonuçlarına göre AISI 4140 taban malzemesinin sürtünme
katsayısı 0,35 olarak ölçülmüştür. Taban malzeme üzerine biriktirilen CrYN:Nb ince filmlerin
R1, R2, R3 ve R4 kaplama koşullarında sürtünme katsayısı (CoF) değerleri sırasıyla 0,33, 0,41,
0,4 ve 0,55 olarak ölçülmüştür.
Sonuç: Bu çalışmada gerçekleştirilen CrYN:Nb ince filmlerin yapısal, mekanik ve tribolojik
özellikleri endüstriyel uygulamalarda agresif ortam koşullarında çalışan makine parçaları için
umut verici bir kaplama olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
Purpose: Energy efficiency is increasing in importance for the industry, especially in the
aerospace and automotive sectors. It is essential to improve the mechanical and tribological
properties of some special parts used in these areas, especially to prevent energy losses due to
friction and wear. In the literature, various transition metal-based nitride coatings are applied
to the surfaces of these special parts to increase their structural, mechanical and tribological
properties. Among these applied nitride coatings, CrN is preferred due to its superior properties
such as high hardness, wear resistance, chemical and thermal stability. The addition of Y, a
reactive element, to the CrN coating structure has shown that it can improve oxidation
resistance and thermal stability properties in high temperature applications. It is thought that
the addition of Nb to the coating structure can increase the friction and wear resistance. In this
study, it is aimed to improve the structural, mechanical and tribological properties by forming
a CrYN:Nb composite coating on AISI 4140 alloy steel, which is widely used in the industry.
Method: In the experiment performed in this study, variable parameters were created using
Taguchi L4 orthogonal arrays and closed field unbalanced magnetic field sputtering (CFUBMS)
technique, which is one of the Physical Vapor deposition methods, was used for the synthesis
of Nb-doped CrY thin films on 4140 alloy steel. Structural, mechanical and tribological
properties of synthesized CrYN:Nb thin films were investigated by ANOVA analysis.
Findings: CrYN:Nb films in different process parameters using Taguchi L4 experimental
design; Pulsed-direct current (pulsed-dc) closed area is covered with unbalanced magnetic field
by sputtering method. The highest coating thickness was obtained with 1,391 µm under R2
coating conditions. The highest hardness value was obtained with 21.16 GPa under R1 coating
conditions, and the lowest hardness value was obtained with 12.43 GPa under R4 coating
conditions. The highest critical load value was obtained under R4 coating conditions with 60
N, and the lowest critical load value was obtained with 27 N under R1 coating conditions.
According to the wear test results, the friction coefficient of the AISI 4140 sole material was
measured as 0.35. The coefficient of friction (CoF) values of the CrYN:Nb thin films deposited
on the base material were measured as 0,33, 0.41, 0.4 and 0.55 under R1, R2, R3 and R4 coating
conditions, respectively.
Results: The structural, mechanical and tribological properties of CrYN:Nb thin films realized
in this study have been demonstrated to be a promising coating for machine parts operating in
aggressive ambient conditions in industrial applications.