Plazma daldırma iyon implantasyon yöntemi ile metallerin yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of metals surface properties by plasma immersion ion implantation
Yazar: MURAT YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN KARADENİZ
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Modern yüzey kalitesi geliştirme yöntemlerinden biri olan plazma daldırma iyon implantasyonu, yarı iletkenlerin üretiminden, makine parçalarının yüzey özelliklerinin iyileştirilmesine hatta bio-uyumlu vücut içi protez malzemelerinin geliştirilmesine kadar pek çok uygulama alanına sahiptir. Iyon implantasyonu yöntemi uygulanmış malzeme yüzeylerinde, yüksek sertlik, yorulma ve aşınma dayanımı ile korozyon direnci yüksek bir tabaka elde edilir. Yöntemde, geleneksel nitrürlemede kullanılan sıcaklıklardan (beşyüz santigradtan yüksek) daha düşük sıcaklık değerlerinde işlem yapılır. Malzemeye bağlı olarak yüksek sıcaklıklarda nitrürlenemeyen alaşımlara ikiyüz, dörtyüzelli santigrad aralığındaki sıcaklıklarda da uygulamak mümkündür. Plazma iyon implantasyon yöntemi ile malzeme yüzeyine düşük işlem sıcaklıklarında kinetik enerjili nitrürleme yapmanın yanı sıra, konvansiyonel iyon ışını teknikleriyle nitrürlenmesi mümkün olmayan üç boyutlu yüzey modifikasyonu yapılabilir.Bu tez çalışmasında AISI beşbinyüzonbeş (onaltıMnCrbeş) ıslah çeliği sekiz, kırk kilovolt arası, yüzelli, binbeşyüz hertz arası ve on, ellibeş mikrosaniye değerleri arasında farklı parametrelerde azot (Niki) gazı kullanılarak iki saat sabit süreyle Plazma Daldırma İyon İmplantasyonu işlemine tabi tutulmuştur. İşlem parametrelerine bağlı olarak elde edilen tabakaların yapıları, bu yapıların değişimine etki eden faktörler SEM ve XRD analizleri ile incelenmiştir. Ayrıca oluşan tabakaların sertlik değişimleri mikrosertlik yöntemiyle incelenmiş ve tabakaların özellikleri üzerine işlem parametrelerinin etkisi araştırılmıştır.XRD incelemeleri sonucunda AISI beşbinyüzonbeş çeliği üzerinde epsilon-Feiki-üçN, gama-FedörtN ve sert nitrürler içeren alfa-Fe (ana malzeme piki) olmak üzere üç farklı faz tespit edilmiştir. Bileşik tabaka epsilon ve gama fazlarından, difüzyon tabakası ise alfa-Fe sert nitrür fazlarından oluşmaktadır. SEM incelemeleri ile çekilmiş beşyüz X büyütmeli fotoğraflar bu fazların oluşumunu destekler. Maksimum sıcaklığın elliiki santigrada ulaştığı, deney parametrelerinin kırk kilovolt gerilim, yüzelli hertz frekans, on mikrosaniye periyot olduğu deneyde en kalın tabaka elde edilmiştir. Yapılan mikrosertlik ölçüm sonuçlarına göre deney parametrelerinin onbeş kilovolt gerilim, binbeşyüze hertz frekans, ellibeş mikrosaniye periyot olduğu deneyde en sert tabakalar oluşmuştur ve bu deneyde ulaşılan maksimum sıcaklık üçyüzyirmidokuz nokta iki santigradtır.Anahtar sözcükler: implantasyon, iyon, metal plazması, plazma, plazma daldırma iyon implantasyonu ve biriktirme, vakum arkı, yüzey işleme.

Abstract:
As one of the modern surface quality development methods, plasma immersion ion implantation has many application fields from semi conductor manufacturing to improving surface characteristics of machine parts and even developing bio-medical implants. In ion implanted material surfaces, a layer that has high hardness, fatigue, wear and corrosion resistance is obtained. Application of the process is directed towards providing effective treatment at lower temperatures than those normally associated with nitriding (i.e., below five hundred centrigrade ). Depending on the material, ``nitriding?? is possible in the temperature range from two hundred to four hundred and fifty centrigrade, where it can be applied to alloys and components that cannot support higher temperatures. At low temperatures, Plasma iom implantation provides a relative simple means of ion implanting components whose shape, size or number preclude the use of conventional ion-beam techniques.In this thesis study, AISI five thousand a hundred and fifteen (sixteen MnCr five) steel was nitrided by Plasma Immersion Ion Implantation between eight and fourty kilovolt, one hundred and fifty and fifteen hundred hertz and ten and fifty five microsecond parameters by using nitrogen (Ntwo) for two hours. Depend on the treatment conditions, structures of nitrided layers and the factors which effect the changing of structures were examined by SEM and XRD analysis. Also the hardness changings of the nitrided layers were examined by microhardness and the affect of the treatment parameters on mechanical properties of nitrided layers were researched.As a result of XRD researches, three different phases as epsilon-Fetwo-threeN, gamma-FefourN and alpha-Fe with hard nitrides were determined. Compaund layer contains of epsilon and gamma phases, diffusion layer contains of alpha-Fe with hard nitrides. The five hundred X zoom photoghraphes taken by SEM researches support these phases existance. The most ideal layer thickness determined at fourty kilovolt voltage, one hundred and fifty hertz frequence, ten microsecond period and fifty two centrigrade maximum temperature parameters. As a result of microhardness tests, fifteen kilovolt voltage, fifteen hundred hertz frequence, fifty five microsecond period and tree hundred and twenty two point two centrigrade temperature values constitute the most hard layers.Keywords: implantation, ion, metal plasma, plasma, plasma immersion ion implantation and deposition, surface treatment, vacuum arc.