Mo-N-Cu, Mo-N-Sn ve Mo-N-Cu-Sn nanokompozit yapılı kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Mo-N-Cu, Mo-N-Sn and Mo-N-Cu-Sn nanocomposite coatings
Yazar: ALPEREN SEZGİN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bakır = Copper ; Fiziksel buhar biriktirme = Physical vapour deposition ; Kalay = Tin ; Kaplama = Coating ; Karakterizasyon = Characterization ; Molibden nitrür = Molybdenum nitride ; Triboloji = Tribology

Özet:
Geçiş metallerinin nitrürlerinden elde edilen ince film kaplamalar (TiN, CrN, vs...) yüksek sertlik ve korozyon direnci gibi üstün özellikleri sayesinde özellikle kesici takımlarda sıkça kullanılmaktadır. Bu tip sert kaplamaların triboloji uygulamalarında da avantajlı bir şekilde kullanılabilmesi için sürtünme sonucu tribokimyasal reaksiyonlar sayesinde yüzeyde katı yağlayıcı özellik gösterebilen filmler oluşturması gerekmektedir. Burada sert bir faza (MoN, CrN, TiN vs.) ikinci yumuşak bir fazın (Cu, Sn, Ag) eklenmesiyle oluşan nanokompozit kaplama yaklaşımı ile, katı yağlayıcılık özelliğinin arttırılmasının yanı sıra yağlı ortamlarda ve yüksek sıcaklıklardaki aşınma karakteristiğinin de geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Günümüzde de sürtünme ve aşınma uygulamalarında sıkça kullanılmakta olan ve yağlayıcılara katkılandırıldıklarında anti-aşınma özelliğini arttıran Cu, Sn, Ag gibi yumuşak malzemeler sayesinde nanokompozit kaplamaların tribolojik uygulamalardaki fonksiyonelliğinin arttırılması mümkündür. Literatürde Mo-N esaslı kaplamalar üzerine yapılan çalışmalar incelendiğinde Mo-N ince film kaplamaların TiN ve CrN gibi endüstride yaygın olarak kullanılan ince filmlere oranla daha yüksek sertlik değerleri ve tribolojik özellikler gösterebildiği tespit edilmiştir. Nanokompozit kaplama üretiminde genellikle manyetik alanda sıçratma veya katodik ark FBB olmak üzere iki farklı kaynağın birlikte veya ayrı ayrı kullanıldığı kaplama tasarımları görülmektedir.Bu çalışmada amaç sürtünme esnasında aşınmayı azaltıcı etki gösterebilecek bileşikleri oluşturabilme kapasitesine sahip Mo-N-Cu, Mo-N-Sn ve Mo-N-Cu-Sn nanokompozit kaplamaların üretilmesidir. Farklı gaz atmosferlerinin ve BIAS voltajının nanokompozit kaplamaların içeriğine olan etkisinin ortaya koyulması da hedeflenmiştir. Manyetik alanda sıçratma metodu ile nanokompozit kaplamaların üretiminde her iki malzemeyi de barındıran tek bir kaynağın kullanımı sayesinde, çift kaynağın yaratabileceği homojensizliklerin giderilebilmesi de ayrıca amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda SPS yöntemiyle Mo-Cu, Mo-Sn ve Mo-Cu-Sn hedeflerin üretimi gerçekleştirilmiş ve yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Ardından içlerinde hapsolmuş olabilecek oksijenin giderilmesi amacıyla hedefler H2 ortamındaki fırında ısıtma işlemine tabi tutulmuş, bu işlemlerden sonra ise faz ve elemental analizleri için XRD ve EDS analizleri kullanılmıştır. Kaplama işleminde kullanılan gazların ve BIAS voltajının kaplama içeriğine etkisini incelemek amacıyla bir dizi kaplama gerçekleştirilmiştir. Her bir hedefin sıçratılması farklı gaz atmosferlerinde (Ar, N2 ve N2-Ar) sıçratılması esnasında belirli aralıklarla BIAS voltajı kademeli olarak arttırılmış, GDOES analizlerinde de derinliğe bağlı olarak BIAS voltajının kaplama içeriğine olan etkisi tespit edilmiştir. Daha sonra manyetik alanda sıçratma tekniği ile optimum olarak kabul edilen koşullarda bu hedeflerden Mo-N-Cu, Mo-N-Sn ve Mo-N-Cu-Sn nanokompozit yapıda kaplamalar elde edilmiştir. Elde edilen kaplamaların kimyasal bileşimleri ve faz yapıları EDS ve XRD analizleri ile tayin edilmiştir. Kaplamaların yüzey ve kesitlerinden alınan SEM görüntüleri detaylı olarak incelenmiştir. Kaplamaların kalınlıkları ve sertlik değerleri kalotest ve mikro sertlik analizleri ile belirlenmiştir. Son olarak yağlı ortamda pin üzeri disk deneyleri gerçekleştirilerek, kaplamaların sürtünme ve aşınma karakteristikleri incelenmiştir.

Abstract:
Nitride coatings (TiN, CrN, MoN, etc?) are widely used today in cutting, forming and tribological applications thanks to their high hardness and resistance to corrosion. These type of hard coatings should comprise of compounds that can form tribo-films that can show solid lubricant porperties on the surface during friction in order to be used in tribological applications. A common approach is the nanocomposite coating formation by combining a hard phase (MoN, CrN, TiN, etc.) with a soft phase (Cu, Ag, Sn, etc.). Solid lubrication properties and high temperature tribological characteristics can be improved under dry conditions or with lubricants. Soft metals like Cu, Sn or Ag are used in many tribological applications today and they are also good candidates for soft phase in nanocomposite coatings. In case of hard phases, the literature search indicated the advantageous effects of MoN coatings compared to more industrial nitride coatings like TiN or CrN, by means of tribology and hardness. The main method in producing a nanocomposite coating is to use two sources for the coating procedure. Cathodic arc evaporation and magnetron sputtering are commonly used sources and these can be used either together (hybrid coating method) or individually.The aim of this study is to produce and characterize Mo-N-Cu, Mo-N-Sn and Mo-N-Cu-Sn nanocomposite coatings that are expected to form tribo-films that can show lubricative properties during friction. The effect of different gas atmospheres and BIAS voltage on the composition of nanocomposite coatings are also investigated. Another goal was to elimineate the non-homogenities in case of two sources, by producing a target material that consists of each material to be used in a nanocomposite coating. In line with these objectives; Mo-Cu, Mo-Sn and Mo-Cu-Sn targets were produced via Spark Plasma Sintering (SPS) method and their densities were determined. Then, these targets were heated in H2 atmosphere in order to reduce the oxygen content that could have been trapped inside. After that, XRD and EDS analyses were performed in order to determine the phase structure and chemical composition of the targets. The effect of BIAS voltage and gas content on the composition of the film were determined by a coating procedure applied on each one of the targets. In this procedure, BIAS voltage was increased periodically during the sputtering of the targets in different gas atmospheres (Ar, N2 and N2-Ar) and with the depth profiles obtained from GDOES analyses, the effect of BIAS voltage and different gas atmospheres on the coating composition were determined. After the statement of optimum coating parameters; Mo-N-Cu, Mo-N-Sn and Mo-N-Cu-Sn nanocomposite coatings were produced by sputtering of each target. The phase structures and chemical compositions of these coatings were also determined by performing XRD and EDS analyses. The thickness and hardness of the coatings were determined by calotest and microhardness experiments. The SEM images obtained from the surface and cross-section of the coatings were examined in detail. Finally, pin on disk tests were run under oil lubrication in order to investigate the friction and wear properties of these coatings.