Mo-N kaplamaların ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterisation of Mo-N coatings by arc physical vapour deposition technique
- Tez No: 100708
- Danışmanlar: PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1999
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Mo-N KAPLAMALARIN ARK FİZİKSEL BUHAR BİRİKTİRME YÖNTEMİYLE ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU ÖZET Geçiş metallerinin nitrür ve karbürleri metalik bağ içeren sert seramik kaplamalardır. İçerdikleri serbest elektronlar bu bileşiklere elektrik ye termal iletkenliklerini vermektedir. İyi yapışma özelliklerine ek olarak, optimize edilmiş sertlik, tokluk ve kimyasal reaksiyonlara olan ilgisizlikleri bu bileşikleri kaplama uygulamalarına oldukça uygun hale getirmektedir. Nitrür kaplamalar metal kesme ve şekillendirme, elektronik ve triboloji uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. TİN, CrN, Ti(AI,N) ve Ti(C,N) endüstriyel olarak kabul görmüş metal nitrür kaplamalardır. Bu kaplamaların herbiri kimyasal ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak farklı uygulama alanları bulmaktadır. Yüksek sertlik ve oksidasyon direncine sahip Ti(AI,N) kaplamalar demir esaslı malzemelerin yüksek hızlı kesme işlemlerinde gittikçe artan bir şekilde kullanım bulmaktadır. CrN kaplamalar düşük iç gerilimleri nedeniyle metal şekillendirme işlemleri için oldukça uygundurlar. Yüksek termal iletkenliğe ve tokluğa sahip Ti(C,N) kaplamalar ise darbeli kesme işlemlerine daha uygun kaplamalardır. Birbirleri üzerinde kayan metal çiftlerinde, performans sadece malzemelerin fiziksel özelliklerine değil aynı zamanda kimyasal uyumluluklarına da bağlıdır. Ti-AI ve Ti-Cu uyumlu metal çiftleri değillerdir. Bu nedenle, tiribolöjik uygulamalarda TİN kaplamaların aluminum alaşımlarına karşı kullanımı kısıtlıdır. Bunun tersine, Cr ve Mo demir dışı metallerle uyumludurlar ve bu nedenle, CrN kaplamaları ve Mo-N kaplamaların bu metallerle tribolojik uygulamalarda kullanımının iyi sonuç vereceği düşünülmektedir. Molibden nitrür yapabilen bir geçiş metali olmasına rağmen, endüstriyel olarak kabul görmüş bir kaplama değildir.Son yıllarda, bu kaplamaların katalitik, süperiletkenlik özellikleri, difüzyon bariyeri olarak kullanımı ve tribolojik uygulamaları üzerine araştırmalar artmaktadır. Bakır gibi demir dışı metaller içerisinde düşük çözünürlüğe sahip olması nedeniyle bu metallerin işlenmesi ve şekillendirilmesinde Mo-N kaplamalar iyi bir aday olarak gözükmektedir. Mo-N kaplamalar, iyon demeti destekli kaplama, da.-, rf.- reaktif magnetron sıçratma azot iyon aşılama ve ark FBB teknikleriyle kaplanabilmektediıier. Bu teknikler arasında ark-FBB tekniği yüksek iyonizasyon derecesi ve iyi yapışma verebildiğinden Mo-N kaplama uygulamalarında en ilgi çekici kaplama tekniklerinden biridir. Ancak ark-FBB tekniğiyle üretilmiş Mo-N kaplamalar üzerine yapılmış limitli sayıdaki çalışmalarda, kaplama parametresi ve özellikleri arasındaki ilişki sistematik olarak incelenmemiştir. Faz oluşumu kuvvetli bir şekilde kaplama parametrelerine bağlıdır. Azot basıncının aşağıda verilen fazların stokiyometrisi üzerine önemli bir etkisi vardır. Azot basıncının artmasıyla aşağıdaki gibi, yüzeyde oluşan faz hacim merkezli kübik Mo'den hegzagonal 8-MoN fazına doğru değişmektedir. Mo -> y-Mo2N -> Bı MoN->- 5-MoN XIIIBunun yanında, Kaplama yüzeyeyine çarpan iyonların enerjileri iyonların yüzeye yapışmasını ve böylece faz stokiyometrisini etkilemektedir. Mo18N7, NaCI tipi Br MoN ve 5-MoN ikili denge diyagramında bulunmamasına rağmen FBB teknikleriyle üretilmiş kaplamalarda bu fazlan n varlığı belirlenmiştir. Bu çalışmada, katodik ark FBB yönteminde üretilen Mo-N kaplamaların, azot basıncı ve bias voltajına bağlı olarak faz kararlılık bölgeleri incelenmiştir. Üç farklı bias voltajı grubu altında beş değişik azot basıncında Mo-N kaplamalar Yüksek Hız Çelikleri (YHÇ) üzerine kaplanmıştır. X-ışını difraksiyon yöntemi kullanılarak, bir“bias voltajı - azot basıncı”kararlılık haritası oluşturulmuştur. Kaplama parametrelerinin optimizasyonunun ardından, kararlılık diyagramında bulunan fazlan içeren kaplamalar üzerinde mikrosertlik, yüzey pürüzlülüğü ve“disk-üzerinde-top”aşınma testleri yapılmıştır. Kaplama karakterizasyon çalışmalarına ek olarak yaklaşık 20 nm kalınlığa sahip hegzagonal 5-MoN ve kübik y-Mo2N katmanları içeren çok katlı bir kaplama üretilmiştir. Kaplama Süreci: Faz kararlılık haritasının oluşturulması amacıyla -150, -250, -350V bias voltajı ve 1.9, 1.5, 1.2, 0.8 ve 0.4 Pa azot basınçları kullanılarak katodik ark FBB yöntemiyle kaplamalar sertleştirilmiş YHÇ altlıklar kaplanmıştır. Altlıklar Ra=0.09 (im yüzey pürüzlülüğü elde edilene kadar parlatılmıştır. Altlık malzemeler parlatmanın ardından sıcak alkali temizleme banyosunda ultrasonik olarak en az 5 dk. olacak şekilde temizlenmiş ve ardından trikloretilen içerisinde kurutulmuştur. Kaplama öncesinde altlıklar -1000V bias voltjında Mo iyonları kullanılarak kaplama sıcaklığına kadar ısıtılmıştır. Numuneler hareketsiz numune tutucuya katodun karşısına gelecek şekilde sabitlenmiştir. Mo katodu buhariaştıran ark güç kaynağı akımı 130A'dir. Altlıklar yaklaşık 10 dk. süreyle kaplanmışlardır. Kaplama özelliklerine kaplama sıcaklığı etkisini incelemek için 400°C'nin üzerinde ve altında olacak şekilde iki farklı sıcaklıkta Mo-N kaplamalar (Tablo 1) üretilmiştir. Kaplama sürelerine bağlı olan kaplamaların kalınlıkları, top krater (calotest) yöntemiyle yaklaşık 1.08-3.47|am aralığında ölçülmüştür. Tablo 1. Sıcaklık etkisi çalışmaları için üretilen kaplama ların üretim parametreleri. Ts = Altlık Sıcaklığı, Pjg = Azot Basıncı X-lsınları Analizi ve Kaplamaların Yapılarının: Kaplamaların yapısal analizi 29 = 20-120° aralığında ince film ataçmanlı“Glancing Angle”x-ışını difraktometresi (Philips Model PW3710 temelli) ve CuKa radyasyonu kullanılarak yapılmıştır. Sabit giriş açısı 0.5° olacak şekilde 9 tarama metodu kullanılmıştır. Fazların tayini PC-PDF veritabanından elde edilen standart difraksiyon kartları kullanılarak yapılmıştır. Bunun haricinde, x-ışını difraksiyon piklerinden XIVhareketle, standart Cohen-Wagners grafiği yöntemi (kübik yapılar için) ve Cohen prosedürü (hegzagonal yapılar için) kullanılarak kaplamaların latis parametreleri hesaplanmıştır. Numunelerin x-ışını ile analizi stokiyometrik hegzagonal 5-MoN ve yüzey merkezli kübik y-Mo2N fazlarının oluşumunu göstermiştir. Şekil 1'de 400°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda üretilen fazların“azot asıncı - bias voltajı”faz kararlılık haritası çizilmiştir. Yüksek azot basıncı ve düşük bias voltajlarında 5-MoN fazının oluşumu teşfik etmiştir. Bias voltajının artmasıyla bu fazın kararlılık alanı daralmaktadır. Bunun tersine y-Mo2N fazı düşük azot basınçlarında geniş bir alana saiptir ve bias voltajının artmasıyla karalılık alanı 1.2 Pa basınca kadar uzanmaktadır. 6-M0N ve y- Mo2N kararlılık alanlarının arasında bir karışık faz bölgesi bulunmaktadır. y-Mo2N fazının karışık faz içerisindeki oranı bias voltajıyla beraber artmaktadır. ıs o M a a. o c «i w CQ o N < 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 T, > 400“ C, Katot Akımı» 130 Amp -50 -100 -150 -200 -250 BIAS Voltajı, (Volt) -300 -350 Şekil 1. Azot basıncı ve bias voltajına göre Mo-N fazlarının kararlılık bölgeleri, (t sembolüyle işaretli veriler [6] referansından alınmıştır) 8-MoN ve y-Mo2N fazları (200) düzlemlerinde tercihli yönlenme göstermiştir. Karışık faz yapılı kaplamalar 8-MoN ve y-Mo2N fazlarının bulunduğu karmaşık x-ışını difraksiyon patentine sahiptir. Karışık fazlara ait difraksiyon patentlerinde yaklaşık 29=34.855°'de tanımlanmamış bir pik gözlenmiştir. Bu pikin şiddeti bias voltajının azalmasıyla artmaktadır. Teorik hesaplamalar bilinmeyen pikin hegzagonal 5-MoN fazının (111) düzlemlerine ait olabileceğini göstermiştir. Altlık sıcaklığı fazların oluşum sınırlarını önemli ölçüde etkilemektedir. Altlık sıcaklığının düşürülmesi 5-MoN fazının oluşumunu teşfik etmektedir. Diğer taraftan, kaplama sıcaklığının kaplama yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisi bulunmaktadır (Tablo 2). Aynı faz yapısına sahip düşük ve yüksek sıcaklıklarda üretilmiş kaplamalar (H14- L1 ya da H3-L3 numuneleri) farklı yüzey pürüzlülüklerine sahiptirler. Yüzey pürüzlülük ölçümleri düşen altlık sıcaklığının yüzey pürüzlülüğünü düşürdüğünü göstermiştir. Altlık sıcaklığının diğer bir etkisi ise film büyüme morfolojisi üzerine olmuştur. Düşük sıcaklık 5-MoN ve y-Mo2N kaplamalarında ZONE-I ince kolonlu büyüme modeli etkinken, artan altlık sıcaklığı morfolojiyi 5-MoN için ZONE-Tye ve y-Mo2N için ZONE-I l'ye değiştirmiştir. Porozite testleri (Cu dekorasyon testleri) ZONE-I modelindeki morfolojiye sahip düşük sıcaklık y-Mo2N kaplamalarının yüksek poroziteye sahip olduğunu göstermiştir. Yüksek sıcaklık y-Mo2N kaplamalarında xvmorfolofi ZONE-H'ye değiştiğinde, ZONE-II modelinin daha yoğun kaplama yapısı sergilemesi nedeniyle porozite yoğunluğu düşmüştür. Diğer taraftan, yüksek sıcaklık 5-MoN kaplamalarında morfoloji ZONE-I'den ZONE-Tye değiştiği için porozite yoğunluğunda artış olmuştur. Mo-N kaplamaların yönlenmeleriyle büyüme morfolojileri arasında bir ilişki bulunmaktadır. Kuvvetli bir yönlenmenin olduğu kaplamalarda (yüksek sıcaklık S-MoN), yapı kolonsal ZONE-T modeline sahiptir. Daha zayıf yönlenmenin olduğu yüksek sıcaklık y-Mo2N kaplamasında büyüme modu ZONE-II olmuştur. Kaplamaların yönlenmelerinin hemen hemen aynı olduğu durumlarda (düşük sıcaklık 5-MoN ve y-Mo2N), büyüme modu ZONE-I'dir. Bu bulgular kristal yönlenmesiyle film büyüme modeli arasında bir ilişkinin olduğunu göstermektedir. ablo 2. Kaplamaların Faz bileşeni ve yüzey pürüzlülükleri (Ra Kaplamaların Sertliği: Sertlik ölçümleri, 0.2 mN yük hassasiyetine ve 0.01 nm derinlik hassasiyetine sahip Fischer Ultra Mikrosertlik cihazında yapılmıştır. Yük, 0.2 mN'luk adımlar halinde sertlik ucunun kaplama kalınlığının onda biri olan yaklaşık 120 nm derinliğe girecek şekilde uygulanmıştır.Her bir ölçüm en az 12 defa tekrarlanmış ve ölçümlerin ortalaması alınmıştır. En yüksek sertlik saf 5-MoN kaplamasında (L1 ve H14 numuneleri) yaklaşık 5085 ± 198 kg/mm2 olarak bulunmuştur. Saf y-Mo2N kaplaması ise (H3 ve L3 numuneleri) en yumuşak sertliğe (yaklaşık 3372 ±198 kg/mm2) sahiptir. Altlık sıcaklığı kaplama sertliğini etkilememiştir. Karışık fazlı kaplamalarda, 5-MoN kaplamaları sertleştirmiş ve kaplamaların sertliği 8-M0N oranının artmasıyla beraber yaklaşık 4750 kg/mm2 değerine kadar çıkmıştır. Çizik (Yapışma) Testi: Mo-N kaplamaların yapışma özelliklerini incelemek amacıyla elmas Re uçlu ”IPA Scratch Tester“ cihazı kullanılmıştır. Çizik işlemi 80 N normal yüke kadar 10 mm/dk çizme hızı ve 100 N/dk yükleme hızında gerçekleştirilmiştir. Tüm numuneler 8 N'luk Lc1 kritik yüküne ve benzer çatlak paternine sahiptirler. Elektron mikroskobu incelemeleri çekme ve basma yönlerindeki kırılma modlarının karışımını göstermektedir. Kaplamalar 8 N'un üzerindeki yükleme koşullarında çatlamasına rağmen, 80 N yükünde dahi kaplama yüzeyinden atmalar olmamıştır. Çok yüksek sertliğe sahip seramik kaplamalar arasında, sadece Mo-N kaplamalar bu şekilde iyi bir yapışma sergilemektedir. ”Disk üzerinde Top“ Aşınma Testleri: ”Disk üzerinde Top“ aşınma testleri yüksek ve düşük sıcaklık kaplamaları üzerinde 2N, 7N ve 15N normal yükleri ve 0.2 m/sn. kayma hızı kullanılarak yapılmıştır. Top XVImalzemesi olarak Al203 kullanılmıştır. Kayma mesafesi 1 km'ye ulaştıktan sonra, kaplama yüzeylerinde yüzey pürüzlülüğü düzelmesi haricinde bir aşınma derinliği ölçülememiştir. Ancak, top aşınma oranları değişikler göstermektedir. Düşük sıcaklıklarda üretilen kaplamalarda top aşınma oranlan düşük bulunmuştur (1x109- 6x1 0”9 mm3/Nm). Yüksek sıcaklıkta üretilen kaplamalarda top aşınma oranlan 1x10' MxlO"8 mm3/Nm aralığında değişmiştir. TıN kaplamalara karşı sürtünen Al203 toplardaki aşınma oranlan düşük sıcaklık Mo-N kaplamalara karşı olan topların aşınma oranlarından14 kat daha fazladır. Kaplama üzerindeki aşınma izlerini incelenmesi izlerin ortasında oksijen ve Mo içeren bir üçüncü katmanın varlığını göstermiştir. Sürtünme katsay ısıları, herbir numune için deney başında farklılıklar içermesine rağmen, test sonunda yaklaşık 0.4 civarlarında aynı değere yaklaşmıştır. Bu, kaplama yüzeyi ile top arasındaki molibden oksit tabakasının belirleyici rolünün bir belirtisi olabilir. Çok Katlı Kaplamalar İnce hegzagonal 5-MoN / kübik y-Mo2N katmanlarını içeren çok katlı kaplamalar 5679 ± 364 kg/mm2 sertliğine sahiptir. Herbir katman -150 ve -400 V arasında 10 sn sürelerle tekrarlanan bias voltajı değişimiyle kaplanmıştır. Bu nedenle, her bir katmanın kalınlığı yaklaşık olarak 20 nm'dir. Çok ince katmanlar nedeniyle, S-MoN/y- Mo2N çok katlı kaplamalar muhtemel bir süperlatis kaplama oluşumunu işaret eden bir sertlik artışı göstermiştir. Çok katlı kaplamaların sertliği karışımlar kuralına göre hesaplanan sertlik değerine nazaran 1.4 kat daha fazladır. Bias voltajının değiştirilmesi temeline dayanan bu çok katlı kaplama üretim tekniği, ilk defa bu çalışmada kullanılmıştır. XVII
Özet (Çeviri)
PRODUCTION AND CHARACTERISATION OF Mo-N COATINGS BY ARC PHYSICAL VAPOUR DEPOSITION TECHNIQUE SUMMARY Nitrides, carbides and carbonitrides of transition metals are metallic bonded ceramic materials. Their free electrons render them electrically and thermally conductive. Optimized hardness, toughness and chemical inertness of these materials as well as good adherence properties make them very suitable for coating applications. The nitride coatings are widely used in metal cutting and forming industry, electronic industry and tribological applications. The industrially well accepted transition metal nitride coatings for tribological applications are TIN, CrN, Ti(AI,N), ZrN and Ti(C.N). Each of these nitride coatings finds different application areas depending on their chemical and physical properties. Ti(AI,N) coatings with their higher hardness and oxidation resistance are finding increasing use high speed machining of ferrous materials. CrN coatings with their low internal stress are more suitable for forming operations. Ti(C,N) are more suitable for interrupted cutting operations with their high thermal conductivity and toughness The performance of materials pairs in sliding contact depends not only on their physical properties but also their chemical compatibility. Tİ - Al and Ti-Cu are not compatible. Hence, tribological uses of the TIN coatings against Al and copper alloys are restricted. On the contrary, Cr and Mo are compatible with those non-ferrous metals and thus, CrN and Mo-N coatings are expected to perform better in tribological applications concerning these pairs. Molybdenum is also one of the transition metals capable of forming nitrides however; molybdenum nitrides are not industrially accepted coating materials. In recent years researches on tribological and diffusion barrier applications, catalytic and superconducter properties of these coatings are increasing. Their low solubility in non-ferrous metals such as Cu makes them good candidates for forming and machining operations of such metals and alloys. Mo-N coatings can be deposited by ion beam assisted deposition (IBAD), dc -, rf- reactive and magnetron sputtering, nitrogen ion implantation and arc PVD techniques. Among these deposition techniques, arc pvd is one of the most versatile techniques for production of Mo-N coatings because of its high ionisation degrees and good adhesion properties. However, in the limited number of studies on arc-PVD produced Mo-N coatings the deposition parameter-property relations are not systematically investigated. The phase formation in Mo-N coatings is strongly depending on parameters of coating process. Nitrogen pressure has major effect on stoichiometry of the forming phases. As the nitrogen pressure increases, the phases forming on the surface change from body centered cubic Mo towards hexagonal 8-MoN as follows, Mo ->. y-Mo2N -> B1 MoN-> 8-M0N XVIIIFurthermore, energy of the ions impinging to the coating surface and substrate temperature affects the stickiness of the ions to the surface and thus stoichiometry of the phases. Although, Mo18N7, NaCI type B1-M0N and 5-MoN do not exist in the Mo-N binary phase diagram, the presence of these phases are determined in coatings produced by PVD techniques. In this study the phase stability regions of Mo-N coatings in a cathodic arc pvd system with respect to both nitrogen pressure and bias voltage is investigated. The Mo-N films were deposited by using 5 different nitrogen pressures under three bias voltage groups on hardened High Speed Steels (HSS). A“nitrogen pressure-bias voltage”map was constituted. The coatings were characterized with respect to their hardness and surface roughness, adherence and wear properties. A multilayer coating, which has the sequential layers of hexagonal 8-MoN and cubic y-Mo2N, were deposited with layer thickness of ~20 nm for each individual layer and characterized. Coating Procedure: Hardened High Speed Steel (HSS) substrates were coated by cathodic arc PVD system using -150 V, -250 V and -350 V bias voltages and 1.9, 1.5, 1.2, 0.8 and 0.4 Pa nitrogen pressures for the constitution of“nitrogen pressure - bias voltage”map. The substrates were polished to surface roughness of Ra = 0.09 nm. After polishing process, surface of the samples were ultrasonically cleaned in hot alkaline cleaning baths at least for 5 minutes and then dried in trichlorethylene. Before the coating, the substrates were heated up to deposition temperature by etching with molybdenum ions at -1000 V bias. Samples were fixed to a location on a stationary holder opposite the cathode. Arc power supply current evaporating the Mo cathode was 130 Amp. The deposition time was about 10 minutes. In order to study the effect of the deposition temperature on the coating properties, coatings were produced at two different temperatures namely, below and above 400°C (Table 1). Thickness of the coatings determined by ball-cratering method varied between 1.08 - 3.47ujti depending on coating times. Table 1 Coating parameters and the sample groups for the temperature effect studies Coating parameters of the samples Uncoated Substrate PN = 1.9 Pa, BIAS= -150 V, Ts > 400 °C PN = 1 Pa, BIAS= -150 V, Ts > 400 °C PN = o.4 Pa, BIAS= -1 50 V, Ts > 400 °C PN = 1 Pa, BIAS= -150 V, Ts < 400 °C PNz= 1 Pa, BIAS= -350 V, Ts < 400 °C Sample Code H14 H7 H3 L1 L3 Ts = Substrate temperature, Pm = Nitrogen pressure X-Rav Diffraction Analysis and Structure of The Coatings: The structure of the coatings was analysed by a glancing angle X-ray diffractometer with thin film attachment (Philips Model PW3710 based) using Cu Ka radiation over the 28 range of 20-120°. The 6 scan method with the fixed incidence angle of 0.5° was used. Phases in the film were identified by matching the diffraction peaks with the peaks of standard cards from PC-PDF database. Furthermore, the lattice parameters were derived from the x-ray diffraction peaks using standard Cohen- xixWagners plot for cubic crystal structure and Cohen procedure for hexagonal crystal structure. X-ray analysis of the samples showed the formation of stoichiometric hexagonal 6- MoN and face centered cubic y-Mo2N phases depending on coating parameters. Stability regions of the phases deposited at temperatures above 400°C were mapped with respect to nitrogen pressure and bias voltage in Figure 1. High nitrogen pressures and low bias voltages promoted the formation of 8-MoN phase The stability region gets narrower by increasing bias voltage. On the contrary, y- Mo2N phase has a large stability region at lower nitrogen pressures and the stability region extends up to the pressure of 1.2 Pa with increasing bias voltage. There exists a mixed phase range between the 5-MoN and y-Mo2N stability regions. Ratio of y-Mo2N phase in the mixed phase increased with bias voltage. 2.0 Ts > 400“ C, Cathode Current» 130 Amp _ 1 « 1. 8 1- & 1- fc 1. ti a> 1. £ t o. o. o, o, o, o o c V O) o -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 BIAS Voltage, (Volt) Figure 1. Stability regions of Mo-N phases with respect to nitrogen pressure and bias voltage, (marked data by symbol, f, taken from reference [6]) The preferred orientation was (200) for both 8-MoN and y-Mo2N phases. The coatings with mixed phase structure had a complicated x-ray diffraction pattern composed of 5-MoN and y-Mo2N phases. An undefined peak was observed at about 29 = 34.855 in the diffraction patterns of the mixed phases. The intensity of the peak increased with increasing 5-MoN in the coatings. The theoretical calculation showed that the unknown peak could be of (1 1 1) planes of hexagonal 5-MoN phase. Substrate temperature has a considerable influence on the formation range of the phases. Lowering the substrate temperature facilitated the formation of 8-MoN phase. On the other hand, coating temperature had a considerable effect on surface roughness of the coatings (Table 2). The films consisting of the same phases, which were deposited at low and high temperature (the samples H14 - L1 or H3 - L3) had different surface roughness. The surface roughness measurements showed that decreasing substrate temperature lowered the surface roughness of the coatings. Another effect of the substrate temperature was on film growth morphology. While ZONE-I fine columnar growth model was effective at low temperatures for both y- Mo2N and 5-MoN phases, increasing substrate temperature changed the morphology to ZONE-T for 5-MoN and to ZONE-II for y-Mo2N. Porosity tests (Cu Decoration test) showed that low temperature y-Mo2N coatings having ZONE-I xxmodel morphology had higher porosity. When the morphology changed to ZONE-II for high temperature y-Mo2N, porosity decreased. On the other hand, in high temperature 5-MoN coatings, because of morphological change from ZONE-I to ZONE-T at higher substrate temperatures, porosity increased. There was a relation between growth morpholgy and orientation of the Mo-N coatings. In strongly oriented coatings (high temperature 5-MoN), structure had columnar ZONE-T model. In the high temperature y-Mo2N coatings having weak orientation the growth mode was ZONE-II. When the orientations of the coatings were almost the same (low temperature 8-MoN and y-Mo2N), the growth model was ZONE-I. These indicated a relation between crystal orientation and film growth model. Table 2. Phase components and Surface roughness of the coatings Hardness of The Coatings: Hardness measurements were carried out on Fischer Ultra Microhardness Tester with load sensitivity of 0.2 mN and depth sensitivity of 0.01 nm. Load was applied in steps of 0.2 mN so that the Vickers pyramide indenter penetrate to tenth part of coating thickness, which is about 120 nm. Each measurement was repeated at least 12 times for an average hardness value. The highest hardness was about 5085 ± 198 kg/mm2, which was measured on the samples containing pure 5-MoN phase (samples L1 and H14). The samples with pure y-Mo2N phase had the lowest hardness values of about 3372 ±100 kg/mm2, (samples H3 and L3). Substrate temperature did not affect the coating hardness. In mixed phase coatings, 5-MoN made the coating harder and the hardness of the mixed phase increased up to approximately 4750 kg/mm2 by increasing of 5-MoN ratio. Scratch (Adhesion) Tests: In order to investigate the adhesion properties of Mo-N coatings, IPA Scratch tester with diamond Re indentor was used. The coatings were scratched up to 80 N normal load by using 10 mm/min scratching speed and 100 N/min loading speed. All the samples had the same critical load, Lcl of about 8 N and the same crack pattern. Scanning electron microscopy observation of all the samples revealed a mixture of tensile and compressive cracking mode. Despite coatings cracked under the load above 8N, the coatings did not spall out even at load of 80 N. Among extremely hard ceramic coatings, only Mo-N coatings exhibit such a good adhesion property. Ball on Disc Wear Tests: Ball on disc wear tests were conducted on low and high temperature coating samples using 2 N, 7 N and 15 N normal loads and 0.2 m/sec sliding velocity conditions. The ball material for all tests was Al203. After 1 km sliding distance, there was not any measurable wear depth on the coating surface for each test except XXIsurface smoothening. However, ball wear rates were showed differences. For coatings produced at low temperatures (lower surface roughness) the ball wear rates were lower (between 1x1 0”9 - 6x1 0“9 mm3/Nm). In the case of coatings produced at high temperatures the ball wear rates varied between 1x10”* - 4x1 0"* mm3/Nm. The ball wear rates sliding against TiN coatings were 14 fold greater than the balls against low temperature Mo-N coatings. Observation of the wear traces on the coatings surface showed the existence of a third body containing oxygen and molybdenum in the middle of the trace. The friction coefficient of each sample had differences at the beginning of tests however, approached to the same value of about 0.4 at the end of the test. This might be an indication of the determining role of molybdenum oxide layer between coating surface and the ball. Multilayer Coatings: Multilayer coatings containing thin hexagonal 8-MoN / cubic y-Mo2N layers had hardness of 5679 ± 364 km/mm2. Each layer was deposited by repeated bias voltage change between -150 V and -400 V for 10 second. Therefore, the thickness of each layer was approximately 20 nm. Because of very thin layer thickness, 8- MoN/y-Mo2N multilayer coating showed hardness rise indicating a possible superlattice coating formation. Hardness of the multilayer coating was 1.4 fold greater than the calculated hardness according to rule-of- mixtures. The deposition technique, based on changing bias voltage for the production of multilayer coatings, was used for the first time in this study. xxu
Benzer Tezler
- Ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle nanokompozit Mo-N-Cu kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production of Mo-N-Cu nanocomposite coatings by arc physical vapour deposition technique and their characterization
OSMAN LEVENT ERYILMAZ
- Molibden nitrür kaplamaların aşınma davranışı
Başlık çevirisi yok
İ.BÜLENT NİLÜFER
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SABRİ KAYALI
- Alaşım (MoCu), katot kullanarak (Mo-N-Cu) nanokompozit kaplamaların ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Mo-N-Cu, nanocomposite coatings deposited by arc pvd using (Mo-Cu) alloy cathode
MORTAZA MOHAMMADIMOGHANJOUGHI
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Alüminyum ve alüminyum silisyum alaşımlarının ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle Mo-N kaplanması
Mo-N coating of alüminum and alüminium silicon alloys with are physical vapour diposition technique
YASEMİN KILIÇ
- Molibden-nitrür ince film kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
YUSUF IŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN