Nitrür esaslı sert seramik ince film kaplamaların oksidasyon davranışları
Oxidation behaviours of nitride based hard ceramic thin film coatings
- Tez No: 126680
- Danışmanlar: PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2002
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
NİTRÜR ESASLI SERT SERAMİK İNCE FİLM KAPLAMALARIN OKSİDASYON DAVRANIŞLARI ÖZET ince film yüzey teknikleri malzemelerin dış görünüşlerinin değiştirilmesinde ve altlık malzemenin özelliklerinin geliştirilmesinde büyük bir öneme sahiptir. Günümüzde uygulanan seramik kaplamaların %50'den fazla bir kısmı buhar fazından üretilen ince film kaplamalardır. TİN ve CrN günümüzde çeliklerin aşınma ve korozyon dirençlerini arttırmak için en yaygın olarak kullanılan kaplama türleridir. Malzeme yüzeyine uygulanan sert nitrür veya karbür kaplamalar özellikle kesici takım uçlarında ve basınçlı döküm kalıplarında yüksek aşınma direncinden dolayı büyük kullanım alanı bulmuşlardır. Ancak bu kaplamaların kullanım alanını sınırlayan en büyük etken oksidasyon dirençlerinin çok yüksek olmamasıdır. En yaygın olarak kullanılan TİN 600 °C, CrN ise 700“C'den itibaren oksitlenmeye başlar. Artan sıcaklık kaplamaların deforme olup fonksiyonlarını yerine getirmesini engeller. Oksidasyona dayanıklı kaplama üretmek için öncelikle oksidasyon mekanizmasının bilinmesi gerekir. CrN ve TİAIN'ün TiN'e göre yüksek oksidasyon direnci göstermesinin nedeni korucu Cr203 ve Al203 oksit filmlerinin oluşmasıdır. Bu çalışmada amaç farklı tipte üretilen kaplamaların oksidasyon davranışlarının karşılaştırılması ve oksidasyon mekanizmalarının tespit edilmesidir. Çalışmada Ark- FBB (Fiziksel Buhar Biriktirme) tekniği ile üretilmiş TİN, CrN, y-Mo2N ve %1-1,5 bor içerenTi-B-N kaplamalar kullanılmıştır. Altlık malzemesi olarak alumina (Al203) ve H13 sıcak iş takım çeliği kullanılmıştır. Termogravimetrik testlerde sadece kaplama tabakasının oksidasyonunu incelemek için altlık malzemesi olarak alumina (Al203) kullanılmıştır. Mekanik deneylerde ve bakır dekorasyonu testinde taban malzemesi H1 3 olan kaplamalar kullanılmıştır. Kaplamaların ön karakterizasyonunda; sertlik, kalınlık ölçümleri yapılmış, bakır dekorasyonu ile tabana ulaşan boşluklar tespit edilmiş, ince film ataçmanlı XRD (Glancing Angle XRD) analizi ile kaplamaların faz yapıları tespit edilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu ile kaplamaların kırık ve üst yüzey görüntüleri alınmıştır. Tablo 1'de kaplamaların sertlik ve kalınlık değerleri verilmiştir. %1-1,5 gibi düşük oranlarda bor ilavesi TİN kaplamaların sertliğini %10 kadar arttırmıştır. XIITablo 1. H1 3 taban malzemeli kaplamaların sertlik ve kalınlık değerleri Alümina (Al203) üzerine yapılan kaplamaların izotermal ve dinamik oksidasyon deneyleri termogravimetrik olarak TG/DTA cihazında yapılmıştır. Dinamik oksidasyon deneylerinde 10°C/dk ısıtma hızıyla numuneler 1000°C'ye kadar ısıtılmış ve bu esnada meydana gelen reaksiyonlardan dolayı açığa çıkan ısı ve ağırlık değişimi tespit edilmiştir. Bundan sonra oksidasyonun başladığı sıcaklıktan itibaren her numune en az üç sıcaklıkta izotermal olarak tekrar deneye tâbi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre oksidasyon kinetiği incelenmiştir. Oksidasyon işlemi H13 taban malzemesi üzerine kaplanan numunelere ise tüp fırında uygulanmıştır. TG/DTA sonuçlarına göre belirlenen sabit sıcaklıklarda değişen sürelerde oksitlenen numunelerin kırık yüzeylerinden oksidasyonun ilerleyişi incelenmiş ve bu sonuçlarda TG/DTA sonuçlarıyla ilişkilendirilmiştir. Tabanın oksidasyon davranışı üzerine etkilerini incelemek amacıyla yapılan düşük sıcaklıktaki uzun süreli izotermal deneyler H13 taban malzemeli TİN, Ti-B-N ve CrN numunelere 550°C'de 10 saat süreyle uygulanmış ve deneyler sonrasında kaplama yüzeyleri taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Bu incelemede ED S yardımıyla elemenici analiz yapılmıştır. TİN kaplamalar için yapılan oksidasyon deney sonuçlan Alümina ve H13 taban malzemeli kaplamalara yapılan oksidasyon deneyleri sonucunda oksidasyon mekanizmasının parabolik hız eşitliğine uyduğu görülmüştür. Alümina taban malzemeli TİN kaplamaya uygulanan izotermal termogravimetrik analizler sonucunda kaplamanın oksidasyon reaksiyonu aktivasyon enerjisi 125 kJ olarak hesaplanmıştır. H13 taban malzemeli TİN kaplamalarda ise oksidasyon reaksiyonu aktivasyon enerjisinin alümina taban malzemeli TiN kaplamadan daha düşük (101 kJ) olduğu tespit edilmiştir. Oksidasyon reaksiyon ürünü rutildir (Ti02). Ti-B-N kaplamalar için yapılan oksidasyon deney sonuçlan Bor ilavesiyle birlikte TİN kaplamaların morfolojisinde değişme gözlenmiş, sertliği artmıştır. X ışınları analizinde bor ve bileşikleri tespit edilememiştir. Bor oksitlerin uçma sıcaklığı olan yaklaşık 750°C'ye kadar kaplamanın oksidasyon mekanizması parabolik hız kanununa uygundur. Alümina taban malzemeli numunelerde aktivasyon enerjisi 158 kJ iken H13 taban malzemeli Ti-B-N kaplamalardaki aktivasyon enerjisi 115 kJ olarak belirlenmiştir. Oksidasyon ürünü olarak sadece rutil (”no2) tespit edilmiştir. Oksidasyon direnci Ti-B-N kaplamaların TİN kaplamalardan daha yüksek olmasına karşın sıcaklık arttıkça oksidasyon mekanizması değişmekte ve kaplamada oksidasyon hızla ilerlemektedir. CrN kaplamalar için yapılan oksidasyon deney sonuçlan Oksidasyon direnci en yüksek kaplama olarak CrN kaplama tespit edilmiştir. Oksidasyon ürünü olan Cr203 son derece koruyucudur ve oksidasyonun ilerlemesini engeller. H13 taban malzemeli CrN kaplamalara uygulanan deneyler sonucunda XIIIölçülebilir düzeyde oksit film kalınlığı tespit edilememiştir. Alümina taban malzemeli numunelerde aktivasyon enerjisi 240 kJ olarak hesaplanmıştır. Oksidasyon reaksiyonu sırasında CrN'ün Cr2N'e parçalandığı tespit edilmiştir. Y-Mo2H kaplamalar için yapılan oksidasyon deney sonuçlan Üstün mekanik ve tribolojik özelliklerine karşın y-Mo2N kaplamaların oksidasyon dirençlerinin çok düşük olduğu tespit edilmiştir. Oksidasyon reaksiyon ürünleri koruyucu oksitler değildir ve M0O3 uçucudur. Oksidasyon reaksiyonuna ilave olarak y-Mo2N, 681°C'den itibaren parçalanır. Sonuç olarak y-Mo2N kaplamalar yüksek sıcaklıkta kullanıma uygun değildir. Düşük sıcaklıkta uzun süreli oksidasyon deney sonucunda her üç kaplamada da tabana ait demir oksitler tespit edilmiştir. Bu oksitler kaplamada tabana kadar ulaşan hatalı bölgeler ve dropletler etrafında yoğun olarak görülmüştür. Sonuç olarak kaplamanın oksidasyon davranışı üzerinde taban malzemesininde etkisi vardır. XIV
Özet (Çeviri)
OXIDATION BEHAVIOURS OF NITRIDE BASED HARD CERAMIC THIN FILM COATINGS SUMMARY Surface finishing by thin film technology is an important industrial process to improve the appearance of materials and to impart properties which deviate from those of the bulk. One example of the improvement of materials like steels and synthetics with respect to their wear and corrosion resistance is the coating with a thin film of metal nitrides such as TiN, CrN. Hard nitride or carbide coatings have found widespread use as a wear resistant layer on tools such as cutting tools and die tools. Since these tools operate at elevated temperatures in air, the oxidation resistance is of increasing importance in these applications as TiN film is easily oxidized above approximately 600 °C and CrN 700°C. Oxidation mechanism must be known in order to improve the oxidation resistance. The degradation of the performance of coated parts such as-dri!! and die molds is accelerated b^-gjadafion in used environment, so that it is important to investigate the oxidation behavior of coating films. According to previous reports, CrN films have a good corrosion resistance and TiAIN coated drills have a better performance than TiN coated ones. These results suggest that the coating materials including Cr and Al will form a protective surface layer of Cr203 and Al203 under the used environment. In this study, the oxidation mechanism and oxide film morphology were investigated for prepared coatings. The aim of this study is, to compare the oxidation behavior of different coatings and find out their oxidation mechanisms. In this study, TiN, CrN, y-Mo2N and 1-1.5 %B containing Ti-B-N coatings produced by physical vapour deposition (PVD) technique were used. Al203 and H13 steel were used as substrate materials. Al203 substrates were used only for the investigation of oxidation of coating layer during TG tests. H13 substrates were used for mechanical tests and copper decoration technique. Hardness and thickness of coatings were measured and coatings defects through the substrate by copper decoration technique and also phases in coatings by XRD were determined. Surfaces and cross sectional images of the samples were taken by using scanning electron microscopy (SEM). Thickness and hardness of coatings were given in Table 1. Hardness of TiN coatings increased by 10% with adding 1- 1.5% boron. xvTable 1. Hardness and thickness of coatings deposited on H13. Isothermal and dynamic oxidation experiments of the coatings on Al203 were done by TG/DTA instrument. Samples were heated to 1000°C with the heating rate of 10°C/min. and during this operation the heat and weight change caused by reactions were measured. After that, from the temperature at which the oxidation has started every sample was examined isothermally by using at least three different temperatures. Oxidation kinetics was investigated according to the results TG/ DTA experiments. Oxidation experiments on the coatings deposited on H13 were done in horizontal tube furnace at constant temperatures which have been determined by TG/DTA analysis with different duration times. Oxidation growth was investigated on the cross section of the oxidized coating and these results were combined with TG/DTA experiments results. In order to realize the substrates effect on oxidation behaviour, low temperature and long time isothermal experiments were done (at 550 °C during 10 hours). These experiments were carried out using TiN, Ti-B-N and CrN enatLngs deposited on H13 substrates. After these experiments coating surfaces were investigated by SEM. For elemental analysis EDS unit was used. Oxidation experiments results for TiN coatings The oxidation mechanism of TiN coatings on both substrates was complied with the parabolic rate equation. The activation energy of oxidation reaction for TiN coated Al203 was calculated as 125 kJ according to the isothermal gravimetric analysis results. Besides, TiN coated H13 substrates have lower activation energy (101kJ). Oxidation product was rutile (Ti02). Oxidation experiments results for Ti-B-N coatings Hardness and morphology of TIN coating were modified with boron addition. B and its compounds were not detected by XRD. The oxidation mechanisms of the Ti-B-N coatings were complied with parabolic rate equation till app. 750 °C (the volatilization) temperatures of boron oxide). Although the activation energy of the oxidation reaction for Ti-B-N coated Al203 was 158 kJ, for Ti-B-N coated H13 was 115kJ. Only Ti02 was determined as an oxidation product. Even though oxidation resistance of Ti-B-N coatings is greater than TiN coatings, mechanism of oxidation changes and oxidation accelerates with increasing temperature. Oxidation experiments results for CrN coatings CrN coating was determined as the highest oxidation resistant coating. Oxidation product, Cr203, is so protective and avoids the oxidation growth. After oxidation experiments on CrN coated H13 substrate, oxide film thickness can not be measured. The activation energy of the oxidation reaction for CrN coated on Al203 was calculated as 240 kJ. During the oxidation reaction, CrN decomposed into Cr2N. xviOxidation experiments results for y-Mo2N coatings Although y-Mo2N coatings have extreme hardness and tribological properties, their oxidation resistance is not as good as the other coatings. Oxidation reaction products are not protective and M0O3 is volatile. y-Mo2N decomposed above 681 °C. As a result y-Mo2N coatings can not be used at high temperatures applications. Iron oxides belong to substrate were detected on all coatings after low temperature long time oxidation experiments. These oxides have been detected around of the droplets and defected areas through the substrate. As a result, substrate affects on the oxidation behaviours of coating. XVII
Benzer Tezler
- 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
OĞUZ YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KÜRŞAT KAZMANLI
- Zirkonyum hafnium nitrür kaplamaların mekanik ve aşınma özelliklerinin incelenmesi
An investigation on mechanical and tribological properties of zirconium hafnium nitride coatings
ERDEM ATAR
Doktora
Türkçe
2004
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SABRİ KAYALI
- Mo-N kaplamaların ark fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterisation of Mo-N coatings by arc physical vapour deposition technique
M. KÜRŞAT KAZMANLI
- Uygulanan farklı hızlandırma voltajı türlerinin KA-FBB yöntemi ile üretilen Ti ve TiAlN kaplamaların korozyon davranışları üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different bias modes applications on the corrosion behavior of Ti and TiAlN coatings produced by CA-PVD technique
DİLAN ER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- CrN kaplama üretiminde pulse bias etkisi
Pulse bias effect on CrN coating process
ONUR GÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN