Geri Dön

Manyetik sıçratma tekniği ile üretilmiş Mo2N ve nanokompozit Mo-N-Cu kaplamaların aşınma davranışlarının karşılaştırılması

Comparison of fretting behavior of Mo2N and nanocomposite Mo-N-Cu coatings produced by magnetron sputtering technique

  1. Tez No: 142876
  2. Yazar: AHMET ÖZTÜRK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2003
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 144

Özet

MANYETİK SIÇRATMA TEKNİĞİ İLE ÜRETİLMİŞ Mo2N VE NANOKOMPOZİT Mo-N-Cu KAPLAMALARIN KAZIMALI AŞINMA DAVRANIŞLARININ KARŞILAŞTIRILMASI ÖZET Sert kaplamalar malzemelerin aşınma ve sürtünme özelliklerinin geliştirilmesi amacı ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde uygulanan seramik kaplamaların %50'den fazla bir kısmı buhar fazından üretilen sert kaplamalardır. Geçiş elemetlerinin nitrürleri (TİN, CrN, ZrN) çok yaygın kullanım alanına sahip ince film kaplamalardır. Gelişen teknolojiye paralel olarak, teknolojinin daha sert kaplamalara ihtiyaç duyması daha ağır koşullarda çalışabilen (TiAl)N, Ti(CN) gibi çok bileşenli kaplamalar ve TİC/TİB2 gibi çok katlı kaplamalar gelişmesine yol açmıştır. Günümüzde kullanılan seramik kaplamaların özelliklerin geliştirilmesi yönünde çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Günümüzdeki en son yaklaşım kaplamaların tane boyutlarının çok düşük seviyelere indirildiği nanokompozit kaplama teknolojisidir. Nanokompozit kaplamalar ile çok sert kaplamalar olarak sınıflandırılan sertliği 40Gpa'nm üzerinde kaplamalar üretilebilmektedir. Nanokompozit üretiminde iki temel yaklaşım söz konusudur. Bunlar; birbiri içinde çözünürlüğü bulunmayan iki fazdan oluşan nanokompozit kaplamalar (nc-TiN/a-Sİ4N4/a-TiSİ2-nc-TiSİ2 ) ve birbiri içince çözünürlüğü bulunmayan sert ve yumuşak fazdan oluşan nanokompozit kaplamalar (ZrN-Cu, CrN-Cu, TiN-Cu ve AİN-Cu) olarak sınıflandırılabilir. Mo-N sistemi, triboloji alanın kullanılmaya başlanan yeni bir kaplama sistemidir. Molibden nitrür kaplamalar yumuşaktan serte farklı bileşimlerde üretilebilmektedirler. Aşınma ve sürtünme özellikleri de oldukça iyidir. Bu çalışmada amaç manyetik alanda sıçratma tekniği ile üretilmiş MoN-Cu nanokompozit ve Y-M02N kaplamaların aşınma davranışlarının karşılaştırması ve aşınma mekanizmalarının belirlenmesidir. Ayrıca bağıl nemin aşınma davranışı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Taban malzemesi olarak yüksek hız çeliği kullanılmıştır. Taban malzemeleri Ra=0.09 um yüzey pürüzlülüğü elde edilene kadar parlatılmıştır. Taban malzemeler parlatmanın ardından sıcak alkali temizleme banyosunda ultrasonik olarak temizlenmiş ve ardından trikloretilen içerisinde kurutulmuştur. Daha sonra kaplama işlemine geçilmiştir. Kaplamalar elde edildikten sonra ön karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Kaplamaların ön karakterizasyonunda; sertlik, kalınlık ve pürüzlülük ölçümleri yapılmış, ince film ataçmanlı XRD (Glancing Angle XRD) analizi ile kaplamaların XVfaz yapıları tespit edilmiş ve elde edilen X-Işmları paternlerinden, Schrerrer formülü kullanılarak kaplamaların tane boyutları hesaplanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ve yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile kaplamaların kırık ve üst yüzey görüntüleri alınmıştır. Ayrıca Mo-N-Cu sistemi nanokompozit kaplamada bulunan bakır içeriği taramalı elektron mikroskobuna bağlı bulunan EDS (Eneji Dağılım spektrometresi) dedektörü ve Voyager analiz sistemi kullanılarak tespit edilmiştir. Yapılan XRD incelemelerinin sonucunda, bakır içermeyen kaplamalarda oluşan yapının kübik y-Mo2N fazı olduğu belirlenmiştir. MoN-Cu nanokompozit kaplamalarda ise bakırın yapıya girmesi ile birlikte kübik Y-M02N fazına ait olan şiddeti yüksek piklerin şiddetlerinde azalma ve genişleme görülmüştür. Daha sonra yapılan tane boyutu incelemesinde ise Y-M02N kaplamaların tane boyutunun 10,06 nanometre ve MoN-Cu kaplamalarında ise 8,34 nanometre olduğu bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar göre bakırın yapıya girmesiyle tane boyutunun düştüğü tespit edilmiştir. Kaplama sertlikleri sırasıyla Y-M02N ve MoN-Cu kaplamalar için 2990 kg/mm2 ve 2920 kg/mm2 olarak bulunmuştur. Yapılan EDS analizinde ise MoN-Cu kaplamalarda %21.15 atomik bakırın yapıya girdiği belirlenmiştir. Elde edilen bu sonuçlar ilişkilendirildiğinde ortaya çıkan en önemli sonuç; kaplamaya %21,15 Atomik Cu gimesine rağmen sertliğin değişmemesidir. Yapılan yüzey pürüzlülüğü çalışmalarında elde edilen ortalama yüzey pürüzlülük değerleri MoN ve MoN-Cu kaplama için sırasıyla 0,32 ve 0,40 p.m olarak bulunmuştur. Elde edilen sonuçlara bakıldığında her iki kaplamanın yüzey pürüzlülüğün çok yakın olduğu söylenebilir. Yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu ile yapılan kırık yüzey incelemelerinde, bakır içermeyen Y-M02N kaplamarm ZONE II yapısına uyan kolonsal yapıda olduğu gözlenmiştir. MoN-Cu kaplamada, bakırın yapıya girmesiyle oluşan yüzey morfolojisi değişmiş ve yapı daha yoğun hale gelerek kolonsal yapının yok olduğu yeni bir kırık yüzey morfolojisi belirlenmiştir. Bu ön karakterizasyon işleminden sonra kaplamaların aşınma davranışlarını karşılaştırmak amacı ile kazımalı aşınma deneyleri yapılmıştır.. Bağıl nemin kaplamaların aşınma davranışına etkisini belirlemek amacıyla kazımalı aşınma deneyleri biribirinden farklı 3 bağıl nem (%32, %50, %85) ortamında yapılmıştır. Kazımalı aşınma deneylerinde kullanılan parametreler Tablo l'de verilmiştir. Tablo 1. Kazımalı aşınma deney parametreleri Aşınma deney sonuçlarının sistematik bir şekilde incelenebilmesi için değişik nem oranlarında bilya ve disklerde meydana gelen aşınma izlerini taramalı elektron mikroskobu fotoğrafları incelenerek kaplamaların aşınma mekanizmaları belirlenmiş. Son olarakta bilya ve diskte meydana gelen aşınma derinliğinin belirlenmesi amacıyla yapılmış phase shift verileri değerlendirilmiştir. XVIKaplamalar kendi aralarında karşılaştırıldığında elde edilen sonuçlara göre,. Nem arttıkça MoN-Cu kaplamaların sürtünme katsayıları düşmüş ve aşınma derinliklerinde azalma olmuştur.. MoN kaplamalarda ise en düşük sürtünme katsayısı en düşük nem oranında elde edilirken, normal ortam deneyinde en yüksek sürtünme katsayısı ve nemli ortamda ise iki değerin arasında kalan sürtünme katsayıları elde edilmiştir. Aşınma derinliklerine bakıldığında ise her üç ortamda da kaplamalarda çok az aşındığı görülmüş ve artan nem miktarının aşınma derinliğine etkisi olmadığı sonucuna varılmıştır. Kazımalı aşınma deneylerinin sonucunda elde edilen genel sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir.. Her üç ortam için, MoN-Cu kaplamanın sürtünme katsayısı MoN kaplamanın sürtünme katsayısından daha düşüktür.. Her üç ortam için, MoN-Cu kaplamanın aşınma derinliği MoN kaplamaya göre daha yüksektir. Tablo l'de verilen kazımalı aşınma deney parametrelerine yapılan göre aşınma deney sonuçlarına göre, Y-M02N kaplamanın aşınma davranışının MoN-Cu nanokompozit kaplamalara göre daha iyi olduğu söylenebilir. xvıı

Özet (Çeviri)

COMPARISON OF FRETTING BEHAVIOR OF Mo2N AND NANOCOMPOSİTE Mo-N-Cu COATINGS PRODUCED BY MAGNETRON SPUTTERING TECHNIQUE SUMMARY Hard ceramic coatings are widely utilized for improving the tribological behaviour of materials. Nowadays more than % 50 of ceramic coatings is produced with vapor phase based coating techniques. As hard ceramic coatings, nitrides of transition elements (TiN, CrN, ZrN) have wide application areas. The needs for coatings able to function under severe conditions lead to the development of multicomponent (such as (TiAl)N, Ti(CN)) and multilayer(such as TiC/TiB2) coatings. There are some new approaches for producing superhard and tough coatings. At present time the most popular approach is to reduce the grain sizes of coatings by means of nanocomposite coating technology. Coating hardness over than 40 GPa can be achieved by using this technology. There are mainly two approaches for the production of nanocomposite coatings. These coatings composed of; two hard immiscible phases (nc-TiN/a-Sİ4N4/a-TiSİ2-nc-TiSİ2 ) and one hard and one soft immiscible phases (Zr-Cu-N, Cr-N-Cu, Ti-Cu-N and Al-Cu-N). Mo-N system is a relatively new subject in the coating technology. It is possible to produce Mo-N coatings with different compositions and different hardness properties. Mo-N coatings show good tribological properties when compored to TiN and TiAIN coatings. The aim of this study was to compare the wear behavior and to determine the wear mechanisms of MoN-Cu nanocomposite and MoN coatings produced by magnetron sputtering technique. In addition to this comparison, the effect of relative humidity on the wear mechanisms was investigated. High-speed steel was used as a substrate material. Substrates were subjected to a polishing procedure until Ra=0.09 (am surface roughness is achieved. After polishing step, substrates were cleaned in alkaline bath ultrasonically and dried immediately. Then the coating was introduced to the coating chamber. The hardness, thickness and roughness of the coatings were characterized. Phases in the coatings were identified by using glancing angle XRD analyses and also grain sizes of the coatings were calculated from the XRD patterns by Scherrer formula. Surfaces and cross sectional images of the samples were taken by using scanning electron microscopy (SEM) and field emission gun (SEM). The copper content in the nanocomposite MoN-Cu coatings was determined by EDS attached to SEM. XVlllThe XRD investigations revealed that, the phase found in the MoN coatings was gamma-Mo2N. On the other hand, in nanocomposite MoN-Cu coatings; by the introduction of copper, sharp and narrow XRD peaks in M02N coatings were broadened and their intensity decreased. According to Scherrer formula the grain sizes for MoN and MoN-Cu was calculated as 10.08 nm and 8.34 nm, respectively. These results were showed that participation of copper in the coating caused a decrease in the grain size of the coatings. Coating hardness was found as 2990 kg/mm2 and 2920 kg/mm2 for MoN and MoN- Cu coatings, respectively. %21.15 atomic Cu was determined in the MoN-Cu nanocomposite coatings by EDS analysis. The hardness of the coating did not show any decrease with the introduction of a high copper into the coating. Average surface roughness of the MoN and MoN-Cu coatings was 0.32um and 0.42pn, respectively. These results revealed that surface roughness values for both coatings were almost the same. Typical ZONE II columnar structure was observed by examining the cross sections of M02N coatings. In the MoN-Cu coatings presence of copper has resulted in a dense featureless fracture cross section. Fretting experiments were conducted to compare the wear properties of the coatings. Three different relative humidity test conditions were selected (%32, %50, %85) for fretting experiments in order to investigate the effect of relative humidity on the wear properties of the coatings. The fretting wear test parameters were given in Table 1. Table 1. Fretting wear test parameters. The wear tracks of the ball and flat samples were investigated by scanning electron microscopy to determine the wear modes for each experiment. The phase shift images and data were analysed to calculate for the wear depth of each track. According to the results obtained from the fretting wear experiments:. Increasing the relative humidity decreased the friction coefficient and the wear depth of MoN-Cu coatings.. The lowest friction coefficient value was observed at lowest relative humidity level in M02N coatings while the highest friction coefficient value was observed at middle range relative humidity. At the highest relative humidity, the friction coefficient of the M02N coating was between these two values mentioned above. Wear depth profiles of the M02N coating after the tests were significantly low for all of the three experiments and it was concluded that the relative humidity has no effect on wear depth profile of the coatings. XIXGeneral results for fretting wear experiments are summarized below,. For each of the three environmental conditions, the coefficient of friction of MoN-Cu (0,4-0,5)coatings was found to be lower than that of Mo2N (0,4-0,6) coatings.. For each of the three environmental conditions, wear depth MoN-Cu coating was found to be higher than that of M02N coatings. Under the experimental conditions used in this study indicated that although MoN- Cu coating has a lower coefficient of friction, the wear behavior of M02N is better than M02N-CU coating due to the lower wear depth of M02N coatings. XX

Benzer Tezler

  1. Tez No

    152320

    Ark fiziksel buhar biriktirme/magnetron sıçratma hibrid tekniği ile nanokompozit Cr-N-Cu kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

    Deposition and characterization of nanocomposite Cr-N-Cu films by cathodic arc PVD/magnetron sputtering hybrid system

    ERHAN ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN

  2. Tez No

    293768

    Deposition and characterization of single and multilayered boron carbide and boron carbonitride thin films by different sputtering configurations

    Tek ve çok katmanlı bor karbür ve bor karbonitrür ince filmlerinin farklı sıçratma teknikleriyle biriktirilmesi ve karakterizasyonu

    TOLGA TAVŞANOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. MİCHEL JEANDİN

    PROF. DR. OKAN ADDEMİR

  3. Tez No

    465251

    Galyum katkılı çinko oksit ince filmlerin karakterizasyonu ve üretim parametrelerinin ince filmlere olan etkilerinin incelenmesi

    Characterization of gallium doped zinc oxide thin films and investigation of the effect of growth parameters on the thin films

    ENVER KAHVECİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Bilim ve TeknolojiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ BETÜL KAYNAK

  4. Tez No

    506372

    A combinatorial study on hydrogen separation membranes

    Çoğulcu yaklaşımla hidrojen ayırıcı membranların geliştirilmesi

    FATİH PİŞKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK

  5. Tez No

    859180

    BiTeSb tabanlı ince filmlerin yapısal, elektriksel ve termoelektrik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of structural, electrical and thermoelectric properties of bitesb based thin films

    MEHMET ÇETİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiRecep Tayyip Erdoğan Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERCÜMENT YÜZÜAK

Geri Dön