Kimyasal buhar biriktirme yöntemi (KBB) metal iĢleme teknolojilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yöntemin uygulanma alanlarının baĢında malzeme yüzeyleri üzerine ince film tabakalarının oluĢturulması gelmektedir. Kimyasal buhar biriktirme iĢleminde malzeme veya kimyasal bileĢikler buharlaĢtırılır ve bunlar sıcak yüzeyler üzerinde ayrıĢtırılır. Doğrudan biriktirme veya buharlaĢtırılan malzemeden farklı yeni bir ürün elde etmek için kimyasal reaksiyonla biriktirme Ģeklinde de olabilir. ġekil 3.7‟de kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle kaplama tabakasının oluĢturulmasında takip edilen iĢlem sırası Ģematik olarak verilmektedir. Kimyasal reaksiyonlar, sıcak yüzeylerin üzerinde veya yakınında meydana gelir ve ürünler, yüzey üzerine ince film olarak depolanır. Beklendiği gibi çok fazla çesitlikte malzeme depolamak ve çok geniĢ kalınlık aralıklarında uygulama yapmak mümkündür.
ġekil 3.7. Kimyasal buhar biriktirme yönteminde iĢlem sırası [56]
KBB prosesinin birçok değiĢkeni vardır. Bunlar, sıcak duvarlı reaktörler, soğuk duvarlı reaktörler, düĢük basınçlı / atmosferik basınçlı / yüksek basınçlı reaktörler, taĢıyıcı gazlı veya taĢıyıcı gazsız reaktörler gibi gruplara ayrılırlar. Bu reaktörlerde, 200oC -1600oC sıcaklıklar arasında biriktirme iĢlemleri yapılabilir. Aynı zamanda, KBB iĢlemleri, kullanılan enerji kaynağı (plazmalar, iyonlar, fotonlar, lazerler, sıcak flamanlar veya biriktirme oranını yükseltici yanma reaksiyonları ve/veya düĢük biriktirme sıcaklıkları) bakımından da değiĢik gruplara ayrılabilir. KBB prosesinin ince film biriktirme metodu olarak avantajları vardır. En önemli avantajlarından birisi genellikle altlık ile uyumlu olmasıdır. Yani, bu filmler karmaĢık Ģekilli parçalara uygulanabilir. KBB prosesinin bir diğer avantajı da çok yüksek saflıkta biriktirmeye imkan vermesidir. Diğer avantajları göreceli olarak yüksek biriktirme oranları ve genellikle fiziksel buhar biriktirme prosesi kadar yüksek vakuma gerek duymamasıdır [57,58].
KBB iĢleminin daha düĢük sıcaklıklarda yapılabilmesini sağlamak amacı ile bu tekniğin plazma destekli türü olan plazma-destekli kimyasal buhar biriktirme (PDKBB) ve radyo frekansı (RF) yöntemleri son yıllarda üzerinde en çok yoğunlaĢılan kaplama yöntemlerindendir. Bu tekniklerin diğer yöntemlere göre en önemli üstünlüğü kaplanacak malzemeyi yüksek sıcaklığa çıkarmadan kaplamaya olanak sağlamasıdır. Kimyasal buhar biriktirme tekniğinde ince film büyütme sıcaklığı 700o
C-900oC arasında değiĢirken plazma-destekli kimyasal buhar biriktirme
yönteminde büyütme sıcaklığı daha düĢük sıcaklıklarda (150o
C-350oC) gerçekleĢebilmekte ve bu yönüyle daha avantajlı olmaktadır. Yüksek büyütme sıcaklıkları altındaki uygulamalarda difüzyonlar ve benzer sorunların oluĢabilmesi mümkün olmaktadır. ġekil 3.8‟de görüleceği gibi plazma-destekli kimyasal buhar biriktirme (PDKBB) sistemi ana hatlarıyla Ģu Ģekildedir.
Ġçerisinde plazmanın elde edildiği reaktör,
Birbirine paralel olan disk Ģeklindeki iki elektrot,
Gazların bileĢenlerine ayrılması için radyo frekanslı gerilim uygulayan RF jeneratörü,
Reaktöre kontrollü bir Ģekilde gaz akıĢını sağlayan iğne vana,
AkıĢ ölçer,
Düzenleyicilerin olduğu gaz giriĢleri ile
ÇıkıĢtaki mekanik vakum pompasından meydana gelmektedir.
Paralel iki elektrot arasına doğru akım (DC) uygulanarak elektrik alanın katkısıyla elektrotlar arasında birkaç petafarad (pF) değerinde bir kapasitans oluĢur ve radyo frekansı (RF) sinyali buraya uygulanır. Gazlar anot-katot arasına gönderilerek plazmanın sadece bu iki elektrot arasında oluĢması sağlanmaktadır. Bu, plazma
oluĢması istenilen kaplamanın cinsine göre ortamda bulunan SiH4, GeH4 gibi gerekli
bulunan gazları bileĢenlerine ayırır ve altlık üzerinde ince bir film tabakası halinde kaplanmasını sağlar. BaĢlangıç olarak bu teknikte tabakalar arasına uygulanan elektrik alan ortamda bulunan gazların kinetik enerjilerinin artmasına ve bu sayede gaz ortamından ayrılan bazı gaz moleküllerinin iyonize olmasına sebep olur. Ġyonize olmuĢ moleküllerin birbirleri arasında etkileĢimleri sonucunda reaksiyon baĢlatılır. ĠĢlem devam ederken ortamda yeni elektronların üretilmesi durmaz ve bu durum plazmanın oluĢumu ile sonuçlanır [59].
BÖLÜM 4. TiN VE TiAlN ESASLI KAPLAMALAR
4.1. GiriĢ
Malzemelerin tribolojik özelliklerine bağlı olarak yapılan uygulamalarda hem malzemenin oksidasyona karĢı gösterdiği direnç hem de sertlik, tokluk, aĢınma direnci ve sürtünme özellikleri önemlidir [60]. N, C ve B esaslı geçiĢ metallerinin (Ti, Al, W, V, Nb, Zr, Cr) ikili bileĢimlerinin metal malzemelerin yüzeylerinde biriktirilmesi sonucunda ince film kaplamalar elde edilmesine yönelik geniĢ kapsamlı çalıĢmalar yapılmaktadır. Daha yüksek özellikler elde edebilmek amacıyla iki veya daha fazla katmanlı tabakalar oluĢturulmaya çalıĢılmaktadır. Çok katlı tabakaların istenmesindeki temel amaçlar; nano çatlakların yayılmasını durdurmak veya azaltmak, gerilimleri kontrol etmek ve dislokasyon hareketlerini kontrol ederek çatlama ve kırılma direncinin arttırılmasıdır [61,62].
Metal nitrürler çeliklerin makine ile iĢlenmesinde aĢınmaya dirençli kaplamalar olarak ve çelik kesme takımlarında korozyon ve abrasyon direncinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna ilaveten ince film halindeki nitrürlere olan ilgi mimari camlar üzerindeki ayırıcı iletim kaplamaları ve entegre devrelerdeki difüzyon bariyeri gibi alanlarda hızla büyümektedir. [62]. Tablo 4.1‟de metal nitrürlerin kullanım alanlarıyla ilgili örnekler verilmektedir.
Titanyum nitrür (TiN) ve titanyum alüminyum nitrür (TiAlN) geçiĢ metal nitrürleri, teknolojik kullanımlarda geniĢ bir uygulama alanına sahiptirler. Bu metal nitrürlerin bağlanma yapıları genellikle kovalentdir. Metal malzemelerin yüzeyinde oluĢturulan TiN ve TiAlN kaplamaların yüksek sertliği, mükemmel aĢınma dirençleri ve kimyasal inertlikleri bu bağ yapısından kaynaklanmaktadır [5].
Tablo 4.1. Metal nitrürlerin kullanım alanları [17,61,63]
Metal nitrürlerin kullanım alanları
Otomotiv Makine imalatı Kalıplar ve
takımlar Diğer alanlar
Krank milleri Kam milleri Valfler Valf yayları Piston kolları DiĢliler Yağ pompa diĢlileri Yakıt enjeksiyon sistem parçaları Civata, pim, fikstürler Hidrolik pistonlar DiĢliler ġaftlar Dövme kalıpları Sac kalıpları Ekstrüzyon kalıpları Plastik, bakalit ve metal enjeksiyon kalıpları Kesme kalıpları Matkaplar, zımbalar, frezeler, bıçaklar, broĢlar Takım tutucular Medikal implantlar Dekoratif uygulamalar Mikroelektronik uygulamalar
Titanyum nitrür kaplamalar, sahip oldukları yüksek sertlik, aĢınma ve korozyon dirençlerinden dolayı metal iĢleme takımlarının ve makine parçalarının kullanım ömürlerini uzatmak amacıyla kullanılmaktadır [64]. Ancak, titanyum nitrür
kaplamanın yüksek sıcaklıkta oksidasyona uğrama sınırı yaklaĢık olarak 550oC‟dir.
Bu sıcaklıkta titanyum oksit (TiO2) oluĢmaktadır. Titanyum nitrür (TiN) ile TiO2 arasındaki büyük molar farklılıktan dolayı tabaka üzerinde basma gerilmesi oluĢur, bunun sonucunda oksitlenmemiĢ tabakada da yeni oksit oluĢmaktadır. Üçüncü bir elementin ilave edilmesiyle oluĢan yapılara titanyum alüminyum nitrür (TiAlN) iyi bir örnektir. TiAlN kaplamalar, TiN kaplamaların sahip olduğu özelliklere ilave olarak yüksek çalıĢma sıcaklıklarında gösterdikleri performanstan dolayı TiN kaplamalara alternatif olarak kullanılmaktadır. Al atomlarının TiN‟in kristal yapısının içerisine ilave edilmesiyle yüksek sıcaklıklarda yapılan çalıĢmalarda hem
yoğun hem de kararlı bir yapıya sahip olan Al2O3 tabakanın oluĢmasıyla kaplamanın
oksidasyona karĢı direnci artmaktadır [62,64,65]. TiN faza Al ilave edilmesiyle genellikle metalik veya kovalent bağ sonucunda polar arafaz oluĢur. TiAlN kaplamalar yaygın olarak kesme ve Ģekillendirme takımlarında kullanılırlar ve bu takımlar özellikle yüksek hızlı kesme çalıĢmalarında tercih edilirler [61].