Fiziksel Buhar Biriktirme Yöntemi İle Yapılan Zirkonyum Nitrür İnce Film Kaplamanın Kaplama Parametrelerinin İncelenmesi Ve Optimizasyonu

Abstract

Zirkonyum Nitrür (ZrN) kaplamalar endüstriyel alanda yaygın uygulaması olan diğer fiziksel buhar biriktirme (FBB) kaplamalar ile kıyaslandığında, düşük yüzey sürtünme katsayısına, az sayıda metalik makropartikül (droplet) dağılımına ve düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip olmasına rağmen, görece düşük sertliği ve kötü adhezyon (yapışma) mukavemeti sebebiyle yaygın uygulama alanına sahip değildir. Genel kullanım alanı sadece demir dışı yumuşak metal ve alaşımların (alüminyum, bakır, pirinç vb.) talaşlı şekillendirilmesi prosesleriyle kısıtlıdır. Bazı özel üretim proseslerinin kullanımıyla, ZrN’in sürtünme katsayısı arttırılmaksızın, kaplama sertliği ve adhezyon mukavemeti arttırılabilirse, ZrN kaplamalara yeni kullanım alanları oluşturmak mümkün olabilecektir. Özetle, eğer hem yüksek sertliğe ve adhezyon mukavemetine, hem de düşük sürtünme katsayısına sahip bir kaplama üretilebilirse bu ideal bir kaplama olur ve endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılabilir. Böyle bir kaplama geliştirmek amacıyla FBB kaplama proses parametrelerinin etkilerinin incelendiği bu çalışmada, öncelikle ZrN kaplamaların üretiminde azot kısmi basıncının optimizasyonu yapılmış, sonra belirlenen azot kısmi basıncı değerinde doğru akım (d.c.) bias, tek kutuplu (ünipolar) pulse ve asimetrik çift kutuplu (bipolar) pulse bias voltajları uygulanarak elde edilen kaplamaların yapısı ve kalınlık, sertlik ve adhezyon mukavemeti gibi mekanik özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda, 8 mtorr azot kısmi basıncında, -200 volt asimetrik bipolar pulse bias voltajıyla üretilen FBB ZrN kaplamanın en iyi mekanik özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir.

When compared to the other Physical Vapor Deposition (PVD) coatings which are extensively used in industry, Zirconium Nitride (ZrN) coating does not have a wide application because of its relatively low hardness and low adhesion strength despite its desirable properties such as low friction coefficient, low surface roughness and less metallic macroparticle (droplet) distribution. Its common application field is restricted to machining soft and ductile non-ferrous metals and alloys like aluminium, copper, brass etc. under well-cooled machining conditions. If the hardness and adhesion strength of ZrN coating could be improved by performing some special production processes without altering its friction properties, it would be possible to extend its usage in new applications. In the first step of the experimental studies, ZrN coating is optimized due to reactive gas (nitrogen) partial pressure. In the next step of the experimental studies, a bias voltage scan is performed by applying different d.c., unipolar pulse and asymmetric bipolar pulse bias voltages. The basic mechanical properties such as coating hardness, coating thickness and adhesion strength of ZrN films deposited in various nitrogen partial pressures and bias voltages are investigated. As the result of experimental studies, the best results are achieved in ZrN coatings deposited by applying 8 mtorr nitrogen partial pressure and -200 volt asymmetric bipolar pulse bias voltage.