Yüzey İşlem Teknikleri-İyon İmplantasyonu:
1--Klasik Yüzey Kaplama Yöntemlerine Göre Avantajları:
1--Oda sıcaklığında uygulanabildiğinden malzemenin şekil değişikliği (deformasyonu) söz konusu değildir.
2--Vakumda uygulandığı için malzemenin oksitlenme tehlikesi yoktur.
3--Bu bir katmanlama ve kaplama yöntemi değildir. Katmanlama ve kaplama yöntemlerindeki yapışma sorunu ve kullanım sırasında kaplanan malzemenin dökülmesi problemi implantasyon tekniğinde yaşanmaz.
3.1--İyon implantasyonunda yüzeyde meydana gelen yapısal değişiklik ile, implante edilen malzeme ana malzemenin bir parçası durumunu alır.
4--İmplante edilen malzemenin boyutlarında değişiklik olmaz.
5--Cilalanmış yüzeylerin parlaklığı bozulmaz, işlemden sonra tekrar parlatmak gerekmez.
6--Gerektiğinde malzemenin sadece çalışan bölgesi lokal olarak implante edilebilir.
7--İmplante edilen malzemelerin çalışma ömürleri fevkalade artar (Ortalama olarak 6-20 kat artar).
8--Termodinamik sınırlamalar olmadığı için, difüzyon için gerekli yüksek sıcaklıklara ve kimyasal reaksiyonlara ihtiyaç yoktur.
9--Terkibi kontrol edilebilen sayısız yüzey alaşımları oluşturulabilir.
10--İmplantasyondan sonra malzemenin kalınlığı (veya hacmi) değişmiyor.kaplanmış malzemeler adhesiv aşınmaya karşı daha az dirençli oluyorlar.
11--İyon implantasyonu herhangi bir veya daha çok atomun herhangi bir alt tabaka malzemesi ile kontrollü birleşmesine izin verir. Malzemenin hacim yapısında elde edilemeyen dengesiz yapılar ve metalurjik fazlar yüzeyde üretilebilir.
Bazı durumlarda, amorf yada camsı fazlar oluşur. İmplante edilen atomlar hareketli ise inklüzyonlar ve çökeltiler oluşabilir.
İki implante edilen elementin bileşik etkisi oluşur (örneğin, çeliğe molibden ve sülfür implantasyonu molibdendisülfit’li yağlamaya benzer etkiler gösterir).
11--İyon implantasyonu bir kaplama tekniği değildir. İmplante edilen atomlar orijinal malzemenin yüzeyinden aşağıya girer. Komponentin boyutunda herhangi bir değişim olmaz. Ana malzeme ile implante edilen elementler alaşım oluşturur.
2--İyon İmplantasyonunun Dezavantajları:
1--Termomekanik işlemlerde penetrasyon derinliğinin 20-
2--Güç iletimi gerektirmeyen, ışık hattı prosesidir.
3--Yüksek sermaye maliyeti spesifik yüzeyin son derece önemli yada yüksek güvenilirlik gerektiren parçalara uygulanabilirliği ile sınırlıdır.
3--Endüstriyel Uygulama Alanları:
1-- Plastik, kağıt, sentetik, fiber ve yumuşak malzemeler için; şekillendirme kalıpları, kesme kalıpları ve delme kalıpları gibi üç kategoride toplanabilir.
2--Çok hassas ve pahalı kesici ve delici parçaların Titanyum ve Karbon ile implantasyonu, bu parçaların ömrünü 10-20 kat artırmaktadır.
3--Bu üstün özelliklerinden dolayı yöntem:
3.1--Cerrahi bıçakların kesiciliğinin ve ömrünün artırılması,
3.2--çok hassas delici uç ve matkapların kullanım ömürlerinin artırılması,
3.3--içinden gaz veya sıvı geçen nozulların (deliklerin) aşınma ve korozyona karşı dirençlerinin artırılması,
3.4--tekstil makinalarında git-gel hareketi yapan hassas parçaların sertleştirilip yüzeylerinin kayganlaştırılması ve aşınmaya mukavim olmalarının sağlanması,
3.5--tekstil makinalarında fiberin geçtiği delik ve köşelerin sertleştirilip kayganlaştırılması, kobalt-krom alaşımlı parçaların altın ve platin ile implantasyonları yapılarak, bu parçaların korozyona karşı dirençlerinin artırılması ve benzeri bir çok yerde kullanım alanı bulmuştur.
4--İmplantasyon yönteminin başarıyla kullanıldığı bir diğer sektörde kalıplardır. Kalıp Sanayisi de: Ekstrüzyon kalıpları ve enjeksiyon kalıpları olmak üzere iki alt başlıkta toplanabilir.
4.1--Ekstrüzyon kalıplarında: Mekanik ve kimyasal aşınmaya maruz kalan yüksek sıcaklıktaki cam fiberlerin ekstrüzyon unda kullanılan spinneretelerin (sentetik fiberlerde de kullanılıyor),
4.2--krom ve karbon ile implante edilerek ömürleri uzatılır.
4.3--Krom, titanyum, yitriyum ve karbonla implante edilebilir.
5--Enjeksiyon kalıplarında: Bu kalıpların çoğu plastik içindir. Çok hassas fiber optik konnektörlerde kullanılan bu kalıplar, Titanyum ve Karbon implantasyonu yapılarak ömürleri oldukça uzatılır.
6--Sentetik fiber ve malzemeleri kesen kesici aletlerin Titanyum ve Karbon ile implantasyonu, bunların ömrünü 3-5 kat artırmakta ve kesicilerin sık değiştirilmesi sonucu zaman kaybını azaltmakta, üretimi artırmaktadır.
7--Çok hassas aeorospace (uçak, helikopter, roket) ve gemi rulmanı ve rulman yataklarının ve dişlilerinin implantasyonunda (Titanyum, Molibden ve Tantalum implante ediliyor) kullanılıyor.
7.1--Hayati önem taşıyan ve riskli operasyonlarda çalıştırılan bu parçaların implante edilerek kullanımı çok iyi sonuçlar vermektedir. NASA ileri teknolojileri kullanan Havacılık ve Denizcilik sanayiinde bu şekilde implante edilmiş parçalar kullanılmıştır. Çok hassas ve pahalı, çok düşük boyutlarda toleransa sahip rulman ve yatakların ve dişlilerin implantasyonunda kullanılmaktadır.
8--Ar-Ge çalışması halinde muhtelif otomotiv (motor) parçalarında sübab, segman, silindir yatakları ve benzeri gibi soğutuculardaki pistonların yüzeyi titanyum ile implante edilerek bunların sürtünmesi azaltılır ve ömürleri uzar. Elmas ve elmasa benzer (süs elması) filmlerin elde edilmesinde, araştırma bazında süper iletkenlerin elde edilmesinde kullanılmaktadır.
9--Tıbbi Alanda: Kalça, diz protezlerinde, total eklem implantlarında (bilek, omuz, parmaklar) Titanyum bazlı alaşımların Karbon ve Azot ile implantasyonu, bu alaşımların korozif ortamda aşınmalarını 1000 defa daha azalttığı görülmüştür. Ayrıca malzemenin yorulmaya karşı direncinin de çok arttığı görülmüştür.
10--Amerika’da Spire firması birkaç yıl içinde implante edilmiş 10.000 kalça protezini hastalara takılmak üzere üretmiştir. Bu rakam 1989-90 arası 40.000 civarındadır.
11--316L Paslanmaz Çelikten yapılan kırık kalça ve uzun kemiklerde kullanılan sıkıştırma plateleri, Karbon, Bor ve Azot ile implante edilerek yorulma ömürleri çok artırılır.
12--Cerrahi aletlerin ( 400 seri Paslanmaz Çelik ) Titanyum ve Karbon ile implantasyonu, bu aletlerin kesiciliğinin uzun süre devamını ve korozyona karşı direncini artırmaktadır. Ayrıca vücuda biyolojik yönden uyumlu olmaları da önemlidir.
Bu aletler dental ve göz cerrahisinde kullanılmaktadır. Dental implant ve gereçlerinin implantasyonu, bu malzemelerin yorulmaya ve korozyona karşı dirençlerini artırmaktadır.
13--İyon implantasyon tekniğinin yatak ve dişlilerdeki uygulamaları
13.1--İyon implantasyonu işleminin, yüksek hassaslıktaki yatak ve dişlilerin genel performansı için, çekici bir yüzey işlemi olduğu ispatlanmıştır. Çok sıkı boyutsal toleranslarla çalışan bu elemanlar için çok az sayıda yüzey modifikasyonu işlemi uygundur.
13.2--Tabakalaşma tehlikesi, kaplama uygulamasının, bu parçalarda oldukça riskli olmasına neden olur. Bu elemanların boyutsal doğruluğunun ve yüzey düzgünlüğünün korunması, implantasyon tabakasıyla ana malzeme arasında keskin bir ara yüzeyin olması sert tabakaların kabuklaşmasıyla oluşan problemleri ortadan kaldırıyor.
13.3--Mass (kütle) analizli iyon implantasyon sistemi kullanılarak farklı iyonların ayrıştırılması ve yüzey işleminin saf iyon parçacıkları ile yapılması mümkündür.
13.4--“Magnetik quadrupde” merceklerle ışının odaklanması ve elektrostatik olarak taranması suretiyle işlem tankı içinde geniş bir alanın kullanılması mümkündür.
14--Geniş alana dağılmış iyon ışını işlemine bağlı sıcaklık artışını en aza indirir. Yöntemin güvenilirliğini ve tekrarlanabilirliğini garanti etmek için, sistem içine değişik kalite kontrol işlemcileri yerleştirilmiştir. Böylece iyon implantasyonu hassas uzay parçalarının işlenmesi için ideal bir yöntem olarak görülüyor.
15--52100 ve
15.1--Ti ve C implante edilmiş yüzey sadece kayma aşınmasında bir azalma sağlamamış, bunun yanında aşınmadaki değişkenlikleri de azaltmıştır. Ayrıca düşük aşınma hızının Ti ve C ile implante edilmiş 52100 çeliği ile eşlenen kayma yüzey kombinasyonundan bağımsız olduğu görülmüştür.
15.2--Yüksek hassaslık gerektiren aletlerin yataklarında Ti ve C implante edilmiş 52100 ve
15.3--Çok küçük boyutları nedeniyle, çok sayıda bilyalı yatak, çok düşük fiyatlarla iyon implantasyonu işlemine tabi tutulabilir. İşlem hem bilyalara hem de yataklara uygulanabilir. Bilyalara uygulamadan farklı bir işlemin yataklara uygulanması gerektiğine inanılmaktadır.
15.4--İmplantasyon işlemine tabi tutulmuş alet yataklarının yakın gelecekte çok yaygın kullanılacağı tahmin edilmektedir. Uzay mekiği ana motorunun yakıt oksitleyici turbo pompasında kullanılan yataklarda, bilya ve yataklara yapılan farklı iyon implantasyonlarının bu yatakların korozif aşınmasında önemli düşüşler sağladığı tespit edilmiştir.
15.5--Özellikle sıvı azot ortamındaki aşınma testleri, Ti ve C implante edilmiş bilyaların, Cr ve N implante edilmiş
16--NRL (Naval Research Lab.)’de yapılan çalışmalar Cr, Ta ve benzeri iyonların implantasyonunun M-50 çeliğinden yapılmış parçalarda önemli korozyon direnci meydana getirdiğini göstermiştir.
17--Çelik içine Cr, katı çözeltiye girecek şekilde, ilave edildiğinde meydana gelen pasif tabakanın sıvı ortamlardaki klor etkisine karşı bir direnç sağlayacağı söylenebilir.
18--Gaz türbinlerinin ana şaft yatakları NRL’ de prototip olarak Cr implante edilmiş ve genel korozyon davranışlarında tatmin edici sonuçlar sağlanmıştır.
19--Yatakların ve dişlilerin Ta ile implantasyonu NRL ve Spire’de bağımsız şekilde uygulanmıştır. Demir esaslı alaşımlara korozyon ve aşınma direnci sağladığı için, çelik yatak ve dişlileri, özellikle Ta ile implante etmek, oldukça ilginçtir.
20--NRL’ deki çalışmalar Ta implante edilmiş 9310 çelik dişlilerin kayma ve sürünme aşınması durumlarındaki davranışlarını değerlendirmeye yönelik olmuştur.
21--Sonuçlar, çeliklerin sürtünme ve aşınmasında önemli düşüşler göstermiştir. Spire ise buhar türbünü kompresör dişlilerinde ve helikopter motoru transmisyon sistemlerinde Ta implantasyonunu incelemiş ve laboratuvar sonuçları Ta implante edilmiş dişlilerin konvansiyonel dişlilere göre çok daha iyi performansa sahip olduklarını ve çoğu durumlarda sürünme aşınmasında önemli azalmaların ortaya çıktığını göstermiştir.
22--Ti ve C ile çifte implantasyona tabi tutulan şaft ve tahrik dişlilerinin alan sonuçları gaz türbinlerinin kompresör kısımlarında çok etkili olduğunu ispatlamıştır.
23--“Spire” tarafından geliştirilen ve “IONDEP” adı verilen işlemde iyon ışını saçılımı (sputtering) ve iyon implantasyonu beraberce kullanılmaktadır. Bu yöntem yataklarda ve benzeri uygulamalarda kullanılan tribolojik malzemeler üzerinde yapışkan ve yoğun katı yağlayıcı tabakaların oluşturulması için elverişlidir. Ag, Au ve Pb gibi yumuşak elementler yatak parçaları üzerinde implante edilmiş ve çökeltilmiştir.
24--IONDEP ile işlenmiş yataklar yüksek hız, büyük yük ve yüksek sıcaklık şartlarında vakum uygulamalarında çalıştırılmıştır. Sonuçta yataklardaki sesin ve aşınmış partiküllerin önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. Bu bakımdan IONDEP yönteminden vakum ve uzay uygulamalarında parçacıklardan arınmış parçaların işlenmesinde önemli katkılar yapacağı beklenmektedir.
2--Biyomedikal Uygulamalar:
1--Ortopedik alandaki Ti esaslı total (bütün) eklem yenilemelerinde iyon implantasyonunun aşınmayı etkili bir şekilde azalttığı gösterilmiştir. Süper aşınma direncinin nedenleri arasında;
1.1-- Ti alaşımının (Ti-6Al-4V) artan sertliği ve
1.2-- İki fazlı alaşımın homojenleşmesine ve Ti parçaların yüzeyinde nitrür, oksit ve karbür oluşumuna bağlı olarak meydana gelen düşük sürtünme katsayısı gösterebilir.
2--İdeal biyo-uyumları nedeniyle yeni nesil ortopedik implantlar (Ti-6Al-4V) alaşımından üretilir. Alışılmış (Co-Cr-Mo) alaşımı ile karşılaştırıldığında (Ti-6Al-4V) alaşımı süper bir korozyon ve yorulma direnci gösterir.
3--Ayrıca kemikle daha iyi bir uyum sağlayan düşük elastik modülüne sahiptir. Total eklem yenilemelerinde Ti parçası yüksek molekül ağırlıklı (UHMWPE) polietilen yüzeylere karşı mafsal hareketi yapar.
4-- (Ti-6Al-4V) alaşımının aşınma direncindeki gelişmeler ortopedik çevreler için oldukça enteresan bir durumdur. Bu alaşım içine N ve C implante edilmesinin alaşımın mikro sertliğinde önemli artışlar sağladığı gösterilmiştir.
5--1-2 gr. yük altında yapılan ölçmelerde, sertliğin üç katına çıkarılabileceği gösterilmiştir. MIT (USA)’da yapılan çalışmalar (Ti-6Al-4V) içine yapılmış N2 implantasyonunun bu malzemenin iki fazlı mikro yapısını (a ve b mikro levhalarını) değiştirip, malzemenin standart yağlama solüsyonlarına karşı dayanıklı hale geldiğini göstermiştir.
100 kV’da (Ti-6Al-4V) alaşımına yapılan N2 implantasyonunun sürtünme katsayısını 0.48’den 0.15’e düşürdüğü belirlenmiştir.
6--Ti alaşımındaki yüksek sertlik ve düşük sürtünme katsayısının; alaşımın ve mafsal olarak çalıştığı (UHMWPE) yüzeyinin aşınma hızlarında, azalmada etkili olduğuna inanılır. Villiams ve Buchanan çalışmalarında Ti-Polietilen çiftinin korozif aşınmasında 1000 katı bir azalmanın meydana geldiğini göstermiştir.
7--Titanyum-UHMWPE sisteminin aşınmasındaki önemli azalma, ortopedik imalatçılarını IONGUARD işleminin, ürünlerinin muamele edilmesinde öncelikli bir yeri olduğuna ikna etmiştir (1000 serisi Ti bazlı ortopedik ürünlerin işlemi için kullanılır).
Bu uygulama, çoktan, pazarlanabilir düzeyde bir olgunluğa ermiştir. Büyük miktarlarda Ti esaslı ortopedik dizler, kalçalar ve az sayıda bilek, omuz, el ve ayak parmakları günümüzde iyon implantasyonu işlemiyle muamele edilmektedirler.
3--Aşırı Hassas Takımlarda Uygulama:
1--İyon implantasyonu endüstriyel takımların işlenmesinde çok kullanılan bir yöntemdir. Endüstriyel takımlardaki bu uygulamaya en başarılı örnekler; yumuşak dokuların, sentetik fiber, kağıt ve plastik malzemelerin delinmesi, kesilmesi ve şekillendirilmesinde kullanılan alet ve takımlardır.
2--Bu takımlar, hafif ölçülerde yapışma veya sürtünme aşınmalarına maruz kalır ve bazı durumlarda korozyon olayı aşınma işlemini hızlandırır. Bu guruba dahil takımlara örnekler:
Yüksek kalite kağıdın delinmesi, polimer tabakalarının delinmesinde kullanılan yüksek hız çeliği kalıpları; cerrahi işlemlerde kullanılan 400 serisi paslanmaz çelikten kesme bıçakları, cerrahi kesme bıçakları çevre dokulara en az hasar vererek, çok keskin kesikler meydana getirdiğine inanıldığından ayrı bir öneme haizdir.
3--Plastik ve kağıtların baskı kesimi için kullanılan merdaneli veya döner kesiciler, iyon implantasyonunun bir diğer başarılı uygulama koludur. Para kesiminde kullanılan kesme bıçakları ve şerit bıçaklar,
4--Bu uygulamalarda en yaygın işlem N2 iyon implantasyonudur. Çift kademeli Ti ve C implantasyonu alternatif bir yöntem olarak bu aletler üzerinde başarıyla uygulanmıştır.
5-- demir dışı çubukların sürekli şekillendirilmesinde kullanılan sıcak haddeleme merdaneleridir. Merdaneler takım çeliklerinden yapılmıştır ve çok ciddi yapışma (adhesiv) aşınmasına tabi tutulmuşlardır. Ti ve C ile implantasyon bu merdanelerin ömrünü 6 kat mertebelerinde tutarlı bir şekilde artırmıştır.
Merdane uygulamalarının ve yumuşak metallerin benzer konstrüksiyonunun çok yakında pazarlanabilecek bir olgunluğa erişeceğine inanılmaktadır.
6--Çok yakın geçmişte kompakt disklerin şekillendirilmesinde kullanılan kalıp levhalarının titanyumla implante edildiğini görüyoruz. Ayna parlaklığındaki yüzeye sahip bu levhaların yüzey kalitesi implantasyonla değişmemiştir. Birkaç başka, yüzey kaplama işlemi bu tür uygulamalar için uygundur. İmplantasyonun kalıp sıyrılmasını kolaylaştırdığı ve kalıpların ömür performansını artırdığına inanılır.
7--Mühendislik plastikleri ve termoset plastiklerde çeşitli diğer kalıplar başarılı bir şekilde iyon implantasyonuna tabi tutulmuşlardır.
7.1--Özellikle Ni kaplı fiber optik birleştirme kalıpları, N2 iyon implantasyonu sonucunda sertlik ve aşınma dirençlerinde belirgin artışlar göstermiştir.
7.2--Sıcak haddelenmiş çelik ve ostenitik paslanmaz çelikleri şekillendirme ve delmede kullanılan yüksek hız çelik zımbaları ve kalıpları N2 iyon ışını ile implante edildiklerinde, ömürlerinde 10-12 kat bir artış göstermişlerdir.
Aynı iyon implantasyonuna tabi tutulmuş benzer kalıplar martenzitik ve soğuk haddelenmiş çeliklerin işlenmesinde kullanıldığında ömürde bir artış göstermemiştir.
Bu özel durum kalıpların kullanılacağı şartların belirlenmesinin önemine işaret ediyor ve literatürde iyon implante edilmiş aletlerin performansıyla ilgili olarak ortaya çıkan çelişkileri açıklamaya yardım ediyor.
4—Sonuç:
1--Tüm yüzey kaplama teknikleri gibi iyon implantasyon tekniği de yüzey kalitesini iyileştirme işlemi olmasına karşın ekstra bir kaplama kalınlığı gerektirmediğinden, dar tolerans aralığı gerektiren uygulamalarda yegane tercih edilen yöntemlerin başında gelmektedir.
2--Bu özelliği sayesinde medikal uygulamalarda da önemli kullanım alanı bulmuştur. Tüm endüstriyel alanlarda da hızla kullanılmaya başlanmıştır.
Kaynakça:İyon implantasyonu ile yüzey işlem tekniği--Öğr. Gör. Dr. Halit Doğan-Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü