Yüzey Kaplama Teknolojileri-Çelikleri Borlama ve PVD:

1-- Çelikleri Borlama:

1--Bor, yer kabuğunda nadir bulunan elementlerden olup, tabiatta serbest olarak bulunmaz. Türkiye bor mineralleri açısından oldukça zengindir.

2--Dünya rezervinin yaklaşık % 62’ si ülkemizde olmakla birlikte mineral çeşitliliği ve cevher açısından da doğal bir zenginliğe sahiptir.

3--Bor bileşikleri gübreden ilaç endüstrisine, temizlik sektöründen nükleer endüstriye, çelik ve seramikten uzay endüstrisine kadar çok geniş alanlarda kullanılmaktadır.

4-- Bor, bir çok mineralleri ve bileşikleri olan bir madendir. Çelik endüstrisinde ise curuf yapıcı, alaşım elementi ve yüzey sertleştirici olarak kullanılmaktadır Ayrıca; çeliklerde alaşım elementine bağlı olarak birçok borür ve bor-karbür oluşur.

4.1--Bu borürler FeB ve Fe2B bileşikleridir. Borlama diğer yüzey sertleştirme işlemlerine göre çok sert yüzey elde edilmesi (yaklaşık 2100 HV), sürtünme katsayısının düşük olması ve metal eriyikleri, bazı asit, baz ve yüksek sıcaklık oksidasyonuna direnç göstermesi gibi özelliklerinden dolayı üstünlük göstermektedir.

4.2--Ancak bu yöntemi tribolojik sistem seçimlerinin uygun ve doğru yapılması durumunda uygun olmaktadır.

4.3--Bu işlemdeki amaç; çelik yüzeyine bor difüze ettirerek, çelik yüzeyinde tek fazlı demir borür (Fe2B) tabakası elde edilmesidir.

4.4--Sertleşebilmedeki en büyük etki, ostenit tane sınırları arasındaki bor atomlarıyla gerçekleştirilebilir. Bu bor atomları martenzit oluşturmak için tane sınırı enerjisini düşürürler.

5--Borlama genellikle demir esaslı malzemelere uygulanan termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir.

6--Bu işlem, bor elementinin yüksek sıcaklıklarda demir esaslı malzemelere yüzeyden difüzyonu ile gerçekleşir.

7--Malzeme yüzeyinde ferro-bor fazları oluşarak malzemenin sürtünme katsayısı azalıp, aşınma dayanımı artar. Ayrıca, malzeme yüzeyinde çok sert bir tabaka oluşur.

8--Borlama, termokimyasal bir yüzey işlemi olup, esas olarak borun yüksek sıcaklıkta çelik yüzeyine difüzyonudur.

9--Bor verici olarak herhangi bir bor bileşiği kullanılabilir. Borlama ortamı diğer ilavelerle birlikte katı, sıvı veya gaz halinde olabilir.

10--Son zamanlarda plazma borlama ve iyon implantasyon borlama yöntemiyle borlama yapılmaktadır. Bu ortamlarla çelik yüzeyinde tek fazlı Fe2B (demir di borür) tabakası elde edilmesi amaçlanır.

11--Borlanmış yüzeyler sürtünme katsayısı düşük, aşınma direnci yüksek hale gelir. Malzeme yüksek sıcaklıklarda sertlik ve tribolojik özelliklerini korur.

12--Borlama işlemi ve elde edilen tabaka kalınlığı, işlem sıcaklığı ve süreyle de ilgilidir.

12.1--Borlama işlemi, 800-1050 °C sıcaklıklarda ve 10 saate kadar yapılabilmektedir.Çelikler için en uygun ve yeterli borlama şartları; katı borlama yöntemiyle 950 °C de, 4 saatte yapılan borlamadır.

13--Borlama ile malzeme yüzeyinde sert bir seramik tabakası oluşur. Örneğin Fe yüzeyine uygulanırsa oluşan bu tabaka FeB tabakasıdır.

13.1--Bor difüze edilmiş yüzeylerin aşınma direnci normal yüzeylere göre yaklaşık 100 kat fazladır. Ancak ağır yükler altında oluşan yüzey gerilmeleri ile pullanma ve çatlamalar olabilir.

13.2--Ayrıca borlanmış tabakalar su ve atmosfer şartlarında kötü korozyon direncine sahiptir. Ancak oksitlenmeyen asitlere karşı iyi korozyon direnci gösterirler. Bor tabakasına C elementinin de etkisi vardır. Az karbonlu çeliklerde daha kalın bor tabakası elde edilmektedir.

14--Borlama ile yüzey sertleştirme işlemlerine göre çok sert, sürtünme katsayısı düşük, korozyon direnci yüksek yüzey tabakası elde edilebilmesinin yanında alaşımsız çeliklere de uygulanabilmesi, bu işlemin önemini ortaya çıkarmaktadır.

15--Borlu tabakanın özelliklerine ait çalışmalar daha çok sertlik, aşınma ve korozyon özellikleri üzerinde yoğunlaşmaktadır.

16--Borlamanın en büyük etkisi sertlik üzerine olup, ana malzeme cinsine ve yüzeyde oluşacak FeB ve Fe2B fazlarına bağlıdır. FeB fazı, Fe2B fazından daha sert ve gevrektir.

17--Borlama ile elde edilen sertlik çeliklerde 1800-2100 HV, titanyumda ise yaklaşık 3000 HV’dir. Ayrıca, çelik esaslı malzemeler için 20-200 mm’lik bir tabaka kalınlığı elde edilmektedir.

18--Borlama ile demir esaslı malzemelerin aşınma direnci, mekanik özellikleri ve yorulma dayanımı artar. Bu nedenlerden dolayı demir esaslı T/M ve döküm malzemelerden üretilen parçalarda ve kaymalı yataklarda uygulanabilir.

19--Bu çalışmada; borlamanın sertleştirici ve iyi aşınma direnci özelliğinden dolayı, Ç 1020 çeliğine 950 °C arası sabit sıcaklıkta ve 1, 2, 3, 4 ve 5 saatte katı borlama yapılmış ve bu malzemede elde edilen yüzey tabakaları incelenmiştir.

20--Borlama işlemi; maksimum sıcaklığı 1600 °C olan dijital kontrollü CARBOLITE RFH 1600 fırınında yapılmıştır. Borlama kutuları 3 mm et kalınlığında ve 60x60 mm kare profilden, 50 mm yüksekliğinde yapılabilir.

Aynı zamanda bu kutulara sızdırmazlık sağlayan 2 mmlik saçtan kapak yapılmıştır. Yapılacak çalışma için , EkaBOR® firmasının ürünlerinden, pasta kullanılarak katı borlamanın uygulanması yapılabilir.

20.1—Çalışma için İlk olarak numuneler sıvı halde bulunan EkaBOR® pastaya üçer defa olmak üzere daldırılmış ve iyice kuruması sağlanabilir.Her daldırmada kaplanan tabakanın kuruması için beklenmesi gerekir.

Üçüncü daldırmadan sonra yüzeyde yaklaşık 1.5 ila 2 mm’lik EkaBOR® pasta tabakası elde edilmiştir. Daha sonra numuneler, her bir kutuya bir adet olmak üzere, kutuların içerisinde EkaBOR® Ekrit tozuna gömülür.

Kapağı sızdırmaz bir şekilde kapatılan kutular, fırında istenilen sıcaklıkta ısıtılıp değişik zaman parametrelerine göre fırından alınabilir.

Fırından alınan numuneler kutu içerisinde havada soğutulmuştur. Kutulardan alınan soğumuş numunelerin üzerlerindeki pasta tabakası kaldırılıp, ölçüme hazır hale getirilebilir.

21—Kaynakça tarafından yapılan Borlanmış yüzeyler için yapılan bir deneysel çalışmada  iç yapıları optik mikroskopta incelendiğinde,

21.1--950 °C de 1 saatte bor tabakasına rastlanmamıştır.

21.2-- 5 saatte yapılan işlemlerde ise bor tabakasının yaklaşık 100 mm fakat bozulduğu tespit edilmiştir.

21.3--950 °C 2, 3 ve 4 saatlerde borlamanın gerçekleştiği görülmüştür.

21.4--Bor tabakası kalınlıkları;

21.4.1--950 °C de 2 saatte 130 mm,

21.4.2--950 °C de 3 saatte 140,

21.4.3--950 °C de 4 saatte 160 mm ve

21.4.5--tabakaların mikrosertliği ortalama 1376 HV olarak ölçülmüştür.

22--En uygun ve yeterli borlama olarak 950 °C de 4 saat önerilebilir.

23--Ayrıca; Işık mikroskobu incelenmesinde geçiş bölgesi (alt tabaka) görülememiştir.

Kaynakça:Borlanmış Ç 1020 Çeliğinin Yüzey Tabakasının İncelenmesi--Selim Sarper YILMAZ, Bekir Sadık ÜNLÜ / Celal Bayar Üniversitesi, Gölmarmara M. Y. O., MANİSA

---------------------------------------------------------------------------------------------------

PVD - Fiziksel Buhar Biriktirme ile Yüzey Kaplama Teknikleri:

1—Genel Bilgiler:

1--PVD tekniği malzemelerin yüzey karakteristiklerini- malzeme yüzeylerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin  istenilen doğrultuda değiştirebilen ve endüstrinin birçok alanlarında kullanılmaya başlayan yüzey modifikasyon tekniğidir.

2--Yüzeyleri bu yöntemle iyileştirilen metallerin aşınma ve korozyon dayanımları artmakta, kullanıldıkları yerlerdeki ömürleri artmaktadır.

3--Endüstriyel uygulamalarda yüzey kaplama teknolojileri: Optik amaçlı, elektrik-elektronik sanayinde kullanım amaçlı, dekoratif amaçlı, korozyondan korunma amaçlı, tribolojik amaçlı olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

4--İlerleyen teknolojinin ışığı altında ince sert seramik film kaplamaların, tribolojik amaçlı uygulamalardaki kullanım oranları her geçen gün artmaktadır.

5--Malzeme yüzeylerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değiştirilmesine imkan sağlayan kaplama teknikleri, kaplama malzemesinin bulunduğu fiziksel hale göre,  gaz halinde, çözeltiden, sıvı veya yarı sıvı halden yapılan kaplamalar olarak gruplanabilir.

6--Gaz halinden yapılan kaplama tekniklerinden olan kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme (PVD) teknikleri endüstriyel uygulamalarda geniş kullanım alanlarına sahiptirler. Özellikle PVD yönteminin diğerlerine nispeten daha düşük işlem sıcaklıklarında yapılabilmesi ve geniş kaplama kalınlık aralıklarında kaplamaların elde edilebilmesi, PVD yöntemine daha geniş kullanım alanları sunmaktadır.

2-- PVD Teknikleri:

1--PVD tekniği, vakum altında bulundurulan malzemelerin buharlaştırılarak veya sıçratılarak atomların yüzeyden kopartılması ve kaplanacak olan alt malzeme yüzeyine (atomsal veya iyonik olarak) biriktirilmesi esasına dayanır.

1.1--Faraday’ın 1850 yılında metalleri vakum altında buharlaştırarak ürettiği kaplamalar, PVD yönteminin ilk uygulaması olarak kabul edilebilir.

2-- PVD yöntemi için gerekli olan gaz fazı: Buharlaştırma, sıçratma ile elde edilebilir.

2.1--Her iki yöntem aracılığı ile elde edilen gaz fazının, ortama verilen diğer bir reaktif gaz ile reaksiyona geçirilmesi durumunda, yukarıda sayılan yöntemler reaktif buharlaştırma veya sıçratma olarak anılır.

2.2--Elde edilen gaz atomları, kaplanacak olan malzemeye uygulanan 0.2-5 kV’luk yüksek negatif potansiyelin varlığı ile oluşan şerare etkisine maruz kalarak iyonize olurlar. Elde edilen bu iyonların alt malzeme üzerine biriktirilmesi neticesinde oluşan kaplamaya iyon kaplama adı verilir.

3--Buharlaştırma ile yapılan PVD kaplama yöntemleri:

3.1--Buharlaştırma yöntemi ile yapılan PVD kaplamalar için gerekli olan buhar fazı, rezistanlı, elektron bombardımanlı ve katodik arklı buharlaştırma yöntemleri ile elde edilir.

3.2--Buharlaştırma yöntemlerinde buhar fazı, 10-5 – 10-6 Torr seviyelerinde vakum yapılmış, vakum odaları içerisinde üretilir.

3.3--Vakuma alma, üretilen buhar fazı atomlarının, kaplanacak olan malzeme yüzeylerine ulaşması sırasında diğer atomlar veya moleküller ile çarpışarak enerjilerini kaybetmemeleri ve yüzeyde istenilmeyen bileşiklerin oluşmasını engellemek amacıyla uygulanır.

4-- Rezistans ve indüksiyon buharlaştırma:

4.1--Rezistanlı ve indüktif buharlaştırma sistemli PVD kaplamalarda, buhar fazının elde edileceği kaplama malzemesi yüksek sıcaklıklara dayanıklı refrakter potalar içerisine yerleştirilir.

4.2--Rezistanslı sistemde ısıtma, pota veya potalar etrafına sarılmış rezistans telleri ile sağlanır .

4.3--İndüksiyon ile yapılan ısıtmalarda ise buharlaştırma, pota etrafına su soğutmalı olarak sarılmış bakır tellere uygulanan r.f. akımı sonucunda üretilen ısı neticesinde meydana getirilir.

4.4-- Bu yöntem ile biriktirilen film kalınlığı, gaz fazın elde edildiği potanın merkezinden yanlara doğru azalmaktadır. Bu problemin giderilmesi için numune tutucular, vakum odası içerisinde kompleks olarak hareket ettirilirler.Bu yöntemler ile buhar fazının elde edildiği sistemler daha çok düşük ergime sıcaklıklı malzemeler için kullanılır.

5-- Elektron bombardımanı ile buharlaştırma:

5.1--Bir elektron kaynağı vasıtası ile sağlanan elektronların, buhar fazın elde edileceği malzeme üzerine yönlendirilmesi neticesinde ısıtma işlemi gerçekleştirilir.

5.2--Elektronların odaklanmasının rahat olarak yapılabilmesi, yüksek güç yoğunluğunun elde edilmesini sağlayarak yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemelerin dahi buhar fazına geçirilmelerini mümkün kılar.

5.3--Elektron bombardımanı ile buharlaşmanın sağlandığı PVD sistemleri için gerekli elektronlar: Elektron tabancası,Oyuk katot yöntemleri ile üretilirler.

5.4--Elektron tabancası ile elektronların üretimi, bir flamandan akım geçirilmesi neticesinde, flamanın ısınarak elektron yayması esasına dayanmaktadır. Üretilen elektronlar oluşturulan manyetik alan yardımıyla hızlandırılarak yönlendirilirler. Elektronların yönlendirilmesinin kolaylığı ile yüzey taranarak buharlaştırma yapılabilir. Bu sayede farklı kalınlıkta kaplama oluşumu engellenmiş olur.

5.5--Oyuk katot kullanımı ile elektron üretimi ise oyuk bir silindir içerisinde inert gazların kullanımı ile oluşturulan plazma sayesinde gerçekleştirilir.

6-- Katodik ark yöntemi:

6.1--Katodik ark ile buhar fazının elde edildiği PVD sistemi, diğer PVD teknikleri içerisinde oldukça yaygın olarak kullanılır. Bu teknik ile aşınmaya dirençli, sert kaplamalar üretilebilmektedir.

6.2--Katodik arklı PVD tekniğinde, buhar fazının elde edileceği malzeme vakum odasına katot olarak asılırken, kaplanacak olan malzemeler anot olarak asılırlar.

6.3--Sisteme uygulanan düşük voltajın (20-30 V) ve yüksek akımın (100-200 A) etkisi ile katot yüzeylerinde ark meydana gelir.

6.4--Katot yüzeyinde arkın meydana geldiği noktalarda, sıcaklığın çok yüksek değerlere ulaşması, bu noktalarda ergimeleri ve buharlaşmaları meydana getirir.

6.5--Bu sayede elde edilen buhar fazı, katot önünde yüksek elektron yoğunluğunun olduğu bölgede çarpışmalara maruz kalarak, hızlı bir şekilde iyonize olur ve oluşan iyonlar, üniform olmayan potansiyel dağılımı ve plazma genleşmesi nedeniyle bu bölgeden hızlı bir şekilde taşınırlar.

6.6--Katodik ark ile buhar fazının elde edildiği PVD sistemlerinin düşük alt malzeme sıcaklıkları, düşük katot tüketimi, yüksek birikme ve iyonizasyon hızlarında uygulanabilmesi bu sistemin kullanım alanlarını genişletmektedir.

6.7-- Katodik arklı sistemin en büyük dezavantajı, katot yüzeyinde oluşan arkın etkisi ile 0.1-100 mmboyutlarındaki makro partiküllerin kütlesel olarak kopması neticesinde, kaplama yüzeylerinde droplet olarak anılan hataların oluşmasıdır.

6.8--Katodik ark yöntemi ile yapılan kaplamaların yüzeylerinde, droplet oluşumunu azaltmak için katotların arkasına kuvvetli mıknatıslar yerleştirilmektedir. Katotların arkalarına yerleştirilen mıknatısların dropletlerin azalmasına olan etkisi, aşağıdaki şekilde açıklanabilir:

6.8.1--Mıknatısların oluşturdukları manyetik alan, iyon gibi yüklü partiküllerin üzerinde etkili olurken, yüksüz olan makro partiküller üzerinde etkisi yoktur. Bu farklılık ile manyetik alan sistemde iyonlar ile makro partiküller arasında filtre görevi görür. Manyetik alanın iyonlar üzerindeki etkisi, iyonların hızlarını artırır ve bununla orantılı olarak film biriktirme hızları da artarak, kaplama süresi kısalır. Sonuç olarak kısalan kaplama süresi ile film yüzeyine düşen makro partikül sayısı da azalacaktır.

6.8.2--Sistem içindeki makro partiküller, nötral bir buhar kaynağı şeklinde düşünülebilir. Plazma içerisinde bulunan makro partiküllerden, bu partiküllere çarpan elektronlar vasıtasıyla da buharlaşma meydana gelebilmektedir. Oluşturulan manyetik alan, plazma içerisindeki elektron yoğunluğunu artırarak makro partiküllerin buharlaşmasını artırmaktadır.

6.9--Katodik ark PVD sistemine yerleştirilen mıknatısların oluşturduğu farklı şiddetteki manyetik alanlar neticesinde kaplama yüzeyindeki droplet sayılarında meydana gelen değişime göre yaklaşık 150 G civarındaki manyetik alanda droplet sayısı minimuma inmektedir.

6.10--Ark PVD tekniği ile üretilen kaplamaların özelliklerini- kalitesini etkileyen proses parametreleri, buharlaştırma akımı, alt malzemeye uygulanan potansiyel ve sisteme giren reaktif gaz akışı dır.

6.10.1--Sistemde sayılan birincil parametreleri yakından ilgilendiren ikincil proses parametreleri ise alt malzeme akımı, alt malzeme sıcaklığı ve reaktif gaz basıncı şeklinde sıralanabilir.

6.10.2--Sayılan bu proses parametrelerine ek olarak, ikincil proses parametreleri ile katot ve reaktif gaz bileşimi gibi maddesel parametreler arasında, kaplama kalitesini etkileyen kompleks etkileşimlerden de söz edilebilir.

6.11--Alt malzeme üzerinde film birikmesinde etkili olan parametreler ise katot ve reaktif gaz iyonlarının tipleri, miktarları ve enerjileri şeklinde sıralanabilir.

6.12--Katodik ark buharlaştırmalı PVD sisteminde vakuma alma işleminden sonraki proses akışı; 1--Alt malzemenin ısıtılması,2--Alt malzeme yüzeyinin iyonların kullanımı ile temizlenmesi,3--Film biriktirme, 4--Soğutma şeklinde sıralanabilir.

6.13--Ark PVD tekniğinde alt malzeme, radyasyon, alt malzeme tutucularından ısı iletimi ve sistemde bulunan hızlandırılmış partiküller aracılığı ile ısıtılmaktadır.

6.14--Alt malzeme yüzeyine yeterli enerjideki iyonların (10-15 eV) çarpması neticesinde, alt malzeme yüzeyinden atomların kopartılması sağlanarak yüzey temizlenmesi yapılmış olur.

7-- Sıçratma ile yapılan PVD kaplama teknikleri:

7.1--Sıçratma tekniğinde, buhar fazının elde edileceği hedef malzeme, pozitif gaz iyonları ile bombardımana tutularak, hedef malzeme yüzeyinden atom veya atom grupları kopartılır.

7.2-- Hedef malzeme yüzeyinden kopartılan atom veya atom grupları, oluşan plazma içerisinde buhar fazına geçerler.

7.3--Buhar fazının alt malzeme yüzeyi üzerinde biriktirilmesi neticesinde, sıçratma ile buhar fazının elde edildiği PVD kaplama elde edilmiş olur.

7.4--Sıçratma işleminde, ortamdaki diğer malzemeler ile reaksiyona girmeyecek inert gaz iyonları kullanılmaktadır.

7.5--Sıçratma işlemi için en yaygın olarak pozitif yüklü argon gazı iyonları kullanılır. İyon kaynağı olarak iyon tabancası ve plazma kullanılmaktadır.

7.6--Sıçratma ile bileşikler dahil her türlü malzeme buharlaştırılabilmektedir.Bu açıdan sıçratma yönteminin kullanım alanı geniştir. Bu yöntemin diğer bir avantajı da kaplama yüzeyini bozan droplet oluşma olasılığının daha az olmasıdır.

7.7--Sıçratma ile gerçekleştirilen PVD teknikleri kendi arasında kullanılan sıçratma tekniğine göre diyot, triyot ve manyetik olmak üzere üçe ayrılmaktadır.

Kaynakça:Öğr. Gör. Dr. Halit DOĞAN--Öğr. Gör. Mustafa KARAMOLLA-Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 45140 MANİSA