CBN Kaplama Teknolojisi ve Uygulamaları

Transkript

1 BOR ÇALIġTAYI CBN Kaplama Teknolojisi ve Uygulamaları Prof. Dr. Bilgin Kaftanoğlu ĠMALAT MÜHENDĠSLĠĞĠBÖLÜM BAġKANI ATILIM ÜNĠVERSĠTESĠ ANKARA

2 AraĢtırmanın Amacı Bu araştırmada, imalat sanayinde kullanılan ve değişik taban malzemelerden üretilen kesici takımların, makine ve kalıp parçalarının üzerinde BOREN - TUBİTAK projesinde geliştirilen PVD sitemi ile bor içeren kübik nitrür (CBN) kaplamaların yapılması gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin uygulanması sonucu: Kesme sırasındaki performansların iyileştirilmesi Yüksek hızda kesme Kuru kesme Sert malzemelerin kesilmesi gibi uygulamaların yanı sıra, Çok katmanlı kaplama sistemlerinin geliştirilmesi de amaçlarının arasındadır. Araştırma-geliştirme çalışmalarının, Türkiye de yapılmış olması, ülke ekonomisine katma değer ve bilgi birikimi yaratması da projenin esas amaçlarındandır. 2

3 Projenin Kapsamı Kaplamalar, yaygın olarak kesici takım yüzeylerine uygulanmaktadır. Esas amaç aşınma direnci, sertlik gibi mekanik özelliklerin iyileştirilmesi ve dolayısıyla takım ömrünün artırılmasıdır. Kübik Bor Nitrür (CBN) ilk olarak 1956 yılında üretilmiş olup, sahip olduğu üstün özellikleri sayesinde kısa zamanda popüler hale gelmiştir. Sertlik özelliği açısından elmastan sonra gelmektedir. Ayrıca, yüksek ısıl iletkenliğe, aşınma ve paslanmaya karşı yüksek dirence, düşük sürtünme katsayısına sahip olup kararlı bir malzemedir. Ancak, CBN sanayide sinterlenmiş tozdan imal edilmiş takma kesici uçlar olarak kullanılmaktadır. Kaplama olarak kullanılması yürütücünün BOREN - TÜBİTAK 105 M 370 projesi ile başlatılmıştır. Araştırma bünyesinde kesici takım ve kalıpların, CBN kaplı hale getirilerek, CBN'in özellikleri kazandırılmıştır. 3

4 Projenin Kapsamı Geleceğin malzemesi olarak bilinen bor, kesici takım ve kalıpları CBN ile kaplanarak katma değere dönüştürebileceğimiz bir çalışmadır. Bor'un, dünyada en fazla rezervi ülkemizde bulunduğu düşünüldüğün de, borun yüksek katma değer yaratan bir ürüne dönüştürülebilmesi son derece büyük bir önem arz etmektedir. Özetle, bu çalışmada kesici takım ve kalıpların CBN kaplanarak, sanayide kullanılan kesicilerin performansının artırılması, kullanım ömürlerinin iyileştirilmesi ve yüzey özelliklerinin de geliştirilmesi proje kapsamı dahilindedir. 4

5 Özgün Değer CBN kaplamalar Türkiye'de ilk kez proje yürütücüsü ve ekibi tarafından yapılmıştır. Dünyaya bakıldığında ise çok az araştırıcı tarafından araştırılmaktadır. CBN kaplamalar, imalat sektöründe kullanılan kesici takımların yanı sıra kalıpların kaplanmasında da giderek büyük bir önem kazanmaktadır. Yeni bir teknoloji olan CBN'nin ve PVD yöntemleri ile metalin kaplanması, imalat sektörüne maliyet ve zaman açısından verimlilik kazanımı sağlayacaktır. Daha önce yapılan çalışmalara bakıldığında, kalıpların üzerinde kesici takımlara nazaran daha az çalışma yapıldığı ve ülkemizde uygulamada kullanılmadığı, ticarileşmediği, performans değerlendirilmesine dair herhangi bir çalışma bulunmadığı nedeni ile, araştırmamız, bu yönü ile imalat sektörüne özgün bir değer katmayı amaçlamaktadır. 5

6 Kesici Takım Malzemelerinin KarĢılaĢtırılması 6

7 Kaplamalar Sert Kaplamalar, kesici takımların yüzeyine uygulanarak sertliklerini ve aşınma dirençlerini artırmaktadır. Sert Kaplamalardan bugünkü teknoloji kapsamında bilinenler ve uygulananlar: TiN, TiC, TiCN, TiAlN, CrN, Al2O3.. Ancak çok yüksek hızlarda, bu kaplamalar da yüksek sıcaklık açısından yeterli olmamaktadır. Bu nedenle, yeni kaplamaların ve teknolojilerin geliştirilmesine gereksinim vardır. cbn (Cubic Boron Nitride) kaplama bu tür kaplamalara ve teknolojiye bir örnektir. 7

8 cbn in Diğer Malzemelerle KarĢılaĢtırı lması 8

9 YaygınEtki/Katma Değer Daha önce tamamlanmış olan CBN kaplama projesi ( BOREN - TÜBİTAK 105 M 370) başarılı sonuçlar vermiştir. Son yıllarda laboratuar ortamında yaygın olarak denenen CBN kaplamaların kullanım alanları düşünüldüğünde geliştirilebilecek bir ürün (kesici takım, dövme, sac metal şekillendirme kalıpları, roll forming makaraları vb.) ülke ekonomisi için yaratacağı katma değer daha iyi anlaşılmaktadır. Bilimsel açıdan bakılacak olursa projede uygulanan yöntem ve kullanılan malzemeler ülkemizde denenmiş bir özgün teknolojidir. 9

10 Yöntem CBN kaplamaların elde edilmesi için ( BOREN - TÜBİTAK 105 M 370) projesinde kullanılan BOR-N fiziksel buharlaştırma yöntemiyle büyütme düzeneği kullanılmıştır. Bu sistem yüksek vakum ortamında çalışan, çift magnetronlu, reaktif saçtırma yapabilen kaplama düzeneğidir. Kaplama sırasında taban malzemelere rf-voltajı uygulanabildiği gibi, taban malzemelerinin yüzey modifikasyonu için, yüzeyler mikrodalga plazmaya da maruz bırakılabilirler. Taban malzemeler istenen sıcaklığa ısıtılabilirler ve istenirse parçaların üzerine monte edilebileceği döner tabla yardımıyla taban malzemeler döndürülebilir. Kaplanan malzemelerin nitelendirilmesi için birçok farklı teknik ve analiz yöntemi kullanılmaktadır. 10

11 Yöntem Yapısal ve birleşimsel karakterizasyon için Fourier Infrared Transform Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffaraction (X-RD), X- ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi birçok yöntem imkanlar dahilinde kullanılmıştır. Mekanik karakterizasyon için sertlik, sürtünme katsayısı, kalınlık, yapışkanlık gibi özellikleri belirlenmiştir. Bu ölçümlerin yapılabilmesi için üniversitelerin ve özel sektörün imkânları, örneğin: Nanoindentation, Scratch Tester, Tribometer, Calotest gibi cihazlar kullanılmıştır. Ayrıca sanayi uygulamalarında kesici takım performansları gözlemlenecek, takım ömrü, kesici kuvvet ve aşınma direnci gibi özelliklerdeki değişiklikler ölçülmüştür. 11

12 Ġlgi li Yayınlar [1] H.Cesur, B.Kaftanoglu, A.Kalkanli, B.Oral, Deposition of Boron Nitride Coatings on Steel Substrates by RF Magnetron Sputtering, 7th International Conference on Coatings, September 2008, Thessaloniki, Greece [2] H.Cesur, B.Kaftanoglu, An Experimental Study About cbn Formation for Cutting Tools, 5th International Conference and Exhibition on Design and Production of Machines and Dies/Molds, June 2009, Kuşadası, Turkey [3] H.Cesur, B.Kaftanoglu, T.Özel, Machining Performance of cbn Coated Cutting Tools for Die/Mold Applications, 5th International Conference and Exhibition on Design and Production of Machines and Dies/Molds, June 2009, Kuşadası, Turkey [4] Cesur H., Kaftanoglu B., Kalkanli A., Oral B., Bor nitrür kaplamaların çelik alttaşlar üzerinde RF magnetron saçtırma yöntemiyle büyütülmesi, Makine Tasarım İmalat Dergisi, Kasım

13 AraĢtırma Olanakları Atılım Üniversitesi Metal Şekillendirme Mükemmeliyet Merkezi ( MŞMM) İçerisinde yer alan aşağıdaki araştırma olanakları da kullanılmaktadır. 1- BOR-N PVD Sistemi 2- Taramalı elektron mikroskobu SEM (Zeiss) 3- Sertlik ve Mikro-sertlik cihazı (Zwick) 4- X-Işınımı kırınım cihazı (XRD) (Seifelt) 5- Metal Mikroskobu (Nikon) 6- Isıl işlem fırını ve numune saklama buzdolapları 7- Hassas kesme / Bakalite alma/ Zımparalama- Parlatma (Struers) 8- Paralel işlemcili süper bilgisayar sistemi 9-400, 300 ve 80 tonluk presler 10-CNC torna ve dik işleme merkezleri 13

14 Metal ġekillendirme Mükemmeliyet Merkezi Atılım Üniversitesi Ankara 14 Ağustos,

15 CBN Kaplama Sistemi BOR-N PVD Sistemi Alt Birimler: Vakum Odacığı Kontrol Paneli Gazlar Bilgisayar * Bu Sistem BOREN ve TUBITAK Desteği ile Türkiye de tasarlanmış ve İmal edilmiştir 15

16 Vakum Odacığı Alt Birimler: İki magnetron Mekanik& Turbo Pompa Döner Tabla DC, RF and Microdalga Güç Isıtıcılar Vanalar ve ölçü aletleri Özellikler: 10-7 Torr a kadar vakum Alttaşın Orbital ve Eksenel döndürülmesi Kontrollu Gaz Akışı 400 C ye kadar ısıtma Su soğutması 16

17 Kontrol Paneli & Gazlar Sigortalar Basınç Göstergeleri AÇMA/KAPAMA Düğmeleri Basınç Vanası Kontrolu Gaz AkıĢ Kontol Paneli DC Güç Kaynağı RF Güç Kaynağı Microdalga Güç Kaynağı Bilgisayar Ar O2 N2 H2 C2H2 17

18 HBN Hedef Plakalar cbn Kaplama için hbn Hedef Plaka kullanılmıştır. Eskişehir Anadolu University tarafından üretilen hbn Hedef Plaka Molibden Plaka üzerine monte edilmiş hbn Hedef Plaka 18

19 Boron Nitrür Fazları h-bn: Yumuşak ve kaygan hbn crystal structure c-bn: Sert ve kaygan cbn crystal structure 19

20 AlttaĢlar Matkap ve Klavuzlar Dişli Azdırma Çakısı Ekstrüzyon Kalıbı Zımba Rotor 20

21 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Transmittance 100V 150V 200V Transmittance 100V 150V 200V Wave number(cm-1) Wave number (cm-1) (a) FTIR spectra of BN films deposited at 200 ºC, (b) FTIR spectra of BN films deposited at 250 ºC IcBN cbn % 100% I I cbn hbn %75 c-bn at 200 ºC and 200V 21

22 X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) Intensity Intensity Binding Energy(eV) Binding Energy (ev) XPS spectra of BN films(deposited at 200 ºC and 100 V) near the 1s binding energies of B and N atoms Peaks of single chemical states (B1s and N1s) were revealed at binding energies of and respectively. From compositional XPS analysis ratio of B/N=1.1 was deduced which indicates that nearly stoichiometric films have been formed. 22

23 X-Ray Diffraction (XRD) ATILIM Peaks belong to cubic phase of boron nitride are observed at 45.5⁰, 49.4⁰ and 73.2⁰ respectively 23

24 Scanning Electron Microscope (SEM) EDX analysis results showing elemental proportion of BN coating 24

25 Nano Hardness Measurement ATILIM Indenter Type: Berkovich Approach Speed: 2000 nm/min Loading Type: Linear Loading Speed: 60 mn/min Maximum Load: 30 mn Unloading Speed: 60 mn/min cbn-1 cbn- 2 cbn-tin CBN-1 CBN-2 CBN-TiN 25

26 Friction Coefficient Measurements Tribometer test conditions: Normal load: 1 N Ball: Alumina Ball radius: 6 mm Lineer speed: 5 cm/s Radius : 5 mm Distance: 50 m 1,00 0,80 μ ~ 0.5 against Alumina 0,60 0,40 0, ,00 20,00 30,00 40,00 50,00 Dis tan ce on Tribometer [ m] 26

27 Adhesion Measurement Micro-scratch tester device in the facilities of Mechanical Engineering Department of Erzurum Ataturk University. Progressive loading at a rate of 100N/min Starting load 0.2 N Final load 80 N Diamond indenter nose radius of 200 μm Indenter speed 10 mm/min Scratch length is 8 mm 27

28 Nano Scratch Tests ATILIM Indenter type: Sphericalconical 90⁰ Indenter radius: 5 μm Starting Load: 3 mn Final load: 200 mn Scratch length: 2 mm Indenter speed: 4 mm/min. Failure at the first and second critical loads. (108 mn and 183 mn) 28

29 Savunma Sanayiinde Uygulama ATILIM Alanları Yüksek sertlikte malzemelerin üretilmesi Yüksek sıcaklığa dayanım Aşınma direnci fazla olması istenilen parçaların üretimi Inert yüzey özelliklerinin istenmesi Düşük sürtünme katsayısı gerektiren ürünlerin üretimi Mikrop barındırmayan yüzeylerin üretilmesi 29

30 KONFERANS DUYURUSU 6th INTERNATIONAL CONFERENCE and EXHIBITION on DESIGN and PRODUCTION of MACHINES and DIES/MOLDS June 23-26, 2011 ATILIM UNIVERSITY ANKARA-TÜRKİYE

31 TEŞEKKÜRLERİMİZLE! Dikkatiniz için teģekkürlerimizi sunar, soru ve katkılarınızı bekleriz! 31