FBB TiN kaplamalarda taban malzemenin kalıntı gerilme üzerine etkisi

Benzer belgeler
Bölüm 5: X-ışınları Difraksiyonu ile Kalıntı Stres Ölçümü

ÖZGEÇMİŞ. Adı Soyadı: Cevat Sarıoğlu. Doğum Tarihi: 14 Ocak Öğrenim Durumu:

TiN KAPLANMIŞ KESİCİ TAKIMLARDA GERİLME ANALİZİ VE TAKIM-TALAŞ ARA YÜZEYİNDEKİ SÜRTÜNME KATSAYISININ ETKİSİ

HSS High Speed Steel SAW BLADES DAİRESEL TESTERELER

ÖZGEÇMİŞ ALİ ÇAKIR. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü. Çayırova Kampüsü. Gebze/KOCAELİ KİŞİSEL BİLGİLER. Doğum Tarihi: 18 Mayıs 1989

ÖZGEÇMİŞ ALİ ÇAKIR. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü. Çayırova Kampüsü. Gebze/KOCAELİ KİŞİSEL BİLGİLER. Doğum Tarihi: 18 Mayıs 1989

ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİYLE ÇİNKO NİTRÜR (Zn 3 N 2 ) ÜRETİMİ VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİ *

Malzemelerin Yüzey İşlemleri (MATE 464) Ders Detayları

Bölüm 4: X-IŞINLARI DİFRAKSİYONU İLE KANTİTATİF ANALİZ

BURULMA DENEYİ 2. TANIMLAMALAR:

Journal of Engineering and Natural Sciences Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi. EFFECT OF PULSE BIAS VOLTAGE ON ZrN COATINGS BY CATHODIC VACUUM ARC

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM VE ANALİZ (ANSYS)

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. AISI D2 Yüzeyinde Oluşturulan TiN Kaplamanın Aşınma Özellikleri

BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DOĞA BİLİMLERİ, MİMARLIK VE MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 3 NOKTA EĞME DENEYİ FÖYÜ

Uygulanan dış yüklemelere karşı katı cisimlerin birim alanlarında sergiledikleri tepkiye «Gerilme» denir.


KAPLAMA TEKNİKLERİ DERS NOTLARI

2. Amaç: Çekme testi yapılarak malzemenin elastiklik modülünün bulunması

Derin Çekme İşlemi Üzerine Kalıp Geometrisinin Etkisinin Sonlu Elemanlar Analizi

DEMİRYOLU RAYLARINDA KALINTI GERİLİMLERİN MANYETİK BARKHAUSEN GÜRÜLTÜSÜ YÖNTEMİ İLE ÖLÇÜLMESİ

SAVUNMA SANAYİNDE KULLANILAN PASLANMAZ ÇELİKLERİN İŞLENEBİLİRLİKERİNİN İNCELENMESİ

ÜÇ FARKLI ÇELİĞE KATI BORLAMA İŞLEMİ YAPILMASININ İÇ YAPI VE SERTLİK ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ ÖZET ABSTRACT

BURULMA DENEYİ 2. TANIMLAMALAR:

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

TÜBİTAK 2209-A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEK PROGRAMI

İNTERMETALİK MALZEMELER. Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR (DERS NOTLARI-4)

TERMOKİMYASAL YÜZEY KAPLAMA (BORLAMA)

TiC-Co Esaslı Çizici Kalem Karakterizasyonu

KALINTI GERİLME ÖLÇME LABORATUARI Vishay System 7000 Veri Toplama Merkezi

TiN İNCE FİLMLERDE BİAS VOLTAJINA BAĞLI OLARAK KALINTI GERİLME DEĞİŞİMİNİN İNCELENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ. Behzat DEGE

PLASTİK ŞEKİLLENDİRME YÖNTEMLERİ

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ Ford Otosan İhsaniye Otomotiv MYO

AISI 1040 Çeliğinin Tornalanmasında Kesme Şartlarının Yüzey Pürüzlülük Değerlerine Etkilerinin İncelenmesi

I*, FIRAT KAFKAS**, ÇET

TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

SinterlenmişKarbürler. Co bağlayıcı ~ Mpa Sertlikliğini 1100 ⁰C ye kadar muhafaza eder Kesme hızları hız çeliklerine nazaran 5 kat fazladır.

Çentik Açma (Charpy Test Numunesi) 5 TL / Numune 1 gün DİNAMİK LABORATUVARI * TS EN ISO 148-1:2011 TS EN ISO 148-1:2011 TS EN ISO 9016:2012:2013

EN madde 8.2 Fracture toughness (Klc) EN madde 8.4 Fatique Test

Bölüm 3 - Kristal Yapılar

ÇEKME DENEYİ. Şekil. a) Çekme Deneyi makinesi, b) Deney esnasında deney numunesinin aldığı şekiler

Malzemelerin Deformasyonu

BASMA DENEYİ MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ. 1. Basma Deneyinin Amacı

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 6 Sayı: 2 s Mayıs 2004

METALİK MALZEMELERİN ÇEKME DENEYİ

KAPLAMA TEKNİKLERİ DERS NOTLARI

Borlama İşleminde Kullanılan Bor Tozu Tane Boyutunun Kaplama Tabakası Üzerine Etkisi

BURSA TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ DOĞA BĠLĠMLERĠ, MĠMARLIK VE MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ

İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi Journal of Advanced Technology Sciences ISSN:

AISI 3343 Çeliğinden Üretilen Kalıp Zımbalarının Aşınma Davranışı Üzerinde CrN Kaplamanın Etkisi

PVD SPUTTERING. Cr 3+ Cr 6+ GREEN TECHNOLOGY NEW ERA OF CHROME COATING

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ PROGRAMI

TAHRİBATLI MALZEME MUAYENESİ DENEYİ

ÖZGEÇMİŞ. Derece Alan Üniversite Yıl. Yüksek Lisans-Tezli İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ/MAKİNE FAKÜLTESİ 1969

KRİSTALLERİN PLASTİK DEFORMASYONU

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

GAZ KARIŞIMLARININ İYON NİTRÜRLEME ÜZERİNE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI (THE INVESTIGATION OF THE EFFECT OF GAS MIXTURES ON ION NITRIDING)

ÖZGEÇMİŞ. 1. Adı Soyadı : TUNA AYDOĞMUŞ. 2. Doğum Tarihi : Unvanı : ÖĞRETİM GÖREVLİSİ. 4. Öğrenim Durumu : YÜKSEK LİSANS

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ FORD OTOSAN İHSANİYE OTOMOTİV MYO YÜZEY İŞLEMLERİ AR-GE LABORATUVARI

YTÜ Makine Mühendisliği Bölümü Mekanik Anabilim Dalı Genel Laboratuvar Dersi Eğilme Deneyi Çalışma Notu

= σ ε = Elastiklik sınırı: Elastik şekil değişiminin görüldüğü en yüksek gerilme değerine denir.

T.C. BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MIM331 MÜHENDİSLİKTE DENEYSEL METODLAR DERSİ

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KAYA MEKANİĞİ LABORATUVARI

MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri

SEMENTE EDİLMİŞ 8620 KALİTE ÇELİĞİN ÖZELLİKLERİNE SIFIRALTI İŞLEMİN ETKİSİ

Dr. Mustafa ERKOVAN. Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü Gebze Yüksek Tek. Enst. Fizik Bölümü Ocak Kasım 2010

MALZEME BİLGİSİ DERS 6 DR. FATİH AY.

ÇELİKLERİN VE DÖKME DEMİRLERİN MİKROYAPILARI

T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ M-220 ÇEKME DENEYİ

Tablo 1 Deney esnasında kullanacağımız numunelere ait elastisite modülleri tablosu

Cu ALAŞIMI YÜZEYİNE KAPLANAN ZrO 2 +Y 2 O 3 /Al 2 O 3 TABAKALARIN MİKROYAPI VE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ

Malzemenin Mekanik Özellikleri

Elastisite Teorisi Hooke Yasası Normal Gerilme-Şekil değiştirme

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 6 Sayı: 2 s Mayıs 2004

St 37 ÇELİĞİNİN SÜRTÜNMELİ VE GELENEKSEL DELME İŞLEMLERİNDE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜN ARAŞTIRILMASI

DÖRTGEN DELİKLİ KOMPOZİT LEVHALARDA ELASTO- PLASTİK GERİLME ANALİZİ

METALİK MALZEMELERİN GENEL KARAKTERİSTİKLERİ BAHAR 2010

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

ÖZGEÇMİŞ. 6. Akademik Unvanlar

Mukavemet 1. Fatih ALİBEYOĞLU. -Çalışma Soruları-

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

KATILARDA KRİSTAL YAPI. Hekzagonal a b c 90 o, 120. Tetragonal a b c 90 o. Rombohedral (Trigonal) Ortorombik a b c 90 o. Monoklinik a b c 90 o

MİKRO ARK OKSİDASYON TEKNİĞİ

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi

AISI 316 ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİĞİN DELİNMESİNDE TEK KATLI VE ÇOK KATLI KAPLAMALARIN DELİK KALİTESİ ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ

LEVON JOZEF ÇAPAN PROFESÖR

6.1. Yüksek Lisans Tezleri 6.2. Doktora Tezleri. 7. Yayınlar

TÜBİTAK 2237 Proje Eğitimi Etkinliklerini Destekleme Programı ÖZGEÇMİŞ

SANDVİÇ PANEL MEKANİK DAYANIMI

Sb 2 Te 3 ve Bi 2 Te 3 İÇERİKLİ YARI İLETKEN ALAŞIMLARIN ÜRETİMİ ve TERMOELEKTRİK, YAPISAL, MİKROYAPISAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ÖZET

Öğrenim Durumu. Verdiği Dersler. İdari Görevler

TEKİL VE ÇOĞUL KRİSTALLERİN PLASTİK DEFORMASYONU

ST 37 ÇELİĞİNİN ANSYS PROGRAMINDA BASINCA BAĞLI OLARAK MEKANİK GERİLMELERİN İNCELENMESİ

TaN, ZrN VE TaN/ZrN ÇOK KATLI KAPLAMALARIN AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ. YÜKSEK LİSANS TEZİ Oğuz YILDIZ

Tungaloy Report No. 406-Tr. Küçük kanallar için uçlar Yeni. GTGN tip. Yeni geliştirilmiş üç kenarlı kanal ucu

DOĞAL KURŞUN METALİK KURŞUN PLAKALAR

PÜSKÜRTME YÖNTEMİ İLE HAZIRLANAN CdO İNCE FİLMLERİN ÖZELLİKLERİ * Properties of CdO Thin Films Deposition by Spray Methods*

R1234YF SOĞUTUCU AKIŞKANININ FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ İÇİN BASİT EŞİTLİKLER ÖZET ABSTRACT

PÜSKÜRTME ŞEKİLLENDİRME (SPRAY FORMING / SPRAY DEPOSITION)

Transkript:

itüdergisi/d mühendislik Cilt:4, Sayı:1, 95-102 Şubat 2005 FBB TiN kaplamalarda taban malzemenin kalıntı gerilme üzerine etkisi Uğur DEMİRLER *, Yılmaz TAPTIK İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul Özet Sert seramik kaplamaların yük altında davranışlarını etkileyen önemli özelliklerinden biri içerdikleri kalıntı gerilmelerdir. Kalıntı gerilmelerin niteliği ve büyüklüğü kaplamanın taban malzemeye yapışması ve sertliği üzerinde çok etkilidir. Kaplamaların içerdiği kalıntı gerilmeleri ölçmeye yönelik değişik teknikler vardır.bu teknikler içerisinde en yaygın kullanılanlardan bir tanesi x-ışınları kırınımıdır (XRD). Bu çalışma kapsamında ark-fiziksel buhar biriktirme (ark-fbb) tekniği kullanılarak iki farklı taban malzeme (AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI M4 yüksek hız takım çeliği) üzerine kaplanmış olan titanyum nitrür (TiN) kaplamaların kalıntı gerilmeleri klasik kitlesel teknik ve ince film tekniği olmak üzere iki farklı x-ışınları kırınım tekniği kullanılarak ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kalıntı gerilme ölçümü, XRD, FBB kaplamalar. Substrate effects on residual stress of PVD TiN coatings Abstract Residual stress is one of the most important characteristic of hard ceramic coatings that directly affects their behavior under loading. The residual stresses in hard ceramic films consist of thermal stress resulted from cooling after deposition due to differences in the thermal expansion coefficiency of the film and substrate, and growth stress or intrinsic stress generated during deposition. The magnitude of measured residual stress in the film depends on process parameters such as temperature, bias voltage, gas pressure, substrate, deposition time, and film thickness. The magnitude and the type of residual stress govern the adhesion and hardness properties of the coatings. Among several techniques utilized for residual stress measurements, techniques based on XRD are widely used. X-ray diffraction technique is relies on the elastic deformations within a polycrystalline material to measure residual stresses in a material. This study aims to analyze and compare the residual stress on hard ceramic TiN coatings produced by Arc-PVD technique. For this purpose two different XRD stress measurement techniques, namely classical bulk stress measurement, and thin film stress measurement were used. Every coating group were coated by using two different coating ticknesses (approximately 1µm and 3µm), two different bias voltages (150V and 250V) and two different substrates (AISI 304 stainless steel and AISI M4 high speed steel). Keywords: Residual stress measurement, XRD, PVD coatings. * Yazışmaların yapılacağı yazar: Uğur DEMİRLER. demirler@itu.edu.tr; Tel: (212) 285 68 97. Bu makale, birinci yazar tarafından İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi'nde tamamlanmış olan "Fiziksel buhar biriktirme TİN, CrN Ve ZrN kaplamalarda proses parametreleri ve taban malzemenin kalıntı gerilme üzerine etkisi" adlı doktora tezinden hazırlanmıştır. Makale metni 15.07.2003 tarihinde dergiye ulaşmış, 13.11.2003 tarihinde basım kararı alınmıştır. Makale ile ilgili tartışmalar 30.06.2005 tarihine kadar dergiye gönderilmelidir.

U. Demirler, Y. Taptık Giriş Fiziksel Buhar Biriktirme (FBB) tekniği ile kaplama katı haldeki bir kaynağın vakum altında buharlaştırılması veya atomal hale dönüştürülmesi ve taban malzemenin üzerine biriktirilmesi ile gerçekleştirilir. FBB teknikleri kulanılarak seramik nitelikli, aşınmaya dayanıklı sert nitrürler (TiN, CrN, ZrN, MoN, Mo 2 N gibi), karbonitrürler (TiCN gibi), oksitler (Al 2 O 3 gibi), borürler (ZrB, TiB 2 gibi) ve karbürler (TiC gibi) üretilebilmektedir (Noyan ve Kohen, 1987). Özellikle geçiş elementlerinden üretilmiş metal nitrürler FBB tekniği ile yoğun olarak üretilmektedir. Fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile üretilmiş kaplamalardan TiN kaplamalar için yapılan kalıntı gerilme ölçümleri, ince film kaplamalarda kalıntı gerilme ölçümlerinin ilk başladığı günlerden bu yana yapılan çalışmalar arasında yer almaktadır Bu durum Ti-N sisteminde yapılan kaplamaların Fiziksel buhar biriktirme tekniği ile üretilen kaplamalar arasında yoğun ticari kullanım bulmuş olmasından kaynaklanır. Bu çalışmanın amacı kaplamanın yapıldığı taban malzemenin değişmesi halinde ortaya çıkan koşulların kalıntı gerilme üzerine ne şekilde etki etiğinin belirlenmesidir (Demirler vd., 2002; Sarıoğlu vd., 2002; Kazmanlı vd., 1999 ve Sanjinés vd., 1998). Kalıntı gerilme ölçüm teknikleri üzerinde 1900 lü yıllardan beri çalışmalar yapılmış ve birçok ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin en bilinenleri kör delik (delik açma) yöntemi, tabaka kaldırma yöntemi, plaka eğme yöntemi, İndentasyon yöntemi, ultrasonik yöntemler, manyetik yöntemler, synchrotron radyasyon yöntemi, nötron kırınımı yöntemi, mikro-raman spektroskopisi yöntemi ve X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemleridir (Noyan ve Kohen, 1987; Kandil vd., 2001; Lord, 2000; Nolan vd., 2000; Suresh ve Giannakopoulos, 1998; Gauthier vd., 1998; Schoenig, 1995; Hognestad ve Hanne, 1998). Bir kaplama için sertlik, yapışma ve aşınma özellikleri kalıntı gerilmelerden büyük oranda etkilenir. Kalıntı gerilmeler kaplama üretim prosesinde etkili olan bazı parametreler nedeniyle oluşur. Bu parametreler kaplama sıcaklığı, bias voltajı, gaz basıncı, birikme süresi, film kalınlığı, kaplama sonrası soğuma gibi proses parametreleri ve taban malzeme özellikleridir. Özellikle kaplama sonrası soğuma evresinde taban malzeme ve kaplama malzemesinin ısıl genleşme katsayılarının farklı olmasından dolayı oluşan ısıl gerilmeler kalıntı gerilmelerin oluşumunda büyük etki sahibidir (Demirler vd., 2002; Bendavid vd.,1994; Oettel vd., 1995). XRD ile kalıntı gerilme ölçümü X-ışınları difraksiyonu ile εφψ şekil değişimi, gerilimli ve gerilimsiz durumda d düzlemler arası mesafeler arasındaki fark kullanılarak hesaplanabilir. (φψ) doğrultusundaki şekil değişimi aşağıdaki eşitlik ile ifade edilebilir. Burada anılan doğrultu ve açılar Şekil 1 de verilmiştir. d d0 ε = φψ φψ (1) d 0 Burada d φψ gerilme içeren malzemede ψ doğrultusuna dik kristal düzlemleri arasındaki mesafeyi{hkl} ifade eder. d 0 ise aynı düzlemler için gerilmesiz hali ifade eder. Kaplamanın izotropik ve yüzeydeki gerilmenin tek eksenli olduğu varsayılırsa temel gerilmeler σ 1 ve σ 2 ile şekil değişim (gerinme) ilişkisi aşağıdaki gibi verilebilir. dφψ d0 S2 2 εφψ = = σ φ sin ψ + S1( σ1 + σ 2) d 2 0 (2) Burada S 1 ve S 2 x-ışınları elastik sabitleridir. σ φ ise σ 1 cos 2 φ+σ 2 sin 2 φ dir. Elastik olarak izotropik olan bir katıda: υ S1 = ve E 1 S = 1 υ 2 dir. 2 E Burada E elastisite modülü ve ν ise Poisson oranıdır (Dölle, 1979; Noyan ve Kohen, 1987; Novotna vd., 1999).

FBB TiN kaplamalar S 3 L 3 L 2 L 1 Şekil 1. Malzeme üzerinde doğrultu ve açıların şematik gösterimi Sin 2 ψ tekniği malzemelerde x-ışınları difraksiyonu ile kalıntı gerilme ölçümü için kullanılan en yaygın tekniktir. Klasik teknikte malzemeler için d düzlemler arası mesafe ile Sin 2 Ψ eğrisi çizilir. X-ışınları difraksiyon analizi, seçilen bir {hkl}düzlemi için yapılır. İnce filmler için ise düşük açı ile x-ışınları gönderilmesi gerektiğinden mümkün olan bütün {hkl} düzlemlerinden difraksiyon alınarak a kafes sabitine karşılık Sin 2 Ψ eğrisi çizilebilir. Deneysel çalışmalar Deneysel çalışmalarda kullanılan TiN kaplamalar iki farklı taban malzeme üzerine Ark FBB yöntemi kullanılarak, farklı bias voltajları, farklı kaplama süreleri ve buna bağlı farklı kaplama kalınlıkları seçilerek üretilmiştir. Üretilen kaplamaların kalıntı gerilmeleri değerleri iki farklı XRD kalıntı gerilme ölçme yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. TiN kaplamaların yapılacağı taban malzemeler 304 kalite paslanmaz çelik (AISI 304) ve yüksek hız takım çeliği (AISI M4) olarak seçilmiştir. Taban malzemelerin bileşimleri ve bazı mekanik ve ısıl özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. AISI 304 ve AISI M4 çeliklerinin bazı mekanik ve ısıl özellikleri Malzeme Elastisite Modülü (Gpa) Sertlik (HB) Isıl Genleşme Katsayısı (µm/m- 0 C) AISI 304 200 225 0-500 0 C için 18.7 AISI M4 214 123 0-500 0 C için 12.1 TiN kaplamalar Katodik Ark Fiziksel Buhar Biriktirme (KA-FBB) yöntemi kullanılarak Novatec-SIE (Model: NVT-12) fiziksel buhar biriktirme cihazında yapılmıştır. Kalıntı gerilmeler, karşılaştırma amacıyla bütün malzemeler için hem klasik kitlesel teknik ile hem de ince film tekniği ile Philips PW 3710 difraktometre ile CuK α ışınımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm analizler için paralel demet optikleri, grafit monokromatör, kolimatör ve orantılı dedektör kullanılmıştır. Ejiri ve diğerleri (1997) tarafından TiN için elastisite modülü olarak 427 Gpa ve Poisson oranı olarak 0.2 değerleri verilmiştir. Difraktometrenin hassasiyetini belirlemek için kalıntı gerilme içermeyen silikon numune kullanılarak kalibrasyon yapılmış ve klasik yöntem kullanılarak bulunan kalıntı gerilme değeri σ=0.55 MPa gibi sıfıra yakın bir değer çıkmıştır. Sert seramik kaplamalar üretim koşulları gereği basma yönünde yüksek sayılabilecek değerlerde ve GPa ölçeğinde ifade edilen kalıntı gerilme değerleri içermektedirler. Silikon numuneye yapılan kalıntı gerilme ölçümüne ait d- grafiği Şekil 2 de görülmektedir. Hesaplamaların doğru şekilde yapılabilmesi için elde edilen X-ışınları kırınım verileri ham olarak kullanılamaz. Yapılan hesaplama ile cihaz, numune ve diğer fiziksel koşullardan kaynaklanan olumsuz etkenler ortadan kaldırılıp kırınım pikinin gerçekte olması gereken yer belirlenir.

U. Demirler, Y. Taptık 0.861 d 0.86 0.859 0.858 0.857 0.856 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Şekil 2. Kalıntı gerilme içermeyen silikon numune için d- grafiği Bu işlem için Philips PC-APD 3.6 bilgisayar programı kullanılmıştır.kaplamaların üretimi için 150V ve 250V olmak üzere farklı iki bias voltajı belirlenmiştir. Kaplama süreleri ve birikme hızları gözönüne alınarak her iki bias voltajı için iki farklı kalınlıkta kaplama üretilmesi planlanmıştır. Planlanan kaplama kalınlıkları yaklaşık olarak 1µm ve 3µm dir. Tablo 2 de kaplamalar için bias voltajı, kaplama kalınlığı, ve hem ince film hem de kitlesel XRD yöntemleri ile ölçülen kalıntı gerilme analiz sonuçları yeralmaktadır. 150V bias voltajında üretilen 1.01 ve 3.35µm kalınlığındaki kaplamalarda ince film yöntemi ile yapılan kalıntı gerilme analizi a-sin 2 Ψ diyagramları Şekil 3 te örnek olarak verilmiştir. Grafiklerdeki doğruların eğim farklılıkları hemen dikkati çekmektedir ve eğimlerdeki bu farklılık kalıntı gerilmelerin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 3 te verilen a- diyagramları hem AISI 304 hem de AISI M4 çelikleri üzerine yapılan kaplamaları içermektedir. Elde edilen bütün kalıntı gerilme değerleri basma gerilmesi yönündedir. FBB kaplamalarda kalıntı gerilmenin basma gerilmesi yönünde olması genel bir karakteristik olup kaplamanın taban malzemeye yapışmasını arttıran bir faktördür (Gill ve Clayne, 1994). Tablo 2 incelenirse her iki kaplama kalınlığı için de 150V bias voltajında AISI 304 çeliğine yapılan kaplamaların kalıntı gerilmeleri AISI M4 üzerine yapılan kaplamalardan yaklaşık 1Gpa fazladır. Tablo 2. Farklı taban malzemeler üzerine üretilen TiN kaplamalar için farklı bias voltajlarında ve farklı kalınlıklarda ölçülen ince film ve kitlesel XRD kalıntı gerilme analizi sonuçları Kaplama TiN Bias Voltajı (V) 150 250 Taban Malzeme (malzeme kodu) Kalınlık (µm) Kalıntı Gerilme (GPa) İnce Film Yöntemi Kitlesel Yöntem 498hss-AISI M4-5.83-6.33 1.01 498pc-AISI 304-6.79-6.73 496hss-AISI M4-5.35-5.27 3.35 496pc-AISI 304-6.34-6.24 499hss-AISI M4-2.90-2.62 0.96 499pc-AISI 304-5.10-4.70 500hss-AISI M4-3.16-3.35 3.42 500pc-AISI 304-6.17-5.72

FBB TiN kaplamalar Kaplama sonrası soğuma evresinde taban malzeme ve kaplamanın ısıl genleşme katsayılarının farklı olmasından dolayı oluşan ısıl gerilmelerin kalıntı gerilmelerin oluşumunda büyük etki sahibi olduklarından daha önce bahsedilmişti. Bu etkinin FBB-TiN kaplama sistemi için ne şekilde olduğu her iki taban malzeme için bu çalışmada yapılan kalıntı gerilme analizlerinde kendisini göstermektrdir. Şekil 3 te örneği verilen 150V bias voltajında üretilmiş kaplamalar gibi 250V bias voltajında üretilmiş olan kaplamalar da AISI 304 üzerine kaplandıklarında daha yüksek kalıntı gerilme içermektedirler. 250V bias voltajında yapılan kaplamalarda taban malzemelerin kalıntı gerilme üzerine etkisi incelendiğinde artışlar neredeyse 2 kat olmuştur. 0.99µm kalılığındaki kaplamalarda fark 2.2GPa, 3.42µm lik kaplamalarda ise 3.01GPa dır. Tablo 1 de taban malzemelerin ısıl genleşme katsayıları 0-500ºC aralığında AISI 304 için 18.7µm/m-ºC, AISI M4 için 12.1µm/m-ºC olarak verilmiştir. TiN ısıl genleşme katsayısı ise 0-20ºC aralığında 9.4µm/m-ºC olup, titanyum alaşımları ısıl genleşme katsayısı ise 0-500ºC aralığında 10µm/m-ºC dir. Seramik malzemeler için yapılan literatür araştırmasında nitrürlerin ısıl genleşme katsayılarının metalik bileşeninkine yakın olduğu görülmektedir. Yani TiN için 0-20ºC aralığı için verilen katsayının 0-500ºC aralığı için de yaklaşık olarak 9-10µm/m-ºC civarında olacağı kabul edilebilir. Bu kabul karşılaştırma yapılırken her iki ısıl genleşme katsayısının 0-500ºC aralığı dikkate alınarak değerlendirilmesi açısından kolaylık sağlayacaktır. Taban malzeme farklılığının kalıntı gerilmeyi nasıl etkilediği ısıl genleşme katsayıları da göz önüne alınarak karşılaştırılırsa TiN ile AISI M4 ün ısıl genleşme katsayılarının birbirine yakın değerler olduğu görülür. a 4.28 4.26 498hss 498pc a 4.24 4.22 b 4.2 4.28 4.26 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 496hss 496pc a 4.24 4.22 4.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Şekil 3. 150V bias voltajında üretilen TiN kaplamalar için a-sin 2 Ψ grafikleri (a-3.35µm, b-1.01µm)

U. Demirler, Y. Taptık TiN ile AISI 304 ün ısıl genleşme katsayıları ise birbirinden neredeyse iki kat farklıdır. Aynı kaplama kalınlığına sahip olan her iki taban malzemenin kaplaması da aynı şarjda ve aynı anda yapılmış ve her iki kaplama aynı ısınma ve soğuma koşullarına maruz kalmışlardır. Aynı şarjda yapılan kaplamaların taban malzeme farklılaştığında kalıntı gerilme değerlerinin değişmesinin temel nedenlerinden biri şu şekilde ifade edilebilir. Kaplama malzemesi ile taban malzemenin ısıl genleşme katsayılarının farklılığı ve bu farkın soğuma esnasında etkin bir rol oynaması kalıntı gerilmelerde de belirgin bir farklılığa neden olmaktadır. Tablo 2 den kitlesel yöntem kalıntı gerilme analizleri ile ince film kalıntı gerilme analizlerinin birbirlerine çok yakın sonuçlar verdiğini görmek mümkündür. Her taban malzeme, bias voltajı ve kalınlık kombinasyonunda her iki yöntem birbirini destekler neticeler ortaya koymuştur. Kitlesel yöntem ile elde edilen kalıntı gerilme değerlerinde taban malzemenin farklılaşması ile görülen fark 150V bias voltajında yaklaşık 1GPa, 250V bias voltajında ise yaklaşık 2-3GPa arasındadır. 150V bias voltajında hem AISI 304 hem de AISI M4 çelikleri üzerine yapılan 1.01 ve 3.35µm kalınlığındaki kaplamaların kitlesel yöntem ile kalıntı gerilme analizi d-sin 2 Ψ grafikleri Şekil 4 te verilmiştir. a 0.871 498hss 498pc d 0.866 0.861 b 0.856 0.871 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 496hss 496pc d 0.866 0.861 0.856 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Şekil 4. 150V bias voltajında üretilen TiN kaplamalar için d-sin 2 Ψ grafikleri (a-3.35µm, b-1.01µm)

FBB TiN kaplamalar Sonuçlar Farklı kalınlıklarda, farklı bias voltajlarında FBB tekniği ile üretilen TiN kaplamaların ince film ve kitlesel XRD yöntemleri ile yapılan kalıntı gerilme analizleri çalışmasından çıkarılan genel sonuçlar aşağıda sıralanmıştır. 1. Analizler öncesi kalıntı gerilme içermeyen silikon numune ile yapılan klasik yöntem kalıntı gerilme analizinde bulunan sıfıra yakın değer analiz sonuçlarının doğruluğunu kanıtlamaktadır. 2. TiN kaplamalar için hem kitlesel, hem de ince film yöntemi kullanılarak belirlenen kalıntı gerilme değerleri birbirine oldukça yakındır. Bu da her iki yöntemin birbirini doğrular nitelikte olduğunu ortaya koymaktadır. 3. FBB yöntemi ile üretilen kaplamalarda kalıntı gerilmeler basma gerilmesi yönündedir. Gerilmenin bu yönde olması kaplamanın taban malzemeye tutunması açısından avantajdır. Bu çalışmada incelenen sistemlerde de sonuç aynı yönde çıkmıştır. 4. Bu çalışmada kaplamaların kalıntı gerilmeleri üzerinde en etkin parametre olarak taban malzeme özellikleri kendini göstermektedir. 5. Her koşul için AISI 304 çeliği üzerine kaplanan kaplamaların kalıntı gerilmesi AISI M4 çeliği üzerine kaplananlarınkinden daha yüksek olmuştur. 6. Kalıntı gerilme değerindeki taban malzemeden kaynaklanan artış lineer bir eğilim göstermemektedir. Kimi kaplamada fazla kimi kaplamada nispeten daha az olsa da Kaplama kalınlığı ve bias voltajı farklılığı da bu artışı etkilemektedir. 7. Kaplama sonrası soğuma evresinde kalıntı gerilme oluşumunda taban malzeme-kaplama ısıl genleşme katsayılarının etkin bir rol oynadığını görülmektedir. 8. Aynı bias voltajları için kaplama kalınlıklarının artması kalıntı gerilme değerlerinde çok belirgin bir eğilime neden olmamıştır ve kalınlık-kalıntı gerilme ilişkisi taban malzeme-kalıntı gerilme ilişkisi kadar net değildir.. 9. Bu çalışmada kullanılan TiN kaplamalar için bias voltajının değişmesi kalıntı gerilme değerlerinde belirgin bir değişime neden olmamıştır. Kaynaklar Bendavid, A., Martin, P. J., Netterfield, R. P. ve Kinder, T.J., (1994). The properties of TiN films deposited by filtered arc evaporation Surface and Coatings Technology, 70, 97-106. Demirler, U., Taptık, Y., Ürgen, M. ve Çakır. A. F., (2002). Ark-Fbb tekniği ile yapılan sert seramik kaplamalarda kalıntı gerilmenin klasik ve ince film XRD tekniği ile karşılaştırmalı ölçümü, 11. Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiriler Elektronik Kitabı, İstanbul. Dölle, H., (1979). The influence of multiaxial stress states, stress gradients and elastic anisotropy on the evaluation of (Residual) stresses by X-rays, Journal of Applied Crystallography, 12, 489-501. Ejiri, S., Sasaki, T. ve Hirose, Y., (1997). X-Ray stress measurement for TiN films evaporated by PVD, Thin Solid Films, 307, 178-182 Gauthier, J., Krause, T. W. ve Atherton, D. L., (1998). Measurement of residual stress in steel usind the magnetic barkhausen noise technique, NDT&E International, 31, 1, 23-31. Gill, S. C. ve Clyne, T. W., (1994). Investigation of residual stress generation during thermal sprayingby continuous curvature measurement, Thin Solid Films, 250, 172-180. Hognestad, H. ve Honne, A., (1998). Determination of stress in ferromagnetic steel by potential drop measurements, Materials Science and Technology, 14, 1109-1114. Kandil, F. A., Lord, J. D., Fry, A. T. ve Grant, P. V., (2001). A review of residual stress measurement methods-a guide to technique selection, NPL Report MATC(A)04, Project CPM4.5 Measurement of Residual Stress in Components, NPL Materials Centre, Middlesex, UK. Kazmanlı, M. K., (1999). Mo-N kaplamaların ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Lord, J., (2000). Hole drilling techniques, BCA Structural Materials Workshop, NPL Materials Centre, Middlesex, UK.

U. Demirler, Y. Taptık Nolan, M., Perova, T., Moore, R.A., Moore, C. J., Berwick, K. ve Gamble, H.S., (2000). Micro- Raman study of stress distribution generated in silicon during proximity rapid thermal diffusion, Materials Science and Engineering, B73, 168 172. Novotna, Z., Kralova, R., Novak, R. ve Marek, J., (1999). X-ray analysis of residual stresses in TiN coatings, Surface and Coatings Technology, 116 119, 424 427. Noyan, I. C. ve Kohen, J. B.,(1987). Residual stress: measurement by diffraction and ınterpretation, Springer-Verlag New York Inc., Printed in Germany. Oettel, H., Weidmann, R. ve Preibler, S., (1995). Residual stresses in nitride hard coatings prepared by magnetron sputtering and arc evaporation, Surface and Coatings Technology, 74-75, 273-278. Sanjinés, R., Hones, P. ve Lévy, F., (1998). Hexagonal nitride coatings: electronic and mechanical properties of V 2 N, Cr 2 N and -MoN, Thin Solid Films, 332, 225-229. Sarıoğlu, C., Demirler, U., Kazmanlı, M. K. ve Ürgen, M., (2002). Residual stresses in MoN and Mo 2 N coatings deposited by arc PVD on high speed steel substrate, Surface Modification Technologies XV, Ed: Sudarshan, T. S. and Jeandin, M., ASM International, Ohio and IOM Cominications Ltd., U.K. Schoenig, F. C., (1995). Eddy current measurement of residual stress ınduced by shot peening in Titanium Ti-6Al-4V, Materials Evaluation, Jan., 22-26. Suresh, S. ve Giannakopoulos, A. E., (1998). A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation, Acta materiala, 46, 16, 5755-5767.