RreirsfflBıK
Yüklə 1,75 Mb.
|
| Resim 2a: impulslu çalışmada, deney örneği yüzeyindeki sertlik
dağılımı. Işın parametreleri: U = 130 kV, l = 10 mA VS D 1000 900 800 700 600 500 100 IŞIN PARAMETRELERİNİN ETKİSİ Sertleşme için en uygun sıcaklık çevrimi (ısıtma-kısa tut- ma sür esi-ç ok hızlı soğutma) yaklaşık 10*1 ile 10"4 saniye- lik süreler içinde gerçekleşir. Bunun için iki çalışma biçimin- den biri amaca uygun olarak seçilir: 1) Sürekli ışın ile sertleştirme; Bu yöntemde ışın iş parçası yüzeyi üzerinde uygun bir ilerleme hızı ile bağıl olarak ilerler. Sertleştirilecek bölgele- rin geometrisine göre ışın saptırılır ya da iş parçası hareket ettirilerek ışının odak noktası yürütülmüş olur. 2) impulslu ışın ile sertleştirme; Herbir ışın impulsu iş parçası yüzeyinde küçük bir daire- sel bölgeyi sertleştirebilir. Sertleşen bölgenin çapının, odak noktasının çapına hemen-hemen eşit olduğu söylenebilir. Odak noktasının çapı ise 0.1 mm'den birkaç milimetreye kadar değiştirilebilir. Değişik ışın parametrelerinin etkilerinin incelenebilmesi için düşük alaşımlı (%0.9 C, % 0.5 Cr, % 0.2 Mo,% 0.2 V) çelikten üretimiş VSD = 400-450 kp/mm2 olan yassı çu- buklar üzerinde yapılan deney dizilerinde alınan betimleyici sonuçlar Resim 2a'dan Resim 2e'ye kadar verilmiştir. Re- sim 2a-2d'deki çizgelerde, iş parçası yüzeylerindeki ve gereç içindeki sertlik değişimleri görülmektedir. Sürekli ışın ya da impulslu ışın kullanılmış olması yüzeydeki sertlik değerinde pek büyük bir fark ya da en azından duyulur bir fark oluşturmamaktadır. Yüzey sertliği 900 VSD'nin biraz üze- rindedir. Ancak ne var ki, sürekli ışında sertleşen bölge ge- reç içinde duyulur biçimde daha derinlere kadar inmektedir Ulaşılan bu denklik beklentilere uygun biçimde ilerleme hı- zına bağlıdır, ilginç olan nokta; doruk sertliğin yüzeyde olmayıp, yüzeyin 0.1 - 0.4 mm altında bulunmasıdır. Kuş- kusuz bunun nedeni, sertleştirilen bölgede farklı noktaların VSD v = 8 mm/s 4 mm/s 0,1 0.2 0.3 0,1 Serti.Derinliği (mm) l O l Yarıçap (mm) Resim 2b: impulslu çalışmada, deney örneği kesitinde sertlik da- ğılımı. Işın parametreleri: U = 130 kV, 1 = 10 mA Resim 2c: \ ş parçasının değişik bağıl hızlarında deney örneği yü- impuls süresi = 10 ms zeyinde sertlik dağılımı, (sürekli ısın) 8 MÜHENDİS VE MAKİNA DERGiSi CiLT .29 SAYI:336 OCAK 1988 değişik hızlarla soğumağıdır. Ayrıca bir neden ise, elektron ışınındaki enerjinin doğrudan gereç yüzeyinde değil, yüzel altında 40 Mm ile 80 fim arasında değişen bir derinlik bölge- sine bırakılmış olmasıdır?',3. Resim 2e'de en büyük sertliğin ortaya çıkmasına yarayan, buna rağmen yüzeyde bir erimeye neden olmayan en uygun ışın gücü aralığı görülmektedir. v = 4 ram/s GUç Yoğunluğu (W/nT) Resim 2e: Impulslu ve sürekli ısın ile çalışmada güç yoğunluğu- nun sertleştirmeye etkisi. L = güç yoğunluğunun en uygun aralığı 0,2 0,1 0.6 Serti.Derinlimi (mm) Resim 2d: iş parçasının değişik bağıl hızlarında deney örneği Ke- sitinde sertlik dağılımı, (sürekli ışın) Aynca bir deney dizisi de, kimya endüstrisinde kırma- ufalama değirmenlerinde kullanılan silindirik öğütme çu- buklarında yapılmıştır. Sözü edilen çubukların (115 CrV 3, Gereç No: 2210 "Gümüş Çeliği") ilkel sertliği 220 VSD iken uygun bir ışınlama ile silindir yüzeyinin 0.2 mm altı- na kadar inen bir tabaka içinde 750 VSD'ne çıkılmıştır1. Işın parametrelerinden seçilecek en uygun bir dizi ile daha da yüksek sertlik değerlerine ulaşılabileceği bilinmektedir. SONUÇ Isıl bir yöntem olarak elektron ışını yöntemi, kaynaklama ve delme gibi çokça bilinen kullanım alanlarının yanısıra makina elemanlarının ya da takımların yüzeylerinde tufal oluşturmadan ve dolayısıyla da ek bir işleme gerek bırakma- dan sertleştirmeyi olumsal kılar. Anımsatılması gereken bir nokta, sertleşen bölge hacminin tüm iş parçasının hacmına kıyasla çok küçük oluşudur, çünkü sertleşme, ana gereç içinde ısının çok hızlı bir biçimde akışıyla gerçekleşmek- tedir. Sertleştirme, impulslu ya da sürekli ışın ile olmaktadır İmpulslu bir ışın, elektron üretecinin daha karmaşık ve ay- rıntılı olmasını, dolayısıyla da daha pahalı bir düzeneği ge- rektirmekle birlikte, sağladığı serbestlik dereceleri daha çoktur, (impuls süresi, frekans, etkime bölgelerinin yersel ve zamansa! dağılımı). Böylece ısıl işlem ile ilgili pek çok istek bu yöntemde gerçekleşme şansını bulur. tş parçasının bir vakum odası içinde bulunması gereği ve zorunluluğu, elektron ışını ile sertleştirme yöntemini ancak çok yüksek düzeyde zorlamalara maruz makina parçalarının serteştirilmesine özgü bir duruma getirir. Bunun dışında, parçalarda işlem sonucu uzayan ömür süreleri, yöntemi he- men her zaman ekonomik kılmaktadır. KAYNAKÇA 1. Schiller S.. Heisig U., Panzer S., "Eıektronenstrahltechnologie", VEB Verlag Technik, Berlin, 1976 Z. Rykalin N.N., Zuev U., "Elektronenstrahlbearbeitung von Ma- terialien", 1978 3. Schebesta W., "Untersuchung zur Aufklaerung über die Tiefen- vvirkung beim Auftreffen höherenergetischer Elektronenstrahlen auf Metalloberflaechen", Oissertation Techn. Universitaet Wien. 1975. DUYURU Odamız 1988 Ajandaları hazırlanmıştır. Şube ve Temsilciliklerimizden alabilirsiniz. MÜHENDiS VE MAKİNA DERGiSi CİLT :29 SAYI:336 OCAK 1988 Soğuk vurma Prof. Dr. Levon Jozef ÇAPAN Trakya Üniversitesi Mühendislik - Mimarlık Fakültesi Soğuk vurma yöntemi ile, tel veya çubuk uçlarının yığılması ve dolayısıyla bu kısımlarda kesitlerin büyütülmesi sonucunda cıvata, çivi, perçin başları şekillendirildiği gibi, şekilleri bu bağlama elemanlarımnkine yakın her türlü parçanın üretimi de yapılabilmektedir. Yöntem, iş parçası uç kısımlarının soğuk yığılması ile sınırlanmamış olup, parçanın uzunluğu boyunca herhangi bir veya birkaç bölgesi de şekillendirilebilmektedir. Cold heading is used for making enlarged sections on the ends of a piece of rod ör uıire, such as the heads on bolts, nails, rivets and the like. Hotvever, the process is not limited to the cold deformation of the ends of a ıvorkpiece nor to conventional upsetting; metal displacement may be imposed at any point, ör at several points, along the length of the workpiece. Bu kritere göre de soğuk vurma makinalan tek, çift veya üç vuruşlu olmak üzere üçe ayrılırlar. Bu sınıflandırmalar sonucunda, aşağıdaki tiplerde soğuk vurma makinalannın bulunabileceği anlaşılır:
Bu klasik makinalar dışındaözel soğuk vurma makinalan da bulunmaktadır. Bunlara örnek olarak çok duraklı maki- nalar, cıvata ve somun dövme makinalan gösterilebilir. Şekil l de açık tip bir matris takımı verilmiştir. A ve B blokları açılıp telin C deliğine girebilmesini sağladıktan son- ra kapanarak teli sıkıca kavrar. Blokların yüzeylerindeki de- lik çaplan eşit olabileceği gibi ikişer ikişer gruplanacak şe- kilde de düzenlenebilirler. Bu yöntemde, makaralar arasından geçirilerek doğrultu- lan soğuk çekilmiş tel, soğuk vurma makinasında, uygun boyda kesildikten sonra yığılarak şekillendirilir. Böylece perçin, cıvata, somun ve şekilleri bu bağlama elemanlarımn- kine yakın her türlü parçanın üretimi yapılabilmektedir. Soğuk vurma yüksek hızda gerçekleştirildiği için, daki- kada 100 parça mertebesinde üretimlere kolaylıkla ulaşıl- maktadır. Bir parçanın talaş kaldırma yerine soğuk vurma yönte- miyle üretilmesi malzeme kazancı, soğuk şekil verme nede- niyle çeşitli mekanik özelliklerinin yükselmesi, kontrollü malzeme akışı gibi üstünlükler sağlar. SOĞUK VURMA MAKİN ALARI VE TAKIMLARI Soğuk vurma makinalan iki kritere göre sınıflandırılır: a) Bazı makinalarda, matris iki kısımdan oluşur. Bu kı- sımlar telin geçmesi için önce açılır, daha sonra yatay döv- me makinalannda olduğu gibi teli sıkar, keser ve yığma iş- lemleri sırasında da tutarlar. Bazı makinalarda ise matris, ortası delik silindirik bir bloktan ibarettir. Böylece soğuk vurma makinalan açılan (veya açık) nıat- risli ve kapalı matrisli olmak üzere ikiye ayrılırlar. b) Tel uygun boyda kesildikten sonra, ucunun yığılması için bir, iki veya üç darbe vurulabilir. Bunun için, ıstampa- lar arayla şekillendirilecek malzemenin önüne gelirler. Şekül. Şekil 2 de, çift vuruşlu açık matrisli bir makinada soğuk vurma işleminin yapılışı görülmektedir. Matris bloklarını ge- çen tel dayamaya temas ettiğinde (Şekil 2a) matrislerin kayması sonucunda kesilir (Şekil 2b). tik ıstampa birinci yığma işlemini yaptıktan sonra (şekil 2c) çekilerek onun yerini alan ikinci ıstampa vasıtası ile ikinci yığma yapılır (Şekil 2d) ve şekil verme işlemi tamamlanır. Matrisler Ş ekil 2a'daki ilk konumlarını alarak açılır ve parça düşer. Bundan sonra tel yeniden dayamaya kadar ilerler ve çevrim tekrarla- nır. Bu açıklamadan da anlaşılabileceği gibi, açık matrislerle yapılan bir soğuk vurma işleminde, parçanın yığılan bölgesi dışında kalan kısmının uzunluğu matrislerin kalınlığı tara- fından tesbit edilmektedir. Açık matrislere, soğutma ortamına daldırmak suretiyle su verilir. Isıl işlemler tamamlandıktan sonra ise, çarpılma- ları gidermek amacıyla delik yüzeyleri taşlanır veya leplenir. Açık matris blokları, üretim kolaylığı nedeniyle, çoğun- lukla tek parçalı yapılır. Şekil 3'de silindirik başlı bir cıvatanın kapalı matrisli tek vuruşlu bir makinada üretilmesi görülmektedir. L bloğunu geçerek dayamaya (B) temas eden tel C} ve C2 çakılannın oklar yönünde hareket etmesi sonucunda kesilir (Şekil 3a) ve kesilen iş parçası kapalı matris (M) önüne getirilir (Şekil 10 MÜHENDİS VE MAKİNA DERGİSİ CİLT : 29 SAYI:336 OCAK 1988 Dayamı Matris Matris Şekü 2. 3b). Istampanın ileri hareketiyle iş parçası matris deliği içi- ne itilirken mekanik bir aygıtta Ct, C2 çakılarının açılması- nı sağlar; bu durumda iticiye dayanan iş parçasının ıstampa tarafından yığılması mümkün olur (Şekil 3c). Istampa geri çekilirken itici ilerliyerek cıvatayı matris dışına atar (Şekil 3d). Bu açıklamadan da anlaşılabileceği gibi, kapalı matrisle yapılan bir soğuk vurma işleminde, parçanın yığılan bölgesi dışında kalan kısmının uzunluğu itici ayarı tarafından tesbit edilmektedir. Ortası delik bir silindirden ibaret olan kapalı matrisler, üretilecek parça adetine bağlı olarak, tek veya çok parçalı olabilir. Bu matrisler genel olarak karmaşık şekilli parçala- rın üretiminde tercih edilmelidir. Tek parçalı kapalı matrislere su vermede, soğutma orta- mı matris deliğinden geçirilir. Böylece delik yüzeyinde mak- simum sertlik değeri elde edilirken matrisin geri kalan kıs- mının daha yumuşak ve dolayısı ile de darbelere daha daya- nıklı olması sağlanır. Şekil 3. Çok parçalı kapalı matrislerde nisbeten ucuz çelik bir gövde içine sertleştirilmiş takım çeliğinden veya sinterlen- miş bir çekirdek yerleştirilerek özellikle çok büyük üretim adetleri için uzun ömür elde edilir. Tasarım Soğuk vurmada şekillendirme yalnız ıstampa veya yalnız MÜHENDİS VE MAKlNA DERGİSİ CİLT : 29 SAYI:336 OCAK 1988 11 matris içinde gerçekleştirilebileceği gibi, kısmen ıstampa kısmen de matris içine işlenmiş boşlukta da yapılabilir. İş parçasının şekillendirme takımlarının içinden kolay çıkma- sını sağlamak amacıyla yığılan kısma biraz kenar eğikliği (koniktik) verilebilirce de bu hususta kesin bir zorunluluk söz konusu olmamaktadır. Yığılan kısım iş parçasının ucun- da olmadığı takdirde, uzun şaftın matris içinde olması tercih edilmelidir. Takım Malzemeleri Takım ömrü bakımından gerek matris gerek ıstampa yü- zeylerinin sert olması gerekir (minimum Rc60);iç kısımlar ise, iş parçası malzemesinin sert olmaması hâJinde,Rc 40..50 arasında bir sertliğe sahip olmalıdır. Istampalar, açık matris- ler ve tek parçalı kapab matrislerin yapımında malzeme ola- rak AISIW l veya W 2 geniş ölçüde kullanılmaktadır. Çok par- çalı matrislerin çekirdek kısmı AISI D2 veya M2 gibi yük- sek alaşımlı takım çeliğinden üretilebileceği gibi sinterlen- miş çekirdekler de (% 13...25 kobalt+tungsten karbür) kul- lanılabilir. Çelik bir takımın çatlayarak kırılması halinde, örneğin AISI SI gibi darbeye dayanıklı bir malzemenin seçimi soru- nu çözebilir. Bu tür çelikler, nisbeten düşük sertlikleri ne- deniyle daha kolay aşınırlar. Fakat, km imayı önlemek için gerektiğinde aşınma dayanımından fedakarlık edilmelidir. Telin şekillendirilecek olan serbest uzunluğunun yukarı- da belirtilmiş olan değerlerden daha fazla olması gereken hallerde yığma işlemi ıstampa veya matris boşluğunda ya- pılabilir (Şekil 2c ve Şekil 5). Serbest uzunluğun l > 2d olması halinde, l/2d oranı iş- lem sayısını verir. Bu oranla bulunan değer bir tam sayı ol- madığı takdirde bir üst değer alınmalıdır, örneğin l = 5 d ise 5d/2d = 2,5 olduğu için işlem sayısı üçtür ve bu nedenle üç vuruşlu bir makina seçilmelidir. Şekil 4- Şekil 6. İşlem sayısından sonra, her işlemde elde edilecek şekil belirlenmelidir, örneğin Şekil 6'da görülen silindirik başlı cıvatanın üretiminde uygulanabilecek birinci kademe Şekil 7'de verilmiştir. Bu şekildeki koni giriş çapı D=l,4 d olma- lıdır (d = tel çapı). Istampa boşluğunun konik kısmının hacmi ile cıvata kafasının hacmi belli olduğuna göre L bo- yutu kolayca hesaplanır, d = 12 mm ve l = 4d olduğu ka- bul edilirse D = 12x1,4 = 16,8 mm ve L = 21 mm bulunur (Şekil 7). Bu örnekden de anlaşılabileceği gibi, ilk vuruşta malzemeye önemli sayılabilecek bir şekil değişimi uygula- v/ _ >2d . ŞtkttS- MAKİNA TİPİNİN SEÇİLMESİ VE İŞLEMLERİN TAHİNİ Soğuk vurmada, telin şekillendirilecek olan serbest uzun- luğu, çelik malzemelerdeapın2katım(Şekil4), kurşun-ba- kır alaşımlarında ise 1,5 katını aşmamalıdır. Aksi takdirde burkulma ohır. 12 Şekil 7- MÜHENDİS VE MAKlNA DERGİSİ CİLT :29 SAYI:336 OCAK 1988 namadığından başka üözümler arama gereği doğmaktadır. örneğin Şekil 8'de görülen bir çözümde özel ıstampa ve açık matrisler kullanılmıştır. Istampanın A yüzeyi matrisle- rin B yüzeyi ile temas ettiği anda telin C ucu da E tijinin D alt yüzeyine dayanır. Istampanın P kısmı hareketine devam eder, M kısmı ise sabit kalır ve yay sıkışır. Sonuçta, ıstam- panın M kısmı içinde kalan telin ucu E tiji tarafından yığı- lır. Burkulma olmaması için H ölçüsü tel çapının iki katın- dan küçük olmalıdır. Istampanın kursu tamamlandığında, ıstampa boşluğu yığılan tel malzemesi tarafından tamamen dolar. ikinci bir ıstampa ile son şekil verilerek işlem tamamla- nır. SOĞUK VURMA İLE ŞEKİLLENDİRİLEBİLEN METALLER Soğuk vurma çoğunlukla Rockwell B sertliği 75...87 arasında olan az karbonlu çeliklere uygulanır. Soğuk vurmada en çok kullanılan çeliklerden bazıları ve kimyasal bileşimleri Tablo l'de verilmiştir. Çelikteki alaşım elemanları ile karbon ve manganez yüz- deleri arttıkça soğuk vurma güçleşir. Çelikler dışında, pirinç dahil bazı bakır ve alüminyum alaşımları, paslanmaz çelikler (302, 304, 305, 316, 321, 410, 431), bazı nikel alaşımları, berilyum ve titanyum da soğuk vurmada kullanılan malzemelerdir. Fakat berilyum ve titanyuma oda sıcaklığında çatlama olmadan şekil verilmesi oldukça güçtür. Vurma işleminin kolaylaştırılması amacı ile, bazı haller- Şekil 8. Çizelge 1. Soğuk vurmada en çok kullanılan çelikler ve kimyasal bileşimleri.
de, tel makinaya girmeden hemen önce indüksiyonla ısıtı- labilir (Noreling yöntemi). Sıcaklık mertebesi 200 °C dir. Ayrıca vurma sonucunda da sıcaklık yükselerek işlem so- nunda 450°C civannda bir değere ulaşabilir. MÜHENDiS VE MAKİ NA DERGİSİ CİLT : 29 SAYI:336 OCAK 1988 KAYNAKÇA
13 Yüzey kaplamada etkili bir yöntem: PVD* Mehmet YÜKSEL, Ferhan UZUN ve Tevfık KÜÇÜKÖMEROĞLU K.Ü. Makiua Mühendisliği Bölümü PVD (Physical Vapour Deposition) yöntemi, kimyasal tepkimeler yapmadan, vakumda, malzeme yüzeylerine ince tabakaların çöktürülmesini içerir. Bu yöntem kendi içinde üç sınıfa ayrılır: Buhardan çöktürme, iyon kaplama ve katodik püskürtme PVD yöntemi ile plastik malzemeler, kağıt, cam, seramik ve metaller kaplanabilir. Kaplama malzemesi olarak saf metaller, alaşımlar, oksitler, nitrürler v.b. alınabilir. Kaplama kalınlığı, birkaç atom boyundan yaklaşık 100 Hm' ye kadar seçilebilir. Bu kaplamalarla malzemenin aşınma ve koro zy o n dayançları yanında diğer fiziksel ve kimyasal özellikleri de önemli 1 ölçüde iyileştirilebilir. PVD (Physical Vapour Deposition) processes include thin layer deposition on the materials in the vacuum ıvithout any chemical reaction taking place. These processes are divided into three classes: evoporation, ion plating and cathodic sputtering. Plastic materials, paper, glass, ceramic and metals may be coated by applying PVD processes. Püre metals, alloys, oxides, nitrides, ete. can be used as the coating materials. Coating thickness may be varied from a few atom sizes to approKİmately 100 Hm. Wear and corrosion resistance of the material as well as other physical and chemical properties can be considerably improved by t his way. Gelişen teknoloji ile bugün, bir malzemeden çeşitli özel- likleri birarada bulundurması istenir. Fakat, yüksek aşınma ve korozyon dayanımları, iyi şekillendirilebilme, yüksek maliyeti gerektirir. Bu nedenle yüzey kaplama teknolojileri son yıllarda oldukça hızla gelişmektedir. Kompozit malze- me kullanımı ile, istenen özelliklerden bazıları (örneğin mu- kavemet) ana malzeme tarafından üstlenilirken, bazıları da (örneğin yüksek aşınma ve korozyon dayanımı) kaplama ta- bakası tarafından üstlenilir. Genelde, bir kaplama tabakası üretmek amacı ile yapılan çöktürme süreçleri, damlacık iletimi ile olanlar (plazma püs- kürtmesi, ark püskürtmesi vb.) ve atom iletimi ile olanlar (fiziksel buhardan çöktürme, kimyasal buhardan çöktürme ve elektrokaplama) olmak üzere iki tipe ayrılırlar1. Damla- cık iletimi süreçlerinin başlıca sakıncası kaplamanın göze- nekli olmasıdır. Elektrokaplamanın uygulama alanları sınır- lıdır. Diğer iki atom iletim süreci buhar fazından ç oktur erek yapılan kaplamaları kapsar. Bunlardan fiziksel buhardan çöktürme (PVD), bir çok üstün yönü ile son yılların yaygın olarak kullanılan yöntemidir. GAZ FAZINDA ÇÖKTÜRME SÜREÇLERİ ve PVD YÖNTEMİNİN ÜSTÜNLÜKLERİ Son yirmibeş yıldır gaz fazından çöktürerek yapılan kapla- ma işlemleri, büyük bir hızla gelişerek endüstriyel uygula- malarda önemli bir yere sahip olmuşlardır. Gaz fazından çöktürerek kaplamanın iki ana yöntemi kimyasal buhardan çöktürme (CVD: Chemical Vapour Deposition) ve fiziksel buhardan çöktürme (PVD: Physical Vapour Deposition) sü- reçleridir. CVD sürecinin temelini, genellikle gaz fazında olan kim- yasal tepkimelerin katı ürünlerinin, kaplanacak malzeme üze- rine çöktürülmesi oluşturur2 >3. PVD sürecinde ise, buhar- laş tınlan bir saf madde veya bileşiğin gaz fazından fiziksel çöktürülmesi sağlanır. Daha üstün özellikli bileşik tabakala- rın üretimi için bazı PVD süreçlerinde , kimyasal tepkime- lerden de yararlanılır. PVD süreçleri vakumda gerçekleştiri- lir. PVD süreçlerini şu anda ve gelecekteki çeşitli uygulama- lar için çekici kılan başlıca unsurlar şunlardır [4> *'2 ]
PVD SÜREÇLERİ Üç tip PVD süreci vardır. Bunlar:
2. Ulusal Makina Tasarım ve imalat Kongresinde sunulmuştur. 14 MÜHENDiS VE MAKlNA DERGİSİ CİLT : 29 SAY l: 336 OCAK 1988 Buhardan Çöktürme PVD süreçleri içinde en basit olanıdır. Bu süreçte, kapla- nacak malzeme herhangi bir şekilde ısı etkisi ile buharlaştırı- lır ve buharlaşan atomlar substrat (kaplanan malzeme) üze- rine giderek yoğuşurlar. İşlem 10"s - W6 Ton basınçlı yüksek vakum ortamında uygulanır, Şekil 1. I Subur» yanında sistemin basit, buhar veriminin yüksek ve kaplama malzemesinin seçiminde geniş olanaklar sunması sürecin avantajlarıdır3 İyon Kaplama iyon kaplama sürecinde de kaplanacak malzeme, buhar- dan çöktürme yöntemindeki benzer şekilde buharlaştırılır. Yalnız buhar, kaplanacak malzemeye giderken bir plazma içinden geçer. Plazma gazı genellikle argondur ve vakum odasında 0.005-0.2 Torr basınçındadır. Plazma substratı yüksek bir negatif gerilimle besleyerek (0,2-5 kV) üretilir. Şekil 2. Buharlaştınlan atomlardan bir kışımı substrata gi- derken plazmanın etkisiyle iyonlaşır ve aktifleşir1. Ortam K»pUm» m* d c! n i l I \ Vakum pd»tı pomp«n Şekil 1. Isıtmanın elektron ışını ile yapıldığı buhardan çöktürme siirecl şeması Kaplama malzemesini buharlaştırmak için gerekli ısıtma yöntemleri aşağıdakilerden herhangi biri olabilir5''
Bunlardan doğrudan direnç, indüksiyon, elektron ışını ve vakum ark en önemlileridir. Bulıarlaştıncı potaları ref- rakter metallerden (Mo, W, Ta), oksitlerden (A12O3, SiO2 , MgO, ThO ) veya grafitten yapılır. 1700°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su soğutmalı bakır potalar kullanılır5 Yoğuşan tabakanın kaynağa en yakın substrat noktasın- da, en kalın olması, substrata uygun dönme hareketi verile- rek önlenebilir. Diğer bir çözüm de vakum odasına 0,005 - 0,2 Torr basınçlı bir soy gaz sokarak,buhar atomlarının substrata, çarpışarak gitmesini sağlamaktır. Böylece olduk- ça üniform kalınlıkta (%10) bir tabaka üretilebilir1. Buhardan yoğuşturma sürecinde, buharlaşan atomların kinetik enerjileri küçük olduğu için elde edilen kaplamala- rın ana malzemeye yapışma kabileyeti düşüktür2. Bunun * l Torr = 1 mm Hg = 1.33 Pa Şekil 2. iyon kaplama sürecinin şematik gösterilmesi İyon kaplama sürecinde, kaplanan atomların arttırılmış kinetik enerjileri nedeniyle substrata yapışma yeteneği daha da gelişir. Yani yüksek enerjili süreç, iyon kaplanmış taba- kaları çok iyi yapışma özellikli kılar6. İyon kaplamada ilk kademe, substratm yüksek enerjili argon iyonları ile bombardımanıdır. Bu işlemle substrat üze- rindeki kir ve oksit tabakaları uzaklaştırılır. Endüstriyel uy- gulamalarda kaplanacak parçalar sık asıldıkları için birin- den sıçrayan parçacıklar diğerlerine yapışarak karma taba- kalar oluşturabilmektedirler. "Yalancı difüzyon tabakası" denilen bu katmanlar, kaplamanın yüzeye yapışmasında çok iyi bir zemin oluşturlar7. İkinci kademede, yukarıda açıklanan bombardımana devam edilirken, aynı zamanda kaplama malzemesi de buharlaştırılmaya başlanır. Belli çök- türme süresi sonunda işleme son verilerek sistemden vakum kaldırılır. İyon kaplamada, dirençle ısıtma yerine elektron ışını ta- bakalarının kullanılması iyonlaşma verimini arttırır. Aynca doğru gerilim yerine r.f. (radyo frekansı, ~ l MHz'den bü- yük) geriliminin kullanılması, diğer iyi etkileri yanında iyonlaşmayı da önemli ölçüde artırır6. Şiddetli gaz iyonu MÜHENDiS VE MAKİ NA DERGİ Sİ CiLT : 29 SAYI:336 OCAK 1988 15 bombardımanının doğurduğu substrat ısınması sorunu, destekli plazma iyon kaplama süreci ile azaltılabilir1. Bu sü- reçte substrat daha az negatif bir potansiyelde beslenirken, plazma için gerekli elektronlar, yaklaşık 100 V pozitif po- tansiyelli üçüncü bir elektrodu sisteme ekleyerek sağlanır. Bu yöntemde iyonlaşma verimi de yaklaşık on kat arttırıl- mış olur6. Katodik Püskürtme Elektron ışını ile buhalaştırmanın kullanıldığı yöntem- lerde, kaplama yapısını ve bileşimini kontrol etmede doğan güçlükler, alternatif bir buhar üretme yönteminin geliştiril- mesine yolaçmıştır.*. Püskürtme, katodik püskürtme veya atomizasyon denilen bu yeni süreçte, kaplanacak malzeme (target olarak da adlandırılır) negatif olarak bağlanarak doğ- ru gerilim ile beslenir. Genellikle 0.02-0.15 Torr basınçlı argon gazı vakum odasına alınarak oluşturulan plazmanın pozitif iyonları target yüzeyini bombardıman eder. Bu bom- bardımanla yerinden püskürtülen target atomları buhar fazı- na geçerek kaplanacak parça üzerinde yoğuşurlar1 >9 elde edilenin yaklaşık iki katı kadardır. Örneğin, 5 kW (10 A, 500 V) lık bir güç kullanarak, targetten 50 mm uzak- lıktaki bir substrat üzerine bakır ve alüminyum, sırası ile 2,5 (Um/dak ve l, l /an/dak hızlarında çöktürülebilir10. BİLEŞİK TABAKALARIN ELDE EDİLMESİ VE REAKT REAKTİF PVD SÜREÇLERİ PVD süreçlerinde bileşik tabaklar, ya çökturülecek bile- şiğin doğrudan buharlaştırılması ile veya oluşturulacak bile- şik tabakanın cinsine göre vakum odasına bir reaksiyon gazını sokarak, bilinen PVD yöntemleriyle (reaktif süreçler) üretilirler. .iv*4*.»- Ar — *— jBOf'JM1' O* 34" Şekil 4. Magnetik alanın kullanıldığı püskürtme sürecinin şema- tik gösterilmesi Aktifleştirilmiş Reaktif Buhardan Çöktürme Bu süreçde tepkime, buhar fazında, metal ve gaz atomla- rının iyonlaştınlması ve aktifleştirilmesi ile tamamlanmaya teşvik edilir. Sistemde genellikle elektron ışını ile buharlaş- tırma yapılır ve iyonlaşma için kaynak ile substrat arasına düşük doğru gerilimli (20-100 V) bir elektrot yerleştirilir1 ] Reaktif İyon Kaplama Bilinen iyon kaplamadan farkı reaktif gazın varlığıdır. MÜHENDiS VE MAKİNA DERGİSİ CİLT : 29 SAYI:336 OCAK 1988 Vakum od* 1 1 Şekil 3. Katodik püskürtme sürecinin şematik gösterilmesi Bu süreçte, targetten püskürtülen atomların, iyonlarla çarpışarak substrata ulaşması, üniform bir kaplama tabakası elde edilmesini sağlar. Ayrıca buhardan çöktürmeye göre, atomlara 10-100 kat arası daha yüksek enerji verildiği için daha iyi yapışma elde edilir3. Buna karşı kaplama hızı düşük- tür ve bazı durumlarda istenmeyen substrat ısınmalarına ne- den olur. Magnetron olarak da adlandırılan manyetik alanların kul- lanıldığı püskürtme süreçlerinde, targete yakın bir sürekli mıknatıs yerleştirilmiştir. Şekil 4. Manyetik alanın kullanıl- ması, plazmam serbest elektronlarının helisel hareketlerine yol açar. Böylece artırılan elektron yolu, çarpışmayı da artırarak target üzerinde yüksek yoğunluklu plazma oluşu- muna neden olur9. Bu yüksek iyon akım yoğunluğu yüzün- den püskürtme verimi çok yüksek olup, klasik püskürtme ile 16 Doğrudan Buhardan Çöktürme Kaplama bileşiğinin kendisi herhangi bir şekilde buhar- laştırılarak substrata çöktürülür. Çöktürülen bileşik bir çok nedene bağlı olarak genellikle başlangıç malzemesinden farklı stokiyometri gösterir, örneğin, Al O' ün direk buharlaştırılmasında, kaplama tabakası Al O x bileşiği şeklinde oluşur. Bu oksijen eksikliği, ortama düşük kısmı basınçlı 02 salınarak giderilebilir1'11. Reaktif Buhardan Çöktürme Metal ve alaşımlar, vakum odasına alınan kısmi basınçlı bir reaktif gazın varlığında buharlaştınlır. Metal atomları reaktif gazlarla substrat üzerinde veya gaz fazında tepkiye- rek Dileşiği oluştururlar. Örneğin, TiC oluşturmak için, C2H2 nin varlığında Ti buharlaştırılır. Tepkime: 2Tİ + C H a»2Tic+ H Buharlaştınlan metal atomları ve reaktif gazlar plazma için- de iyonlaştınlır ve aktifleştirilirler. Böylece süreç verimi ge- lişir. Reaktif Püskürtme Reaktif gazın varlığında yapılan püskürtme işlemidir, ör- neğin, A12O3 oluşumu için O2 ortamında Al, TiO2 oluşu- mu için O2 ortamında Ti, v.b. püskürtülür. PVD YÖNTEMLERİ İLE KAPLANMIŞ TABAKALARIN ÖZELLİKLERİ Bir yüzey kaplamasında öncelikle istenen özellik, yüzeye iyi yapışmış olmasıdır. Bunun yanında sıkı, kolonsal olma- yan eş eksenli tane yapısı arzulanır. Kaplama işlemleri sıra- sında kaplanacak malzemelerin yüksek sıcaklıklarda tutul- maları difuzyonu hızlandıracağı için yapışma yeteneğini ge- liştirir. Ayrıca yüksek sıcaklıklar ara yüzeyler arası gerilmele- ri azalttığı gibi kaplama iç yapısını da geliştirirler. Bu ne- denle substrat sıcaklığı, kaplama yapısını belirlemede kritik parametredir. Saf metaller ve tek fazlı alaşımlar için Moc- han ve Demchishin'in üç bölge modeli Şekil 5'de gösteril- miştir. Çeşitli PVD süreçlerini elde edilen kaplamaların yüzeye yapışma özelikleri bakımından karşılaştırdığımızda çok iyi yapışma özelliği ile iyon kaplama başta gelir. Daha sonra katodik püskürtme ve en son buhardan çöktürme sıralanır. Çeşitli süreçlerde kaplama hızları, buhardan çöktürme ve iyon kaplamada 0,01-2,5 ^m/dak. ve püskürtmede 0,025- 1,0 Aim/dak. arasında değişir1. Dikey aralı toku Sıkı pak*tl»n>ı» iMi Yüklə 1,75 Mb. Dostları ilə paylaş:
|