plazma ile nitrürleme(makale)

8/7/2019 plazma ile nitrrleme(makale)

1/5

makale

PLAZMA LE TERMOKMY ASAL Y ZEY LEMLER

Ayhan ELK, Akgn ALSARAN,Mehmet KARAKAN*

Plazma yzey lemleri deiik endstriyel

uygulamalarda kullanlr. Plazma ile yzey ilemleriyle

malzemenin yzey ve yzeye yakn blgelerinin yapsal

zellikleri deitirilerek anma, korozyon direnci ve

yorulma mukavemetiarttnlr. Bu almada, plazma hali

ve plazma ile difzy onal iiemlerhakkmda bilgi verilmitir.

Anahtar szckler: Plazma, yon nitrrleme, yzeyilemleri

Plasma surface treatments are used for a variety of in

dustrial applications. The surface treatments with plasma

improve the wear, corosion resistance and fatigue

strength by change properties of surface and near~sur-

face region of material. In this study, the plasma state

and plasma diffusion processes are introduced.

Keywords: Plasma, ion nltriding, surface treatments

Atatrk niversitesi, Mhendislik Fakltesi, MakinaMhendislii Blm

GR

zey sertlii, anma direnci ve yorulma dayanmm artrmak

amacyla kullanlan yzey ilemleri, mikroyapsal, kimyasal

difzyon ve iyon implantasyon olmak zere grupta

incelenebilir. lk iki ilem ounlukla demir esasl malzemelere

uygulanr. Birinci kategoride, malzeme yzeyinin mikroyapsdeiirken, malzemenin i ksmlarnda herhangi bir deiim

olmamaktadr. kinci kategoride, hem yzeyin mikroyaps hem de

kompozisyonu deimektedir. nc grup, ana malzeme ile alam

oluturan iyonik paralarn implantasyonu ile malzeme nin st yzeyini

(0,1 |Xm zerinde) deitiren implantasyon ilemini ierir. Mikroyapsal

ilemler, kimyasal yaynm ilemleri gibi ucuz ve zel malzeme

gerektirmez. Fakat kimyasal difzyon ilemi ile serdetirme derinlii

daha iyi kontrol edilerek yksek sertlik ve malzemede daha az arplma

elde edilir [1]. ekil l'de demir esasl malzemelerin yzey sertliini

artrmak iin kullanlan yaygn yzey ilemleri snflandrlmtt.

Genel olarak termokimyasal ilemler kat, sv veya gaz ortamnda

gerekletirilir. Son yllardaki gelimelerle, bu ilemlerin ou iin

elektriki boalma (glow discharge) ortam kullanlmaya balanlmtr.

Bu yntem gnmzde yaygn bir ekilde Avrupa, Amerika ve

Japonya'da imalatlar tarafndan kabul grmtr. Bilinen yzeyserdetirme yntemlerine gre, plazma ile yzey serdetirme ilemleri

nemli avantajlara sahiptir [2]. Bunlar; gvenilirlik, evresel temizlik,

ekonomiklik, ksa ilem sresi, kolay maskeleme, mkemmel anma

direnci, minimum distorsiyon, mikroyapnn kontrol edilebilirliidir.

ELEKTRK BOALMA (GLOW DISCHARGE)

Maddenin kat, sv, gaz ve plazma olmak zere 4 hali vardr. Bu

haller arasndaki asl fark sahip olduklar enerjidir. Yani maddenin

konumunun deitirilmesi, verilecek enerji ile ilgilidir. rnein kau

haldeki bir maddeye, enerji vererek sv, sv hale enerji vererek gaz,

ve gaz durum undaki maddeye de belirli bir enerji vererek plazma haline

geirmek mmkndr. Bu ilemin terside yaplarak yani verilen bu

enerjileri geri alarak tekrar plazma halinden gaz, sv ve kat hale

geirmek mmkndr.

Plazma, ierisinde iyon, elektron, uyarlm atom, foton ve ntral

atom veya molekl ieren bir karmdr. Pratikte plazma, s enerjisi

verilerek, nla veya elektriksel boalma ile elde edilir. Plazma elde

etme yntemlerinin en nemlisi ve en yaygn olarak kullanlan

elektriki boalmadr. Elektriki boalma mekanizmas, bir elektrik

Mhendis ve Makina - Ct: 43 Say: 510 17


2/5

makale

gerilim kayna gaz iinde bulunan iki iletken plaka

arasna balanrsa belirli artlar gerekletii taktirde,

tatbik edilen gerilim plakalar arasndaki gazn delinme

geriliminin zerinde ise, bu iki plaka arasnda bir

elektrik boalmas olur ve bu iki iletken plaka arasnda

bir elektrik akm ak olarak gerekleir. Akan akmn

byklne gre ortaya kan elektrik boalma

sistemleri snflandrlabilir [3]. ekil 2'de gaz boalma

blgeleri ve elektrik ark boalma blgeleri ve tiplerinin

voltaj-akm karakteristii gsterilmitir[4].

ekil 1. Isl ve Kimyasal Yzey lemlerinin Snflandrlmas

Ahm (A)

ekil 2. Farkl Elektrlki Boalma Tiplerinin Voltaj-Akm Karakteristii [4].

Mhendis ve Makina - C ilt 43 S ay: 51018


3/5

PLAZMA ILE TERMOKIMYASAL YUZEYLEMLER

Yzey ilemlerinde plazma ortamnn kullanlmas

yaygnlaarak devam etmektedir. Bu yntemin temelleri

yaklak 70 yl nce Bernhard Berghaus [5,6] tarafndan

atlm ve gnm zde ends tri iin vazgeilmez bir unsur

olmutur. Plazma destekli yaynm ilemlerinde ama,

karbon veya azot gibi ara yer atomlarn para yzeyine

gndermektir. Bu atomlar malzeme ierisinde bulunan

alam elemenderiyle birleerek anma ve korozyona

dayankl bir yap oluturur. Bu yntemler temeldealaml eliklere uygulanmaktadr. Tablo l'de uygulanan

plazma destekli termokimyasal ilemler iin ilem

Tablo 7. Plazma Destekli Yzey lemlerine Bak

makale

termokimyasal ilem olarak snflandrlabilir. nk

ilem tamamen ostenrak ardarda meydana gelmektedir.

Bu ilem 850-1050C arasndaki scaklklarda

yaplmaktadr. Bu ilem sonras malzemenin sl

arplmas hemen hemen yoktur, nk souma vakum

ortamnda olmaktadr. Paralarn geometrisi homojen

tabaka elde edilmesi iin nemli deildir, her geometr iye

sahip malzemede homojen kalnlk elde edilebilir. Hatta

ilem parametresinin iyi seilmesi ile 0,5 mm apndaki

bir delik bile karbrlenebilir [12]. Plazma ile karbrleme,

ilem sresinin ksa olmas, az distorsiyon ve yapnnkontrol edilebilmesi gibi avantajlarndan dolay endstride

ok geni uygulama alan bulmutur.

Uygulanan lem

Plazma ile karbrleme

Plazma ile nitrrlemePlazma ilenitrokarbrlemePlazma ile borlama

Temel Mant

Karbonun znm vetakip eden su vermeArayer N'ua znmArayer C ve NznmArayer Bor znm

lem Scakl( Q

800-1000

350-590

450-580

700-1000

lemBasnc(mbar)

1-20

1-10

1-10

1-10

Elde Edilen Sonu

YzeySerii (HV)

700-800

500-1200

800-1100

1800-2000

DifzyonTabakas

Kalnl (um)

50-2000

50-1500

5-10

5-400

scakl ve basncna gre, elde edilen yzey sertlii veyaynm tabakas kalnl verilmitir.

Plazma ile KarbrlemeKarbrleme ilemi, dk karbonlu eliklerin 850-

925C scaklar arasnda yzeylerine karbon emdirilmesiesasna dayanr. Plazma ile karbrleme ilemi konusun da,ilk alma 1934 ylnda Egan [7] tarafndan yaplm vepatenti almtr. 1960 ylnda Vanin [8] plazma ilekarbrleme sistemini kurmutur. Ancak bu sisteminbilinen karbrleme ilemine gre avantajnn olmadgrlmtr. Son yllarda kurulan plazma ile karbrlemesistemleri ile bilinen tekniklere gre, bu yntemin birok avantaj ortaya karlmtr [9,10,11]. Gnmzde

endstriyel amala kurulmu birok plazma ilekarbrleme sistemi mevcuttur.

Plazma ile karbrleme ilemi, plazma ile nitrrlemeilemi ile hemen hemen ayndr. Sadece kullanlan gazve gerilim deeri farkldr. Bu ilemde doru akmkullanlmaktadr. Gaz basnc 1 -20 torr olup, anot ve katotarasna genellikle 1000 vokluk bir gerilim uygulanarakplazma oluturulur. Karbrleme gaz ise genelliklehidrokarbondur. Karbrleme i lemi ostenit ik

Plazma ile Nitrrleme

Nitrrleme demir esasl malzemelerde ferrit faznda

azotun yaynmas ile oluan bir termokimyasal ilemdir.

Sertletirme ilemi 500-590C scaklklar arasnda yaplr.

lk olarak 1920 ylnda kullanlmaya balanm ve bu tarihten

itibaren endstride geni bir kullanm alan bulmutur. Temel

olarak tuz banyosu, gaz ve toz nitrrleme olmak zere

nitrrleme yntemi vardr. Yzey sertlii ve serdeme

derinlii ilem zamanna, scakla, gaz karmna ve demir

esasl malzemenin alam ieriine baldr [2].

Son yllarda plazma ile nitrrleme yntemi, bilinen

nitrrleme yntemlerine gre birok avantaja sahip

olmas nedeniyle endstrinin ilgisini ekmektedir. Plazma

ile nitrrasyon yntemi elektriki boalma (glow discharge)

artlarnda oluur. lk olarak 1930 ylnda svireli

mhendis Bernard Berghaus tarafndan patenti alnmtr

[5,6]. Bu yntemde, malzeme yzeyine iyonize edilmiazotu yaymak iin aktif ve reaktif plazma hali kullanlr.

lem teorik olarak elektriksel olarak iletken malzeme

yzeyine N arayer atomunun yaynma ilemidir [2].

Plazma ile nitrrasyon ilemi N 2 , H 2, Ar ve NH 3 gaz

ortamnda, 350-590C arasnda gerekletirilebilir.

M hend is ve M akina Ct: 43 S ay: 51 0 19


4/5

makale

Yzeyi sertletirilecek malzemenin Cr, Al, V, Mo ve Ti

gibi alam elemanlarn iermesi yzey sertliini daha

da artracaktr. Plazma ile nitrrasyon ilemi sonras en

dta beyaz tabaka ve onun alanda da difuzyon tabakas

olarak adlandrlan yaplar oluur (ekil 3).

ekil 3. Ma ' > amit SEMGrn, . j

Gn mzd e askeri amal olarak kullanlan plazma

ile nitrrleme ilemi, zellikle mot or pistonlarnda, krank

millerinde, valflerde, kam milinde, dililerde, matkap, zmba

gibi kesici takmlarda, derin ekilebilen malzemelerde,

dnm e ve eilmeye maruz kalan t m makina paralarnda

kullanlmaktadr. Bu ilemin ekonomik ve kolay

uygulanabilmesi endstride kullanm alann artrmrr.

Plazma ile Nitrokarbrleme

Temelde nitrokarbrleme, kat, sv ve gaz ya da

elektriksel boalma artlarnda gerekletiri lir.

Gnm zde bu ilem hem sv hem de gaz atmosferinde

ok sk olarak yaplmaktadr. Burada ama istenen artlara

uygun tek fazl E-nitrr tabakasnn oluturulmasdr

(ekil 4). Ancak bu ilem yaplrken istenen ardarm

olumasnda birok zorluklar ortaya kmaktadr. Bu

byk ounlukla, ilem esnasnda yzeyden salan

karbo nun etkisi ile ilgilidir. nk salan karbo n,

nitrrleme iin seilen gaz karmna katlabilir. ok fazla

miktarda karbon bu gaz karmna katld taktirde

beyaz tabaka (E)'nun ierisinde (Fe 3C) sementiti

oluturabilir. Bu durum ise bu tabakann ilevini tam

olarak grmesini engelleyebilir [12],

Plazma nitrokarbrleme ilemi 450-580 C scaklklar

arasnda, demir esasl malzemelerin yzeyine azot ve

karbonun yaynmasn ieren termokimyasal ilemdir.

Yzeyde y-demir nitrr ile ber aber E-nitrr tabakas, on un

alanda da difuzyon tabakas oluur. Plazma ile nitrrleme

. ekil 4. Nitrokarbrlenmi Malzemede (Saf demir) NiirokarbrlTabakann Optik Mikroskop Grn. T= 560 "C, t = 1 saat [14]

ileminin tersine bu ilemde kullanlan gazlar azot-

hidrojen-metan veya azot-hidrojen-karbondioksit'tir

[15,16]. lk yaplan plazma ile nitrokarbrl eme ileminde,

ilem gaz olarak CH, kullanlmtr. Fakat ok kk

miktarda CH 4 kullanmnda bile krlgan semennt ve E

nitrrn olutuu grlm ve daha sonraki

aratrmalarda ortam a C 0 2 gaz verilerek bu sorun

giderilmitir. Bu ilemin amac, dk karbonlu ve dk

alaml eliklerin yzeyinde E-nitrr tabakas

oluturularak korozyon ve anma dayanmn artrmaktr

[17]. Bu ilem ounlukla sade karbon lu elikler ve dk

alaml elikler gibi piyasada daha ucuz olan

malzemelerin yzeyini iyiletirmekte kullanlr. lem

deikenleri ile ilikili olarak yorulma ve akmamukavemeti ve belirli hallerde korozyon direnci artrlr.

Anma ve korozyon direncindeki ara, yzeyde oluan

tek fazl beyaz tabaka (E-nitrr) sayesinde gerekleir.

Plazma ardarnda gerekletirilen nitrokarbrleme,

ilemin evreyle dost olmas, uygun ilem deikenleri

ile tek fazl E nitrr faznn elde etmenin kolay olmas ve

gaz ve enerji tketimin in az olmas nedeniyle tercih

edilmektedir.

Plazma ile Borlama

Son yzyln balarndan itibaren allmaya balanan

borlama ile ok sert, dk srtnme katsaysna sahip,

yksek scaklk mukavemeti fazla olan ve korozyon

direnli malzeme yzeyleri elde edilmesi mmkn

olmaktadr. Bir termokimyasal yzey serdetirme yntemiolan horlamada, bor atomlar metal yzeyine

termokimyasal olarak yaynarak sert bor tabakas

olutururlar. Borlama ilemi esnasnda FeB ve Fe 2B

tabakalar yzeyde oluur (ekil 5) ve bu tabakalarn

sertlii 1800-2000 HV deerine karulabilir. Elde edilen

Mhendis ve Makina - Ciit: 43 Say: 51020


5/5

makale

ekil 5. Borlanan Malzemede (AISI 4140) Borlu Tabakann OptikMikroskop Grn, T= 950 "C, I = 1 saat [19]

bu sert tabaka anmaya kar dayanm artrmaktadr.

Bu yntem, yaklak 700-1100 C scaklkta, deiik

ortamlarda (kat, sv, gaz veya plazma) alamsz ve

alaml eliklere, dkme demirlere, demir d metal ve

alamlarna (Ni, Co, Mo, Ti), bu alamlarn toz

metalrjisi yntemiyle retilen tozlarna, baz sper

alamlar ile sermetler gibi birok malzeme grubuna

uygulanabilir. Borlama ilemleri arasnda sadece paket

borlama B4C-KBF

4-SC tozlar kullanlarak ticari amal

olarak yaygn bir ekilde kullanlmaktadr [1,18].

Plazma ile borlama ilemi ile ilgili olarak yaklak 20

yl atan sredir allmasna ramen, henz tam olarak

anlalamamtr. Ar, H2gazlar ile bitlikte bor kayna

olarak BC13, B,H6, BF3veya B ^ C H ^ (trimetilborat)kullanarak, 800-1000 C scaklkta, yaklak 10' 2 Pa gibi

bir dk bir basnta oluturulmu plazma ierisinde

yaplan horlamadr. Mikroyap ve demirbor tabakalarnn

bymesi ilem scakl, gaz karm oranlan, malzeme

kompozisyonlar, ilem basn deiim oranlar ve

uygulanan akm younluuyla kontrol edilebilmektedir

[18,19]. Bu yntem Almanya' da otomotiv sektrnde

kullanlmaya balanmasyla stn zellikleri nedeniyle

endstrinin dikkatini ekmi ve artan ilgiyle aratrmalar

younlamtr [20].

SONU

Gnmzde uygulanmaya balanlan plazma ile

termokimyasal yzey ilemleri incelendiinde, aadaki

avantajlar olduu grlebilir;

Plazma ile yaplan yzey ilemleri tamamen evre ile

dosttur,

" lk yatrm maliyetinin yksek olmasna karn, ilem

maliyeti ok dktr,

lem sresi ksadr,

Yzey ilemi uygulanan malzemenin anma ve

korozyon direnci ok yksektir,

parasnda arplma dktr,

lem sonras oluan iyapnn kontrol mmkndr,

Yzey sertletirme ilemi istenmeyen yerleri

maskeleme kolayl vardr,

Normal yzey sertletirme ilemlerine gre daha

dk scaklklarda ilem yaplabilmektedir,

KAYNAKA

1. Bhushan, B., Gupta, K. B., Handbook of Tribology,M cGraw-Hill, US .A, (1991).

2. Strafford, K. N., Smart, R., C, Sare, I, Subramarn, C, Sur

face Engineering, Technomic Publishing Company, U S A , (1995).3. Karaden iz, S., Plazm a Tekn ii, TM M O B, M M O, Yayn

no:137, Ankara, (1990).4. E d e n h o f e r , B ., P hy s i ca l a n d M eta l lu rg i ca l A s p ect o f

Ionitriding. Heat Treat Of M etals, V2, (1974), p59.

5. Berg h aus , B., German Patent D R P 668, 669 (W32).

6. Berg h aus , B., Germ an Patent D RP 851, 540 (1939). 7. E g a n , J. J., United States Patent 1, 407 April 1934.8. Vanin, V. S., Russian M etallurgy and Fuels, V3, (1960), p50.9. Edenhofer, B., Ha rterei Tech n i s che M i t te i lu n gen , V 29, 3 ,

(1973), pl65.10. Collign on, P., Miche l, H., and Gantois, M., Traitement

Thermique, V2, (1978), p43.

11. Grube, WX., Vac Sei Technol, V16, 2, (1979), p335.12 . Staines, A. M ., Thermo ch emi ca ! Trea tmen ts i n a G lo w Di s

charge Enviroment Surface Eng., (1985), p739.

13. Alsaran, A., elik, A., Structural Characterization of Ion-nitrided ASI 5140 Lo w Alloy Steel, M aterials Characterization, V47, 3-4, (2001), p207.

14. Malinova, T., Malinov, S., Pantev, N. , Simulation ofM icrohardness Profiles for N itrocarburized Surface Layer byArtifical nueral Network, Surf. Caot. Tech ., V135, (2001), p258.

15. Hadfleld, J., MSc Thesis, University of Birmingham, (1986).16 . Rie, K.T, an d Lampe, T., Pro c. Co n f. Hea t Trea tmen t ' 84

May, (1984).17. Eden h o fer, B. , Phy s i ca l a n d M eta l lu rg i ca l A s p ec t o f

Ionitriding. H eat Treat Of M etals, V2, (1974), p23.18 . Rie, K T., Recent Advances Plasma Diffusion Process, Surf.

C oat Tech., VI12, (1999), p56.19. Kper, A., Qiao, X., Stock, H.R., Mayr, P., A Novel Ap

proach to Gas Boronizing, Surface and Coating Technology,V130, (2000), p87.

20. Cabe o, E.R., Laudi en, G., Biemer, S., Rie, K.-T.,H o ppe, S. , Pla s ma -a s s is ted B o n d i n g o f In d u s tr i a l C o mp o n e n ts i n a Pu l s ed D.C. G lo w D i s cha rge , Su rfa ce a n dCo a t i n g Techn o lo gy , V I1 6-1 1 9, ( 1 999) , p 229.

Mhendis ve Makina - Cilt: 43 Say: 510 21

plazma ile nitrürleme(makale)

Documents