Sert Film Biriktirme Nedir?

Sert Film Biriktirmenin Temeli

Sert film biriktirme, aşınma direnci, korozyon koruması veya termal bariyer performansı gibi yüzey özelliklerini iyileştirmek için bir alt tabaka malzemesi üzerine ince, sert kaplamaların biriktirilmesi sürecini ifade eder. Tipik olarak 1-10 mikron kalınlığındaki kaplamalar, buharlaştırılmış alaşım elementlerinin ve bileşiklerinin substrat yüzeyi üzerinde yoğunlaştırılmasıyla oluşturulur. Bu yüzey mühendisliği tekniği, üreticilerin, temel malzemelerin yığın özelliklerini etkilemeden sertliği, kayganlığı, oksidasyon direncini veya diğer özelliklerini geliştirmelerine olanak tanır.

Sert Film Biriktirmenin Amaçları

Sert film biriktirme, malzemelerin yüzey özelliklerini çeşitli şekillerde geliştirmek için kullanılır:

Aşınma direnci

Sert film biriktirmenin ana hedeflerinden biri, bileşenlerin aşınma direncini arttırmaktır. Titanyum nitrür (TiN) ve krom nitrür (CrN) gibi sert kaplamalar, kesme aletleri, motor bileşenleri ve yataklar gibi parçalarda aşınma, yapışma aşınması ve yüzey yorgunluğunu en aza indirebilir. Sert kaplama, diğer yüzeylerle temas sırasında malzemenin hızlı bir şekilde çıkarılmasını önler.

Korozyon Koruması

TiN, alüminyum titanyum nitrür (AlTiN) ve şekilsiz elmas benzeri karbon (DLC) gibi kaplamaların uygulanması, alttaki alt tabakayı korozyon hasarından koruyan bir bariyer oluşturur. Bu özellikle yüksek sıcaklıklara, oksidatif ortamlara ve asitler veya tuzlu su gibi aşındırıcı ortamlara maruz kalan parçalar için kullanışlıdır.

Termal Bariyer

Seramikler ve metalik alaşımlar gibi bazı malzemeler bileşenleri yüksek sıcaklıklardan yalıtabilir. Türbin kanatları üzerinde zirkonyum oksit, krom oksit veya molibden disilisit filmleri biriktirmek, ısı transferini azaltarak daha yüksek sıcaklıklarda çalışmalarını sağlar.

Dekoratif Kaplamalar

Titanyum nitrür ve zirkonyum nitrür gibi sert kaplamalar, yüzeylerde çekici altın, mavi veya siyah renkli yüzeyler oluşturur. Bu, mücevherlerin, moda aksesuarlarının ve tüketici ürünlerinin benzersiz dekoratif efektlere ve görünümlere sahip olmasını sağlar.

Elektriksel Özellikler

Altın, platin ve metal karbürler gibi iletken kaplamalar, iletkenlik ve direnç gibi elektriksel özellikleri değiştirebilir. Bu, sensörler ve yarı iletken cihazlar gibi bileşenlerde elektrik akımı akışının hassas kontrolünü sağlar.

Sert Kaplama Çeşitleri

Buhar biriktirme işlemleriyle uygulanabilen çeşitli sert kaplama kategorileri vardır:

• Geçiş Metal Nitrürleri – Titanyum, krom ve zirkonyum gibi metallerin çok sert seramik nitrür bileşikleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Titanyum nitrür (TiN), mükemmel korozyon direncine ve 2000 HV'ye kadar sertliğe sahip altın renkli bir kaplama sağlar. Krom nitrür (CrN) grimsi bir görünüme sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda tribolojik özelliklerini korur.
• Geçiş Metali Karbürleri – Tungsten karbür (WC), titanyum karbür (TiC) ve tantal karbür (TaC) gibi metal karbürler son derece sert ve dayanıklı kaplamalar üretir. Nitrit filmlere kıyasla üstün aşınma direnci sunarlar. Bununla birlikte, karbür filmler, yüksek sıcaklıklarda çelik yüzeylerle reaksiyona girebilir.
• Seramik Kaplamalar – Alümina (Al2O3), zirkonya (ZrO2) ve krom oksit (Cr2O3) gibi metalik olmayan seramik malzemeler ısı ve korozyona karşı yalıtabilir. Silisyum karbür (SiC) düşük yoğunluğa, yüksek sertliğe ve dayanıklılığa sahiptir.
• Elmas benzeri Karbon – Elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar, elmas benzeri özellikler sağlayan sp3 ve sp2 hibrit karbon atomlarının bir karışımını içerir. Amorf DLC filmler olağanüstü sertlik, düşük sürtünme ve kimyasal inertlik sunar.
• Çok Katmanlı Kaplamalar – TiN ve TiAlN gibi farklı malzemelerin katmanlarını birleştirmek, her bir maddenin faydalarını bütünleştiren kaplamalar üretir. Çok katmanlı filmler, tek katmanlara kıyasla daha iyi sertlik, kırılma tokluğu ve oksidasyon direncine sahip olma eğilimindedir.

Sert Film Biriktirme Malzemeleri

Yüzey özelliklerini ve performanslarını iyileştirmek için çok çeşitli alt tabaka malzemeleri sert filmlerle kaplanabilir:

• Çelik– Çelik, sert filmlerle kaplanan en yaygın alt tabakalardan biridir. TiN, TiCN, CrN ve DLC gibi kaplamalar, sertliği, aşınma direncini ve korozyona karşı korumayı artırmak için kesme aletleri, kalıplar, motor parçaları ve yataklar gibi çelik bileşenlere uygulanır.
• Alüminyum– Hafif alüminyum alaşımları genellikle aşınma ve aşınma direncini artırmak için kaplanır. Sert anotlanmış kaplamalar ve alümina ve silika gibi seramik filmler, alüminyum otomotiv ve havacılık bileşenleri için koruma sağlar.
• Titanyum– Titanyumun sertliği, yapışması ve korozyon direnci, TiN, krom nitrür ve metal katkılı elmas benzeri karbon gibi kaplamalarla geliştirilebilir. Bu filmler, titanyum tıbbi implantların ve havacılık parçalarının darbelere ve korozyona daha iyi dayanmasını sağlar.
• karbürler– Silisyum karbür, tungsten karbür ve boron karbür alt tabakalar, takım uygulamaları için sertliklerini ve termal/oksidasyon direncini daha da optimize etmek için ince filmlerle kaplanır. Çok katmanlı filmler sıklıkla uygulanır.
• Plastikler ve Polimerler– Plastik bileşenler üzerine uygulanan DLC, krom nitrür ve silikon oksit gibi sert kaplamalar, esneklik ve darbe dayanımı gibi toplu özellikleri korurken yüzey sertliğini ve çizilme direncini artırır.
• Seramik– Alümina, zirkonya, silisyum karbür ve silisyum nitrürden yapılan seramik parçaların aşınma ve korozyon direnci, metal nitrürlerin, oksitlerin ve karbürlerin ince film biriktirilmesiyle artırılabilir.

Ekipman ve Sarf Malzemeleri

Sert film biriktirme, kaplamaları hassas kontrolle yalnızca birkaç mikron kalınlığında biriktirmek için gelişmiş vakum teknolojisi ekipmanına dayanır.

• Vakum odaları– Kaplamalar, 10-6 torr'a kadar yüksek vakum seviyeleri elde etmek için pompa kullanan vakum odalarında uygulanır. Bu, buharlaşan kaplama malzemelerinin gazlarla reaksiyona girmeden alt tabakaya ulaşmasını sağlar. Hazneler paslanmaz çelik veya camdan yapılmıştır.
• Püskürtme Tabancaları– Magnetron püskürtme tabancaları, bir elektrik alanı kullanarak hedef kaplama malzemesinin atomlarını püskürtür. Atomlar daha sonra substrat üzerinde ince bir film olarak yoğunlaşır. Güçlü mıknatıslar, plazma deşarjını püskürtme hedef yüzeyinde sınırlar.
• Buharlaşma Kaynakları– Elektron ışını, termal veya ark buharlaştırma gibi kaynaklar, kaplama malzemesini buharlaştırmak için çok yüksek sıcaklıklar kullanır ve alt tabakalar üzerinde yoğunlaşmasına olanak tanır.
• Gaz Temini– Nitrojen veya metan gibi reaktif gazlar, nitrürler veya karbürler gibi bileşikler oluşturmak üzere püskürtülen veya buharlaştırılan kaplama malzemesiyle reaksiyona girmek üzere hazneye verilir.
• Yüzey Isıtıcıları ve Önyargı– Isıtma elemanları ve substrat öngerilimi, biriken atomların yüzey hareketliliğini artırarak yapışmayı iyileştirir ve film yapısını değiştirir.
• Hedef Malzemeler– Kaplama biriktirme kaynağı için yüksek saflıkta hedef malzemeler gereklidir. Yaygın malzemeler arasında titanyum, krom, alüminyum, zirkonyum, tungsten, karbon ve silikon bulunur.
• Proses Gazları– Plazmayı oluşturmak veya kaplama malzemesiyle reaksiyona girmek için argon, nitrojen ve asetilen gibi gazlar kullanılır. Yüksek saflıkta proses gazlarının sağlanması, uygun film bileşimini sağlar.

Işlem adımları

Sert kaplamaların buhar biriktirme yoluyla uygulanması, istenen özelliklere sahip kaplamalar üretmek için dikkatli bir işlemeyi içerir.

1. Yüzey hazırlığı– Kaplamanın yapışmasını azaltabilecek yağları, oksitleri ve kirleticileri çıkarmak için alt tabaka yüzeyi iyice temizlenmelidir. Kum püskürtme, solvent temizleme ve asitle dağlama yaygın olarak kullanılır.
2. Montaj– Bileşenler, tüm yüzeylerin eşit şekilde kaplanmasını sağlayan özel tutuculara sabitlenir veya monte edilir. Dönen gövdeler, tek tip kapsama sağlamaya yardımcı olur.
3. Isıtma– Kaplama atomlarının yüzey hareketliliğini artırmak ve yapışmayı geliştirmek için kaplama öncesinde kaplama genellikle 150-500°C'ye önceden ısıtılır.
4. tortu– Kaplama malzemesi püskürtme, buharlaştırma veya ark buharlaştırma yoluyla buharlaştırılır ve alt tabaka üzerinde sadece mikron kalınlığında ince bir filmin yoğunlaşmasına olanak tanır. Bu, yüksek vakum ortamında gerçekleşir.
5. iyon bombardımanı– Biriktirme sırasındaki enerjik iyon bombardımanı, kaplama atomlarının yüzey difüzyonunu artırarak yapışmayı ve yoğunluğu iyileştirebilir.
6. Sakin ol– Biriktirmeden sonra, oksidasyonu önlemek ve artık gerilimlerin gevşemesine izin vermek için bileşenler kontrollü bir atmosfer altında soğutulur.
7. Kalite kontrol– Kaplanmış parçalar, kaplama kalınlığını, yapışmayı, sertliği ve performansı doğrulamak için mikroskopi, çizilme testi, aşınma/korozyon testi ve diğer analizlerle test edilir.

Dikkatli yüzey hazırlığı, biriktirme işleminin kontrolü ve kaplama sonrası testler, optimum kalite ve kaplama özelliklerini sağlar.

Endüstriyel Uygulamalar

Sert koruyucu kaplamalar, bileşen performansını ve dayanıklılığını artırmak için imalat endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

• kesici– Matkaplara, frezelere, testerelere ve diğer kesme aletlerine uygulanan titanyum alüminyum nitrür (TiAlN), titanyum karbonitrür (TiCN) ve elmas benzeri karbon (DLC) gibi kaplamalar, sertliği ve aşınma direncini önemli ölçüde artırır. Bu, daha yüksek kesme hızları ve daha uzun servis ömrü sağlar.
• Kalıplar ve Kalıplar– Nitrür, karbür ve DLC kaplamalar, plastik enjeksiyon kalıplarını ve metal şekillendirme kalıplarını aşındırıcı aşınma ve korozyondan koruyarak kullanım ömürlerini uzatır. Yaygın kaplamalar arasında CrN, TiAlN ve tungsten karbür-karbon (WC/C) bulunur.
• Petrol ve Gaz Bileşenleri– Kuyu altı matkap uçları, valfler, pompalar ve diğer petrol ve gaz parçaları, delme, kum üretimi ve sıcak tuzlu sulardan kaynaklanan aşınmaya karşı dayanıklı olması için son derece sert TiN, TiAlN veya elmas filmlerle kaplanmıştır.
• Havacılık ve Otomotiv Parçaları– Motor bileşenleri, gövde yüzeyleri, yataklar ve diğer parçalar aşınmaya, yorulmaya ve yüksek sıcaklıkta oksidasyona karşı koruma sağlayan koruyucu filmlerle kaplanmıştır.
• Tıbbi Cihazlar– Cerrahi aletler, implantlar ve tıbbi ekipman yüzeyleri, sertliği, aşınma performansını ve korozyon direncini iyileştirmek için DLC, TiN ve TiAlN gibi biyouyumlu filmlerle kaplanır.
• Dekoratif Kaplamalar– TiN, ZrN, CrN ve AlTiN gibi renkli dekoratif sert kaplamalar takı, saat, güneş gözlüğü ve diğer tüketici ürünlerine uygulanır.

Sert kaplamalar, neredeyse her imalat sektöründe dayanıklılığı ve performansı artırır.

Kuyumculuk Uygulamaları

Dayanıklılığı arttırmanın yanı sıra, sert kaplamalar takı ve moda aksesuarları için çekici yüzeyler sağlar.

• Koruyucu Saat Kaplamaları– Lüks saat kasaları ve kayışları, çizilme direncini artırmak için genellikle ince titanyum nitrür (TiN), elmas benzeri karbon (DLC) veya krom nitrür (CrN) filmleriyle kaplanır. Bu, pahalı saat bileşenlerini günlük kullanım sırasında hasar görmekten korur.
• Renkli Moda Takıları– TiN, zirkonyum nitrür (ZrN) ve krom nitrürün buharla birikmiş kaplamaları, paslanmaz çelik veya pirinçten yapılan pahalı olmayan moda takı parçalarında göz alıcı altın, mavi, siyah ve gri kaplamalar sağlar.
• Gelişmiş Cevher Ayarları– Beyaz altın veya gümüş takı ayarlarına ince bir rodyum veya rutenyum tabakası uygulamak, değerli taşları daha iyi sabitlemek ve yıllarca düzenli kullanımdan sonra bile yeni gibi bir görünüm elde etmek için sertliği artırır ve aşınmayı azaltır.
• Geliştirilmiş Yüzey Sertliği– Titanyum oksit veya silikon dioksit gibi DLC ve seramik kaplamalar, yüzey çiziklerine, aşınmaya ve kararmaya karşı direnci artırmak için mücevher parçalarına uygulanabilir. Bu, zamanla parlak, yeni gibi bir görünüm sağlar.
• Giyilebilir Teknolojide Dekoratif Kaplamalar– Sert dekoratif kaplamalar, akıllı saatler, spor takip cihazları ve VR/AR kulaklıklar gibi giyilebilir cihazlara estetik bir çekicilik katarak markaların görünüme göre farklılaşmasını sağlar.

Dayanıklı, çekici sert kaplamalar mücevherlerin, saatlerin ve moda aksesuarlarının hem ömrünü hem de görsel çekiciliğini artırır.

Diğer Yüzey Sertleştirme İşlemleriyle Karşılaştırma

Sert film biriktirme, geleneksel yüzey sertleştirme tekniklerinden birkaç yönden farklıdır:

Karbürleme ve Nitrürleme

Karbürleme ve nitrürleme, sert bileşikler oluşturmak için karbon veya nitrojeni çelik gibi alaşımların yüzeyine yayar. Sertlik sadece 0.1-0.5 mm derinliğe kadar uzanır. Filmler herhangi bir malzemeyi kaplayabilir ve nitrürlemeye göre > 2 kat daha fazla sertlik elde edebilir.

İndüksiyon ve Alevle Sertleştirme

İndüksiyon veya alevle sertleştirme ile bir termal döngü, dişliler ve yataklar gibi parçaların yalnızca yüzey katmanını seçici olarak sertleştirir. Film biriktirme, tüm yüzeylerde özelleştirilmiş kaplamalara izin verir.

Sert Film Biriktirme Teknolojileri

Sert kaplamaları uygulamak için kullanılan birkaç buhar biriktirme teknolojisi vardır:

Püskürtme Birikimi

Püskürtme biriktirmede, enerjik iyon bombardımanı atomları katı bir hedeften fırlatır ve atomların alt tabaka üzerinde ince bir film olarak yoğunlaşmasına izin verir. Magnetron püskürtme, titanyum nitrür ve krom nitrür gibi malzemeleri biriktirmek için yaygın olarak kullanılır.

Katodik Ark Biriktirme

Bir elektrik arkı, kaplama malzemesini bir katot hedefinden buharlaştırarak akının önemli bir bölümünü iyonlaştırır. Bu, nispeten düşük sıcaklıklarda titanyum alüminyum nitrür gibi çok sert seramik kaplamaların birikmesine izin verir.

Darbeli Lazer Kaplama

Yüksek güçlü darbeli bir lazer, kaplamayı bir vakum odasında alt tabaka üzerinde biriktiren bir plazma bulutu oluşturmak için bir hedeften malzemeyi çıkarır. Bu işlem, film kalınlığının ve bileşiminin iyi bir şekilde kontrol edilmesini sağlar.

Elektron Işını Biriktirme

Bir elektron demeti buharlaştırıcı, kaplama malzemesini ince film biriktirme için buharlaşma noktasına kadar ısıtarak bombardıman eder. Yüksek birikme oranları mümkündür, ancak bu işlemin kontrol edilmesi zor olabilir.

Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD)

Püskürtme ve buharlaştırma gibi PVD teknikleri, ince filmler biriktirmek için kaplama malzemelerini fiziksel olarak buharlaştırır. Yaygın PVD yöntemleri arasında magnetron püskürtme, termal buharlaştırma ve elektron ışını buharlaştırma yer alır.

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)

CVD, filmleri ısıtılmış yüzeylerde biriktirmek için öncü gazlar arasındaki kimyasal reaksiyonları kullanır. Düşük basınçlı CVD ve plazma ile geliştirilmiş CVD, karmaşık geometrilerde kaplamalara izin verir.

Her teknolojinin kontrol, olası kaplamalar, biriktirme hızı ve maliyet açısından kendi avantajları vardır. Hem PVD hem de CVD, sert film biriktirme uygulamalarında kritik roller oynar.