Titanyum Nitrür (TiN), titanyum ve azotun reaksiyonu ile oluşan bir bileşiktir. Altın veya metalik, sert ve aşınmaya dayanıklıdır ve mükemmel kimyasal kararlılık ve yüksek sıcaklık direncine sahiptir. Metal işleme, alet üretimi, otomotiv endüstrisi, havacılık, tıbbi ekipman ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan çok önemli bir sert kaplama malzemesidir. İşleme endüstrisinde, TiN kaplaması, özellikle yüksek yük ve yüksek sıcaklık ortamlarında, aletlerin hizmet ömrünü ve işleme verimliliğini artırmak için kullanılır.
TiN kaplamasının tanımı ve özellikleri
1. TiN kaplamasının tanımı
Titanyum nitrür (TiN), enine döner katot teknolojisi kullanılarak PVD (fiziksel buhar biriktirme) sürecinde kullanılır. Malzeme, atomlar/moleküller şeklinde katı bir kaynaktan buharlaşır ve ardından vakum düşük basınçlı gaz/plazma yoluyla buhar formunda alt tabakaya taşınır ve alt tabakada yoğunlaşır.
2. TiN kaplamasının fiziksel ve kimyasal özellikleri
Sertlik: TiN kaplamasının sertliği yaklaşık 2000 HV (Vickers sertliği) kadar yüksektir, bu da alt tabakanın aşınma direncini ve dayanıklılığını önemli ölçüde artırır.
Aşınma direnci: TiN kaplaması son derece güçlü aşınma direncine sahiptir, bu da aletlerin veya parçaların hizmet ömrünü önemli ölçüde uzatabilir ve aşınma ve çizilmeleri azaltabilir.
Yüksek sıcaklık direnci: TiN kaplaması çok iyi sıcaklık direncine sahiptir ve 500-600°C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilir, yüksek sıcaklık çalışma ortamları için uygundur.
Korozyon direnci: TiN, iyi korozyon direncine sahiptir ve asitler, alkaliler ve tuzlu suyun aşındırmasına karşı direnç gösterebilir, zorlu kimyasal ortamlara uygundur.
Kimyasal kararlılık: TiN, iyi kimyasal kararlılığa sahiptir ve diğer kimyasallarla reaksiyona girmesi kolay değildir. Hassas işleme ve kimyasal korozyon direnci gereksinimleri olan ortamlarda yaygın olarak kullanılır.
Sürtünme katsayısı: TiN kaplaması, metal yüzeylerin sürtünme katsayısını azaltır, parçalar arasında sürtünme ve ısı oluşumunu azaltmaya yardımcı olur ve böylece parçaların kullanım verimliliğini artırır.
Görünüm: TiN, altın veya metalik altın rengindedir ve parlaklığı ve cilası çok yüksektir, bu da estetiği artırır. Genellikle güzellik ve işlevsellik gerektiren iş parçası yüzeylerinde, yüksek kaliteli mücevherler, saat parçaları, otomotiv aksesuarları gibi kullanılır.
Düşük yüzey enerjisi: TiN kaplamasının yüzey enerjisi düşüktür, bu da işleme sırasında kesme sıvısı ve iş parçasının yapışmasını etkili bir şekilde azaltabilir, aşınmayı ve işleme sırasında takım yapışmasını azaltır.
Çevre koruma: PVD ve CVD teknolojileri, TiN kaplamalarını biriktirirken zararlı egzoz gazı veya kirletici madde üretmez, bu nedenle çevre koruma konusunda iyi performans gösterirler.
3. TiN kaplamaların dezavantajları
Kaplama kırılganlığı: TiN kaplamaları yüksek sertliğe sahip olmasına rağmen, yüksek sertlikleri kaplamaları daha kırılgan hale getirir ve büyük darbe veya bükülme stresine maruz kaldıklarında düşme veya soyulma eğilimindedirler.
Kaplama kalınlığı sınırı: PVD ve CVD teknolojilerinin yavaş kaplama biriktirme hızı nedeniyle, TiN kaplamalarının kalınlığı genellikle birkaç mikron ile onlarca mikron arasında değişir, bu da daha kalın kaplamalar gerektiren uygulamalar için uygun değildir.
Yüksek maliyet: TiN kaplamalarının biriktirme süreci nispeten karmaşıktır ve maliyeti nispeten yüksektir, bu nedenle genellikle yüksek kaliteli uygulamalarda veya yüksek değerli bileşenlerde kullanılırlar.
TiN kaplamasının hazırlık süreci
TiN kaplamasının hazırlanması için iki ana yöntem vardır: fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD). Bunlar arasında, PVD en yaygın kullanılan süreçtir. Aşağıda bu iki yaygın TiN kaplama hazırlama yöntemi ayrı ayrı tanıtılacaktır.
1. Fiziksel buhar biriktirme (PVD)
PVD, katı malzemeleri fiziksel bir süreçle gaz haline dönüştürerek ince bir film oluşturmak için alt tabakanın yüzeyine biriktiren bir yöntemdir. PVD süreci, TiN kaplamasının hazırlanmasında yaygın olarak kullanılır. Yaygın PVD teknolojileri arasında buharlaşma biriktirme, magnetron püskürtme ve ark buharlaşması bulunur.
(1) Buharlaşma biriktirme yöntemi: Titanyum metali veya titanyum alaşımı ısıtılarak, titanyum buharı buharlaştırılır ve yüksek vakum ortamında azotla reaksiyona girerek TiN kaplaması oluşturur.
(2) Magnetron püskürtme yöntemi: Magnetron püskürtme ekipmanı kullanılarak, titanyum hedefi yüksek enerjili iyonlarla bombardıman edilir, titanyum atomları serbest bırakılır, azot atmosferinde azot molekülleri ile reaksiyona girer ve alt tabakanın yüzeyine bir TiN filmi oluşturmak için birikir.
(3) Ark buharlaşma yöntemi: Titanyum hedef, ark deşarjı ile ısıtılır, böylece titanyum hedef malzeme buharlaşır ve azotla reaksiyona girerek bir TiN kaplaması oluşturur.
PVD yöntemi, yüksek kaliteli, eşit kaplamalar üretebilir ve süreç koşulları hafiftir, bu da çeşitli alt tabakalar için uygundur.
2. Kimyasal buhar biriktirme (CVD)
CVD, gaz öncülleri kullanarak kimyasal reaksiyon yoluyla bir alt tabakanın yüzeyine kaplama biriktirme yöntemidir. CVD sürecinde, titanyum kaynağı ve azot kaynağı gazları reaksiyon odasına verilir ve ısıtma veya plazma uyarımı sonrasında reaksiyona girerek bir TiN kaplaması oluşturur.
(1) Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme (LPCVD): Düşük basınçlı bir ortamda kimyasal bir reaksiyon gerçekleştirilerek yüksek kaliteli bir TiN kaplaması biriktirilir, bu da seri üretim için uygundur.
(2) Atmosferik basınçlı kimyasal buhar biriktirme (APCVD): Biriktirme, atmosferik basınç koşulları altında gerçekleştirilir, bu da bazı özel uygulamalar için uygundur, ancak gereken yüksek sıcaklık nedeniyle, genellikle daha büyük boyutlu parçalar veya daha kalın kaplamalar gerektiren iş parçaları için kullanılır.
Her ne kadar CVD süreci daha kalın kaplamalar üretebilse de, daha yüksek bir sıcaklık gerektirir ve daha yüksek ekipman gereksinimlerine sahiptir. Bu nedenle, bazı durumlarda PVD süreci daha yaygın olarak kullanılır.
TiN kaplamanın uygulama alanları
TiN kaplamanın geniş uygulaması, sadece aletlerin performansını artırmakla kalmaz, aynı zamanda birçok endüstride teknolojinin gelişimini de teşvik eder. Aşağıda, TiN kaplamanın başlıca uygulama alanları verilmiştir:
1. Kesici takımlar
TiN kaplama, bıçaklar, matkaplar ve freze kesiciler gibi metal kesme aletlerinde sıkça kullanılır ve aşınma direncini ve yüksek sıcaklık direncini artırır. TiN kaplama, kesme sırasında sürtünmeyi azaltabilir ve alet ile iş parçası arasındaki ısı birikimini azaltarak aletin hizmet ömrünü uzatır ve işleme verimliliğini artırır.
2. Hassas kalıplar
TiN kaplama, kalıp yüzeyinin aşınma direncini artırabilir, kalıp ile plastik veya metal arasındaki sürtünmeyi azaltabilir ve kalıbın aşınma oranını azaltabilir, özellikle plastik kalıplar ve alüminyum alaşımlı döküm kalıplarında.
3. Tıbbi cihazlar
TiN kaplama, özellikle cerrahi bıçaklar, diş aletleri, cerrahi aletler ve diğer alanlarda tıbbi cihazlarda önemli uygulamalara sahiptir. TiN kaplama, aletin aşınma direncini ve biyouyumluluğunu artırabilir ve aynı zamanda altın görünümü sayesinde aletin estetiğini artırır.
4. Otomotiv parçaları
TiN kaplama, motor parçaları ve otomotiv fren sistemleri gibi anahtar parçalarda sıkça kullanılır ve aşınma direncini, yüksek sıcaklık direncini ve korozyon direncini artırır, parçaların hizmet ömrünü uzatır ve genel performansı artırır.
5. Dekoratif kaplama
Güzel altın parlaklığı nedeniyle, TiN kaplama, yüksek kaliteli aksesuarlar, saatler, mücevherler ve cep telefonu kılıfları gibi dekoratif parçalarda da yaygın olarak kullanılır ve güzellik ile işlevselliği birleştirir.
TiN kaplamanın gelişim trendi
1. Çok fonksiyonlu kaplama: TiAlN, TiSiN gibi yeni TiN bazlı kompozit kaplamalar araştırın ve geliştirin, kaplamaların kapsamlı performansını artırın.
2. Düşük sıcaklık kaplama teknolojisi: Alt tabaka üzerindeki termal etkiyi azaltmak ve uygulama alanını genişletmek için düşük sıcaklık TiN kaplama teknolojisi geliştirin.
3. Nano-TiN kaplama: Kaplamanın sertliğini ve aşınma direncini artırmak için daha hassas ve eşit TiN kaplamalar üretmek amacıyla nanoteknoloji kullanın.
TiN kaplamalar, mükemmel sertlikleri, aşınma dirençleri, yüksek sıcaklık dirençleri ve korozyon dirençleri nedeniyle işleme, tıbbi, otomotiv ve diğer endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaplama teknolojisinin ilerlemesiyle, TiN kaplamaların performansı ve uygulama alanları daha da genişleyecektir. Üretim süreçlerinin sürekli yenilik ve optimizasyonu yoluyla, TiN kaplamalar endüstriye daha verimli ve ekonomik çözümler sunacak ve işleme gelişimini daha yüksek hassasiyet ve daha yüksek performansa doğru teşvik edecektir.
