1- مقدمه
در اواخر دهه 1960 ماده ای تحت عنوان TiN معرفی شد که به خاطر دارا بودن خواص منحصر به فرد به سرعت جای خود را در مهندسی سطح پیدا کرد. از این ماده در مصارف هوافضا، تجهیزات پزشکی و دندان پزشکی، وسایل جراحی، قالبهای پلاستیکی، قالبهای اکستروژن، صنایع بسته بندی مواد غذایی، تجهیزات داروسازی، تیغها و چاقوها، قالبها و سنبه ها، تجهیزات دوار، خودروسازی، صنایع دریایی، اسلحه سازی، شافتها و درزگیرها، ابزارهای برشی و صنایع تزیینی استفاده می شود.
2- ویژگیهای TiN
پوششهای TiN در صنعت کاربردهای زیادی دارند. ویژگیهای این پوشش عبارتند از:
1- سختی بالا
2- قابل اعمال بر روی گستره وسیعی از زیر لایه ها
3- ماده ای خنثی و پایدار
4- استحکام چسبندگی بسیار قوی (بسته به فرآیند پوششدهی)
5- قابل اعمال با ضخامتهای متنوع (معمولا ضخامت 3 میکرومتر)
6- پوشش یکنواخت بدون هیچ برآمدگی روی لبه ها
7- قدرت تحمل دماهای نسبتا بالا
8- غیر سمی بودن (قابل استفاده برای تجهیزات پزشکی)
9- مقاومت به خستگی مطلوب (دارای تنشهای فشاری خیلی بالا)
نمونه تصویر پوشش نیترید تیتانیوم
حجم: 40.9 کیلوبایت
به دلیل خواص و ویژگیهای منحصر به فردی نیترید تیتانیم (TiN)، این ماده کاربردهای گسترده ای در صنعت یافته است. مثلا در صنعت میکروالکترونیک به عنوان سد الکتریکی استفاده می شود یا به سبب مقاومت بالا در برابر سایش در قطعات آن، بهره گرفته می شود. از دیگر ویژگیهای آن خواص زینتی است که به قطعات می بخشد. کاربردهای دیگری از جمله سلولهای خورشیدی نیز دارد.
به بیان دیگر، خواص فیزیکی نیترید تیتانیم (TiN) ویژه این ماده، سبب کاربردهای گستره آن می شود. در جدول 1 برخی خواص فیزیکی نیترید تیتانیم (TiN) در حالت توده ای آورده شده است.
جدول 1 برخی خواص فیزیکی نیترید تیتانیم (TiN) در حالت تودهای
|
ویژگی |
مقدار |
|
دمای ذوب |
3200 درجه سلسیوس |
|
انبساط حرارتی |
6-10*8 بر درجه سلسیوس |
|
سختی |
1770 کیلوگرم بر میلیمتر مربع |
|
چگالی |
4/5 گرم بر سانتیمتر مربع |
|
مقاومت الکتریکی |
6-10*30 اهم در سانتیمتر |
به طور خلاصه با داشتن خواص فیزیکی منحصر به فرد در نیترید تیتانیم (TiN) و اعمال آن به عنوان پوشش بر روی سطح قطعات، انتظار داریم خواص ذیل را داشته باشیم:
- ضریب اصطکاک پایین
- سختی بالا
- مقاومت به درجه حرارت بالا
- چسبندگی خوب با ماده زیرلایه
- مناسب برای ابزارهای فولادی برش سریع
- مقاومت به خوردگی بالا.
به طور کلی می توان روشهای مرسوم تولید لایه های نازک را که به گروههای زیر تقسیم می شوند برای ایجاد پوشش TiN به کار برد.
1- رسوب فیزیکی از فاز بخار (PVD) شامل تبخیر، کند و پاش و برآرایی باریکه مولکولی
2- رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD) و روشهای بهبود یافته آن (PACVD-LPCVD-LECVD)
3- آبکاری الکتریکی و غیرالکتریکی (فرایندهای الکتروشیمیایی و شیمیایی)
4- فرآیندهای پاششی (تفنگهای احتراقی، پلاسمایی و انفجاری)
4- ایجاد پوشش TiN به روش PACVD
همانطور که گفته شد در بین روشهای تولید لایه های نازک روش PACVD به دلیل پایین بودن دمای انجام فرآیند، چسبندگی بسیار عالی پوشش در سرعتهای رسوبگذاری بالا، یکنواختی پوشش و غیرجهت دار بودن فرآیند از اولویت برخوردار است.
برای پوشش دهی TiN بر روی سطح نمونه ها بعد از آماده سازی و صیقلی نمودن سطح نمونه ها، آنها را درون محفظه دستگاه PACVD قرار می دهند. با اعمال خلاء درون محفظه گازهای مضر و اضافی از درون منبع حذف می شود. سپس گازهای نیتروژن، هیدروژن و آرگون با مقدار معین وارد محفظه شده و با اعمال اختلاف پتانسیلی در حدود 600 ولت پلاسما بر روی سطح نمونه ها تشکیل می شود. در این شرایط این گازها به صورت یونیزه در آمده و به سطح نمونه که کاتد می باشد برخورد می کنند. در اثر برخورد این ذرات با سطح نمونه هم آلودگیهای سطح نمونه ها با استفاده از روش کند و پاش از بین رفته و هم دمای نمونه افزایش می یابد تا نمونه به دمای مورد نظر برسد. بعد از رسیدن نمونه به دمای انجام واکنش به مدت یک ساعت همین گازها به درون محفظه وارد می شوند تا سطح نمونه در اثر برخورد یونهای نیتروژن، نیتروژندهی شود. با اتمام فرآیند نیتروژن دهی مقدار گازهای نیتروژن و هیدروژن در ترکیب گاز کم شده و به جای آن گاز TiCl4 که تامین کننده تیتانیم می باشد به درون محفظه وارد می شود. این گاز درون پلاسما یونیزه شده و با یونهای نیتروژن درون محفظه واکنش می دهد و بر روی سطح نمونه رسوب می کند. با مجتمع شدن این ذرات سطح نمونه از ماده TiN پوشیده شده و لایه مورد نظر ایجاد می شود.
5- خواص خوردگی و سایشی پوششهای TiN
اغلب پوششها معمولا به منظور ایجاد لایه ای از مواد با خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسب بر روی سطح فلزات و آلیاژها استفاده می شوند. هدف از ایجاد اینگونه پوششها ایجاد و یا ارتقای خصوصیات سطح با کارایی و کیفیت مناسب می باشد. یکی از کاربردهای پوششها این است که به عنوان لایه ای محافظ از ماده زیر لایه محافظت می کنند. به این نوع از پوششها، پوششهای محافظتی گویند. بیشتر این پوششها جهت مصارف مقاومت سایشی و استحکام الاسیتکی بالا و همچنین مصارف محافظت شیمیایی در برابر خوردگی و حل شدن، ایجاد می شوند.
به طور کلی ابزارها و قطعات در هنگام سایش در معرض نیروهای حرارتی و مکانیکی قرار می گیرند که باعث سایش، اکسیداسیون و خستگی سطح شده و منجر به کاهش طول عمر ابزار می شوند. هنگامی که ابزار در شرایط خشک با مواد دیگر تماس لغزشی داشته باشند، تولید گرمای اصطکاک در منطقه تماس می تواند تغییرات عمده ای در سرعت و مکانیزم سایش به وجود آورد. ضریب اصطکاک کم می تواند دمای تماس در طی لغزش را کاهش داده و بنابراین رفتار تریبولوژیکی را بهبود بخشد.
در آینده نزدیک به پوششهای با مقاومت سایشی و خوردگی بالا نیاز بیشتری داریم تا قطعات مورد استفاده در صنعت طول عمر طولانی تری را در حین کار داشته باشند. پیشرفتهای اخیر در فناوریهای رسوبگذاری لایه های نازک منجر به ساخت نسل جدیدی از پوششهای سازگار و خودروانساز شده است.
پوششهای سخت نیترید تیتانیم به وسیله رسوبدهی فیزیکی از فاز بخار[1] یا رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار[2] در مقیاس صنعتی در سه دهه اخیر انجام داده شده اند. امروزه پوششهای TiN، به خاطر داشتن ویژگیهای منحصر به فردی مانند سختی بسیار بالای آنها، مقاومت به خوردگی و سایش عالی و همچنین ظاهر طلایی پوشش، به طور بسیار گسترده ای در کاربردهای صنعتی برای محافظت کردن ابزارهای برش و شکل دادن و کاربردهای زینتی مورد استفاده قرار داده می شوند. پوششهای TiN رسوب داده شده به وسیله PVD و CVD ضریب اصطکاکی در گستره 6/0 تا 8/0 از خود نشان می دهند. با استفاده از روش رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما[3] ضریب اصطکاک پوشش TiN تا مقدار 17/0 کاهش داده می شود. علت کاهش در مقدار ضریب اصطکاک به مقدار درصد کلر در پوشش مربوط می شود که از طریق TiCl4 وارد پوشش می شود.
منبع: بخشی از پایان نامه کارشناسی ارشد "ایجاد پوششهای نانوساختار نیترید تیتانیوم و بررسی خواص آن". حسن علم خواه، دانشگاه تربیت مدرس، 1388.
Ajam
