مقدمه

نیتریدهای فلزی به خاطر سختی بالا و پایداری شیمیایی، مواد مناسبی برای پوشش های نازک صنعتی هستند. این پوشش ها اغلب دارای نقطه ذوب و سختی بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی و مقاومت به خوردگی خوبمی باشند. این خواص، کاربردهای وسیع آنها را ممکن ساخته که برای مثال می توان موانع نفوذی در میکروالکترونیک، پوشش های مقاومت به سایش در ابزارهای برشی، مقاومت به خوردگی و فرسایش لایه های روی ابزارهای مکانیکی و اپتیکی را نام برد. پوشش های نیتریدی فلزی می توانند به وسیله روش های رسوب فیزیکی بخار1(PVD) ورسوب شیمیایی بخار2(CVD) رسوب داده شوند. در روشPVD معمولا سرعت رسوب گذاری و یکنواختی آن کمتر است، در ضمن پوشش های ایجاد شده در روشPVD به بعضی پوشش های حائل نیاز دارند که باعث پیچیده شدن فرآیند پوشش دهی و افزایش هزینه می شود. روش CVDمعمولی نیاز به درجه حرارت بالا به منظور فعال کردن فاز گازی و انجام واکنش های سطحی برای ایجاد لایه فیلم جامد در روی سطح دارد که ممکن است باعث خسارت و یا تخریب مواد حساس به درجه حرارت شود. کاربردهای صنعتی پوششهای سخت و مقاوم به سایش حدود 30 سال پیش با روشCVD شروع شد. درجه حرارت این فرآیند که بین 1000-800 درجه سانتیگراد بود این روش را به استفاده از مواد پایدار در برابر حرارت مانند کاربیدهای سمانته محدود می کرد. گاهی اوقات فولادهای ابزار نیز که تلورانس ابعادی نسبتا پایین داشتند بطوریکه احتمال تغییرات ابعادی در آنها بعد از پوشش دهی و عملیات حرارتی پس از آن کم بود، با این روش پوشش داده می شد. توسعهوپیشرفت روشهای PVD در دهه 80 موجب ترقی و پیشرفت پوشش دهی فولادهای ابزاری گرم کار و تندبر شد زیرا ١ – Physical Vapour Deposition ٢ – Chemical Vapour Deposition درجه حرارت این روش معمولا از 500 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند و کمتر از دمای تمپر این فولادها می باشد. با این حال نیاز به فشار کم در روشهایPa) PVD 1-1/0) و همچنین خطی بودن پوشش دهی آنها و نیاز به چرخش نمونه جهت ایجاد پوشش همگن و یکنواخت، باعث بروز مشکلاتی در پوشش دهی قطعات صنعتی از قبیل قالبهای دایکاست، قالبهای تزریق پلاستیک و همچنین قالبهای شکل دهی ورق در مقایسه با ابزارهای برشی شده است. معمولا برای غلبه بر مشکلات فوق از روش رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما 1(PACVD) استفاده می شود که ترکیبی از مزایای روش CVD وPVD را شامل می شود. در این روش پلاسما با فراهم کردن محیطی از گاز یونیزه شده، و با تشکیل ذرات فعال شده که به پیش ماده شیمیایی حمله میکنند، باعثمی شود که پیش ماده در دمای کمتری نسبت به سایر روش های فعال شونده با گرما تجزیه شده و بر سطح زیر لایه رسوب کند.کار کردن در فشار چند ده تا چند صد پاسکال و پوشش دهی قطعات با شکلهای پیچیده هندسی و بزرگ بدون نیاز به چرخش قطعه، و همچنین دمای کاری پایین این روش (حدود500درجه سانتیگراد) از جمله خصوصیات و مزایای آن می باشد.

فهرست مطالب

چکیده                                                                    2

مقدمه                                         3

فصل اول : کلیات                                               4

کلیات                                                             5

فصل دوم : روشهای لایه نشانیCVD وPACVD        ا            6

2- 1-روش رسوب شیمیاییاز فاز بخار (CVD)ا                               7

2- 1- 1- سیستمICVD                         ا          10

2- 1- 2- اصول فرآیند و مکانیزم رسوب گذاری                        10

2- 1- 3- پارامترهای فرآیند CVDا                          11

2- 2- روش رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PACVD)ا          13

2- 2- 1- مزایای روشPACVD ا                               17

2- 2- 2- معایب روشPACVD ا                                   18

فصل سوم : پوشش های نیتریدی ایجاد شده به روشPACVDا                             20

3- 1- پوششهای نیتریدی دو تایی                                  21

3-1-1- پوشش Tinlا          24

3- 1- 1-1- پارامتر شبکه TiNا        ا               27

3- 1- 1-2- چسبندگی پوشش TiNا      ا                         28

3- 1- 1-4- خواص سایشی پوششTiN ا                           33

3- 2- پوشش های چند تایی یا چند جزئی                     36

1-2-3- پوششTiAInIا             37

3- 2- 1-1- ترکیب شیمیایی TiAlNا                  ا                38

3- 2- 1-2- ساختار TiAlNا                    ا                    39

3- 2- 1-3- مورفولوژی TiAlNا                       ا                  42

3- 2- 1-4- رفتار اکسیداسیونTiAlN ا                          43

3- 2- 1-5- پایداری حرارتی TiAlNا             ا                  49

3- 2- 1-6- میکرو سختی پوشش TiAlNا               ا            50

3- 2- 1-7- خواص سایشی TiAlNا     ا            51

2-2-3- پوششTiCNI   ا      52

3- 2- 2-1- ترکیب شیمیایی TiCNاا                 ا   54

3- 2- 2-2- ریز ساختار پوشش TiCNا        ا        55

3- 2- 2-3- چسبندگی پوششTiCN ا                       57

3- 2- 2-4- سختی پوشش TiCNا             ا                    58

3-2-3- پوششTiBNI ا                 52

3- 2- 3-1- ترکیب شیمیاییTiBN ا                             59

3- 2- 3-2- خواص سایشی TiBNا                                  63

3- 2- 3-3- نرخ رشدلایه TiBNا              ا                68

3- 2- 3-4- خواص مکانیکیTiBN ا                         69

3- 3 پوشش های چند  لایه                             71

1-3-3- پوششTiN/TiBNI ا              73

3- 3- 1-1 ساختار پوشش TiN/TiBNا           ا                           72

3- 3- 1-2 خواص مکانیکی پوشش TiN/TiBNا           ا          74

3- 3- 1-3 خواص تریبولوژیکی پوشش TiN/TiBNا   ا             78

2-3-3- پوشش TiN/TicI ا          79

فصل چهارم : کاربردهای صنعتی پوششهای نیتریدی ایجاد شده به روش PACVD         86

4- 1- قالبهای ریخته گری تحت فشار آلومینیم                             88

4- 2- قالبهای تزریق پلاستیک                           95

4- 3- قالبهای شکل دهی ورقهای فلزی                      98

فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات                             101

5- 1- نتیجه گیری                            102

منابع و مأخذ                         104

فهرست منابع لاتین                                  105

چکیده انگلیسی                       110

فهرست جدول ها

جدول3-1 خواص فیزیکی بعضی نیتریدهای فلزی                         22

جدول3-2 خواص مکانیکی بعضی نیتریدهای فلزی                 22

جدول 3-3-ترکیب شیمیاییTiN اکسید شده وTi1-xAlxN در سطح بیرونی و عمق  0/5µmا             42

جدول 3-4- نرخ گازهای مصرفی هنگام پوشش دهی برای نمونه های مختلف [35]                               53

جدول 3-5- توصیف بار های بحرانی بر اساس مکانیزم های مختلف تخریب[21]                                  64

جدول 3-6 – بار های بحرانی پوشش هایTiBN وTiCN بر اساس مکانیزم های مختلف تخریب در زمان تست خراشی [21]ا                                          64

فهرست شکل ها

شکل 2-1- شماتیکی از پوشش دهی CVD[1].           ا              7

شکل2- 2- شماتیکی از مراحل پوشش دهی به روش CVD [1].                   ا               11

شکل2- 3- ایجاد پلاسما به روش کاتد سرد (DC/ Pulsed DC Discharge) [12]                     ا15

شکل 2-4- ایجاد پلاسما به روش کاتد سرد (Hollow Cathode DC/ Pulsed) [12]             ا     16

شکل 2-5- ایجاد پلاسما به روش فرکانس رادیویی (RF) [12]. ا                        16

شکل 2-6- ایجاد پلاسما به روش مایکرو ویو Resonance Electron Cyclotron ) ECR ا       16

شکل 3-1- دیاگرام فازی دو تایی Ti-N ا                      24

شکل 3-2- شبکه کریستالی TiN ا                         25

شکل 3-3- تاثیر جریان گاز4TiCl و فشار کل بر پارامتر شبکه TiN ا                                   28

شکل 3-4- چسبندگی پوشش TiN بر روی سطح فولاد 2AISI Dبر اساس نسبت N2/H2ا                     29

شکل 3- 5- تصاویرSEM از سطح مقطع شکست فولاد2AISI D با پوشش TiN که در ترکیب گازH2 (a)60%و 2N40%وH2(b) 10%و 2N90% قبل از پوشش دهی نیتراسیون شدهاند                              30

شکل 3- 6- سختی و نرخ رسوب گذاری پوششTiN به صورت تابعی از پارامترهای فرآیند شامل نرخ گاز     N2، Ar ، H2،TiClو فشار کل         32

شکل 3-7- تاثیر مقدار کلر بر سختی وسایش پوشش TiNا             33

شکل 3-8- ضریب اسطکاک پوششهای TiNبا مقادیر مختلف کلر در دمای اتاق [32].                          35

3- 9- تاثیر درجه حرارت بر ضریب اسطکاک و سایش پوشش TiNحاوی کلر3/7at.%              ا                     36

شکل3- 10- تاثیر ولتاژ و نسبت 4AlCl3/TiCl بر مقدارX درTi1-xAlxN ا                        39

شکل3-11- الگوی پراش اشعه x از پوشش Ti1-xAlxN با مقادیر مختلف xا                                   41

شکل 3-12- تاثیر مقدار Al بر پارامتر شبکه ساختار       ا             42

شکل 3-13- آنالیزXRD از پوششTi1-xAlxN با مقادیر مختلف x                      ا                       42

شکل 3- 14- میکروگراف SEMاز سطح مقطع فیلم های TiAlNبا کسرمولی AlNبین .[34] %2 -%96ا             43

شکل 3-15- پروفیل عمق XPSاکسیژن و نیتروژن در پوشش TiNاکسید نشده [33].       ا                         44

شکل 3-16- پروفیل عمقXPS اکسیژن و نیتروژن در پوششTiN اکسید شده[33].ا                                   45

شکل 3-17- پروفیل عمق XPSاکسیژن و نیتروژن در پوشش Ti1-xAlxN (x=0/04)ا           46

شکل 3-18- پروفیل عمقXPS اکسیژن و نیتروژن در پوشش(x=0/4) Ti1-xAlxN ا                   47

شکل 3-19-تصویر میکروگراف SEM از سطح مقطع پوشش Ti0.21Al0.79N ا                           48

شکل 3-20- پروفیل عمق فیلم Ti0.21Al0.79Nاکسید شده که به وسیله EPMAاندازه گیری شده است         49

شکل 3-21- بررسی فاز هگزاگونال در دو فیلمTi1-xAlxN در زمان آنیل در اتمسفرAr ا                         50

شکل 3-22- تاثیر مقدارAl بر میکرو سختی فیلم Ti1-xAlxN ا              51

شکل 3-23- مقایسه نتایج تست سایش پوشش های مختلف TiAlNا                         52

شکل 3-24- (a) شماتیک پوشش TiCNو(b) شیب ترکیب شیمیایی در عمق پوشش                      55

شکل 3-25- میکرو گرافTEM و نمودارSAED از سطح مقطع نمونه 1(جدول3-5)        56

شکل3-26- میکرو گراف TEMو نمودارSAED از سطح مقطع نمونه 3 (جدول3-5)                     57

شکل3- 27- میکروگراف TEMو نمودارSAED از سطح مقطع نمونه 5 (جدول3-5)[36]              57

شکل 3-28- میکروسختی پوشش TiCN و TiBN بدون عملیات نیتراسیون قبلی (PN) و با عملیات نیتراسیون                         59

شکل 3- 29- نمودار XRD از TiN و نمودار GAXRD از پوشش های مختلف TiBNا           61

شکل 3-30-(a) شماتیک پوشش TiBN و (b) شیب ترکیب شیمیایی در عمق پوشش               62

شکل 3-31- تاثیر نسبت گاز 4N2/TiCl بر غلظت عناصر مختلف در پوشش            63

شکل 3-32- قسمت اصلی از یک ترک خراشی در پوشش TiBN بدون PN ا           64

شکل 3-33- قسمت اصلی از یک ترک خراشی در پوششTiBN با PN ا             66

شکل 3- 34-نتایج تست پین روی دیسک برای پوشش های ,0.8TiB2, TiB0.4N TiNا           67

کل3-35- تاثیرنسبت گاز4N2/TiCl و ولتاژ بر روی نرخ رشد لایه TiBN ا               68

شکل 3-36- تاثیر مقدار B برسختی و مدول یانگ پوشش های TiBNا         69

شکل 3-37 تاثیر نسبت 4N2/TiCl بر روی سختی TiBNا               70

شکل 3-38- تنش فشاری ذاتی پوشش هایTiBN در دمای اتاق     70

شکل 3-39- تصویر SEMاز سطح مقطع شکست پوشش 32لایه TiN/TiBNا             73

شکل 3- 40- تصویر زمینه روشنa)TEM ) و میکروگراف b)EELS)که توزیع عنصر B رادر پوشش 300   لایه ای TiN/TiBNنشان می دهد          74

شکل 3-41- وابستگی سختی ومدول الاستیک پوشش TiN/TiBNبه تعداد لایه های پوشش        75

شکل 3-42- رابطه بین تعداد لایه ها با نسبت²H³/E در پوشش TiN/TiBNا               76

3-43- رابطه بین تعداد لایه ها با تنش های باقیمانده در پوشش TiN/TiBNا            77

شکل3- 44- منحنی ضریب اصطکاک پوشش 4 لایه TiN/TiBN در فاصله لغزش1000mا                   78

شکل 3-45 منحنی ضریب اصطکاک پوشش 128 لایه TiN/TiBN در فاصله لغزش 1000mا               79

شکل 3-46- دیاگرام انرژی آزاد سیستمTi-C ا                   81

شکل 3-47- نتایج RBS حاصل از فیلم TiC در پوشش TiN/TiC با نرخ گاز متفاوت. [40] 3/5g/hبه مقدارTiCl4و با جریان گاز ثابت 5sccm(b)و18sccm(a). CH4ا                     82

شکل 3-48- تصاویر SEM از پوشش چند لایه TiN/TiC با نرخ گاز متفاوت sccm(a). 4CH18و sccm(b)20 و با جریان گاز ثابت 4TiCl به مقدار g/h5/3     ا           83

شکل 3-49- آنالیز XRD از یک پوشش TiC با 5 نرخ گاز متفاوت CH4 ا               83

شکل3- 50- مقایسه نمودار XRD پوشش چند لایه TiN/TiC و پوشش تک لایهTiC ا             83

شکل 3-51- پیک های اوژه از پروفیل عمق پوشش چندلایهTiN/TiC ا                             85

شکل 4- 1- تصویری از یک قالب دایکاست آلومینیم که به روش PACVD پوششTiCN داده شده است           89

شکل 4-2- مقایسه تعداد قطعات تولید شده توسط قالب دایکاست با انواع پوششهای نیتریدی ایجاد شده به روش PACVD ا             90

شکل4- 3- تصاویر SEM از پوششهای مختلف TiAlCN (cTiCN (bTiN (a که برروی سطح فولاد 11H به روش PACVD رسوب داده شده اند. نمونه ها داخل مذاب آلومینیم AlSi7Mg در دمای 700 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت غوطه ورشده اند             92

شکل4- 4- تصاویر µm2) AFM 5×5) از پوششهای مختلف TiCN aTiAlCN (dTiBN (c که بر روی سطح فولاد 11H به روش PACVD رسوب داده شده اند         93

شکل 4-5- نرخ اکسیداسیونTGA اندازگیری شده در محیط اکسیژن/آرگن برای پوششهای مختلف که بر روی سطح فولاد 11H به روش PACVD رسوب داده شده اند a) با شیب دمایی 1b 5◦C min) آنیل همدما در 650 درجه سانتیگراد 95

شکل4- 6- تصویر SEM از سطح قالب بدون پوشش در پایان عمر مفید آن که از جنس فولاد گرم کار   13AISI H ساخته شده است         96

شکل4- 7- ضریب اصطکاک پین های PEI بر روی فولاد 13a H) بدون پوشش b) با پوشش TiCN در نیروی N10 و سرعت لغزش  cm/s10       ا    98

شکل4- 8- منحنی ضریب اصطکاک در آزمایش پین روی دیسک یک فولاد غیر آلیاژی بر روی دیسک پوشش داده شده با TiN (نیرو N10،سرعت لغزش cm/s10، رطوبت نسبی 35% ، مقدار کلر پوشش   at.%4/3) ا            100

فصل اولیات:کلیات

در این تحقیق ابتدا مروری بر روشهای لایه نشانی CVD و PACVD صورت گرفت. سپس در فصل سوم خواص مکانیکی، تریبولوژیکی، رفتار اکسیداسیون و همچنین چسبندگی پوشش های نیتریدی ایجاد شده به روش PACVD از قبیل TiBN, TiCN, TiAlN, TiN و پوشش های چند لایه TiN/TiBN و TiN/TiC مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر پارامترهای پوشش دهی مانند دبی گازهای ورودی به محفظه، ولتاژ دستگاه، فشار کل محفظه و دمای پوشش دهی نیز بر روی خواص این پوشش ها مورد مطالعه قرار گرفت. در فصل چهارم به تعدادی از کاربردهای صنعتی پوشش ها اشاره شده و فصل پنجم نیز شامل نتیجه گیری و ارائه چند پیشنهاد می باشد.


مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید

فایل pdf همراه با فایل word

قیمت35000تومان

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید