KOMPOZİT MALZEMELERE UYGULANAN DENEYLER

DENEYİN ADI : Kompozit Malzemelere Uygulanan Mekanik Deneyler
DENEYİN AMACI : Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin Saptanması
1.KOMPOZİT MALZEMELER HAKKINDA GENEL BİLGİ
( Composit materials/ Verbundwerkstoffe; Komposit-Materialien), (ya da kısaca kompozitler) makroskobik olarak birbirinden ayrı iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile imal edilen malzeme türüdür.
Her kompozitte genellikle iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesi. Bu malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahiplerdir, ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Genel olarak takviye malzemesi (reinforcement / Verstaerkung) taşıyıcı görev üstlenir, ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar.
Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden biri betondur. çimento ve kumdan meydana gelen malzeme matris çelik çubuklar ile desteklenir. Bir diğer tanınmış kompozit ise kerpiçtir. Çamur ve samanın karıştırılması ile oluşturulan bu malzeme oldukça eskiden beri bilinen belki de insanlik tarihinin en eski yapı malzemesidir ve halen Türkiye'de kırsal kesimde kullanılır. Bazı ülkelerde, (Örn;Yemen'de) bu yapı malzemesinden çok katlı yüksek yapılar inşa edilir. Yakın dönemde yaygınlaşmış ve sıkça kullanılan bir diğer polimer matrisli kompozit ise anorganik ve organik elyafların (elyaf olarak: fiberglas, karbon, aramid, polietilen, polipropilen vs.) kullanıldığı fiberglas bileşik, yani kompozit malzemelerdir.
Kompozit malzeme teknolojisi bugün hızla gelişmektedir ve hemen her gün piyasaya yeni ürünler sunulmaktadır. Artan talep ve üretim doğrultusunda maliyeti düşen kompozitler, klasik endüstriyel malzemelere karşı sağladığı pek çok fiziksel ve keza kimyasal avantajlar sayesinde pek çok branşta ve bilhassa hafif yapıların ve konstrüksiyonların temel malzemesi olma yolunda, geleceğin malzemesi olmaya adaydırlar.
1.1 Kompozit Malzeme Nedir?
İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere “Kompozit Malzeme” denir. Başka bir deyişle birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzemeler olarak da adlandırılabilir.
Kompozit malzeme türleri şunlardır;
1. Polimer Kompozitler,
2. Metal Kompozitler,
3. Seramik Kompozitler.


Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar:
1.1.1 Matris Elemanı: Kompozit malzemelerde matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Matris malzemesi, termoset veya termoplastik polimer malzeme olarak sürekli fazı oluşturur. Termosetler grubunda ağırlıklı olarak polyesterler kullanılır. Bunun yanı sıra vinil ester/bisfenol, epoksi reçine ve fenolik reçinelerin kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Termoplastik grubunda yaygın olarak poliamid ve polipropilen kullanımını görmekteyiz (yaklaşık % 68.3), bunların yanı sıra hibrid formda polietilen ve polibutilen tereftalat, polietereterketon ve polietersulfon kullanımı da dikkat çekmektedir.
1.1.2 Takviye Elemanı: Matris malzeme içinde yer alan takviye elemanı kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastite modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidir. Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar. Aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür (SiC), alümina, cam ve polietilen malzemelerin kısa veya uzun sürekli elyaf formunda kullanıldığı ve matrisi yaklaşık % 60 hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir.
1.1.3 Katkılar Maddeleri: Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrise niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi amacıyla ilave edilirler.
Bu gruptaki kompozit malzemeler uçak-uzay, savunma, yapı-inşaat, tüketim mallarında, korozyon dayanımı gerektiren uygulamalarda, elektrik-elektronik, denizcilik, kara taşıtlarında ve özel amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe giderek artan ve % 6’ya yaklaşan bir uygulama artış hızı görülmektedir.
1.2 Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması:
Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bu sınıflama şekli aşağıda verilmektedir.
a. Elyaflı kompozitler,
b. Parçacıklı kompozitler,
c. Tabakalı kompozitler,
d. Karma kompozitler.



1.3 Kompozitler Malzemelerin Sağladığı Avantajlar
1.3.1. Yüksek mukavemet : Kompozitler yüksek mukavemet değerleri sağlayan malzemeler arasında en etkin olanlardan birisidir.
1.3.2. Hafiflik : Kompozitler birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere, hem de metallere göre daha yüksek mukavemet değerleri sunmaktadır.
1.3.3. Tasarım esnekliği : Kompozitler bir tasarımcının aklına gelebilecek her türlü karmaşık, basit, geniş, küçük, yapısal, estetik, dekoratif ya da fonksiyonel amaçlı olarak tasarlanabilir.
1.3.4. Boyutsal stabilite : Çeşitli mekanik, çevresel baskılar altında termoset kompozit ürünler şekillerini ve işlevselliklerini korumaktadırlar.
1.3.5. Yüksek Dielektrik Direnimi : Kompozitlerin göze çarpan elektrik yalıtım özellikleri, birçok komponent’in üretimi konusunda açık bir tercih nedenidir.
1.3.6. Korozyon dayanımı : Kompozitler’ in antikorrozif özelliği, diğer üretim malzemelerinden üstün olan niteliklerinden biridir.
1.3.7. Kalıplama kolaylığı : Kompozit ürünler, çelik türündeki geleneksel malzemelerde karşılaşılan birçok parçanın birleştirilmesi ve sonradan monte edilmesi işlemini tek parçada kalıplama olanağı ile ortadan kaldırmaktadır.
1.3.8.Yüzey uygulamaları : Kompozit ürünlerde kullanılan polyester reçine, özel pigment katkıları ile renklendirilmek suretiyle, amaca uygun kendinden renkli olarakta üretilebilir.
1.3.9.Şeffaflık özelliği : Kompozitler, cam kadar ışık geçirgen olabilir. Tam şeffaf olması nedeni ile ışığı yayması sayesinde, diffüze ışığın önem kazandığı seralarda ve güneş kolektörü yapımında önemli avantaj sağlar.
1.3.10.Beton yüzeylere uygulama imkanı : Beton yüzeylere, kompozitler mükemmel yapışır. Özellikle, betonun gözenekli olması nedeniyle, kompozit’i oluşturan ana malzemelerden polyester reçinenin beton gözeneklerinden sızması ve beton kütle içinde sertleşmesinden dolayı mükemmel bir yapışma sağlanır.
1.3.11.Ahşap yüzeylere uygulama imkanı : Kompozitler ahşap yüzeylere yapışma özelliğine sahiptir. Ancak ahşabın kuru olması ve stiren ihtiva eden polyester reçine ile iyi bir şekilde emdirilmesi gerekir.
1.3.12.Demir yüzeylere uygulama imkanı : Demir yüzeydeki pas ve yağ kalıntıları temizlendikten sonra kompozitlerle kaplanabilir. Bu sayede demir ve çelik yüzeyler, kompozitlerle kaplanarak korozyon etkilerinden korunmaktadır.
1.3.13.Yanmazlık özelliği : Kompozitlerin alev dayanımı, kullanılan polyesterin özelliğine bağlıdır. Alev dayanım özelliğinin arandığı yerlerde “Alev dayanımlı” polyester kullanılmalıdır.
1.3.14.Kompozitler sıcaklıktan etkilenmez : Kompozit ürünler, termoset plastikler grubundan polyester reçineler ile yapıldığı için yumuşamaz ve şekil değiştirmez. Isı dayanıklılığı kullanılan polyester reçinenin cinsine bağlıdır.
1.3.15.Kompozitler içine farklı malzemeler gömülebilir : Kompozitler çine demir, ahşap, halat, tel, mukavva, poliüretan sert köpük gibi malzemeler gömülerek mekanik özellikleri farklılaştırılabilir.
1.3.16.Tamir edilebilirlik özelliği : Tamir izlerinin görünmemesi için, onarım işleminin bir kalıp üzerinde yapılması, ya da onarımdan sonra zımpara veya boya yapılması gerekir.
1.3.17.Kompozitler kesilip delinebilir : Kompozitler, tahta gibi kolayca kesilir, delinir, zımparalanır. Bu amaçla kullanılan aletlerin sert çelik veya elmas uçlu olması halinde daha iyi sonuç alınmaktadır.
2.KOMPOZİTLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ
İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için bir çok yöntem bulunmaktadır.Bu yöntemlerden başlıcaları aşağıdadır;

2.1 Elle Yatırma (Hand Lay-Up)
Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları hazırlanmış olan kalıp üzerine elle yatırılarak üzerine sıvı reçine elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jelkot sürülür. Jelkot sertleştikten sonra elyaf katları yatırılır. Reçine ise kompozit mazlemenin hazır olması için en son sürülür Bu işlemde elyaf kumaşına reçinenin iyi nufuz etmesi önemlidir. El yatırma tekniğinde en çok kullanılan polyester ve epoksi’nin yanısıra vinil ester ve fenolik reçineler de tercih edilmektedir. Elle yatırma yoğun işçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki üretimler için çok uygundur.






2.2 Püskürtme (Spray-Up)
Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür. Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir kırpıcı sayesinde yapılır. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle ürün hazırlanmış olur.



2.3 Elyaf sarma (Filament Winding)
Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır. Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır.




2.4 Reçine Transfer Kalıplama RTM / Reçine Enjeksiyonu
Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır.
RTM yöntemi çoğunluk jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80ºC’ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözeneksik bir ürün elde edilebilir. Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır.



2.5 Profil Çekme / Pultruzyon (Pultrusion)
Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 ºC’ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir.



2.6 Hazır Kalıplama / Conmpression Molding (SMC,BMC)
Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC,BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzüde kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür. Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır.

2.7 Vakum Bonding / Vakum Bagging
Kompozit malzeme (genellikle geniş sandöviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçeridekği havanın emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine 1 atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging yöntemi kullanılmaktadır.



3 DENEYSEL ÇALIŞMA

3.1 Deneyde Kullanılan Malzeme ve Cihazlar

• El yatırması yöntemi ile imal edilen polyester reçine matrisli, kırpık E-camı destekli plastik matrisli kompozit malzeme ( cam hacim oranı %30),Alçak yoğunluklu polietilen.
• Üniversal çekme cihazı
• Üniversal eğme cihazı
• Çentik darbe cihazı

3.2 Kompozitlerin Çekme Deneyi



Şekil 3.2 Üniversal çekme cihazı

Rm= Fmax / S0 = N / mm2 = MPa (1)
Kesit alanı; Dairesel kesit için S0 = ∏ do2/4
Dikdörtgen kesit için S0= a×b (2)

Numunemiz dikdörtgen kesitli ve boyutları a=25,9 mm b= 5,4mm
Numunemizi üniversal çekme cihazına yerleştirildi, çeneler sıkıştırdı. Kuvvet göstergesini sıfırlandıktan sonra yükü uygulamaya başladık. Tek eksenli çekme sonucunda malzememiz 1500kp.’da koptu.Önce plastikte kopma gözlemlenmiştir.Yükün Matristen Fiberlere transfer olduğunun sesini çıtırdama haliyle duyduk.

Fmax= 1500×9,81 = 14715 N

Kesit alanı; S0 = 25.9×5,4= 139,86 mm2

Çekme dayancı (1)’den:

Rmax = 14715/139,86=105,21 MPa

3.3 Kompozitlerin Eğme Deneyi

Eğme, iki desteğe serbest olarak oturtulan, genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir deney parçasının yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığında oluşan biçim değiştirmesidir.
Eğme deneyi 3 noktalı eğme şeklinde yapılır.




Eğme Dayancı (бeğ) : Max. Eğme momentinin, kesitin mukavemet momentine bölümüdür.


бeğ = Memax / W × N / mm2=MPa (3)

Memax = Fmax /2 × l/2= Fmax x l / 4 (4)




Kesit mukavemet momenti; Dairsel kesit için W= ∏ do3/ 32
Dikdörtgen kesit için W= b×h2/6 (5)

бeğ =1,5 × Fmax× l /( b×h2) = N/ mm2 =MPa (6)


Numunemizin boyutlarını h=3.88mm b=39,63mm olarak ölçtük ve eğme cihazına yerleştirdik. Göstergede kuvvet sıfırlandıktan sonra yavaş yavaş kuvvet uygulayarak eğme işlemini izlendi. Malzememiz 40-50 kp’da kırıldı.


Fmax= 50×9,81= 490,5N

(6)’dan бeğ = 1,5× 490,5 × 100 / 39,63 × 15,05 = 123,359MPa

3.4 Darbe Deneyi

Darbe deneyleri Charpy ve İzod deneyleri olmak üzere 2’ye ayrılır. Charpy yönteminde iki mesnete yatay olarak yaslanan basit bir kiriş durumundaki numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılıp numunenin kırılması için gerekli enerji ölçülür.
İzod yönteminde ise numune kavrama çenesine dikey olarak yerleştirilir.

Darbe dayancı, sürtünmesiz kırma işinin kırılan kesit alanına bölümüdür.

αk = Is / Ak (J/mm2 ) Ak; kesit alanı (7)




Boyutları a=14,45; b= 6.07 ve a= 10.73; b=5.72 olan iki numunemizi çentik darbe cihazına yerleştirdik ve Charpy yöntemi ile kırma işlemini gerçekleştirdik. Cihazdan okuduğumuz enerji değeri 8,1 ve 7,9 joule’dür.

(7)’den αk = 8.1 / 14.45×6.07 = 0,092 J/mm2 ve αk2 = 7,9 / 10,73×5,72 = 0,128 J/mm2 değerlerini elde ettik.

NOT: En çok enerji adsorbe eden malzeme sünektir.

4 DENEY DEĞERLENDİRMESİ

Mekanik laboratuarımızda yaptığımız bu deneylerde kompozit malzemelerin dinamik zorlamalar karşısındaki davranışlarını inceledik. Geçtiğimiz yıllarda metalik ve plastik malzemelere uygulamış olduğumuz bu testler sayesinde hem kompozitleri diğer malzemelerle karşılaştırma hem de kendine has olan özelliklerini inceleme imkanı bulduk.

 Çekme deneyi sonucunda kompozit malzeme uzama göstermeden koptu. Kopan parçalara baktığımızda fiberleri yakından gördük.
 Eğme deneyinde ise işlem esnasında malzememiz eğilirken yükün matristen fiberlere transfer oluşunu hem kuvvet göstergesinden (kuvvet artarken yük transferi başladığında düşmeye başladı ve transfer sonunda tekrar yükseldi) görsel hem de çıkan “çıtırtılar” ile duyusal olarak tecrübe ettik.

 Malzemelerimiz eğme etkisi ile kırıldıktan sonra, kompozit malzemelerin en önemli sorunlarından ikisiyle karşılaştık: Sıyrılma ve delaminasyon. İçinde cam elyafı bulunan numunemiz, matrisi saf polyester reçine olan tabakaya yapıştırılmıştır ve deney sonunda delaminasyona uğramıştır.
SMC yöntemi ile elde edilmiş, %50 polyester reçine + %35 kalsit + %15 cam fiber içerikli kompozit numunemiz ise deney sonucunda fiber sıyrılmasına uğradı.

5 DENEY HAKKINDA GENEL ŞAHSİ DÜŞÜNCELERİM

Bu deney bana mesleki yaşamımda her zaman hatırlayacağım çok büyük bir tecrübe katmıştır. Öte yandan delaminasyon ve sıyrılma gibi her yede karşılaşamayacağımız kompozit malzeme sorunlarını görebilmek de ayrı bir şanstı.
Hocamızın ince açıklamaları sayesinde kompozit malzemelerin önemini daha çok anladığımı düşünüyorum.

Daha önce Portekiz Minho Üniversitesinde girdiğim kompozit laboratuarlarında pratik uygulamalar ve kolay anlamamı sağlayan çalışmaları yaşayamamamdan dolayı kendimi eksik hissettiğim bu dönemde, PROF. DR. AHMET ÜNAL hocama şu kısa zaman diliminde bana verdiği yoğun ,pratik ve önemli bilgilerden dolayı teşekkür borçluyum.

BOR

1
1. GİRİŞ
Bu projede bor nitrürün ve elmastan sonra ikinci en sert malzeme olarak bilinen kübik bor
nitrürün araştırılması yapılmıştır.
Genel olarak Türkiye’deki bor madenciliğinin durumu ele alındıktan sonra bor elementi
hakkında özet bir bilgi verilmiştir. Kübik bor nitrür konusundan önce bor nitrür ile ilgili
aydınlatıcı bir bölüm hazırlanmıştır. Burada; bor nitrürün tarihçesi, kristal yapısı,
özellikleri, türevleri ve uygulama alanları ile ilgili açıklamalar yer almıştır.
Bir sonraki bölümde, kübik bor nitrür detaylı olarak incelenmiştir. Bu yapının sentezi,
özellikleri, uygulama alanları, diğer bor nitrür türevleri ve elmas ile olan karşılaştırması
işlenmiştir.
Projenin devamında yapıya ait üretim yöntemleri ve son olarak da kübik bor nitrür
aletlerinin aşınması deneysel sonuçların ışığında incelenmiştir.

2
2. BORUN TARİHSEL GELİŞİMİ VE ÖZELLEŞTİRME ÇALIŞMALARI
2. 1. BOR MADENCİLİĞİMİZE TARİHSEL BAKIŞ
Türkiye’de maden denince akla ilk gelen isim bor madenlerimizdir. Çünkü Türkiye’nin bor
madenlerinden başka dünya çapında söz sahibi olduğu ikinci bir madeni yoktur. Bor
rezervlerimiz ülkemizin adeta bir hazinesidir.
Bu hazinemizi 1860 yılından 1968 yılına gelinceye kadar tam 108 yıl süreyle İngiliz asıllı
U.S. Borax şirketi, ülkemizin menfaatleri doğrultusunda kullanmamızı engellemek, kendi
çıkarları için istediği gibi kullanmak için yıllarca çeşitli oyunlar oynadı ve bu amaçlarını
başarı ile uygulayarak Türkiye’nin bor madenlerinin işletilmesini ve üretimini engelledi.
Maden Mühendisleri Odası’nın girişimleri sonucu İngiliz monopolünün oyunu bozuldu ve
1968 yılından itibaren bor madenlerimizin ihracatından ülkemiz her yıl yüz milyonlarca
dolar kazanmaya başladı.
Etibank, ihracatından kazandığı dövizle bir yandan sürekli zarar eden Etibank’ın diğer
maden işletmelerinin zararlarını karşılarken diğer yandan rafine ürün üretimi için gerekli
yatırımlarını yaparak katma değeri yüksek ürünler üretmeye başladı. Bunun sonucunda da;
bugün dünya bor pazarının % 30’unu, gelirlerinin ise % 23’ünü kontrol eder hale geldi.
Ülkemize bugün yılda 250 milyon dolar kazandıran bor madenlerimizi ele geçirmek için
geçmişte olduğu gibi bugün de çeşitli senaryoları sahnelemek isteyenler olabilir.
Bor madenciliğimizin 140 yıllık tarihsel serüvenine bir göz atalım:
1860 - 1959 Yılları Arası
• 1860 yılında İngilizler 60000 İngiliz lirası vererek Balıkesir-Susurluk’taki boraks
maden sahalarının maden işletme imtiyazını alarak pandermit madeni adı altında
yurtdışına götürmeye başladı.
• 1956 yılında M.T.A. Kütahya Emet’te önemli bir bor madeni olan kolamenit
yatağını keşfetti. O tarihte M.T.A.’nın Umum Müdür Muavini olan Ömer Eskici,
Etibank Umum Müdür Muavini olan Tahsin Yalabık’a durumu haber verir. Yapılan

3
girişimler sonucu bulunan yeni bor yatağının başkalarının eline geçmesini önlemek
üzere saha Etibank’a devredildi.
• Etibank 1959 yılında yurtdışına ilk bor madeni ihracatını İtalya’ya tonu 44 dolardan
kolemanit satarak gerçekleştirdi.
• O tarihe kadar dünyada tek üretici konumda olan İngiliz asıllı U.S. Borax şirketinin
dünya üzerinde 99 yıl süren monopolü Etibank’ın İtalya’ya bor madeni satmasıyla
kırılmış oldu.
• İngiliz monopolü Etibank’ın piyasaya girmesi üzerine İtalya’ya yaptığı bor
satışlarında fiyat kırmaya başladı. Etibank’la giriştiği rekabet sonucunda bor
madeninin fiyatını 17 dolara kadar düşürdü.
1959 - 1968 Yılları Arası
• Etibank’ın dünyada ikinci bor madeni üreticisi olarak devreye girmesinden sonra
İngiliz şirketi dünyadaki egemenliğini sürdürebilmek için Etibank ve Türkiye
üzerinde çeşitli senaryoları denemeye başladı.
• İlk olarak dizginleri elinde tutabilmek amacıyla Etibank’a ortaklık teklifinde
bulundu. Burada asıl amaç; Etibank’ın rafine ürün üretimine yönelmesini önleyip
sadece bir hammadde üreticisi olarak kalmasını temin etmekti.
• Etibank’ın rafineri kurma teklifi üzerine, Etibank’a 3000 ton/yıl’dan fazla kapasiteli
bir yatırım karlı olmaz diyerek çok pahalı bir yöntemle Türkiye’de ortak bir rafineri
kuracakmış gibi davrandılar. Etibank kurulacak rafinerinin 20000 ton/yıl olmasını
isteyince bu sefer işi yokuşa sürmek için ortaklıkta % 51 payın kendilerinde
olmasını şart koştular. Etibank bunu kabul etmeyince çeşitli bahaneler ileri sürerek
oyalamalarını sürdürdüler.
• Etibank rafineri kurmak için Polonya ile anlaştı. Ancak İngilizler N.A.T.O.’yu
devreye sokarak Türkiye’de rafineri kurulmasını engellediler.
• 1960 yılına gelindiğinde ülkemizdeki bor sahalarının bir kısmı Etibank’ın, bir kısmı
İngiliz şirketinin, bir kısmı da Türk firması kuruluşların ve kişilerin elinde
bulunuyordu.
• Etibank, rekabetin getirdiği düşük fiyatı gidermek için Türk özel firmalarıyla bir
toplantı tertipledi. Onlara; "Bir ofis kuralım, üretilen bor madenleri ofis tarafından

4
tek elden satılsın, herkes kalitesine ve üretim miktarına göre payına düşeni alsın."
şeklinde bir öneri sundu. Ama başarılı olamadı.
• Çünkü İngiliz monopolü bu küçük üreticilerin üzerinde etkili oluyordu. Zira
kendilerine, böyle bir ortaklığa girerlerse Türk mallarının alınmayacağını ve zarara
uğrayacaklarını el altından tehdit olarak iletiyorlardı.
• Bu arada, monopol İngiltere uzman jeolog ve maden mühendislerini Türkiye’ye
getirerek bor madeni bulunabilecek sahaların ruhsatını alıyordu. Amaç maden
aramak değil, kendilerine Türklerin rakip olmasını önlemek için yeni bor madeni
bulunabilecek yerlerin ruhsatlarını alarak bu bölgelerde arama yapılmasını
önlemekti.
• Hatta U.S. Borax bölgede elinde bor sahası ruhsatı bulunan küçük madencilerden
birkaç sahanın ruhsatını satın aldı. Fakat bu sahalarda herhangi bir üretim
faaliyetine geçmedi.
• 1960 – 1968 yılları arasında Etibank ile monopol firma U.S. Borax arasında
kıyasıya bir fiyat belirleme savaşı yaşandı. Bunun sonucunda, 1968 yılında İngiliz
şirketinin imtiyazlarının devlet tarafından Etibank’a devredilmesiyle bor madeni
işletmeciliği tamamen Türk firmalarına verilmiş oldu.
1968 - 1978 Yılları Arası
• Bor madenlerinin üretimi hem Etibank hem de Türk aile şirketleri tarafından
yapılıyordu.
• Monopol bu defa, Türkiye’deki aile şirketlerini kullanarak bor madenlerinin
fiyatlarını istediği gibi yönlendiriyordu. Bunun sonucu olarak 1974 yılına
gelindiğinde fiyatlar 30 dolarlara kadar düşmüştü. Bir başka ifadeyle, dünyanın en
kaliteli bor madenleri kireç fiyatına satılıyordu.
• Bu nedenle, bor cevherlerinin tek elden üretilmesi ve pazarlanmasının ülke
menfaatine olacağı düşünülerek 1978 yılında 2172 sayılı yasa ile bor madenleri
devletleştirildi.
• Bor ihracatından para kazanan aile şirketleri hiç bir teknolojik yatırım yapmaksızın
ilkel koşullarda üretimlerini sürdürüyorlardı. Oysa Etibank ülkeye daha fazla döviz
kazandıracak rafineri tesisleri kurmuştu. Bor madenleri birbirini ikame edebildiği

5
için Etibank’ın dünya piyasalarında etkili olması, ancak rakibi U.S. Boraks gibi
tekel konumunda olması ile mümkün olabilirdi.
1978 - 2000 Yılları Arası
• Etibank bor üretiminde ve pazarlanmasında tekel olduktan sonra katma değeri
yüksek bor türevlerini üretmeye yöneldi. Boraks dekahidrat, pentahidrat, borik asit,
sodyum perborat, sodyum perborat monohidrat v.b. ürünleri üretip ihraç etmeye
başladı.
• Bunun yanında dünya bor piyasasını çok yakından izlemeye başladı.
• 1978 yılında toplam 83 milyon dolar olan bor ihracatımız, 1999 yılında 237 milyon
dolara ulaştı.
• Tek elden pazarlamanın verdiği avantajla tonu 40-60 dolardan satabildiğimiz ham
bor madeni bugün ortalama 250 dolardan satılmaktadır.
• Etibank’ın katma değer üretimini arttırmaya yönelik rafine ürün yatırımları sonucu
Türkiye % 100 ham cevher satan ülke konumundan % 45 rafine ürün, % 55 ham
cevher satan ülke konumuna geldi.
• Etibank bütün bunların sonucunda dünya bor pazarının % 30’unu kontrol eder hale
geldi.
• Aracıları ortadan kaldırarak doğrudan tüketicinin kapısına mal ve ürün verebilecek
bir pazarlama ağına kavuştu.
2000’den Günümüze
• Etibank Genel Müdürlüğü yeniden yapılanma çerçevesinde Eti Holding A.Ş. olarak
yeni organizasyona gitti.
• Bu kapsamda bor işletmeleri Bandırma’da Eti Bor A.Ş.’ne bağlandı.
• Borların pazarlanması ve satışı ise Ankara’da Eti Pazarlama ve Dış Ticaret A.Ş.
tarafından yürütülmeye başlandı.
• Ancak geçtiğimiz aylar içinde yeniden eskiye dönüş yolunda bir karar alındı.
• Etibank’ın Eti Holding olarak yeniden örgütlenmesi bürokrasiyi arttırmaktan başka
hiçbir işe yaramadı.

6
• Yeni bor yatırımları başlatıp zamanında bitirebilecek sermaye kullanımı
sağlanamadı. Zira borlardan kazanılan paralar, holdingin zarar eden diğer
işletmelerini sübvanse etmekte kullanılmaya devam edildi.
• Bugün Eti Holding’i ayakta tutan tek kaynak, bor ihracatından elde edilen
paralardır.
2. 2. BORLARIN ÖZELLEŞTİRİLMESİ
• Türkiye için bor madenciliğinde stratejik tek nokta bor madenlerinin tek elden
pazarlanmasıdır.
• Çünkü Eti Holding’in rakibi U.S. Borax piyasada monopol olarak faaliyetini
sürdürmektedir.
• Bor üretimi ve pazarlaması Eti Holding’ten ayrılarak bağımsız ve özerk bir yapıya
kavuşturulması ülkemizin yararına olur. Zira borlardan elde edilen gelirler yeni
yatırımlara gitmesi gerekirken, yıllardır Eti Holding’in zarar eden işletmelerini
ayakta tutmak için harcanmaktadır. Bu durum kaynak israfından başka bir şey
değildir.
• Borların özelleştirilmesine gelince;
o Türkiye Kömür İşletmeleri‘nin (T.K.İ.) uyguladığı gibi istenirse hizmet
alımı olarak bor madenlerinde de maden işletmeciliği, konsantre üretimi
gibi madencilik faaliyetleri Eti Holding adına yerli madencilik şirketleri
tarafından yapılabilir. Bunun hiçbir sakıncası yoktur. Ancak üretilen
ürünlerin pazarlanmasının mutlaka tek elden yapılması ülkemiz menfaatleri
açısından hayati önem arz etmektedir.
o Aksi bir durumda aile şirketlerine verilecek bor madenleri ülkemizin değil,
rakibimizin menfaatine olacaktır.
o Eğer bor madenleri özelleştirme adı altında devlet eliyle zengin olmak
isteyen birilerine verilirse, İngiliz asıllı monopolün istediği iç rekabet
yeniden yaratılmış olacaktır.
o Bunca yıldır mücadele ederek kazanılan pazar payımızın İngiliz
monopolüne geri verilmesine kesinlikle cesaret edilemez.
• Ülkemizde özel sektör madenciliği, küçük sermayeli işletmeler eliyle küçük ölçekte
yapıldığı için büyük sermayeli uluslararası rakiplerin oyunlarını

7
bozamamaktadırlar. Onların yaptırımlarına ve şartlarına boyun eğmektedirler.
Örneğin, ülkemizin çok değerli feldispat madenleri maalesef kumdan ucuza
İtalyanlara satılmaktadır. Feldispat üreten üç veya beş firmamız neredeyse
maliyetine bir üretimi sürdürmek zorunda bırakılmışlardır. Benzer durum kromda,
pomzada, manyezitte, mermerde ve diğerlerinde de yaşanmaktadır.
• Dünyanın en büyük ve kaliteli bor madenlerinde de aynı durumun yaşanmaması
için bor üretimi ve pazarlaması mutlaka tek elden yapılmalıdır.
• Eti Holding’in yapacağı yatırımlar, rakibi olan U.S. Boraks hangi noktaya kadar
gelmiş ve hangi ürünleri üretiyorsa, o noktaya kadar ürün yelpazesini geliştirmeye
yönelik olmalıdır.
• Onun dışındaki nihai bor ürünleri kullanılarak yapılacak alanlardaki üretimlere Eti
Holding’in gitmesi beklenemez. Zira Eti Holding’in bir madencilik kuruluşu
olduğu unutulmamalıdır.
• Sanayicilerimiz isterlerse Eti Holding’in ürettiği bor ürünlerine dayalı her türlü
yatırıma girebilirler. Onları engelleyen hiçbir husus yoktur.
• Türkiye’nin bor uç ürünlerine dayalı yüksek teknoloji gerektiren yatırımları
yapabilecek gerçek sanayicilere ihtiyacı vardır.
• Madenin üzerindeki toprağı sıyırıp açığa çıkan bor cevherini bir kırıcıdan-elekten
geçirip yıkadıktan sonra satmaya soyunmak sanayicilik olmasa gerek.
• Türkiye’nin bor madeni üretiminde bir sıkıntısı yoktur. Sıkıntı madencilik
teknolojisinde değil, yüksek teknoloji gerektiren sanayi yatırımlarındadır.
• Dünyada bor türevlerine dayalı teknolojiler tamamen gizlilik içindedir. Çünkü bu
teknolojilerin geliştirilebilmesi için milyonlarca dolarlık Ar-Ge harcamaları
yapılmaktadır. Bunları elde etmek de kolay değildir. Türkiye’nin de, bor ürünlerine
ait Ulusal Teknolojilerin geliştirilmesi için bu yoldaki Ar-Ge harcamalarının önünü
açması gerekmektedir. İşte o zaman Türkiye’nin % 23 ile kontrol ettiği dünya
pastasından payı en az iki katına çıkacaktır.
• Örneğin, Türkiye’de fiberoptik ve fiberglasa dayalı bir teknolojimiz yoktur.
Sanayicilerimiz bu işi bilen yabancı firmalarla işbirliği yapıp, yabancılarla ortaklık
kurup, bu alanda Türkiye’de yatırıma yönelebilirler. Çünkü bu alan dünyada
gelecek vaat eden yatırım alanlardan birisi olarak görülüyor.
• Şişecam ısıya dayanıklı cam üretimi için dışarıdan teknoloji aldı. İzocam da bir
teknoloji transferidir. Önemli olan katma değeri yüksek olan bu tür sanayi

8
ürünlerinde yatırımlar yapabilmektir. Bu tür yatırımlar Eti Holding’in işi ve konusu
değildir. Bor teknolojisine dayalı yatırımların teşviklerle özendirilmesi daha akılcı
olur.
• “Hangi önlemler dünya bor madenciliği pastasından şu an % 23 olan payımızı
arttırıcı olur ?” diye sorduğumuzda, cevap hiç şüphesiz bor madenlerinin tek elden
pazarlanması olacaktır.
2. 3. GENEL BOR KİMYASI
Bor, siyah metalik görünümlü bir element olup 1808’de Gay-Lussac ve Thenard tarafından
hazırlanmıştır. En yaygın bilinen türevi olan boraks, Araplarca Tinkal olarak da
adlandırılırdı, 16. yüzyılda ergime proseslerinde kullanılırdı. Yaygın uygulama alanı
bulunan borik asit ilk kez 1702’de Homberg tarafından hazırlanmıştır. Ayrıca 1808’de
Davy borik asit elektrolizinden amorf boru elde etmiş ve 1856’da Wöhler ve Sainte-Claire
Deville tarafından kristalin modifikasyonu tarif edilmiştir. ABD, Şili, Arjantin, Peru,
Bolivya, İtalya ve Türkiye’de yüksek miktarda bor maden rezervleri bulunmaktadır.
Türkiye’deki bor madenleri, dünyanın en büyük bor bileşiği tedarikçisi olarak bilinen
Etibank tarafından işletilmektedir. Dünyanın yerkabuğundaki bor yüzdesinin 0,001-0,0003
civarında olduğu varsayılmaktadır. Borun temel cevherleri; kernit (Na2B4O7.4H2O), boraks
(Na2B4O7.10H2O), kolemanit (Ca2B6O11.5H2O) ve uleksit (NaCaB5O9.8H2O) gibi
boratlardır.
Bor bileşiklerinin yaygın kullanımları ve borun element olarak erken tanımlanmış olmasına
karşın, bor kimyası çalışmaları nispeten kısıtlı bir alanda sürdürülmüştür. Bunun nedenleri;
temel olarak bor bileşiklerinin hidroliz veya oksidasyona yönelik stabil olmayan nitelikleri
ve malzemelerin birçoğunun kullanımındaki yapısal zorluklarıydı. Nihayet Stock ünlü
deneysel vakum tekniğini geliştirince bor kimyasının araştırılmasında yeni bir kapı
aralandı.
Grup IIIA elementlerinden sadece bor bir ametaldir. Bu gruptaki diğer elementler;
alüminyum, galyum, indiyum ve talyumdur.
Grup IIIA elementlerinin elektronik konfigürasyonları Tablo 2.1.’de listelenmiştir ve
elementlerin özellikleri ise Tablo 2.2.’de belirtilmektedir. Bor, gruptaki diğer

9
elementlerden çok daha küçük bir atomdur. Bu durum, ametal bor ve metal özellikteki
diğer grup elemanları arasında belirli farklılıklara neden olur.
Tablo 2. 1. Grup IIIA Elementlerinin Elektronik Konfigürasyonu
Element Z 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s
B 5 2 2 1
Al 13 2 2 6 2 1
Ga 31 2 2 6 2 6 10 2 1
ln 49 2 2 6 2 6 10 2 6 10 2 1
Tl 81 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2
Ga, In ve Tl’un atom büyüklükleri periyodik sınıflandırmada kendilerinden hemen önce
gelen elementlerin elektronik iç yapılarından etkilenir (özellikle lantanitten sonra gelen
talyum örneğinde görüleceği gibi). Bu nedenle de atom yarıçapı ani şekilde veya standart
olarak bu elementlerin artan atom numaralarıyla birlikte artmaz. Bu elementlerin göreceli
şekilde küçük oluşları gruptan aşağı inerken bile beklenen şekilde azalmayan nispeten
yüksek iyonizasyon potansiyeli içermelerine neden olur.
Tablo 2. 2. Grup IIIA Elementlerinin Bazı Özellikleri
Özellik Bor Alüminyum Galyum İndiyum
Ergime sıc.(0C): 2300 659 30 155
Buh. sıc.(0C): 2550 2500 2070 2100
Atomik r (pm) : 80 125 125 150
İyonik r [M+3](pm): 20 52 62 81
1.İyonizasyon en.: 801 579 579 560
(kJ/mol)
2.İyonizasyon en.: 2422 1814 1968 1814
3.İyonizasyon en.: 3657 2740 5953 2692
Hidrasyon ısısı: -4690 -4703 -4159
[M+3] (kJ/mol)
Elektrot potansiyeli: -1,67 -0,52 -0,34
[M+3/M] (V)

10
Bu elementlerin hiçbiri en ufak şekilde bile basit bir anyon oluşturma eğiliminde
değillerdir. Elementlerin elektronik konfigürasyonlarının da mantıklı kıldığı biçimde en sık
rastlanır oksidasyon seviyesi +3’tür. Nispeten yüksek olan bu değer, göreceli olarak küçük
iyonik yarıçaplarla biraraya gelerek üstün polarize nitelikleri olan tipler ortaya
çıkarmaktadır.
Buna bağlı olarak, +3 değerli bileşiklerin elementleri baskın şekilde kovalenttir; bu
kovalent nitelik ayrıca göreceli olarak elementlerin yüksek ilk üç iyonizasyon
potansiyelinden de kaynaklanmaktadır. İstisnai olarak kendi kimyasında ametal olan bor
haricindeki diğer IIIA elementleri su çözeltisinde +3 iyonu olarak bulunurlar. Bu iyonlar
yüksek oranda su içerirler, ancak hidrasyon ısıları çok yüksektir.
Çok yüksek sıcaklıkta (2000 0C) bor birçok metalle raksiyona girerek borürler oluşturur.
Bu madde çok serttir, kimyasal olarak stabildir ve metalik iletkenliği gelişmiştir. Bazı
metalik borürlerin kristallerinde bor atomları aralıklıdır, diğerlerinde zincirler veya bor
atomu katmanları (tabakaları) mevcuttur. Magnezyum borür (MgB2), diğer borürlerden
farklı olarak bor hidrür karışımları üretecek şekilde hidrolize formda mevcuttur.
Bor, amonyak veya nitrojen ile yüksek sıcaklıklarda bor nitrür (BN) oluşturacak şekilde
reaksiyona girer. Bu malzeme karbonla izoelektroniktir ve grafite benzerdir, fakat farklı
olarak bor ve nitrür atomları içeren kristal bir yapısı vardır. Çok yüksek sıcaklık ve
basınçta BN’ün bu modifikasyonu elmas türü kafes (latis) formuna dönüşür ve elmas kadar
serttir.

11
3. BOR NİTRÜR
3. 1. GİRİŞ
Bor nitrür (BN) karbona benzer kristal yapılarına, faz dönüşümlerine sahip olması ve
taşıdığı yüksek ısıl şok direnci, ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık, kimyasal kararlılık,
yağlayıcılık gibi özellikleri nedeniyle endüstride geniş kullanım alanı bulmaya aday bir
teknik seramik malzemedir. Temel kristal yapıları; grafite benzer tabakalı bir yapıdaki
hekzagonal BN (h-BN), yüksek basınç altında sentezlenen würtzit yapısındaki sıkı paket
hekzagonal würtzitik BN (w-BN) ve yüksek sıcaklık-basınç şartları altında elde edilen
elmas benzeri sıkı paket kübik yapıdaki kübik BN’dür (c-BN).
Bor nitrür, düşük reaktifliği ve birçok uygulaması olan inorganik bir malzemedir. En sert
insan yapısı malzemelerden bir tanesidir. Birçok uygulaması vardır; çünkü termal,
elektriksel, mekanik ve fiziksel özellikler gibi çok geniş bir malzeme nitelikleri dizisine
sahiptir. Farklı uygulamalar ile kullanılmasını sağlayacak şekilde bu niteliklerin çok çeşitli
kombinasyonlarını içerir. Malzeme mühendisleri, çok çeşitli elektronik-elektrik
uygulamalarında yararlı olan mükemmel bir termal şok özelliğine ilave olarak elektrik
izolasyonunun ve yüksek termal iletkenliğin alışılmadık beraberliğini BN’de bulmuşlardır.
Olağanüstü refrakter nitelikleri, kimyasal inertliği ve zor çalışma şartlarında yüksek
performans için şekillendirilerek üretilebilirliği daha uzun ömürlü bileşenlerin ortaya
çıkmasına imkan verir. Zehirli değildir ve çok kolay bir şekilde işlenebilir.
Bor nitrür, sahip olduğu çekici özellikler nedeniyle elektrik-elektronik endüstrisinde,
metalurjik yüksek sıcaklık uygulamalarında, yarı-iletken teknolojisinde, seramik kompozit
malzemelerin üretiminde ve kimya endüstrisinde hali hazırda toz, şekillendirilmiş kütleler,
sprey ve macun biçimlerinde kullanılmaktadır.
Türkiye, dünyanın en zengin bor rezervlerine sahip bir ülke olarak, borürlü teknik seramik
malzeme pazarında söz sahibi olabilecek konumdadır. Fakat bunun için, borürlü teknik
seramik tozları ve bunların son ürünlerinin üretilmesine yönelik geniş bir bilimsel çalışma
yapılması gerekmektedir.

12
Bor nitrürün ilk sentezinin ardından bu konudaki çalışmalar uzun bir süre laboratuar
merakı olarak devam ettirilmiştir. Gelişmiş ülkelerde 1970’li yıllarda başlatılan ileri
seramikler konusunda yapılan çalışmalar sırasında ise basınçsız olarak sinterlenmemesi
sebebiyle diğer kovalent bağlı bileşikler gibi bir kenara terkedilmiştir. Daha sonraları çok
yüksek sıcaklığa ve basınca çıkabilen preslerin geliştirilmesiyle suni elmas üretilebilmiş ve
bor nitrür tekrar ilgi odağı haline gelmiştir.
Günümüzde ise yüksek sıcaklıkta kullanılabilen yağlayıcı madde, yine yüksek sıcaklığa
uygun yalıtkan malzeme, pota malzemesi, vasıflı refrakterlerde katkı malzemesi, elektronik
malzeme, inert astar v.s. olarak kullanılmaktadır. Kübik haline dönüştürüldüğünde ise
elmastan sonra bilinen en sert malzeme olarak kesici ve aşındırıcı şeklinde kullanılır.
Bor nitrür, kompozit malzemelerde katkı malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Ancak
kovalent bağlı olması sebebiyle sinterlenmesi için bazı katkı maddeleri gerektirmektedir.
Sinterleme mekanizmasının daha iyi anlaşılması için hekzagonal bor nitrürde kafes ve
bağların oluşumu, kristalitlerin gelişimi gibi konuların aydınlatılabilmesi gerekmektedir.
3. 2. BOR NİTRÜRÜN TARİHÇESİ
Bor nitrür ilk olarak 1840’larda İngiliz Kimyacı, W.H.Balmain tarafından ergimiş borik
asit ve potasyum siyanür kullanılarak hazırlanmıştır. Ne yazık ki, bu yeni bileşik stabil
değildi ve stabil bir bor nitrür elde edebilmek için çok sayıda girişimlerde bulunulması
gerekmiştir. Farklı imalat tekniklerinin teknik zorlukları ve bu sentetik metodlarla elde
edilen malzemenin yüksek maliyeti nedeniyle bor nitrür ile ilgili çalışmalar yaklaşık 100
yıl boyunca laboratuar araştırması boyutunda kalmıştır. 1950’lerde Carborundum ve Union
Carbide Firmaları endüstriyel boyutta bor nitrür tozu hazırlamayı başarmış ve şekil
verilmiş bor nitrür parçalarını ticari uygulamalara uygun şekilde gelişmiş sıcak presleme
teknikleri ile işlemiştir. Malzeme bilimcilerinin bor nitrüre ilgileri, malzemenin eşsiz
özelliklerine, bu özelliklerin ise farklı konularda geniş bir uygulama alanı temin etmesine
bağlıdır. Tüm diğer malzemelerde olduğu gibi, bu mükemmel özellikler esas olarak B-N
atomları arasında kurulan bağ tipine, malzemelerin farklı kristal yapılarına ve bu iki yapı
arasındaki faz değişimlerine dayanır.
Bor nitrür ile ilgili kaynaklar 1842’ye kadar uzanmaktadır. Ancak, Alfred Stock ve
meslektaşlarının 60 yıl kadar önce yaptıkları ilham verici çalışmalar ve bor hidrürlerin

13
araştırılmasında geliştirdikleri basit deneysel teknikler, bor nitrojen türevlerinin detaylı
incelemelerinin yapılması için gereken kaynağı sağlamıştır. 1926’da Stock ve Pohland
diboranın amonyak ile girdiği ve borazin (-BH-NH)3 “inorganik benzen” ile sonuçlanan
reaksiyonunu incelediler. Bu olay, modern bor nitrojen kimyasının doğuşu olarak da
nitelendirilebilir. Yine de 1950’lere dek bu konunun araştırılmasına çok az sayıda inceleme
grubu gerçek anlamda katkıda bulunmuştur. 1960’lara kadar gerçekleştirilen çalışmaların
ticari beklentiden bağımsız şekilde ve temel olarak basit araştırma güdüsüyle yapılmış
olması ilgi çekicidir.
Bor nitrür ile ilgili ilk çalışmalar 1842’de Balmain’in potasyum siyanürü ergimiş borik asit
ile sentezlemesine dayanır. Bor nitrür üzerindeki ilk ticari araştırmalar malzemenin ilginç
elektrik-elektronik özelliklerinden kaynaklanmaktaydı. Ancak gelişmiş seramiklerin
mühendislik veya diğer işlevsel malzemeler olarak kullanılması için yapılan ilk ticari
araştırmalarda bor nitrür, diğer bazı kovalent bileşiklerle birlikte katkılar hakkındaki
bilgilerin az olması, sıcak preslemenin ise pahalı bir yöntem olarak bilinmesi nedeniyle bir
kenara bırakılmıştır. Daha sonraları, sıcak pres uygulamalarının yüksek sıcaklığa ve
basınca çıkabilmesiyle birlikte kübik bor nitrür elde edilmiştir ve bor nitrür araştırmaları
daha çok ilgi toplamaya başlamıştır.
Gelişmiş bir malzeme olan bor nitrür, laboratuar ortamında merak uyandırmakla birlikte
ticari uygulamalar için yüksek maliyetli olarak değerlendirilmiştir. Ancak bugün, modern
imalat teknikleri ve yüksek hacimli üretim miktarları BN’ün daha düşük maliyetlerle elde
edilmesini ve ileri düzey teknolojilerin çok geniş kapsamlı kritik uygulamalarındaki
gereksinimlerine tam anlamıyla cevap verebilecek eşsiz bir malzemenin ortaya çıkmasını
sağlamıştır.
3. 3. BOR NİTRÜRÜN KRİSTAL YAPISI
Bor ve nitrojen, herbiri periyodik tabloda karbonun iki yanında bulunduğu için, bu
elementlerin bileşiği karbon ile izoelektroniktir. Diğer bir deyişle, bor ve nitrür
birleşmesinde karbon-karbon oluşumundaki sayıda elektron bulunur. Ayrıca, bor ve
nitrojenin atom yarıçaplarının toplamı, iki karbon atomunun büyüklüğü ile eş düzeydedir.
Bor, karbon ve nitrojenin bazı elementel özellikleri Tablo 3.1.’de verilmiştir.

14
Tablo 3. 1. Borun, Karbonun ve Nitrojeninin Elementel Özellikleri
Element Dış Elektron Sayısı A, kovalent tek bağ yarıçapı
Bor 3 0,88
Karbon 4 0,771
Nitrojen 5 0,70
Kovalent bağı oluşturacak nitrojenin eksi valanslı bir elementin, bu durumda bor
atomunun, oktet boşluğunu doldurabilecek paylaşılmamış bir çift elektronu bulunmaktadır.
Bu nedenle, bor-nitrojen bağı içeren malzemeler ile karbon-karbon bağı içerenlerin
davranış ve özelliklerinde benzerlikler görülmesi beklenmelidir, çünkü bu iki bağ birbirine
yakın büyüklüktedir. Gerçekten de birçok bor-nitrojen bileşiğinin organik versiyonlarına
benzerliği son derece dikkat çekici olmuştur.
B-N ve C-C bağları izoelektronik olmasına karşın, tıpatıp aynı değillerdir. C-C bağı aynı
elementin elektronlarını paylaşırken, B-N farklı elektronegativitedeki atomlara bağlıdır, bu
nedenle B-N bağını temsil eden elektron bulutu simetrik değildir.
Bor nitrür üç ana kristal yapı içerir; normal şartlar altında grafit-benzeri hekzagonal yapı
bunlardan ilkidir. Hekzagonal yapı, altıgenlerin içindeki B-N atomları arasında ve Van der
Waals türü zayıf bağlarla tabakalar arasında mevcut olan güçlü kovalent bağlardan (sp2)
oluşmaktadır (Şekil 3.1.).
Hekzagonal bor nitrürün bazı özelliklerine ilişkin bir araştırma Tablo 3.2.’de verilmiştir.
Bu değerler, farklı sentezleme ve nitelendirme metodlarına bağlı olarak çok geniş bir
aralıkta değişmektedir. Genel olarak, hekzagonal bor nitrür hafiftir, düşük dielektrik
katsayısı vardır, bağ açıları küçüktür, korozyon dayanıklılığı iyidir, termal şok mukavemeti
mükemmeldir, yüksek ve düşük sıcaklıklarda elektriksel rezistansı yüksektir, kimyasal
olarak da inerttir. Bir çok ergimiş metal ve tuz ile hidrolize dayanıklıdır; işlenmesi
özellikle kolaydır.

15
Tablo 3. 2. Hekzagonal Bor Nitrürün Özellikleri
Özellikler Değerler
Yoğunluk (g/cm3) 2,27
Sertlik (Mohs) 15
Termal iletkenlik, 250C, (W/m.0K) 55
Dielektrik sabiti 42
Ergime sıcaklığı (0C) 2700
Termal katsayısı 2
Çalışma sıcaklığı, inert atm., (0F) 5000
oks. atm., (0F) 1800
Hekzagonal bor nitrür tozunun lamelli yapısından kaynaklanan doğal yağlama özelliği ve
kolay tutunması bu malzemeyi özellikle yüksek sıcaklığın öne çıktığı ortamlarda ideal bir
yağlama ve küf giderici malzemeye dönüştürmüştür. 2000 0C’ı aşan sıcaklıklarda bile
sementasyon olmaksızın işlevini yerine getirir. BN yoğun şekilde boya, macun, aerosol
olarak kullanılır. En sık rastlanan yağlama uygulaması alanları; hareketli mekanizmaların
kayar parçaları, türbin şaftlarının döner eleman yatakları, dizel turbo-şarjlarıdır. Bu konu
özel öneme haizdir, çünkü motor teknolojisinde ortak hedef yanma randımanını arttırmak
amacıyla yanma odası sıcaklığının arttırılmasıdır. Bu hedefe ulaşabilmek için kuşkusuz en
önemli nitelik yanma odası malzemeleri ve başlatıcı araçların proses sıcaklıklarına
dayanıklı olabilmeleridir. Hekzagonal BN’ün diğer uygulama alanları arasında güç
transistörlerindeki ısıtma kapları, implantasyon sistemlerindeki kaynak tutucuları ve
yalıtımı, borun silikon kalıplara p-tipi difüzyonu için kaynaklar, özel amaçlı metal eritme
kapları, amorf alaşımların imalatında ara ve püskürtücü meme malzemesi, sürekli yatay
çelik kalıp imalatında bağlantı kelepçesi olarak, karbon çeliğin kalıplanması, vakumlu
fırınların yalıtımı, cam biçimlendirme araçları, uzay mekiklerinin camları, yüksek frekanslı
uydu uygulamalarının mikrodalga camları, tüm uzay araştırmaları uygulamaları
bulunmaktadır.
Hekzagonal BN (diğer adıyla beyaz grafit) kompozitlerde katkı olarak malzemenin termal
şok dayanıklılığını, işlenilebilirliğini, elektriksel özelliklerini ve termal iletkenliğini
iyileştirmek ve sürtünmeyi azaltmak amacıyla kullanılır. Yüksek sıcaklığa dayanıklılığı ve

16
yağlama özelliği nedeniyle yüksek performanslı uçak frenlerinde sürtünmeye maruz kalan
metal kompozitler için ideal bir katkıya dönüşmektedir. Artan sürat ve yarı iletken aletlerin
sıkışık yerleşimi termal enerjinin efektif şekilde uzaklaştırılmasını ve elektriksel yalıtımın
varlığını zorunlu kılmaktadır. Bu zorunluluk bor nitrür içeren elastomer ve
termoplastiklerle karşılanmaktadır. BN tozu uzay gemilerinin ısıtma porselenlerinin temel
yapı taşıdır. BN içeren kompozitler arasında; SiC/BN, TiB2/BN, Si3N4/BN, AlN/BN,
ZrO2/BN, Al2O3/BN sayılabilir.
BN’ün würtzit yapısı (w-BN) stabil bir yapı değildir ve ancak statik yüksek basınç
ortamında (~13,0GPa oda sıcaklığında) ya da dinamik şoklama metodlarıyla
oluşturulabilir. Bu yapı, altıgenlerin basınç yoluyla deforme edilerek sp2’den sp3’e dönüşen
bir hibritleşme değişiminin sonucunda gerçekleşir ve tabana ait katmanlarda atomların
tetrahedral dağılımlı, sıkı paket hekzagonal yapıda yeni bir dizilimle yapı oluşturmalarına
neden olur.
1000 °C’ın altında pirolitik BN amorftur, 1000-1200 °C arasında polikristaldir ancak
oryantasyon (yönlenme) tam değildir, 1800 °C’ın üzerinde pirolitik BN tam anlamıyla
oryante olmuştur. Bunun sonucunda belirgin anizotopik özellikler sergiler. 2100 °C’ın
üzerinde N2’nin ayrışma basıncı düşer ve malzemeyi bir atmosfer süblime etmek için N2’in
2330 °C’da olması gerekmektedir. Mikroyapı incelendiğinde katı yüzeye 90° yerleşimli
konik görünümlü şekiller ortaya çıkmaktadır; yüksek oluşum hızı daha yüksek oranda
konik oluşumu neden olur ve aralarında iç gerilimler meydana gelir. Gerilim ve düzlemsel
yapının biraraya gelişi dilaminasyona (tabakasızlaşma) bağlı başarısızlığa yol açar.
Bor nitrür (BN), grafit form altında, kendi yüksek elektriksel direnci dışında, grafite çok
benzer olan bir özellik paketine sahiptir. Bu nedenle, bir yüksek ısı yalıtıcısı ve katı bir
yağlayıcı madde olarak ve muhafaza etme alanında uygulama yeri bulmaktadır. Yüksek
yoğunluğa sahip olan birçok katı BN cinsi pirolitik formda yarı iletken endüstrisinde
kazanlar ve potalar olarak kullanılırlar. Ergimiş cam ve metal ortamlarındaki stabilitesi
nedeniyle, BN aynı zamanda refrakter kaplama olarak da çok etkilidir.
Üçüncü temel yapı tetrahedral dağılımlı atomların sıkı paket kübik bir kafes şeklinde
bulunduğu kübik BN (c-BN) yapısıdır. Kübik BN normal şartlar altında stabil bir yapı
değildir ve h-BN’den, B-N’ün üç boyutlu düzenindeki kimyasal bağların kopması ve

17
niteliklerinin değiştirilmesi yoluyla elde edilir. Bu proses yüksek enerji gerektirdiği için ya
yüksek basınç ortamında (~6,0 GPa, ~1500 0C) veya nispeten düşük basınçta ve sıcaklıkta
(~6,0GPa, ~900 0C) bazı katalizörler kullanılarak gerçekleştirilir. BN’ün bu würtzit benzeri
kübik yapıları normal şartlar altında stabil olmadığı halde metastabil bir halde
bulunabilirler.
Kübik BN, elmasa yakın bir sertliğe sahip olan eşsiz bir malzemedir. Oksidasyona dayanır
ve 1373-1573 0 K (1100-1300°C) sıcaklıklarında demir ve alaşımları ile reaksiyona girmez.
Bu yüzden; elmas tarafından öğütülemeyen yüksek hız çeliği, dökme demir, nikel veya
kobalt bazlı alaşımların öğütülmesi için uygundur. Ayrıca, kübik BN bakırdan daha yüksek
olan termal iletkenliğe sahiptir ve bu nedenle elektrik ve elektronik uygulamalarda sıcaklık
ayarlayıcısı olarak kullanılabilir. Kübik BN, bir katalizörün varlığı ile çok yüksek
basınçlarda ve sıcaklıklarda hekzagonal BN işlenerek üretilir. Tipik katalizatörler alkali
metal, alkali toprak metali ve bunların nitrürleri olmaktadır. Bir örnek olarak, magnezyum
BN, 5 GPa (7,25x105 psi) basıncında ve 1523 0K’de (1250 °C) sinterlenmiş kübik BN
üretmek için kullanılmıştır. 60 ile 65 GPa arası [(8,7-9,4)x106 psi] bir sertlik ve
600W/m.0K'ne kadar olan termal bir iletkenlik rapor edilmiştir. Kübik BN hazırlamak için
yapılması gereken masraflar nedeniyle ticari fırsatlar kısıtlıdır.
Bu temel polimorflara ek olarak basit istif (0001) hatalarına bağlı dislokasyonlar,
ABCABC sırasıyla dizilen politip hekzagonal BN’ü oluştururlar. Bu istif zinciri grafitteki
rombohedral dizilim hatalarına benzerdir ve bu yapının modifiye rombohedral BN (r-BN)
şeklinde tanımlanmasına sebep olur. BN’ün bu mofikasyonu hekzagonal bor nitrürde çok
küçük bir empürite olarak göze çarpmıştır. Son yıllarda BN’ün amorf bir yapısı da
gözlemlenmiştir.
BN’ün son kristal yapısı, turbostratik BN (t-BN), turbostratik karbona benzer yarı-kristal
bir oluşumdur. Bu oluşum Thomas’ın ilk çalışmasında, B3N3 altıgen katmanlarının,
atomların iki boyutlu düzende bulunduğu normal katmanın çevresinde rastgele bir döngü
ve çevirimle aşağı yukarı birbirlerine paralel olan dizilimleriyle tanımlanmıştır (Şekil 3.1.).

18
Şekil 3. 1. Turbostatik ve Hegzagonal Bor Nitrürün Kristal Yapıları
3. 3. 1. DENEYSEL ÇALIŞMA
Deneysel çalışmalarda başlangıç malzemesi olarak ETİBANK ürünü Borik Asitin (H3BO3)
500 oC sıcaklıkta dehidrate edilip öğütülmesiyle elde edilen Borik Oksit (B2O3) ve RiedeldeHaen
'den alınan, BET cihazında 60 m2/gr özgül yüzey alanına sahip olduğu belirlenen
Trikalsiyum fosfat [Ca3(PO4)2] kullanılmıştır. Bu başlangıç malzemelerinden değişik
oranlarda karıştırılarak hazırlanan şarjlar Amonyak akışı altında 800 - 1000 0C arasında
değişen sıcaklıklarda 2 saat tutularak Bor Nitrür oluşumu sağlanmıştır. Nitrürleme işlemi
platin bir sepet içerisinde, sabit yatak şartlarında ve bir dikey, paslanmaz çelik tüp
reaktörde gerçekleştirilmiştir.
Sentez sonrası ürün; dönüşmemiş kalıntı B2O3 ve inert dolgu malzemesi Ca3(PO4)2 'nin
yapıdan uzaklaştırılması amacıyla pH=0.5, seyreltik HCl çözeltisinde liç edilerek
saflaştırılmıştır.

19
Saflaştırılan ürünlerin X-ışınları analizleri Rigaku XRD cihazında yapılmıştır.
Kristalleşmenin tamamlanması ve malzemenin kristalizasyon davranışının incelenmesi
amacıyla tozlara bir tüp fırında, yüksek safiyetteki Argon atmosferinde, 1000-1500 0C
arasında değişen sıcaklıklarda, 3.5 saat süren kristalizasyon ısıl işlemi uygulanmıştır.
Farklı sıcaklıklarda ısıl işlem uygulanmış numunelerin XRD analizleri yapılmış ve JEM-
2000 EX tipi bir Geçirimli Elektron Mikroskobunda (TEM), 120000 voltta numunelerin
tane yapıları, boyutları incelenmiş ve elektron difraksiyonları alınmıştır. Son işlem olarak
kristalleşme ısıl işleminin malzemenin özgül yüzey alanına etkisi incelenmiştir.
TEM ve BET incelemelerinde teknik saflıktaki bir BN numunede referans olarak
incelenmiştir.
3. 3. 2. DENEYSEL SONUÇLAR ve TARTIŞMA
Deneysel çalışmalar sonucu elde edilen ürünün kristal yapısı ve bu yapının başlangıç şarj
bileşimi ve sentez şartlarına bağlı olarak gelişimi XRD ile tespit edilmiştir. XRD
paterninde de görüldüğü gibi (Şekil 3.2.) hegzagonal yapıdaki BN 'ün taban düzlemi olan
(002) düzlemine ait pik -şiddeti düşük olmakla birlikte- belirgin değildir. Bu gözlemler
sonucunda; elde edilen bor nitrür' ün "turbostatik" adı verilen bir kristalografik yapıda
kristalleştiği saptanmıştır. Turbostatik yapı karbon 'da da rastlanan ve iki boyutlu, plakasal
bir yapıdır. Turbostatik yapıdaki BN 'ü hegzagonal yapıdaki BN 'den ayıran temel farklılık;
turbostatik yapıda "c" ekseni yönünde herhangi bir yönlenme ve düzenin bulunmaması,
hegzagonal halkaların birbiri üzerinde rastgele istiflenmesi olarak ifade edilebilir. Ayrıca
turbostatik BN 'ün artan sıcaklıkla suda çözünebildiği ve 2000 0C 'nin üzerindeki
sıcaklıklarda elementlerine parçalandığı belirtilmektedir.

20
Şekil 3. 2. Sentez Sonrası Liç Edilmiş, Isıl İşlem Görmemiş BN XRD Paterni.( Cu Kα
Radyasyonu Kullanılmıştır. )
Hegzagonal yapının (002) düzlemindeki bağların bağ enerjileri 152 kcal/mol, "c" eksenine
paralel bağların ise 4 kcal/mol 'dur. Bu durumda sentez sırasında öncelikle daha yüksek
bağ enerjisine sahip olan, "a" eksenine paralel bağlar oluşmakta ve ancak bağların bağ
enerjileri daha az olduğu için bağ oluşumu için gerekli itici gücün daha yüksek
sıcaklıklarda sağlanması normaldir.
Yukarıda açıklanan nedenlerle turbostatik yapıdaki üründe hegzagonal yapının
oluşturulması amacıyla ilave kristalizasyon ısıl işlemi yapılmıştır. Isıl işlem uygulaması
Argon gazı altında, 3.5 saat ve 1000-1500 0C sıcaklık aralığında yapılmıştır. Isıl işlem
sıcaklığının ürünün kristalizasyon davranışı ve özellikleri üzerindeki etkisi XRD, TEM ve
BET teknikleriyle incelenmiştir.
XRD paternlerinden de görüleceği gibi ısıl işlem sonucu 3. boyutta kristalleşmeyi ifade
eden (100) ve (101) pikleri belirgin hale gelmiştir. Diğer bir ifadeyle ısıl işlem sonucu
yapıdaki serbest bağlar bağlanmakta ve yapı daha kararlı hale gelmektedir. Pik

21
şiddetlerinde gözlenen artış ise; artan ısıl işlem sıcaklığıyla malzemenin kristalleşmesinin
arttığına işaret etmektir (Şekil 3.3.).
Şekil 3. 3. Farklı Sıcaklıklarda Kristalizasyon Isıl İşlemi Uygulanmış BN Numunelere Ait
XRD Paterni ( Cu Kα Radyasyonu Kullanılmıştır. )
Sentez sonucu elde edilen bor nitrür 'ün X-ışınları paternlerinde (002) düzlemine ait
piklerin yüksek açı tarafında daha dik eğimli olması dikkat çekicidir. Benzer durum
turbostatik karbonun düzlemlerarası dhkl mesafesinin hegzagonal karbona göre daha büyük
olduğu ve bu mesafenin azalması ile yapının 3 boyutta kristalleşmiş, kararlı konuma
geldiği belirtilmektedir. Buna karşılık, BN 'e ait difraksiyon paternleri incelendiğinde artan
ısıl işlem sıcaklığı ile birlikte piklerin düşük açı yönünde bir miktar kayarak, sözkonusu
pik asimetrisini yokettiği görülmektedir. Piklerin düşük açı yönündeki bu kaymaları Bragg
kanunu (nn=2dsinθ) gereğince malzemenin düzlemlerarası dhkl mesafesinin artarak ideal
değerine ulaştığını işaret etmektedir. Aynı numunelerin TEM 'de yapılan incelemeleri

22
sırasında elektron difraksiyonları da alınmıştır ve Şekil 3.4. 'de örnek olarak 1200 0C 'de
kristalizasyon ısıl işlemi uygulanmış numunenin elektron difraksiyon paterni
verilmektedir. Kristalizasyon sırasında düzlemlerarası dhkl mesafelerinde gerçekleşen artış
difraksiyon halkalarında milimetrenin kesri boyutlarında değişimler meydana getirdiği için
dhkl mesafelerindeki bu artışı elektron difraksiyonu ile saptamak mümkün olmamıştır.
Şekil 3. 4. 1200 0C 'de Kristalizasyon Isıl İşlemi Uygulanmış Numunenin Elektron
Difraksiyon Paterni ( L=100 cm, V= 120000 volt )
Malzemenin tane şekli ve boyutu ile kristal yapısının incelenmesi amacıyla ısıl işlem
uygulanmış numuneler TEM 'de incelenmiştir (Şekil 3.5.). TEM fotoğraflarında da
görüldüğü gibi 1000 0C 'de kristalizasyon ısıl işlemi uygulanan numunenin tane boyutu
heterojen bir dağılım göstermekte ve ağırlıklı olarak küçük boyutlu ( < 50 nm ) taneler
içermektedir. 1200 0C 'de kristalizasyon ısıl işlemi uygulanan numunenin TEM
incelemesinde ise tane boyut dağılımında bir miktar homojenleşme ve tane boyutunda bir
miktar büyüme gözlenmekle birlikte yinede tane boyutunun ( < 50 nm ) dolayında olduğu

23
saptanmıştır. Ancak 1450 0C 'de kristalizasyon ısıl işlemi uygulanmış numunenin TEM
incelemesinden elde edilen sonuç, Şekil 3.5. 'de görüldüğü gibi diğer iki numuneye göre
farklılık göstermektedir. Malzeme daha dar aralıkta değişen bir tane boyut dağılımına
sahiptir ve tanelerin boyutu 1000 0C ve 1200 0C 'de işlem gören numunelere göre belirgin
bir şekilde daha büyüktür. Tanelerin boyutu ( > 50 nm, < 200 nm ) aralığında
değişmektedir. Karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla teknik kalitede BN numunede TEM
ile incelenmiştir.
Şekil 3. 5. Farklı Sıcaklıklarda Kristalizasyon Isıl İşlemi Uygulanmış BN Numunelerin ve
Orijinal BN 'ün TEM 'de Elde Edilen Görüntüleri

24
Kristalizasyonla birlikte tane boyut dağılımındaki bu homojenleşme ve tane boyutundaki
bu büyümenin malzemenin özelliklerini ne yönde etkilediğini gözleyebilmek amacıyla ısıl
işlem uygulanmış numunelerin BET cihazında yüzey alanları ölçülmüştür. Elde edilen
verilere dayanarak artan ısıl işlem sıcaklığıyla ilintili olarak malzemenin yüzey alanının
büyük oranda azaldığı saptanmıştır.
Isıl işlem sonucu yüzey alanında gerçekleşen bu düşme; iki boyutlu düzlemsel plakalar
şeklindeki turbostatik yapıda yüksek aktif yüzey alanına sahip malzemenin 3. boyutta da
kristalleşmesiyle birlikte plaka yüzeylerinden oluşan aktif alanların ortadan kalkmasıyla ve
sıcaklığın yükselmesinin malzemenin tane boyutunda artışa neden olmasıyla açıklanabilir.
3. 4. BOR NİTRÜR SERAMİK TOZLARININ ÜRETİM YÖNTEMLERİ
Bor nitrür seramik tozlarının üretiminde endüstriyel çapta uygulanan üç temel yöntem
bulunmaktadır;
- Borik oksitin amonyak gazı ile inert bir dolgu malzemesinin varlığında 900 0C’da
nitrürlenmesi ve reaksiyon sonrası saflaştırma ve kristalizasyon amacıyla ısıl işlem
uygulanması.
- Borik asitin üre, melamin gibi azot içeren organik bileşikler ile 1000 0C’ın üzerinde
nitrürlenmesi.
- Kalsiyum hekzaborür ve borik asitin azot gazı ile 15000C’ın üzerinde nitrürlenmesi.
Bu yöntemlerden; borik asitin trikalsiyum fosfat taşıyıcı malzemesinin varlığında,
amonyak gazı altında, 900 0C’da nitrürlenmesi ekonomik olması ve ülke şartlarına
uygunluğu nedeni ile daha çok tercih edilir. Yönteme ait üretim akım şeması Şekil 3.1.’de
verilmiştir.

25
H3BO3
B2O3
Öğütme
B2O3 (toz)
Ca3(PO4)2 N H 3
Ham BN
HCl H2O
Çözümlendirme
Yüklü Çözelti
Vakumlu Filtrasyon
Saf BN
Kristalizasyon Isıl İşlemi
Hekzagonal Bor Nitrür
Şekil 3.6. Hekzagonal Bor Nitrürün Üretim Akım Şeması
Dehidratasyon
(5000C)
SENTEZ

26
4. KÜBİK BOR NİTRÜR
4. 1. KÜBİK BOR NİTRÜR SENTEZİ
Kübik BN ilk kez Wentorf tarafından keşfedilmiştir. Malzeme, aynen elmas gibi serttir ve
(~7500kg/cm2 Vickers mikrosertliği) termal olarak iletkenliği yüksektir (13W/cm.0K, oda
sıcaklığındaki teorik değeri). Kübik BN’ün demire karşı ilgisi daha düşük olduğu için
mühendislik malzemesi olarak elmasa oranla daha çok kullanılabilir durumdadır.
Uygulanabilirliği nedeniyle hekzagonal modifikasyondan makul basınç ve sıcaklık
altındaki şartlarda kübik BN sentezlemek için geniş çaplı araştırmalar yapılmıştır.
Hekzagonal BN’ün kübik BN’e direkt dönüşümü ilke kez Bundy ve meslektaşları
tarafından gerçekleştirilmiştir. Würtzit tipi BN’ün, h-BN’den oda sıcaklığı ve 100 kbar’ın
(10 GPa) üzerindeki basınçta elde edilebildiğini, kübik BN’ün ise 2000 0K’in üzerindeki
sıcaklıklarda, basınç altında ısıtılarak sentezlenebileceğini bulmuşlardır. Wakatsuki ve
meslektaşları ise daha az kristalize h-BN’den 55 kbar ve 1100 0C’da kayda değer bir
katalizör katkısı olmadan kübik BN hazırlamayı başarmışlardır. Ichinose ve meslektaşları
bu direkt dönüşüm metodunda başlangıç BN tozu için uygun kristallik oranının La < 500A0
ve Lc < 200 A0 arasında olması gerektiğine karar vermişlerdir. Buna karşın, yüksek
kristalize BN 100kbar gibi çok yüksek basınç altında dahi sadece w-BN’e dönüşmüştür.
Su, kübik BN’ün sentezinde en etkili katalizördür.
Würtzit BN tozu şok basınç (sıkıştırma) ile sentezlenmiştir. w-BN metastabil fazdır ve
yüksek basınç ve sıcaklık şartları altında kübik BN’e dönüşür.
Sentez şartlarını hafifletmek için etkili yeni bir katalizörün keşfedilmesi amacıyla çok
sayıda araştırma yapılmıştır. Wentorf bir katalizör yardımıyla kübik BN’ün bir türünün
varlığını bulmuştur. Alkali ve alkalin toprak metalleri veya onların nitrürleri, h-BN için
uygun solventler olarak bilinmektedir. Kübik BN’ün sentezi için gerekli basınç ve sıcaklık
direkt dönüşüme kıyasla azaltılarak 65-90 kbar ve 1500-2000 0C’a düşürülmüştür. DeVries
ve Fleischer, Li veya Li3N arasındaki ara bileşik olan Li3BN2’in ve h-BN’ün, h-BN’ü
çözen bir solvent gibi davrandığını ve kübik BN’ün (termodinamik açıdan stabil olduğu
şartlarda) çökmesini sağlayarak elde edildiğini belirtmişlerdir.

27
Saito ve meslektaşları Fe-Al, Ag-Cd, Cu-Sn ve Mg-Sn alaşımlarının kübik BN sentezi için
uygun katalizörler olduğunu belirtmişlerdir. Bu katalizörlerle kübik BN’e dönüşüm
miktarının düşük olduğu ifade edilmiştir.
Susa ve meslektaşları, h-BN’ün kübik BN’e dönüşümünde suyun solvent olarak etkisini
keşfetmişlerdir. Kübik BN, ağırlıkça % 40 su katılarak 50kbar, 600 0C gibi düşük basınçta
ve sıcaklıkta bile oluşturulmuştur. Ancak granül boyutu sadece 0,01-0,2 μm idi. Bu
durumda; amonyum boratın, h-BN ile suyun yüksek basınç ve sıcaklık altında gerçekleşen
reaksiyonunun ürünü olarak oluştuğu anlaşılıyor. Amonyum borat eriyiğinin, h-BN’den
kübik BN’ün çöktürülmesinde cüruf yapıcı (flaks) olarak rol aldığı düşünülmüştür. Bu
varsayım; amonyum borat, üre, amonyum nitrat, galyum florür ve bizmut florür gibi
yepyeni solventlerin keşfedilmesine neden olmuştur.
Alüminyum nitrür (AlN) yüksek termal iletkenliğe (3,2W/cm.0K, 25 0C’da) ve kübik BN
gibi elektriksel yalıtım özelliğine sahiptir. Fischer, kübik BN’ün AlN-BN karışımının
yüksek basınç altında aşırı doymuşluğu neticesinde oluştuğunu belirtmiştir.
Ayrıca Kabayama, kübik BN’ün oluşumunda Si-AlN sisteminin katalizör etkisini
savunmuş, h-BN veya bor bileşikleri ve metal katalizörlerin yüksek basınç ve sıcaklık
altında birarada hareket ederek h-BN’den ve katalizör metal nitrürden oluşan bir kompleks
(silikon da içeren) meydana getirecekleri varsayımında bulunmuştur.
Hirano ve meslektaşları, AlN’in kübik BN’ün sentezinde katalizör gibi davrandığını h-BN
ve AlN karışımını yüksek basınç altında inert veya indirgenmiş gaz ortamında kapalı
tutarak gözlemlemişlerdir.
4. 2. KÜBİK BOR NİTRÜRÜN ÖZELLİKLERİ
Bor nitrür; iki ana formu bilinen, insan yapısı bir malzemedir. Yumuşak olan form
yağlayıcı özelliği olan grafit benzeri seramik bir malzemedir (h-BN), diğeri ise neredeyse
elmas kadar sert olan bir yapıdır. Sert bor nitrürün bilinen iki kristal hali vardır. Bunlar;
sfalerit benzeri bor nitrür olarak bilinen kübik yapı ve iyice sıkıştırılmış hekzagonal yapılı
würtzitik bor nitrürdür. Malzemenin her iki sert hali katalitik etken maddeler kullanılarak
h-BN tozlarının sıcak preslenmesi tekniği ile üretilirler. Yoğun şekilde sıkıştırılmış olan
bor nitrür aynı zamanda şok yükleme tekniği kullanılarak da elde edilebilir. Şok veya

28
patlayıcı yükleme yoluyla elde edilmiş olan malzeme, statik sıcak basınç metodu
kullanılarak dönüştürülmüş olan bor nitrürden farklı özel kimyasal ve fiziksel özelliklere
sahiptir. Ürün çok incedir, geniş spesifik bir yüzeye sahiptir ve güçlü bir şekilde
çeşitlendirilmiş (değiştirilmiş) taneleri mevcuttur. Sinterlenmiş polikristal c-BN
kompaktları, sertleştirilmiş demir ve demir olmayan malzemelerin işlenmesi için kesici
aletler olarak geniş ölçüde kullanılırlar. Bunlar metal bağlayıcı ve aktif katalitik maddeler
ile veya bu maddeler olmaksızın sinterlenirler. Bu malzemelerin mekaniksel dayanımı
(gücü) ve sertliği, tane boyutunun azalması ile birlikte artar.
Bor nitrür doğada mevcut değildir. Dört kristal polimorf bilinmektedir. Bunlardan kübik
BN en önemlisidir. Yoğunluğu 3,488 gr/cm3'tür, sfalerit yapı halinde kristalize olur ve
elmas ile yakın şekilde ilişkilidir. Herbir atom, diğer türdeki dört atom ile tetrahedral
olarak çevrili ve kovalent bağlıdır. Eğer tüm atomlar aynı olsaydı, bu bir elmas düzeni
olacaktı. BN, elmas ile izoelektronik haldedir. Ancak bordan nitrojene olan şarj transferi
sınırlıdır. Elektron deformasyon yoğunluğunun detaylı bir incelemesi bordan nitrojene 0,42
elektronluk bir şarj transferi ortaya koymaktadır.
Gelişme tekniklerinden bağımsız olarak, c-BN kristalleri daima kendi makroskopik
özelliklerini etkileyen kusur ve empüriteler içerirler. Bununla birlikte; c-BN içindeki
kusurlar hakkında transmisyon elektron mikroskopisi (TEM) veya elektron spin rezonansı
(ESR) araştırmaları hakkında çok az bilgi mevcuttur.
Kübik BN’ün sahip olduğu geniş band aralığı sayesinde ışığı ultraviyoleden enfrared
spektral bölgeye aktarabilme özelliği vardır. İyi bir termal iletkenliği ve elmasa yakın bir
sertliği vardır. n- ve p- tipleri olarak geliştirilebilir.
Son derece küçük bir self difüzyon katsayısına sahiptir ve az miktarda sinterlenebilme
özelliği gösterir. Ticari olarak ele alındığında, c-BN ile sinterlenmiş olan ekipmanlar 4-6
GPa gibi çok yüksek basınçlarda ve 1670-1770 0K gibi yüksek sıcaklıklarda sinterleme
katkı maddeleri ve/veya bağlayıcı malzemeler kullanılarak üretilmişlerdir. Bundy ve
Wentorf'a göre, c-BN bu şartlar altında termodinamik olarak stabildir. Söz konusu proses
c-BN'ün inorganik bir madde ve/veya metal toz ile karıştırılması ile gerçekleştirilir.
Sinterleme sıcaklığı katkı maddelerinin türlerine, kalitelerine ve miktarlarına bağlıdır.
Spesifik bir sinterleme sıcaklığına uygun olarak, c-BN'ün grafit tipi faza (hekzagonal bor

29
nitrür, h-BN) dönüşümünü önleyecek derecede yüksek şiddette bir basınç uygulanır. Bu
sinterleme şartlarına, aşırı yüksek basınç tatbik edebilen bir cihaz kullanılarak ulaşılır.
Hekzagonal bor nitrür (h-BN) sp2-bağlıdır ve yapısal olarak grafit ile aynıdır. Kübik bor
nitrür (c-BN) sp3-bağlıdır, fiziksel ve yapısal olarak elmasa benzerdir. Kübik bor nitrür (c-
BN) çok çekici fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Yüksek sertlik, yüksek termal
iletkenlik, aşınmaya karşı direnç ve geniş band aralıklı yarı iletken malzeme olarak
potansiyel kullanımı c-BN’ü birçok endüstriyel uygulama için gelecek vaad eden bir ürün
haline getirmektedir. Yapısında oksijen bulunduğundaki yüksek termal stabilitesi ve demir
malzemeler ile kimyasal inertliği; kaplamaların yüksek sıcaklıklara ve yüksek ölçüde
oksijen içeren ortamlara maruz kalmasını gerektiren uygulamalarda ve aynı zamanda demir
alaşımların kesilmesini gerektiren uygulamalarda arzu edilir özelliklerdir.
cBN-metal alaşımının ara yüzeyindeki etkileşim, metal-ergimiş karbon malzemeler (elmas,
grafit) ile karşılaştırıldığında son derece az anlaşılmıştır. Bunun başlıca nedenleri; bor
nitrürün yüksek kimyasal inertliği ve elde edilmiş olan sonuçların yorumlanmasının
zorluğu olmuştur.
Kübik bor nitrür (c-BN); sadece aşırı yüksek basınç altında termodinamik olarak oda
sıcaklığında bile elmas gibi stabildir ve elmastan sonra yeryüzündeki en sert ikinci
malzeme olarak bilinmektedir. Birçok yönden elmastan daha üstündür. Daha yüksek
oksidasyon direnci, çelikler ve nikel bazlı süper alaşımlar gibi demir alaşımlar için daha
büyük bir kimyasal direnç, hem p- hem de n- tipinin dop edilmesine kolaylıkla uyum
sağlayabilen elektronik özellikler bunlardan en önemlileridir. Ticari c-BN ürünleri
polikristal kompaktlar halinde piyasada bulunmaktadır. Çoğu polikristal c-BN (PCBN)
ürünleri aynı zamanda hacimce önemli miktarda bağlayıcı faz içerirler.
Günümüze kadar yapılan çalışmalarda, kübik bor nitrür tek ve polikristallerinin ince yüzey
tabakasının elementel kompozisyonu X-ışını fotoelektron spektroskopisi kullanılarak
incelenmiştir. c-BN yüzey tabakasındaki bor ve nitrojen atomlarının oksijene bağlanmış
oldukları tespit edilmiştir. Yüzeyin yakınında, bor ve nitrojen atomlarının yaklaşık
yarısının oksijene bağlandığı BxNOy şeklinde bir oksit oluşur.
c-BN yüzey tabakasının kompozisyonunun stokiometrik olmaması ile ilgili veriler
çelişkilidir. Kristallerin yüzeyi hakkındaki çalışmalar, hem kübik bor nitrürün çeşitli

30
kompozisyonlarda bileşenler oluşturma eğilimi ile yüzeyde bulunan nitrojen alt
kafesindeki boşlukları (B/N>1), hem de oksidasyon prosesinin kendisinden önce gelen c-
BN yüzeyinin aktif merkezleri tarafından oksijen atomlarının yakalanmasını işaret
etmektedir. Tek kristallerin nitrojen miktarı, c-BN’ün yüzeye yakın tabakasındaki bor
miktarını aşmıştır (N/B=1,2-1,5).
Farklı şartlar altında sentezlenmiş olan tozlar üzerinde oda sıcaklığında yüksek basıncın
etkisi; c-BN kristal kafesinin bor alt kafesindeki (sublatis) istifleme hatası ve yapısal
boşluk konsantrasyonu üzerinde önemli bir değişiklik yapmamıştır. Son durumda; sadece
7,7 GPa'da boşlukların miktarında azalma ile ilgili olan bir azalma eğiliminden söz
edilebilir.
Kübik bor nitrür, kristal kafes içinde kovalent iyonik bir bağa sahip olan kimyasal bir
bileşiktir. Farklı hesaplamalar ile iyonik bağın bir kısmı 0,22'den 0,42'ye kadar olan
değişiklikler gösterebilir. Bor alt kafesindeki boşlukların oluşması, herbir boşluğun bir
şarja V[-3] sahip olması nedeniyle iyonik bağları değiştirir. Oksijen, nitrojen alt
kafesindeki boşlukları dolduran BN içinde nitrojenin yerini alabilir. Bir nitrojen boşluğu
V[+3]'lük bir şarja (yük) sahiptir, bir oksijen iyonu ise O[-2]'lik bir şarja sahiptir. Bu
nedenle; nitrojen alt kafesindeki üç boşluğun yerini üç oksijen iyonu aldığında, bir nitrojen
boşluğunun şarjına [+3] eşit olan dengelenmemiş bir şarj kalır. Böylece; heterovalent bir
yer değiştirme şartına dayalı olarak, bor alt kafesi içindeki boşlukların katkısı ile c-BN
kafesi içinde katı bir çözeltinin oluşumu meydana gelir.
Kübik bor nitrür tozlarının soğuk preslenmesi sırasında yüksek basıncın etkisi ile hem c-
BN kristal kafesinde mikro distorsiyonlar meydana gelir hem de dislokasyon
yoğunluğunda düzenli bir artış olur. Bu durumda; kristal kafesin diğer kusurlarının miktarı
(bor alt kafesindeki boşluklar, istifleme hataları) hissedilir derecede değişikliğe uğramaz ve
bunların sentez şartları ile olan ilişkileri korunur. Oda sıcaklığında yüksek basınç etkisi
altında, c-BN kristal büyümesi sırasında ortaya çıkan kusurların daha sonra plastik
gerginleşme sürecini engellediği söylenebilir.
Belirli sentez şartları altında, kübik bor nitrür, bor alt kafes içindeki boşluklar ile değişken
kompozisyonlu bir bileşik halinde kristalize olmaya eğilim gösterir. Bu boşlukların
oluşumu, oksijenin nitrojen ile heterovalent şekilde yer değiştirmesi ile bağlantılıdır (c-BN

31
kristal kafes içinde oksijen katı çözeltisinin oluşması). c-BN kristal kafesi, kafes sabitinin
azalmasına ve istifleme hata konsantrasyonunun artmasına neden olur.
X-ışını ve transmisyon elektron mikroskopisi araştırmaları kullanılarak, 7,7 GPa'da ve 500-
2000 °C arasındaki sıcaklıklarda olan hidrostatik basınç şartları altında, rombohedral bor
nitrürün (r-BN) würtzitik bor nitrüre (w-BN) bunu takiben de w-BN'den c-BN'ye faz
dönüşümlerinin meydana geldiği tespit edilmiştir. Her iki dönüşüm, belirli oryantasyon
ilişkisi olan deformasyonel mekanizmalar ile yürürler. w-BN'den kübik bor nitrüre (c-BN)
dönüşüm 1500 °C'da başlayarak gerçekleşir. Başlangıç ve oluşum fazları arasındaki
aşağıdaki oryantasyon ilişkileri prosesin karakteristikleri olmaktadır [1010]w || [112]c ;
(0001)w || (111)c. Bu durumda; c-BN'de (111) düzlemine paralel olan (0001)w düzlemi
boyunca birçok paralel ikizlenme gözlenmiştir. Dönüşüm ikizleri oluşumu söz konusu
olmaktadır ve tanelerde mikro lamine olmuş bir yapının ortaya çıkması kolaylaşır. c-
BN'de, T > 2300 °C'da dinamik bir rekristalizasyon meydana gelir ve daha sonra tane
büyümesi söz konusu olur. Bu prosesler, c-BN'ün ikiz alt yapısının yok olması ile
sonuçlanır.
BN'ün farklı yapılarının atomizasyon enerjilerini karşılaştırmak ilginçtir. BN'ün sfalerit
formu -ΔH0=243,7 kcal/molBN atomizasyon enerjisine sahiptir. Hekzagonal yapı (BN'ün
ikinci önemli polimorfu) için bu değer 229,4 cal/molBN'dür. İki yapı arasındaki fark
böylece 14,3 kcal/molBN'dür. Lam ve meslektaşları; bu fark için 3,4 kcal/mol'luk bir değer
bulmuşlardır. Hesaplanmış olan mevcut değerin deneysel değerden daha doğru olabileceği
dikkate alınmalıdır. Bunun dışında; sonuçlar kübik BN'ün en stabil form olduğunu ve
sistem için hazırlanmış olan yeni faz diyagramına uygun olduğunu işaret etmektedirler.
4. 3. ELMAS VE KÜBİK BOR NİTRÜR
Elmas, a = 3,5567 A0 'luk yüzey merkezli kübik bir kafes içinde kristalize olur. Yoğunluğu
3,50 gr/cm3'tür ve her bir karbon atomu dört komşusuna tetrahedral olarak bağlanmıştır.
Elmasın büyük sertliğine, çok yönlü kovalent bağlanmanının neden olduğu bilinmektedir.
Kübik bor nitrür (c-BN), elmasın grafitten sentezine benzer olarak, genellikle hekzagonal
bor nitrürden (h-BN) yüksek basınç ve yüksek sıcaklık altında elde edilen sentetik
allotropik bir bor nitrür şeklidir. Kübik bor nitrürün elmas ile olan başka bir benzerliği de,
elmasın 700°C'dan daha yüksek sıcaklıklarda kimyasal olarak reaksiyon göstermesi

32
nedeniyle etkisiz olduğu sert demir malzemelerin işlenmesi için olan kesme takımlarında
geniş ölçüde kullanılmasına neden olan yüksek sertliğidir.
Üstün nitelikleri nedeniyle, üretiminde en başarılı yöntem olan PVD (fiziksel buhar
biriktirme) prosesleri kullanılarak, sp3-bağlı kübik bor nitrürü (c-BN) filmlerde ve
kaplamalarda geliştirmek için çok çaba gösterilmiştir. Bazı başarılı sonuçların yanında,
genel olarak sp2-bağlı hekzagonal BN (h-BN) ve amorf BN (a-BN), filmlerde elde edilen
yapılar oldu. Buna karşılık, c-BN geliştirmekte başarısız olan CVD (kimyasal buhar
biriktirme) teknikleri, genel olarak sp3 bağlı elmas ile az bir miktar sp2 bağlı karbon
biriktirme işleminde, grafitin elmastan daha stabil olmasına rağmen oldukça başarılıdır.
Elmasın ve c-BN'ün bu açıdan neden bu kadar farklı oldukları tam olarak belli değildir.
Ayrıca, elmas daima yüksek atomik hidrojen konsantrasyonları ile ve en saf elmas da
genellikle oksijen zerreleri ile geliştirilmiştir. Bu türler, elmas olmayan (sp2) karbonu
elmastan daha kolay bir şekilde aşındırır. Böylece hem elmas hem de elmas olmayan
karbon oluşturulmuş olsa da sadece elmas varlığını sürdürebilir. Gelişen c-BN için oyma
stratejileri ele alınmıştır. Kiel ve meslektaşları; a-BN'ün, PVD prosesi sırasında c-BN'den
daha kolayca aşındırılabileceği ihtimalini tartışmışlardır. Yarbrough ise, CVD prosesi ile
biriktirilen filmlerin içindeki c-BN’ün düşük konsantrasyonlarda olmasının bir nedeninin,
c-BN’ün gelişmesi sırasında hiçbir etkin sp2 aşındırıcısının var olmadığı ile ilgili
düşüncelerini dile getirmiştir.
Kübik bor nitrür (c-BN), elmasta bulunmayan kimyasal inertliğe ilave olarak elmasınkine
yakın bir sertliğe ve geniş band açıklığına sahip olan yarı iletken bir malzemedir. Termal
iletkenliği de elmasa yakındır. c-BN’ün, hem n- hem de p- tipleri kolaylıkla
geliştirilebilirken, elmasın böyle bir özelliği yoktur. Bununla birlikte; elmasta oluşturulmuş
olmasına rağmen, yüksek kalite c-BN filmlerinin kimyasal buhar biriktirme (CVD)
metoduyla hala tam olarak geliştirilememiş olduğu görünmektedir. CVD ile büyük ölçüde
kristal c-BN filmlerini geliştirmek için gerekli olan, c-BN yüzeyinin fiziksel ve kimyasal
özelliklerinin tam olarak bilinmesidir.
Sinterlenmiş, polikristal elmas (PCD) ve kübik bor nitrür (PCBN) mükemmel bir tokluk
özelliği, sertlik ve aşınma direncinin birarada bulunması gibi birçok göze çarpan niteliğe
sahiptir. Bu ürünler uzun zamandır ticari olarak piyasada bulunmaktadırlar ve çok çeşitli
işleme, delme uygulamalarında kullanılmaktadırlar. Bununla birlikte, tüm seramiklerde

33
olduğu gibi, istikrarlı bir performans, malzeme niteliklerinin güvenilir şekilde kontrolüne
bağlıdır.
PCBN’ün ve PCD'ın elastik sabitlerinin değerlendirilmesinde dinamik rezonans metodu
pahalı olmayan bir ekipman gerektirir ve çok hızlıdır. Bunun yanında; hem Young
modülünü hem de kesme modülünü doğru şekilde belirleyebilir. Elastik sabitlere ait
ölçülen değerler; saf, polikristal c-BN ve elmas için bilinen teorik değerlerle tek
kristallerden elde edilmiş gibi karşılaştırılır ve bazı ilave malzeme özellikleri ile
ilişkilendirilir.
Dinamik rezonans metodu, CVD yöntemiyle geliştirilen ince film elmasa başarıyla
uygulanmıştır. Metod ayrıca, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak PCBN’ün Young modülü
değerlerini hesaplamak için de kullanılmıştır.
Son on yılda sert malzemelerdeki en önemli gelişme CVD elmas prosesindeki dünya
çapındaki çaba ve yeni elması kullanışlı bir malzeme haline getirme uğraşlarıdır. Bu
heyecan verici olay, son dönemde elmas kaplamalar için yeni bir umuda dönüşmüştür.
QQC şirketinde çığır açıcı yeni bir lazer biriktirme prosesi geliştirilmiştir. Klasik yüksek
basınçlı/yüksek sıcaklık (HP/HT) sentezi sessiz sedasız ancak devamlı bir gelişim sürecini
sürdürmüş ve bu şekilde endüstriyel elmasların maliyeti düşmüştür. Çin karat başına 20
sentten dünya piyasalarını sentetik elmaslara doldurmayı başarmıştır.
Bu şartlar altında elmas ile rekabet edebilecek olan bir malzeme bulmak zor
görünmektedir. Bununla birlikte; C3N4 formülü ile karbon nitrürün elmastan daha da sert
olabileceği öne sürülmüştür. Bu malzeme, on sene boyunca süren araştırmalardan sonra
bile hala daha sentezlenememiştir, ancak kristal yapısının stabilitesi (kararlılık) ile ilgili
hesaplamalarda, yani kristal fazların büyüme mekanizmalarına karşı sertlik ve
termodinamik kararlılığının anlamı hakkında enteresan noktalara varılmıştır. Yeni
malzemelerin ortaya atılması ile sevinenlerin hayal kırıklığına uğramış olmasına rağmen,
bilimin endüstriyel yenilikler karşısında ve bunların yararına nasıl çalışması, nasıl
reaksiyon vermesi gerektiği hakkında düşünmek gerekir. Yeni malzemeler bulma imkanı
asla tükenmeyecektir. Kristal ve kuantum kimyasının, katı hal fiziği ile işbirliği yeni
sonuçlar getirecektir.

34
Elmas, fiziksel özelliklerinin şanslı bir kombinasyonu sayesinde malzemeler arasında
imtiyazlı bir yere sahiptir. Karbürler, nitrürler ve borürler gibi diğer sert malzemelerin de
bu tür özelliklerinin, yüksek kırılma ve oksidasyon direncine sahip olma gibi nitelikleri
olan geniş band aralıklı yarı iletken malzemeler ile karşılaştırılabilir olup olmadıkları
analiz edilmelidir.
CVD c-BN'e giden kimyasal yolun gelecekte bulunacağına inanılmaktadır. Belki tekrar
inşa edilen c-BN yüzeylerinde özel bir proses hazırlanacaktır. Bununla birlikte; bor ile
bitirilmiş ve nitrojen ile bitirilmiş yüzeyler farklı mekanizmalara göre gelişebilirler. Elmas
ile olan benzerliğin, c-BN sentezine belirli ölçüde yardım edeceği düşünülmüştür, fakat
gerçekte böyle olmamıştır. Pozitif bir gelişme olarak, elmas sentezi ile karşılaştırıldığında,
c-BN sentezi için gereken minimum PT şartlarının aşağı çekilebilmesinde, daha hızlı bir
ilerlemenin kaydedilmesi mümkün olmuştur.
h-BN'ün ve grafitin yeniden kristalleşme prosesi de ayrıca farklıdır. h-BN 50 kbar ve
1600°C'da; AIN, c-BN çekirdeklerinin varlığında kolaylıkla yeniden kristalleşir ve h-BN,
c-BN'e dönüşecek şekilde büyür. Bu proses, yüzey difüzyonunun yardımı ile likit faz
olmaksızın devam eder. Grafit, bu şartlar altında elmasa dönüştürülemez.
Genel olarak, sert bir malzemenin konsepti herhangi bir zorluk yaratmaz. Mühendislikte,
mineroloji veya jeoloji alanında sertlik yine ciddi bir sorun ortaya çıkartmaz. Mühendislik
terimleri ile tanımlanmış olan Vickers sertliği veya mineraller için olan Mohs ölçeği iyi
bilinmektedir. Bununla birlikte; eğer bilimsel bir açıklama veya hatta sertliğin bilimsel bir
tanımlamasını ararsak, herhangi bir sonuca ulaşamayız. Örnek olarak; en tanınmış referans
kitaplarının bazıları sertliği indekslerine bile almamaktadırlar. Bu durum; son derece iyi
bilinen bir olay ile ilgili olumsuz bir sonuçtur. Amaç, elmas ve kübik bor nitrürün
diferansiyel sertliğini karşılaştırmak olmalıdır. Bunu gerçekleştirmek için hesaplamalar
kuantum mekaniği ilkelerine dayalı olarak yapılmalıdır.
Mekanik açıdan sertlik genellikle tam olarak tanımlanmış bir güç altında, bir elmas çivi ile
bir malzemenin yüzeyinde meydana getirilen çukurdan yola çıkılarak ölçülür. Netice;
ortaya çıkan çukurun derinliği ölçülerek belirlenir. Bu sonuç Vickers sertliği olarak bilinir.
Bu metod genel olarak kullanılmaktadır ve metaller için gayet iyi çalışmaktadır, çünkü

35
aynı atomlar arasındaki bağlanmanın oldukça basit olan doğası vardır. Tablolar halinde
kullanılır, ancak fiziksel sertliğin altında yatan nedeni ortaya koymaz.
Mineraller için veya temel olarak bağlanmanın kovalent ve iyonik tipler arasında olduğu
çoğu inorganik malzemeler için Vickers metodu işe yaramaz. Buna ilave olarak; bağlanma
genellikle çok anizotropiktir. Ayrıca, çukur oluşumunun yanısıra klivaj kırılma da
meydana gelir ve bu durm elmasta bile ortaya çıkar. Minerolojide sertlik, keyfi bir skala
olan ve standart olarak 10 ayrı minerali kullanan Mohs sertlik ölçeği ile ölçülür. Mohs
sertliği 10'a sahip olan elmas, bu ölçek üzerindeki en sert malzemedir. Standart kristallerin
söz konusu maddeyi çizip veya çizemeyeceği belirlenir ve bu iki standart referans alınarak
sertlik belirlenir.
Mohs skalasında kübik bor nitrür ikinci en sert malzemedir ve elmastan çok az daha az sert
olarak tanımlanmıştır. Bu ifadede açıkça miktarsal bir dayanak yoktur.
Bir kristalin sertliği, atomlar arasındaki bağlanma tarafından belirlenmelidir. Bununla
birlikte; sertliğin deneysel veri ile ilişkilendirilecek şekilde mikroskobik bir ölçek üzerinde
teorik olarak tanımlanması zordur. Sertlik; sıkıştırma, genleşme, bükme hatta kırma
durumlarından dolayı ortaya çıkacak olan deformasyona dayanma konusunda bir kafes
içindeki bağların gösterdiği yetenek ile ilişkilendirilmelidir.
Deformasyonlar simüle edildikçe kristalin toplam enerjisindeki düşüşü sertlik indeksi
olarak almak mantıklıdır. Bu nedenle; spesifik bir deformasyon ile oluşan toplam enerji
kaybı maddenin sertliği ile orantılıdır. Sertlik, kafes distorsiyonunun lineer bir fonksiyonu
değildir. Eğer böyle olsaydı çok şaşırtıcı olurdu. Sertliğin belirli bir kafesin simetrisinin
karakteristiği olması ve distorsiyon ile artabileceği veya azalabileceği beklenebilir.
Bununla birlikte; günümüzde sertlik olgusunun mikroskopik distorsiyon üzerinde toplam
enerji kaybına orantılı olup olmadığı ve bu durumun yararlı gebe olup olmadığı konusuna
dikkatler yoğunlaştırılmıştır.
4. 4. KÜBİK BOR NİTRÜRÜN UYGULAMA ALANLARI
Kübik bor nitrür (c-BN); yüksek sıcaklıkta yarı iletken malzeme olarak kullanımı,
makineler ve bileşenleri için aşınmaya karşı dirençli kaplamalar gibi birçok potansiyel
uygulamaları nedeniyle teknik önemi sürekli artan bir malzemedir.

36
Kübik bor nitrür (c-BN) filmleri, yüksek sıcaklıkta kullanılan elektronik malzemeler
açısından teknolojik olarak dikkat çekici nitelikleri nedeniyle ilgi odağı olmuştur.
Bor nitrür polikristallerinin modifikasyonları eşsiz fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikler
ile karakterize olmuşlardır. Bunlar; çeşitli malzemeleri işlemek için kesici takımlar olarak
geniş ölçüde kullanılmaktadırlar. Takım verimliliği açısından c-BN’ün takım içinde
muhafaza edilmesinden sorumlu olan önemli kriterlerden bir tanesi, ıslanma kabiliyeti ve
cBN-metal eriyiğinin temasıdır.
Kübik bor nitrür (c-BN) elmastan sonra bilinen ikinci en sert malzemedir ve yüksek
sıcaklıklarda oksidasyon ve transformasyona (dönüşüm) elmastan çok daha dirençlidir. Bu
nedenle, modern endüstride geniş çapta demir alaşımlarının yüksek hız takımları için
kullanılır. Bu amaçla, c-BN yüksek basınçta (HP) ve yüksek sıcaklıkta (HT) grafit benzeri
BN’den sentezlenir. Basıncı azaltmak ve dönüşümü hızlandırmak için farklı flakslar
kullanılır.
Kübik bor nitrür (c-BN) yüksek sertlik, yüksek termal iletkenlik ve kimyasal inertlik gibi
elmasa benzer olan çok iyi fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Demir malzemelere
karşı düşük bir ilgisi vardır. Böylece, elmasın tersine c-BN, elmas ile gerçekleştirilmesi
mümkün olmayan, demir-metal işleme takımları ve diğer aşınma uygulamaları için taşlama
(öğütme) ve kesme işlemlerinde geniş ölçüde kullanılır. c-BN bazlı kompozitlerin (kesici
malzemeler olarak piyasada bulunurlar); sinterlenmesinin kolaylaşması, kesme
performansının optimize edilmesi amacı ile seramik veya metal bağlayıcı içerirler. Diğer
taraftan; aşırı yüksek basınç ve yüksek sıcaklık altında, BN'ün alçak basınç fazından direkt
dönüşüm ile sentezlenmiş olan, hiçbir katkı maddesi içermeyen polikristal c-BN
kompaktları da mevcuttur.
Kübik süper-sert değişim geçiren bor nitrür sertliği, yüksek termal şok davranışı ile
kombinasyon halinde yüksek elektriksel direnci, yüksek korozyon direnci ve X-ışınları için
olan yüksek geçirgenliği nedeniyle hem kütle halinde hem de ince film uygulaması
nedeniyle gelecek vaat eden bir malzemedir. Elmas ile karşılaştırıldığında, c-BN üstün
kırılma sertliği ve oksidasyon direnci nedeniyle özellikle dikkat çekicidir. Kübik formlu
bor nitrür, kompozit malzemeler üretmek üzere kullanılmıştır. Eşsiz fiziksel ve mekanik
özellikleri nedeniyle, bu malzemeler suda tavlanmış çelik ve döküm demir işlenmesi için

37
özellikle kullanışlı olan kesici bıçaklar halinde makine mühendisliği alanında genel olarak
kullanılırlar. Bağlayıcı faz olarak, periyodik tablonun IV-VI gruplarındaki elementlerin
kompozit metalleri veya bunların bileşikleri çok sıkça kullanılmışlardır. Bağlayıcı fazlar
arasında; TiN ve TiC, BN’e karşı en yüksek kimyasal aktiviteyi gösterirler.
Yüksek hızlarda tornalama, sert çelik bileşenlerin bitirilmesi için taşlama işlemi ile
karşılaştırıldığında artan bir verimlilik, esneklik ve daha düşük bir sermaye ihtiyacı
sunmaktadır. Pozitif bir maliyet dengesi elde edebilmenin karşısındaki en büyük engel,
yüksek hız torna çeliğini işlerken c-BN'ün aşınma oranını azaltma sorunudur.
Yüksek hassasiyetli dişli kutuları, rulmanlar, manşonlar v.b. için olan dişliler ve miller gibi
sertleştirilmiş olan bileşenlerin işlenmesi genellikle taşlama ile başarılır. Geometrik olarak
tanımlanmış tornalama, frezeleme v.s. ile kübik bor nitrür (c-BN) ve diğer seramikler gibi
yeni kesici malzemelerinin geliştirilmesi ile artık mümkündür. Üretim prosesi bu şekilde
optimize edilebilir. Taşlamanın, yüksek hızlarda tornalama ile yer değiştirmesi birçok
ekonomik avantajlar sunar. Yüksek hızlarda tornalama, taşlamadan daha az işleme süresi
gerektirir ve daha çok esnektir, çünkü alet üzerinde herhangi bir kaplama yapılmaksızın
komplike yüzey konturları elde edilebilir ve aynı ayarda birçok işlem gerçekleştirilebilir.
Geliştirilmiş olan esneklik, hem üretim maliyetini hem de sermaye yatırımını azaltabilir.
Son dönemde, taşlama yönteminde atıklar ile ilgili işlemlerin (soğutucu ve taşlama
atıklarının yok edilmesi) maliyeti önemli ölçüde artmıştır. Bununla birlikte, yüksek
hızlarda tornalama teknolojisi, kuru ve problemsiz bir atık üretir.
Kübik bor nitrür, elmastan sonra gelen bir sertlik ve yüksek bir kimyasal stabilite dahil
olmak üzere üstün mekanik özelliklere sahip olması nedeniyle, sinterlenmiş c-BN kitleleri,
özellikle çelik malzemeler için kesme takımları olarak olmak üzere endüstriyel
uygulamalar için önemlidirler. Ticari uygulamalar için sinterlenmiş c-BN kitleleri; Ti, Al,
ve Co gibi çeşitli bağlayıcıların ilave edildiği c-BN tozunun sinterlenmesi ile üretilir. Diğer
yandan; saf c-BN'den üretilmiş olan sinterlenmiş kitleler daha üstün özelliklere sahip
olabilirler, çünkü bu özellikler bağlayıcılar tarafından etkilenmeyeceklerdir.

38
5. KÜBİK BOR NİTRÜR ÜRETİM YÖNTEMLERİ
5. 1. CVD KÜBİK BOR NİTRÜR PROSESLERİ
Grafit düşük basınçta termodinamik olarak kararlı olduğu için karbon türleri aktive
edilmelidir ve eğer aktivasyon olmazsa sadece grafit meydana gelecektir. Aktivasyon iki
temel yöntemle elde edilir. Bunlar; yüksek sıcaklık ve plazma yöntemleridir. Her ikisi de
çok büyük miktarda enerji gerektirir.
Bu iki yöntemin temel alındığı birkaç CVD kübik bor nitrür prosesi kullanılmaktadır. Bu
prosesler sürekli olarak genişletilmekte, geliştirilmekte ve yenileri düzenli olarak
önerilmektedir. Bu sıralar kullanılan en önemli dört tanesi; yüksek frekanslı (akkor- deşarj)
plazma, plazma-ark, termal CVD ve yanma sentezidir. Temel özellikleri Tablo 5.1.’de
özetlenmiştir.
Tablo 5. 1. Kübik Bor Nitrür Biriktirme Proseslerinin Karakteristik Özellikleri
Aktivasyon Proses Birikim Sıcaklık Ana ürün
Yöntemi Hızı Kontrolu
Akkor-deşarj Mikrodalga Düşük İyi Kaplama
plazma RF (0,1-10μm/h)
Plazma-ark DC Ark Yüksek Zayıf Kaplama
RF Ark (50-100μm/h)
Termal CVD Sıcak filaman Düşük İyi Kaplama
Yanma Alev(torch) Yüksek Zayıf Kaplama tozu
Birçok kübik bor nitrür biriktirme prosesinde plazmaya ihtiyaç duyulur. Bir gazın sıcaklığı
arttırıldıkça, atomları kademeli olarak iyonize olurlar (elektronlarından ayrılırlar) ve
iyonlardan (pozitif yüklü), elektronlardan (negatif yüklü) ve iyonize olmayan atomlardan
(yüksüz) meydana gelen bir plazma oluşur.

39
Günümüzde c-BN biriktirilmesi için iki tip plazma kullanılır. Bunlar; akkor-deşarj plazma
(izotermal olmayan) ve ark plazmadır (izotermal). Özellikleri Tablo 5.2.’de
gösterilmektedir.
Tablo 5. 2. Kübik BN Biriktirme Proseslerinde Kullanılan Plazmaların Özellikleri
Akkor-Deşarj Ark
Plazma türü: İzotermal olmayan İzotermal
(Dengede değil) (Dengede)
Frekans: 50kHz – 3,45MHz ve Yaklaşık 1MHz
2,45 GHz (mikrodalga)
Güç: 1 – 100 kW 1 – 20 MW
Akış oranı: mg/s hiçbiri
Elektron konsantrasyonu: 109 – 1012/cm3 1014/cm3
Basınç: 200Pa – 0,15atm 0,15 – 1atm
Elektron sıcaklığı: 104 K 104 K
Atom sıcaklığı: 500 K 104 K
5. 1. 1. AKKOR-DEŞARJ (MİKRODALGA) PLAZMA BİRİKTİRME
Göreceli olarak düşük basınçta mikrodalga gibi yüksek frekanslı elektrik alanında bir gaz
içinde akkor-deşarj (izotermal olmayan) plazma oluşturulur. Bu tür bir plazmada aşağıdaki
olaylar meydana gelmektedir:
• Yüksek frekanslı elektrik alanında, gazlar elektronlara ve iyonlara iyonize olurlar.
Çok küçük kütleleriyle elektronlar 5000K veya daha yüksek enerji seviyelerine çok
hızlı bir şekilde ivmelendirilirler.
• Daha büyük atalete sahip olan daha ağır iyonlar alan yönündeki hızlı değişikliklere
cevap veremezler. Bunun sonucunda, sıcaklıkları ve plazmanın sıcaklığı elektron
sıcaklığının tersine düşük kalırlar (bu nedenle ismi izotermal olmayan plazmadır).

40
• Yüksek enerjili elektronlar gaz molekülleriyle çarpışarak reaktif kimyasal madde
türlerinin ayrışmasıyla ve oluşmasıyla ve kimyasal tepkimenin başlamasıyla
sonuçlanırlar.
Kübik BN biriktirme işleminde en sık rastlanan frekanslar; 2,45 GHz’de mikrodalga
frekansı (MW) ve daha düşük seviyede 13,45 GHz’de radyo frekansıdır (RF).
Biriktirme Prosesi: Kübik BN biriktirmek için tipik bir mikrodalga plazma yaklaşık 1020
elektron/m3 elektron yoğunluğuna ve hidrojeni ayrıştırmak için yeterli enerjiye sahip
olacaktır. Kübik BN’ün oluşabilmesi için substrat 800-1000°C seviyelerine ısıtılmalıdır.
Bu, plazma ve mikrodalga gücünün etkileşimiyle yapılabilir. Fakat bunun regüle edilmesi
zordur, bu sebeple genellikle daha düzgün sıcaklık kontrolü sağlayan radyant veya
rezistans ısıtıcıları doğrudan substratı ısıtmaktadır. Tipik mikrodalga biriktirme koşulları
Tablo 5.3.’te verilmiştir.
Tablo 5. 3. Tipik Mikrodalga Biriktirme Koşulları
Güç: 600 W
Substrat sıcaklığı: 800 – 10000C
Gaz karışımı H2/CH4: 50/1’den 200/1’e
Basınç: 10’dan 5000 Pa’a
Toplam gaz akışı: 20 – 200 scm3/min
Çökeltilmiş olan kaplamanın morfolojisi ve özellikleri substrat sıcaklığı, gaz oranı, birikim
yüzeyindeki plazma yoğunluğuna bağlı bir fonksiyon olarak değişir. Birikim hızı düşüktür,
ortalama 1-3μm/h civarındadır. Bunun sebebi birikim bölgesindeki sınırlı miktarda
bulunan atomik hidrojen olabilir (tahminen % 5).
Mikrodalga plazmasının bir avantajı, gerektiğinde günler süren biriktirme işleminin
kesilmesine müsaade etmeyen kararlılığıdır. Ancak, plazma oksijenlendirilmiş bileşiklerin
ilave edilmesiyle kolaylıkla hareketlendirilebilir.

41
Elektron Siklotron Rezonansı (ECR): Bir mikrodalga plazma, düzgün elektrik ve
manyetik alan kombinasyonu aracılığıyla, elektron siklotron rezonansıyla da (ECR)
üretilebilir. Siklotron rezonansı, manyetik alanın güç çizgilerinde yörüngelenmiş olan
elektronların doğal frekansıyla değişken elektrik alanının frekansının uyuştuğu zaman
başarılı olunur. Bu olay 2,45 GHz standart mikrodalga frekansında ve 875 Gauss
değerindeki manyetik alanda meydana gelir.
ECR plazmanın c-BN biriktirmek için iki temel avantajı bulunur. Bunlardan birisi,
genellikle iyon enerjisinin 100 eV değerine ulaşabildiği standart yüksek frekanslı plazmada
bulunan yüksek yoğunlukta iyon bombardımanından meydana gelen potansiyel substrat
(altlık) hasarını azaltmasıdır, diğeri ise göreceli olarak düşük bir sıcaklıkta çalıştığı için
ısıya duyarlı substratların hasar görme riskini indirgemesidir.
Dezavantajları ise daha zor bir proses kontrolü ve manyetik alan eklenmesinden dolayı
meydana gelen daha masraflı ekipmandır.
RF Plazma: Atomik hidrojenin üretilmesi ve tepkime aktivasyonu bir RF plazma
(13,56MHz) ile sağlanabilir, fakat prosesin saf elmas değil elmasa benzeyen karbon (DLC)
üretmesi durumu ile karşılaşılır.
5. 1. 2. PLAZMA-ARK BİRİKTİRME
Mikrodalga biriktirmeye ilave olarak, c-BN kaplamalar için bir diğer plazma biriktirme
sistemi plazma-ark temel alınarak yapılır. Plazma-ark biriktirme genellikle doğrudan veya
alternatif akımla iki elektrot arasında üretilir, yüksek yoğunlukta ve düşük frekansta
sağlanır. Proses çok büyük miktarda güç gerektirir ve ekipmanlar çok masraflıdır.
Düşük frekanslı plazmada hem elektronlar hem de iyonlar, sadece elektronların cevap
verdiği yüksek frekanslı plazmanın tersine, sürekli fakat göreceli olarak yavaş değişen alan
yönüne cevap verirler. Hem elektronlar hem de iyonlar enerji alırlar ve sıcaklıkları aşağı
yukarı aynı miktarda artar. Yüksek plazmada bulunan izotermal olmayan durumun tersine
plazma dengededir (izotermal). Kübik BN biriktirmek için izotermal plazmalar, akkordeşarj
plazmalardan daha yüksek bir basınçta (0,15-1 atm arasında) üretilir. Bu basınçta,
çarpışmalar arasında parçalar tarafından katedilen ortalama mesafe (ortalama serbest yol)

42
azaltılır ve bunun sonucunda moleküller ve iyonlar daha sık çarpışırlar ve daha çok
ısınırlar.
Sabit miktarda bir gazın içindeki elektrik enerjisini artırarak, sıcaklık yükseltilir ve 5000°C
veya daha yüksek değerlere ulaşabilir. Bu derecede yüksek sıcaklıklar, hidrojen
moleküllerinin, CH radikallerinin ve diğer aktif karbon türlerinin neredeyse tamamen
ayrışmasını sağlar. Bu noktadan bakıldığında, ark plazma sistemleri akkor-deşarj veya
termal CVD yöntemine göre avantajlıdır, çünkü çok daha az miktarda atomik hidrojen
oluşturur.
5. 1. 3. TERMAL CVD (SICAK FİLAMAN)
Yukarıda açıklanan proseslerde, plazma elektrik akımıyla üretilir. Plazma aynı zamanda c-
BN biriktirme işleminde olduğu gibi, tungsten veya tantaldan imal edilen tel veya tüpün
rezistans ile ısıtılmasıyla sağlanan yüksek sıcaklıkla da üretilebilir.
Metal sıcaklığı 2000 °C veya biraz daha yüksek bir değerde sağlanır. Atomik hidrojen
oluşur ve sıcak metalin çevresinde karbon türleri aktif hale geçer. Birikim hızı, birikimin
bileşimi, morfolojisi; sıcaklığın ve sıcak metalle substrat arasındaki mesafenin
fonksiyonlarıdır. Mesafe genellikle 1cm veya daha azdır. Bunun da ötesinde, atomik
hidrojenin çok büyük bir kısmı yeniden oluşur ve c-BN üretilmez.
5. 1. 4. YANMA SENTEZİ
Kübik BN; havada basit, değişiklik yapılmamış oksiasetilen kaynak aleviyle üretilebilir.
Silikon gibi substratlar, alevin azalan bölümüne maruz kaldıklarında hızlı bir biçimde
kaplanırlar, fakat yapı ve bileşimlerindeki üniformluk halen giderilememiştir.
Yüksek gaz sıcaklığı ( > 2000 °C) substratın soğutulmasını zorunlu kılar. Sonuç olarak,
kontrol edilmesi çok zor olan büyük termal eğimler oluşur. Birikim verimliliği, 1/106
çekirdeklenme hızıyla, aşırı düşüktür. Bunun anlamı; yüksek gaz tüketimi, yüksek enerji
gereksinimleri ve yüksek maliyet demektir. Günümüzde birikim mekanizması açık olarak
anlaşılamamıştır.

43
Substrat Hazırlanması ve Yapışması
Yüzey çekirdeklenme hızının belirlenmesinde substrat yapısı ve ön biriktirme işlemi
önemli bir rol oynar, fakat buna bağlı olan büyüme hızı önemli değildir (ani yüzey tabakası
birikimi oluştuktan hemen sonra). En yaygın kullanılan substrat silikondur, fakat refrakter
metaller (W, Ta, Mo), karbürler (WC, SiC) ve Cu, Au, Ni ve bunların alaşımları gibi diğer
metaller ve malzemeler başarılı performans sergilerler.
Çekirdeklenme hızı ve yapışma substratın yapısıyla beraber değişir ve substrat
malzemesinin orta karbür ürünü oluşturma kabiliyeti ile bağıntılı olduğu ortaya çıkar.
Asitle delme veya mekanik işlem gibi yüzey işlemleri yapışmayı kuvvetlendirmeye yardım
eder.
Morfoloji
CVD kübik BN’ün tortu yüzeyi serttir ve birçok uygulama için bir cilalama aşaması
gerekir. Talaş kaldırmadan veya parçacık çekmeden 5 nm yarıçaptan daha az bir değere
cilalamak normalde zor bir işlemdir. Yüzeyi yumuşatan, enerji menzili 5000 keV değerine
kadar çıkan bir iyon implantasyon tekniğinin geliştirilmesiyle artık yumuşak bir yüzey elde
edilebilir. Bu adımı c-BN cilasıyla yapılan mekanik cilalama işlemi takip eder.
5. 2. YÜKSEK-BASINÇ SENTETİK KÜBİK BOR NİTRÜR
5. 2. 1. SOLVENT-KATALİZÖR YÜKSEK BASINÇ SENTEZİ
Solvent-Katalizör Reaksiyonu: Solvent-katalizör prosesi General Electric ve diğerleri
tarafından geliştirilmiştir. Doğrudan dönüşümle kıyaslandığında daha düşük aktivasyon
enerjisi bulunan bir tepkime yolu geliştirilmiştir ve daha yumuşak şartlar altında daha hızlı
bir dönüşüme olanak sağlar. Bunun sonucunda, solvent-katalizör sentezi gerçekleşmiştir.
Önemli ve başarılı bir sanayi prosesidir.
Bütün karbon malzemeleri solvent-katalizör dönüşümü için uygun değildir. Örneğin,
grafitler elmas oluştururken, turbostratik karbonda dönüşüm gözlenmez. Solventkatalizörler;
demir, kobalt, krom, nikel, platin ve paladyum gibi geçiş metalleridir. Bu
metal-solventler karbonu büyük miktarda çözerler, karbon atomları gruplarının arasındaki

44
bağları ve bireysel atomların arasındaki bağları kırarlar ve karbonu büyüyen elmas
yüzeyine naklederler.
Hidrolik Proses: Gerekli olan basınç bir hidrolik pres tarafından sağlanır. Tungsten karbür
pistonlarla basınç uygulanır (55-60 kb). Hidrolik proses ile günümüzde mikron boyutlu
kristaller birkaç dakikada üretilir. Yüksek basınç sentezi üzerine incelemeler ve
araştırmalar daha düşük üretim maliyeti ve daha büyük kristaller üretmek için devam
etmektedir.
5. 3. ŞOK DALGALARI PROSESİ
Bir patlamadan meydana gelen şok dalgaları tarafından oluşturulan yüksek basınç, kübik
BN sentezini doğrudan ve hızlı bir şekilde yapabilir.
Bir grafit ve nodüler demir karışımı, 25cm çapındaki boşluğu bulunan bir kurşun bloğa
yerleştirilir. Arka tarafı TNT ile kaplanmış olan düz bir metal plaka boşluğun önüne monte
edilir. TNT patlatılır ve maksimum hızı 5 km/s olacak şekilde plaka boşluğa çarpar. Birkaç
mikrosaniye için 300 kbar basınca ve 1000 0K sıcaklığa ulaşılır. Kübik BN oluşumu, demir
bir solvent-katalizörün varlığı ile desteklenir. Daha sonra c-BN kristalleri selektif asit
sindirimi ve sedimentasyonla ayrılır.
Sadece maksimum parçacık boyutu yaklaşık 60 μm olan çok küçük polikristal yapıda c-
BN’ler üretilir. Bu teknik A.B.D.’nde Dupont tarafından ticari boyuta taşınmıştır. Parçacık
boyutunun küçüklüğü sebebiyle malzeme, cilalama bileşimleri gibi sınırlı uygulamalarda
kullanılır.

45
6. YÜKSEK HIZLARDA SÜREKSİZ KESME İŞLEMİNDE KULLANILAN
KÜBİK BOR NİTRÜR ALETLERİN AŞINMASI
ÖZET
Sertleştirilmiş M50 çeliğinin süreksiz tornalanmasında kübik bor nitrür (c-BN) aletlerinin
aşınması incelenmiştir. Amaç; süreksiz kesme işlemi sırasında baskın aşınma
mekanizmasının tanımlanması ve özellikle c-BN içeriğinin etkisinin incelenmesidir.
Sonuçlar, yüksek (cBN-H) ve düşük (cBN-L) c-BN içeren aletlerde birbirinden önemli
ölçüde farklı aşınma özellikleri göstermektedir. Taylor’un alet ömrü eşitliğinin tersine, orta
şiddette kesme hızında cBN-L alet ömrü optimuma çıkmaktadır. Bunun tersine, cBN-H
artan kesme hızıyla monoton olarak azalan alet ömrü göstermektedir. Daha da önemlisi,
cBN-H süreksiz kesme işlemine cBN-L’dan daha az hassastır. Bu da, artan kesinti
frekansıyla azalan alet ömrünü göstermektedir. cBN-H’da daha yüksek sertlik ve tokluk,
mekanik aşınmaya karşı daha çok mukavemet demektir. Süreksiz kesme işleminde bu
özellik daha baskındır. Fakat cBN-H’da metalik bağlar, çalışma parçası malzemeleriyle
etkileşim göstermekte ve bu nedenle yüksek kesme hızlarında çok hızlı bir şekilde termal
aktivasyon meydana gelmektedir.
6. 1. GİRİŞ
Polikristal kübik bor nitrür gibi ileri teknoloji kesme aleti malzemelerinin geliştirilmesi,
yüksek hızlarda işleme teknolojisinde maliyeti yüksek olan aşındırma bazlı proseslerin
yerine bir alternatif olmuştur. c-BN aletleri yirmi yıldan uzun bir zamandır
kullanılmaktadır. Aşınma mekanizmalarının anlaşılması, c-BN alet malzemelerinin yüksek
maliyeti ve hızlı alet aşınmalarından dolayı düzgün proses şartlarının belirlenmesi
konusunda süregelen bir ihtiyaç bulunmaktadır. Genelde, polikristal yapıdaki c-BN aletleri
iki kategoriden oluşmaktadır. Bir tanesi; hacim kesiri 0,9 olan c-BN parçacıklarından
metalik bağlayıcılarla (mesela kobalt) bağlı yüksek c-BN içeren aletlerdir (cBN-H). Diğeri
ise; 0,5 ile 0,7 arasında bir hacim kesiriyle daha az c-BN konsantrasyonuna sahiptir ve
seramik bağlayıcılarla (mesela titanyum nitrür) bağlı olup düşük c-BN içeren aletlerdir
(cBN-L). cBN-H ve cBN-L malzemelerinin aşınma özellikleri üzerine çalışmalar
yapılmıştır. cBN-L malzemesinin daha uzun alet ömrü olduğu ve yüksek hızlarda
tornalamanın son aşamasında cBN-H malzemesine göre daha iyi yüzey bitirmesi yaptığı
belirtilmektedir. Ancak, cBN-H daha sert ve daha toktur. Bu ters durum, bağlayıcı fazı ile

46
çelik içeriklerinin arasındaki kuvvetli etkileşimden dolayı bağlayıcı kaybının olması ve c-
BN parçacığının çekilmesiyle ciddi aşınmanın meydana gelmesinden olabilir. Fakat, c-BN
alet aşınmasının incelemeleri sürekli kesme işleminde yapılmıştır; hiçbir çalışma süreksiz
kesme işlemini işaret etmemiştir. Halbuki, aşınma mekanizması sürekli kesme işleminden
farklı olabilmesine rağmen c-BN aletlerinin uygulamaları için optimum şartlar farklı
olabilir.
Birçok yüksek hızda işleme operasyonları süreksiz kesme şartlarını içermektedir. Yakın
zamanda, sertleştirilmiş kalıp çeliklerinin frezelenmesi üzerinde çalışılarak yüksek kalitede
yüzeylerin üretilmesi amaçlanmaktadır. Aralıklı olarak aletle çalışmanın doğası ve sıklıkla
talaş-yük değişimleri sebebiyle, alet aşınması genellikle daha ciddi bir durumdur ve farklı
baskın (dominant) mekanizmalara sahiptir. Artan uygulamalara rağmen sertleştirilmiş
çeliklerin süreksiz olarak kesilmesi konusunda çok az araştırma yapılmıştır.
Tarihsel olarak, süreksiz kesme işlemi araştırmaları genellikle kırılgan yapılar ve ani alet
hatası üzerine odaklanmaktadır. Yakın zamandaki başlıklar, alet giriş ve çıkış açıları,
kesme ve kesmeme zaman oranı, termal çatlama ve kesme kenarı etkileri gibi konulardır.
c-BN aletleri kullanılarak yapılan süreksiz kesme işlemlerinin malzeme bakımından
incelenmesi yeterli ölçüde yapılmamıştır. Naikai ve meslektaşları; düşük c-BN içeren
çeşitli aletleri, serleştirilmiş çeliklerin tornalanmasında test etmiştir ve daha küçük parçacık
boyutları olan c-BN aletlerinin yüksek hızlarda süreksiz tornalama işleminde daha çok
mukavemete sahip oldukları sonucuna varmıştır. Bu eğilim, daha hassas c-BN
parçacıklarından dolayı arttırılmış olan sertlik ve kopma mukavemetinin bir sonucudur.
Netice, yüksek hızlarda sürekli tornalama çalışmasıyla aynı değerleri yansıtmaktadır.
Dewes ve Aspinwall H13 sertleştirilmiş çeliklerinin frezelenmesinde çeşitli c-BN aletlerini
test etmiştir. Yüksek hız aralığında (10-13 m/s arasında), cBN-H’ın cBN-L’dan daha iyi
performans sergilediği, düşük hızda ( < 8 m/s) ise, cBN-L’un daha uzun alet ömrü olduğu
rapor edilmiştir. Buna ilave olarak, talaş kaldırmanın baskın bir aşınma modu olduğu
gözlenmiştir. Elbestawi ve arkadaşları, farklı c-BN aletleri kullanarak sertleştirilmiş H13
çeliklerinin yüksek hızda frezelenmesini araştırmıştır. cBN-H’ın sürekli daha iyi aşınma
mukavemeti gösterdiği ve cBN-L’a göre daha iyi yüzey bitirmesi yaptığı rapor edilmiştir.
cBN-H’da alet aşınmasının alet hatasından kaynaklandığı, cBN-L’un ise talaş kaldırmadan
aşındığı öne sürülmüştür. Yüksek ve düşük c-BN içeren aletler arasındaki davranış
farklılıkları için bir açıklama getirilmemiştir.

47
Bu deneysel çalışma, M50 sertleştirilmiş çeliklerinin sürekli tornalamada c-BN alet
performansını inceleyen daha evvel yapılmış bir çalışmanın uzantısıdır. Çalışma
parçasındaki karbürün alet aşınmasında önemli etkilerinin olduğu ve azalan c-BN parçacık
boyutlarıyla alet aşınmasının monoton olarak azaldığı gösterilmektedir. Ayrıca düşük c-BN
içerikli aletler kullanarak yapılan bitirme tornalamasında baskın olan aşınma mekanizması,
mikroyapı ve malzeme yorulmasıdır. Mevcut çalışmanın amacı süreksiz kesme işleminde
c-BN aletlerinin aşınma özelliklerinin tanımlanmasıdır. Süreksiz kesme şartları altında
sertleştirilmiş M50 çeliğinin tornalanması için tasarlanan ve cBN-H, cBN-L kullanılan bir
dizi kesme deneyi gerçekleştirilmiştir. Farklı c-BN aletlerinin alet performansı (alet
aşınması ve parça yüzey bitirme) farklı kesme şartları altında değerlendirilmiştir. Ana
odaklanma noktası, farklı kesme hızlarında ve kesinti frekanslarında alet aşınma
özelliklerine malzemenin etkileridir.
6. 2. DENEYSEL AYRINTILAR
Alet malzemeleri farklı özellikleri bulunan iki tip polikristal yapıda c-BN aletlerinden
oluşmaktadır. Bir tanesi, Sumitoma’dan BN250*, diğeri ise GE Süper Aşındırıcılardan
BZN6000* olmuştur. Düşük c-BN içeren BN250 titanyum nitrür bağlayıcıyla 0,6
değerinde c-BN parçacık hacim kesirine sahiptir. Bunun tersine, yüksek c-BN içeren
BZN6000 kobalt bağlayıcılı 0,92 değerinde c-BN parçacık hacim kesirine sahiptir.
Ortalama c-BN parçacık boyutu 2μm’dir. Kesilmiş parçalar 55° elmas gibi
şekillendirilmiş, c-BN parçaları ile lehimlenmiş tungsten karbür substratlarıdır (altlık).
Bütün kesilmiş parçalar 25° x 0,1 mm değerine sahip olacak şekilde imal edilmiştir. Kesme
geometrisi şöyledir: -30° tarama açısı, 5° açıklık açısı, 0,8 mm burun yarıçapı ve yaklaşık
12,5 μm kenar yarıçapı.
Çalışma malzemesi konvansiyonel molibden bazlı alet çeliği olan M50’dir. Çalışma
parçaları 38 mm çapında ve 90 mm uzunluğunda çubuklardır. Süreksiz kesme şartlarını
elde etmek için eksenel yön doğrultusunda silindirik yüzeylerin üzerinde önceden işlenmiş
6mm x 6mm yuvalar bulunmaktadır. Dönme hızı ile birlikte yuva sayısı, kesinti (fasıla)
frekansını belirlemektedir.

48
Çalışma parçaları aşağıdaki proseslerle ısıl işleme tabi tutulurlar:
a- 40 dakika için 982 °C’da ön ısıtma
b- 10 dakika için 1107 °C’da vakumlu ostenitleştirme
c- Nitrojen gazıyla çeliğe su verme
d- 2 saat için 177 °C’da temperleme
e- 2 saat için -101 °C’da kriyojen soğutma
f- Her turda 2 saat olmak üzere 527 °C’da çift temperleme
Son sertlik 62 Rc ile 64 Rc arasında bir değerdedir.
Kesme prosesi Hardinge Superslant* tornalama merkezi üzerinde soğutucu kullanmadan
dış çap tornalamasıdır. Besleme hızı ve kesik derinliği 12,5 μm/rev ve 50 μm olarak
sabitlenmiştir. Kesme hızı 2 m/s ile yaklaşık 8 m/s aralığında bulunmaktadır. Kesinti/fasıla
frekansı (FI) 0 Hz (yani sürekli kesme), 35, 70 veya 140 Hz’dir. Kesme testleri sırasında,
çalışma parçaları sadece 35-38 mm çap aralığında tornalanarak kesinti frekansında
varyasyon en aza indirilmiştir. Her paso için eksenel kesme uzunluğu 57 mm olarak
belirlenmiştir. Kesme şartlarına bağlı olarak her paso için kesme zamanı, kesme hızıyla ve
kesinti frekensıyla değişmektedir.
Üç eksenli bir Kistler* dinamometresi ve bir veri toplama sistemi kesme kuvvetlerini
toplamak için kullanılmıştır. Bu kuvvetler şunlardır: tanjant kuvveti (kesme bileşeni),
radyal kuvveti (itme/sıkıştırma bileşeni) ve eksenel kuvvet (besleme bileşeni). Örnekleme
frekansı bütün kesme şartları için 1000 Hz’dir. Alet yan aşınması ve çalışma parçası yüzey
bitirmesi periyodik olarak ölçülmüştür. Kesme aletlerinin maksimum yan aşınma genişliği
(VBmax) optik mikroskopi ile ve işlenmiş çalışma parçalarının ortalama yüzey sertliği (Ra)
stylus profilometreyle ölçülmüştür. Alet daha evvelden belirlenmiş bir ömür kriterine
VBmax = 500 μm ulaşıncaya kadar her parçanın kesme testine devam edilmiştir. Tekrar
edilebilirliği inceleyebilmek için her kesme takımı üzerinde üç test yürütülmüştür. Aşınma
şartlarının özelliklerini belirleyebilmek için tarama elektron mikroskopisiyle (SEM) c-BN
aletleri incelenmiştir.

49
* Belirli ticari ürünler deneysel prosesleri tamamen açıklayabilmek için tanımlanmıştır. Bu
tür tanımlamalar Standartlar ve Teknoloji Ulusal Enstitüsü tarafından onaylanmış değildir.
Ayrıca, bu ürünlerin amaç için en uygunları oldukları da onaylanmış değildir.
6. 3. SONUÇLAR
6. 3. 1. KESME HIZININ ETKİLERİ
Gerçek kesme süresi, kesme turlarında kesme işlemi meydana gelirken toplanan zaman
periyodudur. Bu nedenle, bu gerçek kesme süresi temas olmayan süreyi içermemektedir ve
basitlik amacıyla bundan sonra kesme süresi olarak kullanılacaktır. Orta kesme hızı, 4m/s,
yan aşınmayı yavaşça arttırmıştır, fakat daha yüksek veya daha düşük kesme hızları ise çok
hızlı alet aşınması göstermiştir. 2m/s hızda, 500μm (VBmax) alet ömrüne ulaşmak sadece 3
dakika almıştır. Alet üreticileri tarafından tavsiye edilen kesme hızı aralığının 1-3m/s
arasında olduğuna dikkat edilmelidir. Kesme hızının artmasıyla yan aşınma ve aşınma hızı
artmıştır. 7,8m/s hızda alet ömrü 700μm (VBmax) değerine sadece 1 dakikalık kesme
süresinde ulaşmıştır. BN250 için en uzun alet ömrü 2-8m/s arasında kesme hızı
seçildiğinde optimum düzeydedir. Bunun tersine, BZN6000 artan kesme hızıyla monoton
olarak azalan bir alet ömrüne sahiptir. Bu durum, BN250 ile BZN6000 arasında farklı
aşınma özellikleri göstermektedir. 2m/s hızda yan aşınma baskındır, 4m/s hızda aşınma
daha yumuşak ve üniformdur, 7,8m/s hızda ise yan aşınmadan dolayı bazı oluklar (kesme
yönüne paralel) gözlenmiştir. Aşınmadaki farklılıklar, değişik kesme hızlarında baskın
aşınma davranışlarının değiştiğini göstermektedir.
BZN6000, BN250’den daha yüksek radyal kuvvetlere sahiptir. Farklı kesme hızlarındaki
eksenel kuvvetler (besleme bileşeni) diğer iki bileşene benzer bir eğilime sahiptir;
büyüklük radyal kuvvetin beşte biri kadardır.

50
6. 3. 2. KESİNTİ FREKANSLARININ ETKİLERİ
Daha yüksek kesinti frekansı, daha büyük yan aşınmayla sonuçlanmaktadır. 140Hz
frekansta büyük başlangıç aşınması olması haricinde kesinti frekansıyla başlangıç aşınması
yavaşça artmaktadır. BZN6000 alet aşınmasında süreksiz kesme işleminin etkisinin
olmadığı farkedilmiştir. BN250 için artan kesinti frekansında alet ömrü orantılı olarak
azalmaktadır. Buna karşın, BZN6000 kesinti frekansı bakımından neredeyse sabit bir alet
ömrüne sahiptir. SEM tarafından özellikleri belirlenen alet aşınma şartları, öncelikle
aşınma özelliklerinin krater bölgesi ve yan aşınma olduğunu, ikinci olarak da farklı kesinti
frekanslarında yan aşınmanın aynı topografiye sahip olduğunu göstermektedir.
Farklı kesinti frekanslarında elde edilen yüzey sertliği aletler önemli ölçüde aşınmadan
evvel genellikle 50-150nm Ra aralığındadır. Süreksiz kesme şartlarının yüzey bitirmesini
etkilemediği görülmektedir. Fakat, yüzey sertliği kesinti frekansından etkilenen alet
aşınmasıyla beraber artmıştır.
BN250 için radyal kuvvetler yüksek kesinti frekanslarında önemli oranda artmıştır.
BZN6000 içinse alet aşınması geliştikçe kesinti frekensıyla beraber radyal kuvvetler
artmaktadır, başlangıç radyal kuvvetleri ise birbirlerine yakındır. Hem BN250 hem de
BZN6000 için farklı kesinti frekanslarındaki eksenel kuvvetler radyal kuvvetlerle aynı
eğilimi daha küçük değerlerle göstermektedir.
6. 4. TARTIŞMA
Aşırı alet aşınması ve süreksiz kesme işleminde ani kırılmalar uzun zamandır
farkedilmektedir ve “darbe, mekanik veya termal şok” gibi alet kullanımıyla ilgili terimler
alet aşınmasında süreksiz kesme işleminin etkileri olarak düşünülmektedir. Sürekli ve
süreksiz kesme işleminin arasındaki bir fark; süreksiz kesme işleminin kullanım sırasında
kayma bölgesinden termal yumuşatma etkisine sahip olmamasıdır. Bunun sonucunda daha
yüksek başlangıç kesme kuvvetleri meydana gelmektedir. Bu tür ani kesme kuvveti
artışıdan dolayı meydana gelen mekanik darbe, titreşime sebep olmaktadır. Aletle çalışma
parçası arasında meydana gelen titreşim kesme hızında ve kesik derinliğinde
dalgalanmalara sebep olmaktadır. Göreceli hız değişikliklerinden dolayı, kesme hızındaki
dalgalanma vurma etkisinden dolayı daha artan alet aşınmasına sebep olabilmektedir. Buna

51
ilave olarak, çalışma parçası geometrisine, özellikle giriş ve çıkış açılarına bağlı olarak alet
yüzlerindeki gerilim dağılımı talaşlanma veya büyük miktarda kırılma gibi istenmeyen
durumlarla sonuçlanabilmektedir. Diğer taraftan, kesmenin olduğu ve kesmenin olmadığı
süreler sırasında değişken ısıtma ve soğutma periyotları yüksek sıcaklık farklılıklarına
sebep olmaktadır. Alet ömrünü azaltan ve termal çatlamanın ana mekanizmasını oluşturan
termal şok bu periyodik sıcaklık farklılıklarından meydana gelmektedir. Ancak, süreksiz
kesme işleminde kesme sıcaklığı varyasyonları da kesme olan ve kesme olmayan sürelere
bağlıdır. Bu nedenle, kesici aletlerin kısa bir kesme periyodunda doymuş sıcaklıklara
(sürekli kesme işleminde olduğu gibi) ulaşamaması ve benzer olarak daha uzun kesme
olmayan periyotlarda daha düşük sıcaklıklara gevşeyeceği ve bu nedenle sertlik ve diğer
özellikleri tekrar elde etmesi mümkün olmaktadır.
Deneysel sonuçlar BN250 ve BZN6000’in kesinti frekansı etkilerine karşı farklı aşınma
özelliklerine sahip olduklarını göstermektedir. BN250 için, kesinti frekansıyla yan aşınma
artmaktadır. Diğer taraftan, süreksiz kesme işleminin BZN6000 üzerinde bir etkisinin
olduğu gözükmemektedir. Bu farklılık malzeme özelliklerindeki farklılıkla açıklanabilir. c-
BN aletlerinin malzeme özellikleri sistematik olarak araştırılmamıştır. c-BN aletleri
hakkında mevcut bulunan en detaylı veriler Heath tarafından rapor edilmiştir. Diğer alet
malzemeleriyle beraber, hem düşük hem de yüksek oranda c-BN içeren aletler birkaç
önemli mekanik ve termal özelliğe göre karşılaştırılmıştır. cBN-H ile cBN-L arasındaki
ana fark; cBN-H’ın daha yüksek sertliği (27,5 GPa değerine karşı 31,6 GPa), tokluğu
[3,7MPa.(m)0,5 değerine karşı 6,3 MPa.(m)0,5] ve termal iletkenliğidir (44 W/m.K değerine
karşı 100 W/m.K). Süreksiz kesme işleminde daha yüksek sertlik ve tokluk değerlerinden
dolayı BZN6000’in BN250’ye göre arttırılmış darbe yüklemesinde daha dayanıklı olduğu
görülmektedir. BZN6000’in daha yüksek olan termal iletkenliği, kesme olmayan periyotta
aletin daha yüksek sıcaklık düşüşlerine uğrayabileceği ve sertliğini tekrar kazanabileceği
için dirençli olmasını sağlamaktadır. Termal iletkenliğin artmasıyla periyodik sıcaklık
değişimlerinin daha çok artması ve bunun sonucunda termal çatlamanın meydana gelmesi
gerekirken, bu çalışmada ne BN250’de ne de BZN6000’de çatlak gözlenmiştir. Test edilen
bütün kesinti frekanslarında BN250 ve BZN6000’in aşınma topografileri benzer yapılar
göstermiştir. Bunun sonucunda, mekanik darbeden etkilenen mikroyapının aşınması
sebebiyle yüksek kesinti frekanslarında alet aşınması artmaktadır.

52
Hem mekanik hem de termal yükler süreksiz kesme işleminde alet aşınmasını
etkilemektedir. Ancak, artan kesinti frekanslarıyla artan BN250 aşınması termal yüklerden
kaynaklanmamaktadır. Kesme testlerinin bu bölümünde, sabit çaplı çalışma parçası
üzerindeki yuva sayısı kesinti frekansıyla orantılı olmalıdır (Örneğin; 70 Hz için 2 yuva ve
140Hz için 4 yuva). Yuvalar aynı genişliğe sahip olduklarından ve silindirik yüzeyde eşit
olarak yerleştirildikleri için kesinti frekansının yüksek olduğu durumlarda aletle çalışma
parçasının temas süresi düşmüştür, fakat kesme olmayan süre sabit kalmıştır. Bu kesme
süresi sırasında yüksek kesinti frekansında sıcaklığın daha düşük olabileceği (aşınma etkisi
ihmal edilerek) sonucunu doğurmaktadır ve bu nedenle termal olan aşınma prosesi yüksek
kesinti frekansında daha düşüktür. Yüksek kesinti frekansında BN250’nin artan
aşınmasının sebebinin mekanik darbe olduğu sonucuna varılmaktadır. Kesme kuvveti
verileri de bu sonucu desteklemektedir; BN250 için kesinti frekansı arttıkça kesme
kuvvetleri de artmaktadır. BZN6000 içinfarklı frekanslardaki tanjant kuvvetleri alet aşınma
eğrileri ile aynı eğilimde yakın bir aralık içindedir, ancak radyal ve eksenel kuvvetler alet
aşınması arttıkça kesinti frekansıyla beraber artışlar göstermişlerdir.
Kesme hızı etkileri üzerine BN250 ve BZN6000 alet ömürlerinde gözle görülür bir
farklılık gözlenmiştir. Düşük kesme hızında (2 m/s) BN250’nin nispeten daha düşük
aşınma mukavemeti olduğu gözükmektedir. Hız 4 m/s değerine çıkarıldığında alet ömrü
artmıştır ve hız 7,8 m/s değerindeyken alet ömrü tekrar azalmıştır. Buna karşın, düşük
kesme hızında BZN6000 BN250’ye göre çok daha uzun bir alet ömrüne sahiptir. Yukarıda
belirtildiği gibi cBN-H CBN-L’a göre daha iyi mekanik özelliklere sahiptir. Bu nedenle,
mekanik aşınmanın daha baskın olduğu yerlerde, yani süreksiz kesme işleminde düşük
hızlarda, BZN6000 BN250’ye göre daha çok aşınma mukavemetine sahiptir. Fakat, düşük
hızda daha uzun bir alet ömrüne sahip olmasına rağmen, BZN6000 kesme hızı
arttırıldığında alet ömründe çok büyük azalmalar göstermektedir (7,8 m/s hızda 1 dakika).
Bu ciddi ömür azalması BZN6000’de bulunan metalik bağlayıcılara dayanmaktadır. cBNH’da
bulunan metalik bağlayıcı çelik içeren maddelerle etkileşmektedir. Yüksek
sıcaklıklarda bağlayıcı çok hızlı bir biçimde aşındığında, bağ kuvvetini yitiren c-BN
parçacıkları çekilecektir ve ciddi aşınmalara maruz kalacaktır. BN250’nin aşınma
topografisi farklı kesme hızlarında farklı aşınma davranışları göstermiştir. Bu farklı hız
aralıklarında farklı aşınma türlerinin baskın olduğunu göstermektedir; düşük kesme hızında

53
mekanik aşınma, yüksek kesme hızında termal aşınma. BZN6000’de de benzer durumlar
gözlenmiştir, fakat düşük hızda ciddi bir kırılma meydana gelmemiştir.
6. 5. SONUÇLAR
Sertleştirilmiş M50 çeliklerinin süreksiz tornalanmasıyla c-BN alet aşınması deneysel
olarak araştırılmıştır. Alet ömrü hem kesme hızına hem de kesinti frekansına karşı
hassastır. Buna ilave olarak, alet ömrü alet malzemelerine çok ciddi biçimde bağlıdır.
Düşük ve yüksek c-BN içeren aletler birbirlerinden farklı aşınma özelliklerine sahiptirler.
cBN-H artan kesme hızıyla monoton olarak çok hızlı biçimde düşen alet ömrüne sahiptir.
Diğer taraftan, cBN-L en uzun alet ömrü için orta bir hıza gereksinim duymaktadır. Kesinti
frekansı cBN-L’un alet ömrünü orantısal olarak azaltırken, bu çalışmada test edilen kesinti
frekanslarının cBN-H’ı etkilemediği gözükmektedir. Süreksiz kesme işlemi sırasında cBNH
ve cBN-L arasındaki aşınma özellikleri farklılıkları araştırılmıştır. cBN-H’ın daha sert
ve tok olması mekanik darbeye karşı daha mukavemetli olmasını sağlamaktadır. Ancak,
cBN-H’da bulunan metalik bağlayıcı (kobalt veya alüminyum) yüksek kesme hızlarında
çalışma parçalarıyla etkileşimden dolayı alet aşınmasını ivmelendirmektedir.
Sertleştirilmiş toz metalurjisiyle (PM) işlenmiş M50’nin, konvansiyonel M50’nin
işlenmesine oranla alet aşınma hızının bir kat küçük olduğu gösterilmektedir. PM M50’de
bulunan arındırılmış karbürler kesici aletlerin aşınma etkisini en aza indirgemektedir. Bu
PM çeliklerinin sertleştirme işlemleri için daha uygun bir çalışma malzemesi olduğunu
göstermektedir. Sert çeliklerin süreksiz kesme işlemlerinde karbür boyutu etkilerinin
araştırılması gerektiği sonucu da ortaya çıkmaktadır. Gelecekteki çalışmalar için, süreksiz
kesme PM M50 çelikleri c-BN aletleri kullanılarak tornalanacaktır.
Kesme hızıyla ve kesinti frekansıyla beraber alet aşınma özellikleri, bu çalışmayla beraber
konvansiyonel M50 çeliklerinin süreksiz kesme işlemleriyle karşılaştırılacaktır.
Performans değerlendirmesi temel alınarak, sertleştirilmiş çelikler için süreksiz kesme
işlemlerinde, alet ve çalışma malzemesi seçimleri tavsiye edilecektir.