BÖLÜM IV METAL KAPLAMALARDAN İSTENEN ÖZELLİKLER VE KAPLAMA KALİTESİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER

Transkript

1 BÖLÜM IV METAL KAPLAMALARDAN İSTENEN ÖZELLİKLER VE KAPLAMA KALİTESİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER

2 Demir ve çelik, gerek saç ve gerekse de döküm ve dövme parçalar şeklinde olsun, endüstrinin en çok kullanıldığı malzemelerdir. Bu malzemeden yapılmış parçaların gerek dış görünüşünü güzelleştirecek ve gerekse de dayanımını artıracak yöntemlerin başında, bunları dış etkenlere dayanıklı, parlak ve sert bir madenle kaplamak gelir. Bu kapsamda krom ve nikel kaplamalar en çok kullanılan kaplamalardır. Ancak bazı özel uygulamalarda, değişik yüzey özellikleri aranması durumunda Cu, Zn, Cd, Ag vb. gibi madenlerin kaplanması da olağan olmuştur. Kaplamaların sağladıkları avantajlar şu şekilde belirtilebilir: Korozyona karşı dayanım, Daha iyi dış görünüş, Parlak ve düzgün yüzey, Eskime ve aşınmaya karşı dayanıklılık, Sertlik, Lehimlenebilme, Elektrik iletkenliğinin artması.

3 Elektrolitik olarak bir metal yüzeyinin kaplanması genelde prensip olarak basit bir işlemdir. Bu durumda yüzeyi kaplanacak olan cisim uygun bir elektrolite batırılır ve katot olarak kullanılır. Anot ise çökelecek (kaplama malzemesinden) metalden ya da soy bir maddeden yapılır. Metal kaplamada kullanılan akım düşük voltajlıdır. Örnek olarak Cr kaplamada 12 volt gerekmektedir. Elektrolitik olarak elde dilecek bir metal kaplama tabakasının şekil ve yapısı sadece metalin cinsine değil belki daha da fazla olarak elektroliz şartlarına bağlıdır. Bilindiği gibi metaller kristal yapıdadırlar. Buna göre katotta bir metalin birikmesi kristallenme olarak düşünülebilir. Kristallenme oluşumu 2 faktöre bağlıdır. Kristallerin meydana geliş hızı Kristalerin büyüme hızı Şayet kristal taneciklerinin büyüme hızı bunların oluşum hızlarından çok daha büyük ise, çöküntü büyük kristaller halinde, aksi halde küçük kristaller halinde olur.

4 Elektro kimyasal reaksiyonun devam etmesi için elektrot/çözelti ara yüzeyinde potansiyel eşik enerjinin geçilmesi için aşırı potansiyele ihtiyaç vardır ve bu, aşırı potansiyel aktivasyonu diye de isimlendirilir. Elektrotların polarizasyonu akımla değiştiğinden, akım ve gerilim arasındaki ilişki doğrusal değildir. Fakat gerilimdeki artış, akımda da bir artışa neden olmaktadır. Elektrot iyon konsantrasyonundaki değişiminin polarizasyona etkisi büyüktür. Prosesin biriktirme ve çözünme sonucu olarak anotta metalik iyon konsantrasyonun artışı ve katottaki konsantrasyonun azalması şeklinde gösterilmiştir. Konsantrasyon değişimi nedeniyle bu etki konsantrasyon polarizasyonu diye adlandırılır. Katodik konsantrasyon polarizasyonu hidrojen çıkışına neden olabilir. Katot filmin ph ı artar, hidrat veya hidroksitler çökelebilir ve kaplamada gazlar absorbe olabilir. Bu durum sonucunda hidrojen gevrekliği oluşabilir.

5 Kaplamanın Yapışıklığı: İyi vasıflı bir tabakanın elde edilmesi her şeyden önce onun iyi yapışık olmasına bağlıdır. Bu özellik de oluşan kristallerin yapısına bağlı olarak değişir. Küçük taneli kristaller büyük tanelilere göre daha yapışıktırlar. Süngerli, poröz yapılar kristaller arasında hidrojen (H 2 ) gazının yerleşmiş olmasından dolayı az yapışık özellikte olup zamanla kabarmalar yapar. Onun için katotta hidrojen çıkışını önlemek gerekir. Kaplanacak metal yüzeyinin gayet temiz olması gerekir. Ayrıca bu yüzeyin tabiatının, çöküntünün yapışıklığı üzerine büyük tesiri vardır. Bazı metaller diğer metallerle iyi birleşme özelliğine sahiptirler. Bakır(Cu) bu bakımdan, metal kaplamada destek metal olarak kullanılır. Halbuki Ni ise Fe, Zn, Pb, Sn gibi birçok metale güçlükle yapışır. Bunlar genellikle kabuk şeklinde toplandıkları için de kolaylıkla koparlar. Fakat Ni in Cu üzerindeki yapışıklığı diğerlerine göre daha fazladır. Bu sebepten ötürü bir Zn veya Fe parçası nikel ile kaplanmak istendiğinde önce bir Cu tabakasıyla kaplanır. Bu tabakalar aynı zamanda demiri korozyona karşı da korudukları için mümkün olduğunca kaplama tabakasının kalın yapılmasına özen gösterilir.

6 KAPLAMA KALİTESİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER Akım Yoğunluğu Kaplamacılıkta akım şiddeti yerine elektrotların birim yüzeyine isabet eden akım şiddeti alınır kullanılır. [amp / dm 2 ] Düşük akım yoğunluğunda elektroliz yavaştır. Bu ise prosesin kimyasal kontrol altında cereyan etmesi demektir. Kristal büyümesi olayı kristallenmeden çok büyüktür. Bu nedenle ürün iri tanelidir. Yüksek akım yoğunluğunda ise durum tam tersidir. Örneğin elektrolitik bakır üretiminde genelde kullanılan 10,5 amper/dm 2 akım yoğunluğunda ürün tane boyutunun 0,5 mm olmasına karşılık, 18 amper/dm 2 de bu değer 0,05 mm dir. Akım yoğunluğunun fazlaca artırılması katot civarında deşarj olan metal iyonları çözelti içinden gelenlerle karşılanamadığından katotta bir fakirleşme meydana gelir ve bunun sonucunda kaplama gayri muntazam bir hal alır. Siyah ve süngerli kaplamalara yanmıştır denir. Katotta hidrojen çıkışı akım yoğunluğunun artmış olduğuna işarettir. Kaplama esnasında akım yoğunluğu devreye yerleştirilen bir ampermetre ile kontrol edilir.

7 a) 20 ma/cm 2 b) 40 ma/cm 2 c) 60 ma/cm 2.

8 Elektrolit (Çözelti) Konsantrasyonu Düşük elektrolit konsantrasyonunda difüzyon hızı yavaştır ve proses difüzyon kontrol etkisi altında cereyan etmektedir. Dolayısiyle ürünün toz halinde teşekkülü söz konusudur. Bu durumda da kaplamanın yapışıklığı iyi olacaktır. Yüksek konsantrasyonda ise bunun tersi bir durum geçerlidir. a) SnCl M b) SnCl 2 1.5M

9 Elektrolit Banyosunun Karıştırılması Katottaki kısmi fakirleşmeyi karşılamak maksadıyla banyonun karıştırılması faydalıdır. Ayrıca katotta toplanmış gazlar koparıldığı gibi kendiliğinden de bir polisaj sağlanır. Fakat yüksek karıştırma hızı, sınır tabaka kalınlığını azaltmak sureti ile,difüzyon hızını artırmakta, dolayısiyle ürünün kaba taneli toplanmasını teşvik etmektedir. Söz konusu proses kimyasal kontrol altında cereyan etmektedir. Ayrıca çamur vesairenin banyoda süspansiyon halinde kalmasına da sebep olmaktadır. Bunun için de banyo çözeltisi zaman zaman süzülmelidir.

10 Sıcaklık Sıcaklığın artışı elektrolizi iki şekilde etkilemektedir. a) Difüzyon hızını artırır. b) Kristal büyüme hızını artırır. Her iki faktör de iri tane oluşumunu teşvik etmektedir. Bu nedenle yüksek sıcaklık kaba taneli bir ürünün teşekkülüne neden olmaktadır. Bu durumun tersine, düşük sıcaklık derecelerinde ise küçük tanelerin oluşumu söz konusudur. Sıcaklık artışı ayrıca hidrojen aşırı potansiyelini de azaltacağından hidrojenin de çıkışını kolaylaştıracaktır. Bu durumda da süngersi bir kaplama meydana gelecektir. Genellikle uygulamalarda belirli sıcaklıktaki banyolar kullanılmaktadır. Sebeplerini şöylece belirtmek mümkündür: - Metalik tuzların çözünürlüğü artacağından derişik çözeltilerin kullanılması mümkün olur. - İletkenlik artar.

11 Elektrolitin Tabiatı Kompleks tuzların elektrolizi ile elde edilen kaplamaların normal tuzlarla elde edilen kaplamalardan üstün olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Özellikle Cu, Ag ve Au kaplamalar bu metallerin KCN şeklindeki tuzlarından elde edilir. Kompleks tuz çözeltilerinden metalin ayrılması iki kademede gerçekleşir. Mesela: KAg(CN) 2 K + + Ag(CN) - 2 Ag(CN) 2 - Ag + + 2(CN) - Az olmakla beraber ikinci iyonlaşma sonucu katot civarında Ag iyonları bulunur. Bu iyonlar tabiki K + iyonlarına göre daha kolay deşarj olurlar. Siyanür banyolarında Ag ve Cu ın ayrılmasında aynı mekanizma ile olur. Ag durumunda, basit çözeltilerle uzun iğneli ve az yapışık bir kaplama, halbuki siyanürlü çözeltilerle beyaz, gayet yapışık, küçük kristalli bir kaplama elde edilebilir. Kompleks tuzların elektrolizinde basit tuzların elektrolizine göre katot polarizasyonu daha fazla olur. Bu da taneciklerin teşekkülünü kolaylaştırmış olur. Ayrıca, katot civarındaki fakirleşme basit tuz halinde kompleks tuz halindekinden daha fazladır.

12 Kolloidal Bileşenlerin Etkisi Elektrolitlerin belirtilen ph değerlerinin altında veya üstünde olması kaplama kalitesini derhal etkileyecek ve kalitesini bozacaktır. Kontinü kaplamalarda (dekoratif krom vb) ara yıkamalara, alkali banyolardan asidik kaplamalara geçerken, nötrleme vs. gibi ph değerini etkileyecek faktörlere çok dikkat edilmelidir. Kaplamaların kalitesini artırmak için elektrolit içine az miktarda jelatin, zamk, peptonez, şeker gibi kolloidal maddelerin ilave edilmesinin gerekli olduğu eskiden beri bilinmektedir. Bu tür maddeler arasında kauçuk, kazein, alkaloidler, boyar maddeler de sayılabilirler. Bunlar genellikle yüzey aktif maddeler olduğu için kristal tanecikleri üzerinde absorblanıp büyümelerini önlerler ve böylece ince taneli kristallerin toplanmasını teşvik ederler. Ancak bu tür bileşenlerin yaklaşık 0,05 g/l den fazla miktarda olması gevşek yapıda bir toplanmaya neden olmaktadır. ph in etkisi : Elektrolitte ya asidik (asitli nikel, bakır, çinko ve kalay) ya da alkali karakterde alkali siyanürle (çinko, kadmiyum, pirinç, altın ve gümüş) hazırlanırlar.

13 Kaplama veya dağılma iktidarı Kaplamanın sadece görüntüsünün ve özelliklerinin istenen şekilde olması yeterli değildir. Aynı zamanda kaplamanın, eşyanın her tarafında aynı kalınlıkta olması gerekir. Ekonomik açıdan kaplamanın minimum kalınlıkta olması istenir. Uygulamada kaplanacak malzeme genellikle düzgün bir geometrik şekilde olmayabilir. Bu durum karşısında mümkün olduğunca aynı kalınlıkta bir kaplama elde etmeye çalışılır. Yoksa tabaka kalkabilir. Gayri muntazam şekilli bir katot üzerinde oldukça düzgün bir kaplamanın elde edilebilmesi için çözeltinin gösterdiği özelliğe dağılma iktidarı veya kaplama iktidarı denmektedir. Gayrı muntazam bir şekle sahip olan bir katot kaplanmak istendiğinde anoda yakın olan kısımlar daha uzaktakilere göre daha kalın bir tabaka ile kaplanırlar. Yakın noktalar arasında direnç daha azdır ve anoda yakın olan bir nokta öteki noktalara göre daha yüksek bir akım yoğunluğu çekecek, ancak bir süre sonra bu nokta metalik iyon bakımından fakirleşmiş olur ve polarizasyon kendini gösterir. Karşıt bir e.m.k. (elektromotor kuvvet) meydana gelir ki, bu düşünülen nokta ile anod arasında elektrolit direnci artar. Bunun sonucu anoda uzak olan noktalar daha fazla akım alarak kaplama gücü artar. Bunu sağlayan özelliklerden biri çözeltinin iletkenliğinin fazla olmasıdır. İletkenliği fazla elektrolitlerin genelde kaplama gücü fazladır. Ohm kanununa göre elde edilecek gayri muntazam dağılımı kendiliğinden düzeltebilen elektrolitik çözeltiye iyi kaplama iktidarlı çözelti denir.