2. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ BÖLÜM 2

Transkript

1 2. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ BÖLÜM 2

2

3 Elektrometal Kaplama Tekniği Ders İçeriği Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 1. Ders : Elektrometal kaplamanın temel prensipleri, Bölüm 1 2. Ders : Elektrometal kaplamanın temel prensipleri, Bölüm 2 3. Ders : Cilalama (Polisaj) ve Parlatma 4. Ders : Temizleme ve Paklama 5. Ders : Kaplama banyosu kontrol unsurları 6. Ders : Kaplama banyoları, Bölüm 1 (Cd, Cu, Cr) 7. Ders : Kaplama banyoları, Bölüm 2 (Au, In, Fe) 8. Ders : Kaplama banyoları, Bölüm 3 (Pt metalleri, Ni, Pb) 9. Ders : Kaplama banyoları, Bölüm 4 (Ag, Sn, Zn) 10. Ders : Alaşım kaplama banyoları, Bölüm 1 (Pirinç, Bronz, Altın) 11. Ders : Alaşım kaplama banyoları, Bölüm 2 (Pb-Sn, Ni-Sn, Ni-Zn) 12. Ders : Kimyasal son işlemler (Kromatlama, Fosfatlama), Metal renklendirme, Laklama, Elektrikli boyama 13. Ders : Elektriksiz kaplama, Vakumlu ve Buharlı kaplama, Yalıtkan malzemeleri kaplama 14. Ders : Kaplanmış metallerin test edilmesi, özellikleri, kaplama işlemlerinde kalite kontrol 15. Ders : Anodik işlemler : Elektrikli parlatma, Anodlama, Elektrokimyasal bileme, Machining, Korozyon 16. Ders : Özel kaplama teknikleri, Bölüm 1 : Aşındırma (tribo), Fırça kaplama, Köpük kaplama, Jel kaplama, Tabaka kaplama, Manyetik alanla kaplama, Bileşik kaplama, Kabuk kaplama, Mekanik (peen) kaplama, Susuz kaplama, Eriyik kaplama, Şekilli kaplama, Pals kaplama, Kaplamada radyasyon uygulamaları, Sprey kaplama 17. Ders : Özel kaplama teknikleri, Bölüm 2 : Zor metalleri kaplama,, Elektrikli şekil verme 18. Ders : Özel kaplama teknikleri, Bölüm 3 : Baskı devre kaplama, Manyetik alaşım kaplama, Elektrik akımıyla kaplama 19. Ders : Mühendislik açısından metal kaplama 20. Ders : Ticari açıdan metal kaplama Sayfa 1

4 ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 2. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ, BÖLÜM 2 İÇİNDEKİLER Kaplama çözeltisinde direnç ve iletkenlik 3 Kaplama banyosunun asitliği ve ph 5 Daldırma kaplama 8 Elektrik potansiyel serilerinin özeti 12 Elektrokaplamada akım yoğunluğu 13 Basit alan hesaplamaları 15 Ortalama akım yoğunluğu 17 Anot akım yoğunluğu 18 Akım yoğunluğunun kontrolü 19 Kaplamada akım verimi 20 Anot ve katot verimlerinin belirlenmesi 22 Kaplama banyosunda polarizasyon 23 Konsantrasyon eşik gerilimi 24 Aktifleşme eşik gerilimi 25 Omik eşik gerilimi 26 Anot eşik gerilimi (Polarizasyon) 27 Dağılma gücü ve metalin dağılması 29 Akım dağılımının kontrolü 30 Katot verilimi 33 Mikrodağılma gücü 35 Metal kaplama nasıl meydana gelir 36 Kaplamada kristal çekirdek büyüklüğünü kontrol yöntemleri 38 Elektrokaplamada genel teknikler 41 Özel kaplama teknikleri 45 Problemlerin cevapları 47 Ders 2 Sınavı 48 Dipnotlar 49 Sayfa 2

5 KAPLAMA ÇÖZELTİSİNDE DİRENÇ VE İLETKENLİK Bir metal kablonun elektriksel direnci kablo uzunluğuna, kablo kesitine ve kablonun yapıldığı malzemeye bağlıdır. Bir kablonun veya iletkenin direnci ohm olarak verilir. Uzunluk, kablo kesiti, sabit ve kablonun direnci şu şekilde ifade edilebilir : KABLONUN DİRENCİ = (OHM) (SABİT) x (KABLO UZUNLUĞU) (KABLO KESİT ALANI) Sembollerle ifade edersek (1) R = K x L A Ölçü birimlerinin doğru seçilmesi gerektiğini Ders 1 Sayfa 14 te işlemiş ve bunun kontrol edilmesi için bir yöntem öğrenmiştik. Bunu kullanarak yukarıdaki formüldeki K sabitinin birimini tanımlayın. Ohm-cm veya Ohminç sonuçlarına ulaşırsınız. Artık Ohm Kanunu nu, seri bağlı ve paralel bağlı dirençleri hesaplama formüllerini bildiğinize göre, bunları kullanarak yukarıdaki formülü türetebiliriz. Şekil 1 de gösterilen katı (veya sıvı) iletkeni gözönüne alalım. Kesit alanında 1 cm² lik m adet küp ve hacminde de n adet levha içeriyor gibi düşünülebilir. İlk olarak bir adet küçük kübün direncin r ise 12 küçük küpten oluşan levhanın toplam direncini hesaplayalım. Levhayı oluşturan küplerin hepsi paralel bağlıdır (dirençler paralel bağlıdır), bu nedenle levhanın toplam direnci paralel bağlı dirençlerin toplam direncini veren formülden 1/R levha = 1/r + 1/r + 1/r +... m adet küp için veya 1/R levha = m/r ve R levha = r/m Şimdi bu levhalardan n tanesinin seri bağlandığını düşünelim. Toplam hacmin direnci R toplam = r/m + r/m + r/m +... n adet levha için R toplam = r.n/m n, iletkenin cm olarak uzunluğu ve m ise iletkenin cm² olarak kesit alanıdır. Burada r yi K ya eşit alırsak Formül 1 i elde ederiz. Öyle ise herhangi bir sıvı veya katı iletkenin direnci, ÖZGÜL DİRENCİ ile UZUNLUĞU çarpılıp KESİT ALANIna bölünerek bulunur. Oldukça basittir! K sabitinin değeri iletken malzemeye has bir özelliktir ve şu şekilde bulunur : Birim uzunlukta ve birim kesit alanına sahip bir kablo alınır ve WHEATSTONE KÖPRÜSÜ adı verilen özel bir ölçme aletiyle direnci ölçülür. Sayfa 3

6 Diyelim ki bu ölçümün sonucunu A ohm olarak bulduk. Bu değere iletkenin ÖZGÜL DİRENCİ veya ÖZDİRENCİ denir. Bakır için ölçülmüş ise bulunan A değeri bakır için kullanılacak K sabit değeridir. Bir sonraki sayfadaki Tablo 1 den gümüşün en iyi iletken olduğunu, ondan sonra ikinciye bakırın ve daha sonra altın ile aluminyumun geldiğini görebiliriz. Demirin direnci bakırdan yaklaşık 6 kat, paslanmaz çeliğinki 42 kat daha fazladır. Bu karşılaştırmaları aklınızda tutmanız paslanmaz çelikten askıda veya paslanmaz çeliğin üzerine kaplama yaparken karşılaşabileceğiniz sorunları çözmede ya da kaplamaya hazırlıkta yapılan işlerde size yardımcı olacaktır. ÖRNEK 1 : 0,52 mm² kesitinde ve 1 kilometre uzunluğundaki bakır kablodan (#20) bir bobin sarılmıştır. Bu bobinin toplam direnci nedir? Çözüm : Bakır için K özgül direnci Tablo 1 de Ohm-cm olarak verilmiştir. Bu değer Şekil 1 de gösterildiği gibi 1 cm. uzunluğundaki ve 1 cm² kesit alanına sahip bakır bir küp için ölçülmüştür. Buna bağlı olarak direnci Ohm olarak bulmak için bütün uzunluk ölçüleri cm. olarak alınmalıdır. 100 cm = 1 metre ve 1 km = 1000 metre olduğundan formüldeki L uzunluğu (kablonun uzunluğu) 100 x 1000 = cm. olarak alınacaktır. 1 cm = 10 mm. oduğundan 100 mm² = 1 cm² dir (dolayısıyla 1 mm² = 1/100 cm²). Kesit alanını cm² cinsinden yazarsak 0,52 mm² = 0,52/100 cm². Bu değerleri formülde yerine koyarsak, R = K x L x (1/A) (1,7 ohm-cm) (100) R = x ( cm) x = 32,7 Ohm ( ) (0,52 cm²) TABLO 1-A. KATI İLETKENLERİN ÖZGÜL DİRENÇLERİ MALZEME ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak) Gümüş 1,6 / ,6 x Bakır 1,7 / ,7 x 10 6 Altın 2,4 / ,4 x 10 6 Aluminyum 2,8 / ,8 x 10 6 Pirinç 7,0 / ,0 x 10 6 Demir 10,0 / ,0 x 10 6 Paslanmaz Çelik 70,0 / ,0 x 10 6 TABLO 1-B. KAPLAMA BANYOLARININ ÖZGÜL DİRENÇLERİ 2 BANYO ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak) Krom 2,0 Bakır (sülfat) 5,6 Siyanürlü Çinko 6,8 Kadmiyum 7,8 Siyanürlü Pirinç 12,4 Bakır (Roşel) 14,3 Saf Su 20 x 10 6 Eğer kaplama çözeltisi 1 cm. yüksekliğinde ve 1 cm. genişliğinde bir kaba konursa, birbirinden 1 cm. uzaklıkta yerleştirilmiş iki elektrot arasındaki çözeltinin elektriksel direnci ölçülerek ELEKTROLİT in (akımı ileten çözeltinin) özgül direnci bulunmuş olur. Bütün kaplama banyoları oldukça düşük dirençlere sahip olduklarından, bazen banyoların İLETKENLİĞİ nden bahsetmek daha doğru olur. İletkenlik elektriksel direncin tersidir. C iletkenliği göstermek üzere, (2) C = 1 / R Bir tanktaki çözeltinin direnci 1/4 Ohm olarak verilmişse bu çözeltinin iletkenliği 4 Mho dur denir. İletkenlik birimi Ohm un tersi olan Mho olarak adlandırılır. ÖZGÜL İLETKENLİK özgül direncin tersidir. Sayfa 4

7 (3) C = (C # ) x A L Burada C # = 1/K, A = Kesit alanı, L = Elektriğin geçtiği yolun uzunluğudur. Maliyet açısından ele alırsak, elektrokaplamada banyonun direncinin düşük olması önemlidir çünkü, elektriği incelediğimiz ilk derste gördüğümüz üzere banyonun direnci yükseldikçe harcanan güç de artacak ve maliyet yükselecektir. 1. derste deney için hazırlamış olduğunuz bakır sülfat çözeltisinin özgül direnci 28 ohm-cm.dir. Oysa çamaşır sodasının özgül direnci sadece 14 ohm-cm.dir. Ampermetrede okuyacağınız değerlerden bu farkı anlayabilirsiniz (I = E / R). Bir ELEKTROLİTİN direncinin nelere bağlı olduğunun bilinmesi önemlidir. Önceki bölümde elektrik yükü taşıyan iyonların kaplama çözeltisinden elektrik akımının iletilmesini nasıl sağladığı anlatılmıştı. Buradan iyon sayısı arttıkça elektrik iletkenliğinin artacağı sonucuna varmış olabilirsiniz. Eğer çözeltide daha fazla madde çözünmüş hale geçerse çözeltinin konsantrasyonu ve (her zaman olmamakla birlikte, genellikle) iyon sayısı artar. Buna bağlı olarak çözeltinin direncinin düştüğü (iletkenliğinin yükseldiği) görülür. Elektrolitin sıcaklığı yükseldikçe ortam enerjisi artar ve İYONİZASYON için daha fazla enerji bulunabileceğinden daha çok İYON oluşur. Yüksek sıcaklıklarda iyonlar daha hızlı hareket etme eğilimindedir. Bu durumda sıcaklık yükseldiğinde kaplama çözeltisinin direnci düşmektedir. ELEKTRONİK İLETKENLERDE ise bu durum tam tersidir. Örneğin bakır kablo ısıtıldığında atomlar eski durumlarına göre daha çok titreşirler, enerjileri artar ve daha çok serbest elektronu engellediklerinden direnç yükselir. Bazı bileşikler veya maddelerin diğerlerinden daha kolay iyonize olurlar ve suda çözündükleri zaman iletkenlikleri daha yüksektir. Çoğu kaplanabilir metallerin tuzları kısmen iyonize olur. Bunun sonucunda iletkenlikleri düşük, dirençleri yüksektir. ASİTLER hidrojenleri ile metal atomları yer değiştirebilme özelliğine sahip HİDROJEN BİLEŞİKLERİDİR, yüksek oranda iyonlaşırlar ve suda çözündüklerinde yüksek iletkenliğe sahiptirler. Benzer şekilde SODYUM ve POTASYUM gibi çok aktif metallerin bileşikleri de yüksek bir iyonlaşma özelliğine ve iletkenliğe sahiptirler. Bu nedenle SODYUM KARBONAT (çamaşır sodası) Ders 1 de Deney 4 ü yaparken kullandığımız bakır sülfattan daha iyi bir iletkenlik gösterir. Çoğu metal tuzu düşük bir iletkenliğe sahip olduğundan gerçek bir kaplama işleminde metal tuzunun yanında banyoya başka maddeler veya bileşiklerin eklenmesi, kaplama sonucunda kötü bir etkiye neden olmadan çözeltinin iletkenliğinin yükselmesine yardımcı olur. Bu eklenen tuzlar veya bileşikler İLETKEN TUZ veya TAŞIYICI olarak adlandırılır. Bakır kaplamada BAKIR SÜLFAT ÇÖZELTİSİNE EKLENEN TAŞIYICI DAİMA SÜLFÜRİK ASİTTİR. Bu asitten litreye gr. gibi az bir miktarda ilave edilirse bakır sülfat çözeltisinin özgül direnci göreceli olarak 30 Ohm dan 5,6 Ohm a düşecektir. Bu da toplam direnci %80 azaltacaktır. Ders 5 10 da göreceğimiz üzere, diğer kaplama banyolarında da direnci düşürmek için başka bileşikler ilave edilir. KAPLAMA BANYOSUNUN ASİTLİĞİ VE ph Asitlik tüm elektrokaplama çözeltilerinde büyük önem taşır. Neden önemli olduğundan yukarıda bahsetmiştik. Bileşiklerin suda çözülmesiyle elde edilen bütün çözeltiler biraz HİDROJEN İYONU içerir çünkü su iki hidrojen ve bir hidrojen atomundan oluşur (H 2 O). Hidrojen oksijene çok sıkı bağlı olduğundan 3 iyonizasyona neden olan kuvvetler çok az etkili olurlar. Bu nedenle saf su oldukça az sayıda SERBEST HİDROJEN İYONU bulunur. Saf sudaki hidrojen iyonu konsantrasyonu o kadar düşüktür ki, ölçebilecek bir yöntem kullandığınızda litre suda 1 gram hidrojen iyonu bulunduğunu görürsünüz. İşte bu sebepten saf su çok kötü bir iletken olup pratikte YALITKAN olarak adlandırılır. Asitlerin çoğu (hidrojenin özel bileşikleri) kolayca iyonize olur ve çok sayıda hidrojen iyonu suda çözünür. Eğer HİDROKLORİK ASİT ise (HCl, hidrojen ve klordan oluşur) hidrojen iyonu konsantrasyonu bir litre suda bir grama kadar yükselir. Öte yandan BAZ, ALKALİ veya HİDROKSİT olarak adlandırılan ve hidroksil kökü içeren maddeler (hidrojen ve oksijenin bire bir bağlanmasından oluşur ve (OH) ile gösterilir) 4 hidrojen iyonlarıyla reaksiyona girerek su (H 2 O)meydana getirirler. Sayfa 5

8 H + + OH H 2 O Hidroksil kökü ile hidrojen iyonları birbirleri ile kuvvetli reaksiyona girdiklerinden litre sudaki hidrojen iyonu konsantrasyonu 1 grama düşer, hidrojen iyonu kalmaz denilebilir. Bazların çoğu kuvvetli şekilde iyonize olurlar ve bu nedenle de suda çözündüklerinde iyi iletkendirler. Sodyum hidroksit (kostik soda) sodyum ile hidroksil kökünden oluşur (NaOH). Aşağıdaki şekilde iyonlaşır : NaOH Na + + (OH) H 2 O katı su iyon iyon (Na, sodyumun Almanca ismi olan Natrium un kısaltmasıdır.) Kaplama çözeltisindeki hidrojen iyonları konsantrasyonunu ifade etmeye kalkarsak çok büyük bir sayı kullanmamız gerekeceğinden bu şekilde ifade edilmesi uygun olmaz. İskandinav bilimadamı Sorenson bunun için uygun bir yöntem kullanmıştır. Aşağıdaki matematiksel tabloya bir göz atın. TABLO UN KATLARI (10) = (10) (10) x (10) = 100 (10) x (10) x (10) = (10) x (10) x (10) x (10) = (10) x (10) x (10) x (10) x (10) = Matematikte (10) x (10) veya (10)(10) şeklindeki bir çarpım ifade edilmek istendiğinde bunun yerine 10 un kendisi ile çarpıldığını ifade etmek için 10 2 ifadesi kullanılır. (Ders 1 de büyük rakamlarla çalışmıştık.) Benzer şekildetablodaki 10 3 ifadesi de üç tane 10 un biribiriyle çarpılması anlamına gelir. Bu işlem daha büyük sayılara kadar devam ettirilebilir. Bu kısaltmaya işlemine göre kuvvetli bir bazda mevcut olan hidrojen iyonu konsantrasyonu litre suda 1 gram ise, kısaca litre suda 1 gram olarak gösterilir. 10 un üzerinde gösterilen küçük rakamlar üs (indis) olarak adlandırılır. Bu düşünceden yola çıkılarak, Tablo 3 düzenlenebilir. Hidrojen iyonu konsantrasyonu çok büyük miktarda litrelerle ifade edilen hacimde 1 gr. olarak ifade edildiğinden dolayı, eğer üstel ifade (indis) kullanacak isek, hidrojen iyonu konsantrasyonunu kendimize referans olarak alabiliriz. Yukarıda gösterildiği şekilde büyük sayıları göstermek için üs kullanmak yerine, kaplamada ve kimyada Sorenson tarafından bulunan ve ph olarak ifade edilen bir gösterilim yöntemi kullanılır. Bu şekilde saf suyun ph ının 7 olduğunu söyleyerek litre suda 1 gr. hidrojen iyonu bulunduğunu ifade etmiş oluruz. ÖRNEK 2 : Bir bazın sulu çözeltisinde mevcut olan hidrojen iyonu 1,000,000,000,000 litre suda 1 grama eşittir. Bunun ph ı nedir? Çözüm : 12 Asitler sahip oldukları hidrojen iyonlarına göre, bazlar da hidroksil iyonlarına göre sınıflandırılırlar. Bu nedenle tabloda yukarı çıkıldıkça çözeltinin asitliği artar, yani ph ı azalır. Tabloda aşağıya inildikçe çözeltinin asitliği azalır, yani ph ı artar ve gittikçe daha bazik (alkali) hale geçer. Tablo 3 te ph ı 7 olan saf suyu NÖTR NOKTASI olarak alabiliriz ve ph ı 7 den düşük ise asidik, ph ı 7 den yüksek ise bazik (alkali) olarak sınıflandırırız. Sıradan bir parlak nikel banyosunun ph ı olan 5,8 gibi ara ph değerleri de elde edilebilir. Bu değerden nikel kaplama banyosunun hafif asidik yapıda olduğu ve HİDROJEN İYONU konsantrasyonunun litrede 1 gram ile litrede bir gram arasında bir yerde olduğu sonucunu çıkarırsınız. Eğer logaritma 6 bilginiz varsa konsantrasyonun tam değerinin litrede 1 gram olduğunu bulabilirsiniz. Bununla birlikte bir kaplamacı olarak size gereken kaplama banyonuzun ph ının ne olduğunu ve nasıl kontrol edebileceğinizi bilmeniz olduğundan, bu seviyede matematik bilgisine ihtiyacınız olmayacak. Bir kaplama banyosunun ph ını tanımlamanın değişik yolları vardır ama bir tanesi, ph kağıdı veya daha hassas olan ph test kağıdı kullanmak çok basit, çok hızlı ve neredeyse tüm uygulamalarda yeterli hassasiyette olduğundan tercih edilir. Bu kağıtta çözeltiyle ıslatıldığında hidrojen iyonlarıyla renk değiştiren bir kimyasal maddeler emdirilmiş şeritler vardır. Kağıt kurutulur ve şeritlere bölünür. Bazı boyalar hidrojen iyonu konsantrasyonuna çok hassastır. Asidite yükseldikçe renk tonu koyulaşacaktır veya tamamen başka renge dönüşecektir. Hidrojen iyonuna duyarlı bu boyalar İNDİKATÖR olarak adlandırılırlar. Eğer daha önce belli bir kimya eğitimi almışsanız TURNUSOL KAĞIDI nın ne olduğunu bilirsiniz. Turnusol denen doğal bir boyaya daldırılmış ve asidik çözeltilerde parlak kırmızı, alkali çözeltilerde mavi renge dönen bir kağıttır. Sayfa 6

9 ph test kağıtları turnusolden daha hassas boyalar içerirler. Kağıdın kaplama banyosuna daldırıldıktan sonra aldığı rengi standart renk kılavuzu ile karşılaştırarak ph ını 0,2 birim hassasiyetiyle tanımlayabilirsiniz ki bu da çoğu kaplama işi için yeterlidir. Kaplama banyosunun ph ını tanımlamada kullanılan daha hassas yöntemler de vardır. Bu yöntemde kaplama çözeltisi içine daldırılmış iki elektrot arasındaki potansiyel ölçülerek çözeltinin ph ı 0,1 hassasiyetle bulunur. Buna ph metre denir. İlerleyen derslerde ayrıntısına gireceğiz. Kaplama banyosunun ph ı banyoya asidik madde eklenerek düşürülür, alkali veya bazik madde eklenerek yükseltilir. TABLO 3. HİDROJEN İYONU KONSANTRASYONU VE ph HİDROJEN İYONU KONSANTRASYONU KISALTMA ph ( İNDİS ) 1 litre suda 1 gram 10 0 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 1 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 2 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 3 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 4 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 5 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 6 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 7 litrede 1 gr. 7 (SAF SU NÖTR) litre suda 1 gram 10 8 litrede 1 gr litre suda 1 gram 10 9 litrede 1 gr litre suda 1 gram litrede 1 gr litre suda 1 gram litrede 1 gr litre suda 1 gram litrede 1 gr litre suda 1 gram litrede 1 gr litre suda 1 gram litrede 1 gr. 14 ÖRNEK 3 : Hidrojen iyonu konsantrasyonu 0,0001 gram/lt. olan bir banyonun ph ı nedir? Çözüm : 0,0001 gr/lt = litrede 1 gram = 10 4 ise ph = 4 DENEY 1 : 1. 0,550 gr. lık bir kavanozu yarısına kadar sirke doldurun. ph test kağıdı ile ph ını ölçün. 2. Aynı kavanozdan bir başkasına 4 yemek kaşığı sodyum karbonat (çamaşır sodası) katın ve suyla tamamlayıp iyice çözün. Sodyum karbonat çözeltisine bir ph test kağıdı daldırın. ph ı kaç? Sodyum karbonat kuvvetli alkali (bazik) bir maddedir. 3. Yukarıdakileri yaptıktan sonra sirkenin üzerine köpürme bitene kadar yavaşça sodyum karbonat çözeltisinden ilave edin ve iyice çalkalayın. Şimdi karışımın ph ını ölçün. Sirkenin ph ı ile karşılaştırın, ne oldu? ph bazik madde ilave edilirse artar, asidik madde ilave edilirse azalır. ph konusunu bitirmeden önce sık sık karıştırılan bir konuya dikkatinizi çekmek isterim. ph testi yapılırken elde edilen sonuç bize banyodaki asit konsantrasyonunu vermez. Ders 5 8 de göreceğimiz çeşitli kaplama banyoları bölümünde bunun tanımlanması için yapılması gereken kimyasal analizler yardımıyla bulacağız. Yoğunluk veya asit iyonizasyon miktarı ne ifade eder? Bazı asitler diğerlerine göre daha çok iyonize olurlar. Sayfa 7

10 Bütünüyle iyonize olan asitler KUVVETLİ ASİT, çok daha az iyonize olanlar ZAYIF ASİT olarak adlandırılırlar. SÜLFÜRİK, NİTRİK ve HİDROKLORİK asitler suda çözündüğünde çok yüksek oranda iyonize olduklarından kuvvetli asit sayılırlar. ASETİK asit (sirkede bulunur) ve BORİK asit (gözyaşında bulunur) daha az iyonize olurlar ve zayıf asit olarak mütalaa edilirler. Çok az miktardaki sülfürik asit suda çözündüğünde tamamen iyonlaştığından aynı miktardaki borik asitten 100 kat daha düşük ph a sahiptir. Bu nedenle ph testi bize test çözeltisinde hangi asidin bulunduğunu veya ne miktarda bulunduğunu söyleyemez. Bu testle bizim anlayabileceğimiz bir litre çözeltide ne kadar hidrojen iyonu bulunduğudur. DENEY 2 : 1. 2 yemek kaşığı borik asidi 0,550 litre kaynar suda çözün ve soğutun. Bir başka 0,550 litre suya ise 2 damla hidroklorik asit damlatın (bazen muriatik asit olarak da adlandırılır). Her iki çözeltinin ph larını ölçün. DALDIRMA KAPLAMA (ELEKTRİK POTANSİYELLERİNE GÖRE SIRALANMIŞ KİMYASAL ELEMENTLER) Bir kaplamacı olarak elektrik potansiyellerine göre sıralanmış metal elementlerle ilgilenmeniz bu elementlerin kimyasal özellikleri nedeniyledir. Daldırma yöntemiyle metalleri diğer metallerin üzerine kaplamak mümkündür. Bunun için dışarıdan bir elektrik enerjisi kaynağına da gerek yoktur. Bu konunun korozyonla da büyük alakası vardır. Kendi deneyimlerinizden bazı metallerin havaya (oksitlenmeye) diğerlerinden daha dayanıklı olduğunu, bazılarının daha çabuk karardığını bilirsiniz. Örneğin altın havaya dayanıklıdır ve asla kararmaz, bu nedenle takı olarak tercih edilir. Öte yandan gümüş yumurta ile temas ederse koyu benekler oluşur, çünkü yumurtadaki sülfür ile tepkimeye girerek koyu kahverengi gümüş sülfür bileşiği oluşturur. Altın yumurta ile ne kadar temas ederse etsin kararmayacaktır. Yeni parlatılmış bakır metali havada bir süre kaldığında parlak pembemsi rengini yavaş yavaş kaybederek neredeyse siyaha kadar koyulaşır. Çinko açık havada çok kısa sürede beyazımsı bir oksit tabakasıyla kaplanır. Aluminyum görünmez koruyucu bir oksit tabakasıyla kaplanır ve daha fazla oksitlenmez fakat eğer aluminyum bir kapta yemek pişirilirse rengini kaybeder. Yakın geçmişte kızartma ve yemek pişirme için magnezyum tava kullanılmaktaydı. Magnezyumun temizlenmesi aluminyumdan daha fazla özen ister çünkü neredeyse tüm temizleme maddeleri magnezyumu çözdüğünden karıncalanmasına neden olur. gerçekten de asidik özellik gösteren yemekler metali çok çabuk çözdüğünden magnezyum tavada kullanılmamalıdırlar. Her metalin aktifliklerindeki diğerlerine göre farklılıklar olması sahip oldukları kimyasal enerjilerin farklı olduğunun bir göstergesidir. Bu enerjilerin birbirlerine göre miktarlarının tanımlanması elektrik potansiyel kuvvetlerinin ölçülmesi ile yapılabilir. Bakır gibi bir metal kendi tuzuyla hazırlanmış herhangi bir çözeltide bekletilirse bakır çözünmeye başlar (iyonlaşmak eğilimindedir). Benzer şekilde çözeltide çözünmüş haldeki bakır iyonlarının da bakır metali üzerine kaplanma eğilimi vardır (iyonlar yüklerini nötr hale getirmek ve tekrar katı metal haline geçmek isterler). Yani Sayfa 8

11 ÇÖZÜLME BASINCI denen ve bakır metalinin çözünmesini sağlayan kuvvet ile, iyonların tekrar katı hale geçmesini sağlayan İYON BASINCI arasında bir denge vardır. Eğer bir metalin çözülme basıncı iyon basıncını aşarsa metal aktif metal olmak eğilimindedir. Kolayca çözünür ve diğer elementlerle kolayca bileşik oluşturur. Bunun tersi bir durumda ise metal ASİL METAL olmak eğilimindedir. Çok zor çözünür, diğer elementlerle kolayca bileşik oluşturmaz, oluşturduğunda ise bileşik tekrar orijinal metali oluşturmak üzere kolayca parçalanabilir (bir fikir vermesi açısından resimli açıklaması için Şekil 3 e bakın). Burada açıklamamız gerekmeyen bir yöntem 7 kullanılarak hangisine eğilimli olduğu veya diğer bir değişle elektrik potansiyel kuvvetleri ölçülebilir. Bu potansiyellerin bir kısmının listesini Tablo 4 te bulabilirsiniz. Magnezyumun çözülme eğilimi o kadar yüksektir ki 2,37 Volt luk bir elektriksel basınç veya gerilim meydana getirir. Artı işareti bu gerilimi ifade eder. Listenin en altında altın metali vardır. Eğilimi ters yöndedir yani, altın tuzları veya iyonik formdaki altın atomik altına dönmeye çalışır. Eğer altını çözmek (iyonik forma dönüştürmek) istersek dışarıdan 1,50 Volt luk bir gerilim uygulamamız gereklidir. Bu konu potansiyel tepesi ile daha kolay açıklanabilir. Daha aktif metaller, az aktif metallere göre tepede daha yükseklerde yer alırlar. Daha önce gördüğümüz üzere hidrojen tıpkı bir metal gibi davranır ve sıfır noktası olarak alınabilir. TABLO 4. ÇEŞİTLİ METALLERİN POTANSİYELLERİ EĞİLİMİ POTANSİYEL KISALTILMIŞ (ok yönünde) (Volt) GÖSTERİLİM Magnezyum Magnezyum iyonu + 2,37 Mg Mg e Aluminyum Aluminyum iyonu + 1,67 Al Al e Çinko Çinko iyonu + 0,76 Zn Zn e Demir Demir iyonu + 0,43 Fe Fe e Kadmiyum Kadmiyum iyonu + 0,40 Cd Cd e Nikel Nikel iyonu + 0,22 Ni Ni e Kalay Kalay iyonu + 0,14 Sn Sn e Kurşun Kurşun iyonu + 0,13 Pb Pb e Hidrojen Hidrojen iyonu 0,00 H 2 2 H e Bakır Bakır iyonu 0,34 Cu Cu e Cıva Cıva iyonu 0,79 Hg Hg e Gümüş Gümüş iyonu 0,80 Ag Ag e Platin Platin iyonu 1,2 Pt Pt e Altın Altın iyonu 1,50 Au Au e Altın Altın iyonu 1,70 Au Au e Yukarıdaki potansiyeller hidrojene göre göreli olarak düzenlenmiştir. Arzu edildiği takdirde potansiyelleri aktif metallerinki eksi, soy metallerinki artı olacak şekilde düzenleyebiliriz. Son çıkan kitaplarda bu şekilde düzenlenmektedir. Yine de sizin daha iyi anlayabilmeniz için eski gösterilimi kullanmamız daha uygun olacak. Sayfa 9

12 Ders 1 Deney 4 te bakır sülfat çözeltisi içinde kullandığımız elektrotlardan birinin çinko olduğunu düşünelim. Eğer çinko elektrotla bakır elektrodu bir bakır kabloyla bağlarsak yaş Daniel aküsü elde etmiş oluruz. 8 Şekil 5 teki devrede voltmetrede yaklaşık olarak 1,10 Volt okunur. Çinko çözeltiye geçtiğinden dolayı (oldukça aktif bir metaldir) 0,76 Voltluk bir gerilim üretir. Öte yandan çözeltideki bakır iyonları bakır metali olarak kaplandığından 0,34 Volt üretir. Potansiyeldeki toplam değişim iki gerilimin cebirsel farkı olan [0,76 ( 0,34)] 1,10 Volt olur. PROBLEM 1 : Bakır sülfat çözeltisine batırılmış magnezyum şeritten oluşan bir pil ne kadar gerilim üretir? Diğer elektrot bakır şerittir. AKÜ bir ELEKTRON ÜRETECİ nden başka bir şey değildir. Yukarıdaki durumda çinko metalinin atomları çözünmekte, bu sırada çok miktarda serbest elektron meydana gelmekte ve bu elektronlar bakır kablodan geçerek bakır elektroda doğru hareket etmektedirler. Burada çözeltideki bakır iyonlarıyla birleşirler ve bakır elektrot üzerine kaplanmasına neden olurlar. Tabii ki serbest elektronlar havadan gelmemektedir. Çinko metalinin çözünerek daha düşük enerji seviyesine geçişi esnasında oluşurlar. Aküde kimyasal enerjinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştüğünü görmekteyiz. Bu yaş aküdeki çinko metali aynı kuru aküdeki çinko (Şekil 6) gibi negatif elektrik (ELEKTRON) kaynağıdır ve bu nedenle AKÜNÜN EKSİ (NEGATİF) KUTBU olarak adlandırılır. Sayfa 10

13 DENEY 3 : 1. Ders 1, Deney 4 teki kavanozdaki bakır sülfat çözeltisi içine temiz çinko bir şerit ve (çelik talaşıyla temizleyin ve iyice durulayın) temiz bir bakır şerit veya kablo sokun. Şekil 5 te gösterildiği gibi #18 zil kablosuyla voltmetreye bağlayın. Voltmetrede ne okuyorsunuz? 2. Voltmetreyi devreden ayırın ve bakır ve çinko şeritleri doğrudan birbirine bağlayın. Çinko şeritte ne olmaya başladı? 3. Yeni temizlenmiş çinko şeridi doğrudan bakır sülfat çözeltisine daldırın. çinko şeritte ne gözlemliyorsunuz? Deneyin 3. kısmında çinko şeritte gözlenen olay DALDIRMA KAPLAMA olarak bilinir. Bir kaplamacı olarak sizin için büyük önem taşımaktadır. Daldırma kaplama neden ortaya çıkar? Çinko ve aluminyum gibi metaller yüksek çözülme basıncına sahiptirler. Seyreltik asitlerde ve hatta çok düşük olmasına rağmen suda bile çözünme eğilimindedirler. Çözündükçe yüzeyde eksi yükler birikir. Örneğin çinko iki elektron kaybederek iyonlaşır. Bu elektronlar çinko levhanın yüzeyinde birikirler. Çözeltideki bakır iyonları çinko levhanın üzerinde birikmeye başlarlar çünkü elektrik potansiyellerine göre sıralama konusunda gördüğümüz gibi bakır yüksek bir iyon basıncına sahiptir (pozitif yüklü iyonları kaybetmiş oldukları elektronları tekrar kazanmak isterler) ve bu nedenle negatif yüklü yüzeyde birikirler. Aşağıdaki Şekil 7 yi gözönüne alalım. Maddedin katı hali ile çözünmüş veya iyonize hali arasında çift taraflı bir kapı varmış gibi düşünülebilir. Kapı açıldığında değişik kuvvetlerle her iki yönde çalışmaya başlayacaktır. Çözünmüş haldeki bakır iyonları kapıyı tersine zorlarlar. Enerjileri yeterli gelmediğinden kapıyı açamazlar. Kapının diğer tarafında çinko metali Sayfa 11

14 vardır ve çok yüksek ÇÖZELTİ BASINCI na sahiptir. Kapıyı açar ve çözünmüş hale geçmeye başlar. Çok yüksek çözelti basıncına sahip olması nedeniyle kapıyı açacak enerjiye fazlasıyla sahiptir. Kapı açıldığında bakır iyonları da KATI HALE geçmeye başlar. DENEY 4 : deneyin 3. şıkkını tekrar edin. Kaplanan bakırı inceleyin. Hangi formu alır? ÇOĞU DALDIRMA KAPLAMALAR SÜNGERİMSİ VE YAPIŞMAYAN TABİATTADIR. 2. Bir parça temiz gümüşü (gümüş çay kaşığı da kullanılabilir) bakır çözeltisine sokun. Gümüşün üzerine bakır kaplanıyor mu? EĞER ÇÖZELTİDEKİ METAL ELEKTRİK POTANSİYEL TABLOSUNDA (Tablo 4) ÜZERİNE KAPLANACAĞI METALİN ALTINDA DEĞİL İSE DALDIRMA YÖNTEMİYLE DİĞER METALİN ÜZERİNE KAPLANAMAZ. Bakır tabloda gümüşün üzerindedir ve bu nedenle gümüş üzerine kaplanamaz. Kaplamacılıkta, çeşitli kaplama işlerinde meydana gelen bazı durumlar haricinde daldırma kaplamadan sakınılır çünkü sizin de gördüğünüz gibi süngerimsi bir yapıdadır ve asıl metalin üzerine yapışmaz. Örneğin gümüş kaplamacılığında gümüşün bakır üzerine yapışması önemlidir. İstisnai durumlarda uygun yerlere daldırma kaplama uygulanıp ince zerrecikli, yapışkan bir daldırma kaplama elde edilebilir. Bu tip kaplama elektrik kullanmadan ince, ucuz altın, gümüş ve kalay kaplamacılığında yararlı olur. Sayfa 9 daki potansiyel tablosu kesin, değişmez bir tablo değildir. Sadece bu metallerin belli koşullarda birbirlerine göre izafi durumlarını verir (belli bir konsantrasyondaki iyonlarının içinde bulunan metal için). Kimyasal değişiklerle metallerin Tablo 3 te sahip oldukları değerlerini aşağıya veya yukarıya değiştirmek mümkündür. Gerçek kaplama banyoları konularını işleyeceğimiz Ders 6 8 de göreceğimiz gibi, demir bir çiviyi asitli bakır banyosuna daldırırız. Hemen bakırla kaplanacaktır. Bir başka demir çiviyi siyanürlü bakır kaplama banyosuna daldırdığımızda ise daldırma kaplama meydana gelmeyecektir. Çinkonun üzerinde daldırma kaplama ne sebepten meydana geliyorsa, yine aynı sebepten dolayı asitli çözeltiye sokulan demirin üzerinde kaplama olmaktadır. Demir kapıyı açar ve bakır iyonları kapıdan içeri girerek kaplama oluşur. Eğer bakır kullanılırsa, siyanürle bileşik oluşturmasına rağmen tuhaf bir durum ortaya çıkar. Bakır siyanür köküne hemen bağlanır ve kapıyı açmak için gereken miktarda bakır iyonu kalmaz. Siyanür kökü (düşük serbest enerji prensibi gereği) bakıra bağlanarak daha karmaşık yapıda yeni bir iyon oluşturur. Çekim kuvveti o kadar güçlüdür ki çok az miktarda bakır bağ yapmadan kalabilir. (Bu bağ çok az iyonik karakter gösteren bir kovalent bağ tipidir). SONUÇTA BAKIR ASİL METAL MİŞ GİBİ DAVRANMIŞ, YANİ BAKIRIN POTANSİYELİ DAHA DÜŞÜK SEVİYEYE İNMİŞTİR. Elektriksel potansiyel konusunu işlerken gördüğümüz gibi, daldırma kaplamada her zamanki kaplamadan farklı olarak bir başka önemli husus vardır : Metalin potansiyel tepesindeki konumu aynı zamanda metalin kaplanması için uygulanacak gerilimin büyüklüğünün de ölçüsüdür. Bu sebeple eğer bir Daniel Pili niz varsa ve çinko kaplayıp bakırı çözmek istiyorsanız dışarıdan uygulamanız gereken gerilim en azından 1,10 Volt olmalıdır ki bu durumda süregelen kaplama işlemi durur (pil ters yönde +1,10 Volt ürettiğinden gerilimler birbirini etkisiz hale getirir). Eğer bakır çözülüyor ve çinko kaplanıyorsa 1,10 Volt olan denge gerilimi aşılmış demektir. Polarizasyon konusunda bunu daha detaylı inceleyeceğiz. Elektrik potansiyel serilerinin kaplamacılıkta önemli olmasının bir başka sebebi de çeşitli düzenlemeler yapılarak alaşım kaplamamıza yardımcı olmasıdır. 9. Ders te göreceğiniz gibi potansiyel tepesinde birbirlerine yakın konumdaki (yakın potansiyellerdeki) iki farklı metal aynı anda kaplanarak alaşımları yapılabilir. Bu konunun bilinmesi kaplamacıya geniş bir ufuk açar. Potansiyel serilerinin bilinmesinin kaplamacılıktaki bir diğer önemi de KOROZYON ÇİFTLERİ olarak adlandırdığımız bilgiyi bize sağlamasındandır. Bir korozyon çifti sınai ortam, deniz havası gibi dış etkilere maruz bırakılmış, birbiriyle doğrudan temas halindeki iki farklı metaldir. Korozyonla ilgili olan 14. Ders te göreceğiniz gibi, potansiyel tepesinde daha yukarda bulunan metal aşınırken aşağıda bulunan metal hasar görmez. ELEKTRİK POTANSİYEL SERİLERİNİN ÖZETİ 1. Elektrik potansiyel serileri (potansiyel tepesi) bize kabaca metallerin birbirlerine göre aktifliklerini verir. Tepede daha yukarıda bulunan metaller (hidrojene göre daha pozitif potansiyele sahip olanlar) kimyasal açıdan aşağıdakilere nazaran daha aktiftirler. Daha aşağıdaki metaller eğer iyonik yapıda iseler daldırma kaplama yöntemi ile daha yukarıdaki katı metallerle yer değiştirebilirler. 2. Metallerin göreceli konumları sabit değildir, çevresel koşullara bağlıdır. Bazı çevresel koşulları değiştirerek biraz yukarı veya aşağı hareket edebilirler. 3. Koşulları değiştirerek daldırma kaplamadaki yapışmayan, süngerimsi yapının önüne geçilebilir. Pratikte, potansiyelleri birbirine yakın olan iki metal daldırma yöntemiyle kaplanırsa daha iyi yapışır ve ince zerrecikli yapıdadır. Potansiyelleri birbirine çok yakın olmamalıdır çünkü o durumda reaksiyon meydana gelmesi için gerekli potansiyel farkı elde edilemez veya çok yavaş olur. Sayfa 12

15 4. Metalin potansiyel tepesindeki yeri aynı zamanda metali kaplamak veya çözmek için uygulanması gereken minimum gerilim için bir ölçüdür. Polarizasyon bahsinde konu edildiği üzere gerçekte kullanılan gerilim bu minimum değerden daha yüksektir. 5. Çevresel etkiler düzenlenerek iki metalin potansiyelleri aynı seviyeye getirilebilir ve bu iki metal birlikte kaplanarak alaşımları elde edilebilir. 6. Potansiyel farkları korozyon çiftinin ne hızda reaksiyona gireceğini gösterir. Potansiyeli yüksek olan metal aşınır, düşük olan hasara uğramaz. Şimdi akım yoğunluğunu inceleyeceğiz. ELEKTROKAPLAMADA AKIM YOĞUNLUĞU Şimdiye kadar bahsettiğimiz elektrik akımından ve amper olarak büyüklüğünden bahsettik. Kaplamada önemli olan DESİMETREKARE BAŞINA (veya footkare başına) ÇEKİLEN AMPER büyüklüğüdür (A/dm²). Amperin yüzey alanına bölünmesi AKIM YOĞUNLUĞU olarak bilinir. Kaplamada yüzey alanı ile hesaplama yaparız. Eğer farklı iki malzemenin çektiği akımları karşılaştırmak istersek, eğer iki malzemenin yüzey alanları eşit değil ise bu malzeme 20 Amper de diğeri 10 Amper de kaplanmıştır gibi bir karşılaştırma yapmamız çok doğru olmaz. Eğer iki malzeme de aynı sürede kaplanmışsa muhtemelen 20 Amper de kaplanan malzemeye 10 Amper de kaplanan malzemedekinin 2 katı metal kaplanmıştır. (Muhtemelen diyoruz çünkü az sonra göreceğimiz üzere çeşitli büyüklüklere bağlı olarak değişebilir). Aslında ilk Faraday Kanunu na göre eğer kaplama süresi sabitse kaplanan metalin toplam ağırlığının sadece akan akıma bağlı olduğunu söylemek mümkündür. Bu durumda A parçasına kaplanan metalin toplam ağırlığı B parçasına kaplanandan 2 kat fazladır diyebilir misiniz? HAYIR! Sadece A ve B parçalarının alanları (ve şekilleri) birbirinin tamamen aynısı ise bunu söyleyebilirsiniz. Eğer A parçasını yüzey alanı 2 dm² ve B parçasının yüzey alanı 1 dm² ise, bu şu anlama gelir : A parçasını kaplamak için uygulanan akım yoğunluğu (20 A) / (2 dm²) = 10 A/dm², B parçasını kaplamak için uygulanan akım yoğunluğu (10 A) / (1 dm²) = 10 A/dm² dir. YANİ HER İKİ PARÇA DA BİRİM ALANLARINA AYNI MİKTARDA AKIM UYGULANARAK KAPLANMIŞTIR VE BU NEDENLE, DİĞER BÜTÜN DEĞİŞKENLER DE EŞİT İSE PARÇALARIN KAPLAMA KALINLIKLARI EŞİT OLACAKTIR (Şekil 8). Eğer A parçasının yüzey alanı 4 dm² olsa idi AKIM YOĞUNLUĞU (20 A) / (4 dm²) = 5 A/dm² olacak ve B parçasına uygulanan 10 A/dm² olduğundan A dan iki kat kalın kaplanmış olacaktı (Şekil 8). Bundan dolayı birim alana saniyede uygulanan elektrik miktarını veren AKIM YOĞUNLUĞU, kaplamada kullanılan akımın büyüklüğünü tanımlamak için en uygun yoldur : Sayfa 13

16 AKIM YOĞUNLUĞU 9 = TOPLAM AMPER / TOPLAM ALAN (4) C = I / A Akımı yalnız bırakırsak TOPLAM AKIM = AKIM YOĞUNLUĞU x TOPLAM ALAN (5) I = C x A DÖNÜŞTÜRME ÇARPANLARI : 1 A/ft² = 0,1076 A/dm² 1 A/dm² = 9,29 A/ft² ÖRNEK 4 : Toplam alanı 50 cm² olan bir çelik diske 1 A akımda bakır kaplanıyor. Kullanılan akım yoğunluğu nedir? Çözüm : 1 dm² = 100 cm² ve 1 cm² = 0,01 dm² olduğundan, 50 cm² = 0,5 dm² dir. Toplam akım 1 A ise akım yoğunluğu 1 A / 0,5 dm² = 2 A/dm² dir. ÖRNEK 5 Çözüm : Yukarıdaki örnekte akım yoğunluğu A / ft² olarak nedir? : 1 A/dm² = 9,29 A/ft² ise 2 A/dm² = 18,58 A/ft² dir. ÖRNEK 6 : 117 cm² yüzey alanına sahip dökme demirden bir parça 2 A/dm² akım yoğunluğunda nikel banyosunda kaplanıyor. Toplam akımın büyüklüğü nedir? Çözüm : 100 cm² = 1 dm² ise 117 cm² = 1,17 dm² dir. I = C x A = (2 A/dm²) x (1,17 dm²) = 3,34 A (Toplam akımın büyüklüğü) PROBLEM 2 : 6x6 cm. boyutlarında 10 adet metal levha bakır banyosuna asılıyor ve her iki yüzü de bakır kaplanıyor. Ampermetrede okunan toplam akım 5,5 Amper dir. A/dm² ve A/ft² olarak akım yoğunluğunu bulunuz? Kaplamacılıkta kullanılan toplam akımın bilinmesi o kadar önemli değildir fakat, akım yoğunluğunun bilinmesi katotta gerçekleşen kaplamanın miktarını ve özelliğini etkilediğinden dolayı çok önemlidir. AKIM YOĞUNLUĞUNA BAKARAK DEĞİŞİK ÖZELLİKTE VE BOYUTLARDAKİ CİSİMLERİ KAPLARKEN ARALARINDA BİR KARŞILAŞTIRMA YAPABİLİRİZ. Gerçek kaplama deneyleri ve testleri göstermiştir ki, iyi bir kaplama sonucu elde etmek için belli kaplama banyolarında belli akım yoğunlukları kullanılmalıdır. ÖNERİLEN AKIM YOĞUNLUĞUNUN ÜZERİNE ÇIKILDIKÇA KAPLANAN KAPLAMA YANMAYA, TOZLU VE GEVREK BİR HAL ALMAYA BAŞLAR. Ders 6 10 da ayrı ayrı ele alacağımız çeşitli kaplama banyolarını öğrenirken kullanılan akım yoğunluğu değerlerini de göreceğiz. Şimdi bir ön bilgi olması amacıyla asitli bakır için normal ve olağan şartlar altında kullanılacak akım yoğunluğu üzerinde düşünelim. Sıradan bir asitli bakır sülfat banyosu için akım yoğunluğu sahası 0,5 2,2 A/dm² (5 20 A/ft²) dir. BU ARALIK KATOTTAKİ AKIM YOĞUNLUĞU DEĞERİ İÇİNDİR. 2,2 A/dm² nin üzerine çıkılırsa kaplama koyu kahverengi ve tozlu hale gelir ki bu da yanık kaplama olarak adlandırılır. Daha düşük akım yoğunluklarında çalışmak size pek bir şey kazandırmaz çünkü, ticari açıdan bakıldığında işinizi yapabileceğiniz en kısa sürede bitirmek istersiniz. Düşük akım yoğunluğunda çalışırken belirli kalınlıkta bir kaplama elde etmek için malın kaplama tankında kalma süresi uzayacağından, belli bir sürede bitirdiğiniz kaplama işi de azalacaktır. Bu sizin üretim kapasitenizi düşürür. ÖYLEYSE KAPLAMA TANKINDAKİ İŞİ EN KISA SÜREDE BİTİRMEK İÇİN, UYGULAYABİLECEĞİNİZ LİMİTLER DAHİLİNDEKİ EN YÜKSEK AKIM YOĞUNLUĞUNDA ÇALIŞMAK SİZİN YARARINIZADIR. Eğer güvenle uygulayabileceğiniz maksimum akım yoğunluğunun 2,2 A/dm² olduğunu biliyorsanız bu değere mümkün olan en yakın akım yoğunluğunda çalışmalısınız. Uygulamada alan hesabı nadiren tam doğru olarak yapılabilir, mümkün olan en yakın hesaplama yapılmaya çalışılmalıdır. 10 Yine de gerçek değere yaklaşık bir alan hesabı yapılması sizin için çoğu durumda yeterli olacaktır. Tablo 5 te bazı basit şekiller ve alanlarının hesaplanması için formüller verilmiştir. Daha karmaşık yapıdaki cisimlerin alanlarını hesaplarken ise bir veya birkaç basit şekili kullanarak toplam alanı hesaplamak size yaklaşık bir fikir verir. Bunun için izleyen örneği veriyoruz. Sayfa 14

17 Sayfa 15

18 ÖRNEK 7 : Tablo 5 te gösterilen şekiller temel şekillerdir ve çoğu alan bunlara yakın şekillidir. Şekil 9 da gösterilen şekil ve ebatlardaki parçayı asitli bakır banyosunda kaplıyorsunuz. Kaplama talimatında iyi bir kaplama için 2,5 A/dm² yi geçmemeniz belirtilmiş. ŞİMDİ NE YAPACAKSINIZ? Kaplanacak malzeme genellikle aynı şekillidir, bu durumda da öyle olduğunu farzedelim, bir parçayı inceleyip yaklaşık alanını bulalım. Deneyim sahibi iseniz parçaya bakarak alanını yaklaşık olarak söyleyebilirsiniz, deneyiminiz arttıkça tahmininizin doğruluk oranı da artacaktır. Fazla deneyimli değilseniz veya bu örnekteki gibi özel şekilli bir parça kaplayacaksanız alanını aşağıdaki gibi hesaplamalısınız : Daire ucun alanı : 0,79.D² = 0,79 x (10 cm)² = 0,79 x 100 cm² = 79 cm² Sayfa 16

19 Silindirin alanı : 3,14.D.L = 3,14 x 10 cm x 20 cm = 628 cm² Yarım küre şeklindeki ucun alanı : ½ x 3,1D² = (1/2) x (3,1) x (100 cm²) = 155 cm² TOPLAM ALAN = 79 cm² cm² cm² = 862 cm² 1 cm² = 0,01 dm² olduğundan 862 cm² = 8,62 dm² ve pratikte parçanın alanını 9 dm² olarak alabilirsiniz. Eğer kaplama tankınız bu parçalardan 20 tane alabiliyorsa, bu bir defada kaplayacağınız yüzeyin 9 x 20 = 180 dm² olduğu anlamına gelir. İzin verilen akım yoğunluğu 2,5 A/dm² olduğundan, normal şartlarda bu kaplama işi için kaplama tankında 2,5 x 180 = 450 A e kadar akım kullanabilirsiniz. PROBLEM 3 : Şekil 10 daki cismin yüzey alanını hesaplayın? Ne kadar karmaşık görünürse görünsün diğer alanlar da aynı şekilde basit şekillerin alanlarının toplamı olarak hesaplanabilir. Kaplama deneyiminiz arttıkça kaplanacak parçaya bakarak yaklaşık olarak alanını ve uygulanacak doğru akımı tahmin edebildiğinizi göreceksiniz. Sadece çok hassas kaplama istenen işlerde (TEKNİK KAPLAMA İŞLERİNDE) kaplanacak malzemenin alanını mümkün olduğunca hassas hesaplamanız gerekir. Dolapta yapılan imalat işlerinde yaklaşık alanı göz kararı belirlemek yeterli olur. Bazı özel dolap kaplama işlerinde de Nomogram adlı özel bir hesap cetveli veya bilgisayar 11 yardımıyla alanı hassasiyetle hesaplamamız gerekir. ORTALAMA AKIM YOĞUNLUĞU Akım yoğunluğu kaplama banyosunun türü ve yapılan kaplama işlemi hakkında size bir fikir verir. Akım yoğunluğu, hatları ve çıkıntıları çok fazla olmayan parçalar için yalnızca ORTALAMA yüzey alanına bağlı olarak değerlendirilir. Örneğin asitli bakır banyosunda yüzey alanı 10 dm² olan düz bir metal levha kaplıyorsanız, rahatlıkla 20 Amper akım kullanabilirsiniz (20 Amper / 10 dm² = 2 A/dm²). Şekil 11 deki parçayı kaplayacağınızı düşünün. Bu parçanın yüzey alanı da 10 dm² dir. Bu parçayı kaplamak için de 20 Amper kullanabilir misiniz? Sayfa 17

20 HAYIR kullanamayız, çünkü yüzey alanı 10 dm² ve ampermetrede okunan akım 20 Amper de olsa, ikinci banyodaki akımın çoğu parçanın ileri çıkık kısmında yoğunlaşır. Bu kısım anoda daha yakın olduğundan ve enerji doğası gereği en az direnç gösteren yolu tercih ettiğinden akımın çoğu daha uzakta olan parçanın gerideki kısmı yerine öne çıkmış kısmına doğru akar. Sonuçta ileri çıkık kısımdaki akım yoğunluğu, gerideki kısma nazaran daha yüksek olur ve bu ikisinin ortalaması ortalama akım yoğunluğu verir. Daha iyi canlandırabilmeniz için sayılarla anlatalım : 2,5 dm² alana sahip öndeki kısımda akımın 15 Amper diğer kısmında ise 5 Amper olduğunu düşünelim. Demek ki buradaki akım yoğunluğu 15 / 2,5 = 6 A/dm² dir ki olması gereken değerin çok üstündedir. Parçanın gerideki kısmında ise 5 / 7,5 = 0,67 A/dm² olan akım yoğunluğu çok düşüktür. Sonuçta parça kusurlu kaplanmış, ileri çıkık kısımda yanık, gerideki kısımda eksik kaplama yapılmış olur. Bu durumda ya öne çıkık kısımdaki ortalama akım yoğunluğu normal sınırı aşmayacak şekilde toplam akımı düşürmelisiniz ya da tüm parçanın akım yoğunluğunu eşit hale getirmek için bazı düzenlemeler yapmalısınız (neyse ki bunu yapmak mümkündür, bu şekilde en yüksek ortalama akım değerinde çalışılabilir). POLARİZASYON ve DAĞILMA GÜCÜ konusuna geldiğimizde yapılması gereken bu düzenlemeleri daha tafsilatlı ele alacağız. Burada dikkat etmemiz gereken husus şudur : ORTALAMA DEĞERLER BAZEN YANILTICI OLABİLİR. Ortalama derinliği 30 cm. olan bir nehirde karşıya geçerken boğulabileceğinizi unutmayın. EĞER KAPLAMA YAPTIĞINIZ YÜZEY GEOMETRİK AÇIDAN ÇOK FAZLA KARŞITLIK İÇERİYORSA, ORTALAMA YÜZEY İÇİN AKIM YOĞUNLUĞU HESAPLARI YAPILARAK KAPLANAMAZ. BU DURUMDA ÖZEL ÖNLEMLER ALINMALI VEYA YÜKSEK VE ALÇAK NOKTALAR HESABA KATILMALIDIR. ANOT AKIM YOĞUNLUĞU Bir kaplamacı olarak birinci derecede KATOT AKIM YOĞUNLUĞU sizi ilgilendirmekle beraber, ANOT AKIM YOĞUNLUĞU da aşağıdaki nedenden dolayı önemlidir : Anot yüzeyinde de, tıpkı katotta olduğu gibi müsaade edilen akım yoğunluğunun bir sınırı vardır. Bu sınır değerin üzerine çıkılırsa anottaki metal çözünmeyi reddedebilir. Gerçekten de anot duraklar ve çözünmez hale gelir. Kaplamacılıkta ve kimyada bu durum bu şekilde ifade edilmez. Anot POLARİZE OLMUŞ denir. POLARİZASYON un tam olarak ne anlama geldiğini ileride bu konuyu işlerken inceleyeceğiz ama şimdilik bunu üzerine çok fazla yük yüklenmiş olan bir katıra benzetebiliriz. Bu durumda katır durur ve yükü taşımayı reddeder. Bizim anoda yüklediğimiz yük de elektrik akımıdır. Eğer kabul edilebilir en yüksek yük değerinin üzerine çıkarsak anot çözünmeyi reddeder (çalışmayı durdurur) ve bu durumda POLARİZE olduğundan bahsedilir. Buna dayanarak anottaki akım yoğunluğunun kabul edilebilir maksimum değerini bilmeniz, bu sınırı aşıp anodun polarize olmasının önüne geçmeniz bakımından önemlidir. Örneğin, bir asitli bakır kaplama tankında anot akım yoğunluğu değerinin 2 A/dm² olması gerekiyorsa, tankın anodunun bu akımı taşıyabilececeğinden emin olmanız gerekir. ÖRNEK 8 : Asitli bakır kaplama banyonuzda Şekil 12 de gösterildiği üzere tankın karşılıklı kenarlarına asılmış halde bulunan 25 cm uzunluğunda ve 8 cm. genişliğinde 10 adet anot levhası var. Toplam yüzeyi 50 dm² olan bir kaplama işi yapacağınızı varsayalım. Kaplamada kullanacağınız toplam akım 100 Amper olsun. Katot akım yoğunluğu 100 / 50 = 2 A/dm², UYGUNDUR. Şimdi anot akım yoğunluğuna bakalım : Her anodun toplam yüzey alanı (her iki yüzeyini de hesaplıyoruz) 25 cm x 8 cm x 2 = 400 cm² = 4 dm², 10 anot kullanıldığından toplam anot yüzey alanı 10 x 4dm² = 40 dm² dir. Bu durumda anot akım yoğunluğu 100 / 40 = 2,5 A/dm² olur ki bu hesaba göre tam da maksimum akım sınırında olduğu düşünülebilir. Fakat gerçekte bu durumda akım yoğunluğu normalin çok üzerindedir çünkü ANOTLARIN ARKA YÜZEYLERİ TAM ALAN OLARAK SAYILAMAZLAR. KISMEN BLOKE EDİLMİŞ DURUMDADIRLAR VE AKIMIN ÇOĞU ANOTLARIN ÖN YÜZÜ İLE KAPLANAN PARÇA ARASINDA AKAR (Bu durumu enerjinin hangi özelliğiyle açıklarız?). KAPLAMA TANKININ KENARI İLE ANODUN ARKA YÜZEYİ ARASINDA HATIRI SAYILIR BİR MESAFE OLSA DA, ANODUN ARKA YÜZEYİNİN 1/4' ÜNÜ AKIM TAŞIYICI YÜZEY OLARAK KABUL ETMEK GÜVENİLİR OLUR. EĞER ANOT TANKIN KENARINA YAPIŞIK İSE AKIM TAŞIYICI ARKA YÜZEY 1/10 OLARAK ALINMALIDIR. Yukarıdaki duruma göre toplam akım taşıyıcı alan 20 dm² + (1/4 x 20) dm² = 25 dm² olacaktır. Öyle ise gerçek akım yoğunluğu 100 A / 25 dm² = 4 A/dm² dir ki izin verilen maksimum akım yoğunluğundan (2,5 A/dm²) çok yüksektir. İzin verilen anot akım yoğunluğu bazen alanların oranı olarak ifade edilir. Bu nedenle kaplama banyosunun özelliklerini nasıl belirleyeceğinizin anlatıldığı bölüme geldiğinizde, tavsiye edilen anot katot alanları oranının Sayfa 18

21 1,5 a 1 olduğunu okuyacaksınız. Bu kısaca kaplama tankındaki anot yüzey alanının hesaplamış olduğunun katot yüzey alanından 1,5 kat daha fazla olması anlamına gelir. Yani bir başka deyişle eğer katot yüzeyinde 4 A/dm² kullanabiliyorsanız anot yüzeyinde sadece 4 / 1,5 = 2,66 A/dm² kullanabilirsiniz. HATIRLATMA : Anodun kaplama tankının kenarına yapışık olduğu durumlarda anotun arka yüzeyinin 1/10 u, anotla tank arasında biraz mesafe varsa 1/4' ü akım taşıyıcı yüzey olarak alınır. Sayfa 12 de görüldüğü gibi aynı prensip katotta da geçerlidir. Katodun girintili veya alçak yüzeyleri toplam akımın sadece küçük bir kısmını alır ve akım taşıma açısından çıkıntılı veya açık yüzeyler gibi düşünülemez. AKIM YOĞUNLUĞUNUN KONTROLÜ Kaplama işinde kullanılan akım yoğunluğunu kontrol etmek için, ampermetrede banyodaki yükün çektiği akımın istenen değere geldiğini görene kadar gerilimi değiştirmelisiniz. Hemen hemen bütün kaplama tesislerinde kaplama devresine Şekil 13 te gösterildiği gibi bağlanmış ampermetre ve voltmetre vardır. Banyodaki yük sabit ise akımı redresör üzerinden veya bir reosta (ayarlı direnç) yardımıyla gereken değere ayarlayabilir ve sabit kalmasını sağlayabilirsiniz. Bazı hallerde direnç değişkendir ve voltmetreden ayarlama yapmanız gerekebilir. Böyle bir durumla karşılaştığınızda ne yaparsınız? Şekil 14 te gösterilen iki kaplama tankını dikkate alın. İki tank tamamen aynıdır. İkisinin de anot katot arası uzaklıkları aynı olup, paralel bağlı olduklarından üzerlerinden akan akımlar da eşittir. Eğer ikinci tanktaki katot çıkarılırsa I = E / R olduğundan ve tankın gerilimi ile direnci aynı kalacağından ilk tankın katodundaki akım yoğunluğu gene aynı kalacaktır. Şekil 15 i ele aldığımızda ise, eşit büyüklükteki iki anodun karşısına eşit büyüklükte iki katot yerleştirilmiştir. Burada da katotlar paralel yerleştirilmiştir fakat öncekinden farkı aynı tankın içinde olmalarıdır. Eğer akım yoğunluğu önceki banyodakinin aynı ise ikinci katodu çıkarırsak birinci katottaki Sayfa 19

22 akım yoğunluğu biraz artacaktır. Bunun nedeni ikinci anotla katot arasında taşınan elektriğin katettiği mesafenin, ikinci anot ile ikinci katot arasındaki mesafeden daha uzun olması ve dolayısıyla akımın akmasına karşı gösterilen direncin artmış olmasındandır. AKSİNE, eğer tanka kaplanması için birkaç parça daha koyarsanız toplam akım yoğunluğu biraz düşecektir. Buradan yola çıkarak bize ampermetremizin olmayıp sadece voltmetre ile ölçüm yaptığımız hallerde yol gösterecek bir çalışma prensibi elde edilmiştir. KAPLANAN MALZEMENİN ÜZERİNDEKİ AKIM YOĞUNLUĞUNUN EŞİT DAĞILMASINI SAĞLAMAK İÇİN TANKTA EKLEME VE ÇIKARMALAR YAPILIRKEN GERİLİMİN SABİT KALMASINA DİKKAT EDİLMELİDİR. Bu işi yapmanın en iyi yöntemi bu değildir ama ampermetreniz olmadan yapabileceğiniz sadece budur. Tam dolu tanka ilave bir mal konulduğunda gerilimi %1 yükseltip, çıkarıldığında ise %1 düşürerek daha hassas ayarlama elde edebilirsiniz. Bu kuralın nasıl işlediğini görmek için tam dolu bir asitli bakır banyosunu düşünelim. Tank boyunca gerilim 2 Volt tur. Kaplanması için bir parça daha eklediğinizi farzedelim. Bunu yaptığınızda gerilim çok az da olsa düşecektir. Reostayla ayarlayarak gerilimi tekrar 2 Volt a yükseltin. İlave olarak 10 parça koyarsanız gene aynı yöntemi uygulayın. Akım yoğunluğunu daha hassas kontrol etmek için ampermetre kullanmanız gerekir. (Elektronik kontrollü redresör ile kaplanan malzemenin akım yoğunluğu çok daha hassas kontrol edilebilir fakat biraz daha pahalıdır). KAPLAMADA AKIM VERİMİ Faraday ın ilk kanunu kesin bir doğa kanunudur. Bir çözeltiden belli miktarda elektrik geçirilirse belli miktarda madde çözünmüş halden katı hale geçer, tersi de doğrudur. Tüm bu işlemlerde üzerinde düşünmemiz gereken bir konu da verimdir. Bir elektrik motorunu prize taktığınızda kullandığı elektrik enerjisinin tümünü yararlı mekanik enerjiye çevirmez. Bir kısmı motor sargılarında ısı olarak kaybedilir. Bir kısmı sürtünme kuvvetini yenmek için harcanır. Bu enerji de yararsız hale gelmiştir. Sonuçta motorun çektiği elektrik enerjisinin ancak %90 kadarı yararlı mekanik işe dönüştürülür (Ders 1 de bu konu hakkında öğrendiklerinizi hatırlayın). Verim elde edilen kullanılabilir iş gücünü ölçer. Şu şekilde tanımlanmıştır : Çıkış (Elde edilen yararlı enerji) x 100 Verim = = Giriş (Harcanan enerji) Formüldeki büyüklükleri ölçmenin değişik yolları vardır. Böylelikle motor, jeneratör veya diğer enerji dönüştürücüsünün verimini tanımlayabiliriz. Elektrokaplamada daha karmaşık bir meseleyi halletmemiz gereklidir. Kaplama çözeltisine uygulanan belli miktardaki (coulomb) elektrik Faraday ın ilk kanunu uyarınca sonuçta belli miktarda metal kaplanmasını sağlar. Faraday Kanunu nun hiçbir yerinde bu enerjinin ne miktarda olacağından bahsedilmez. Örneğin, 100 Ampersaat ( coulomb) elektrik ile 100 gr. bakır kaplanır gibi bir ifade yoktur. Kullanılacak gerilimin değeri de belirtilmemiştir. Öyle ise enerji miktarını nasıl tayin edeceğiz? Şu şekilde : Kaplama çözeltisine (elektrolite) akım sevketmek için enerji gereklidir. Elektrotlar arasında gerilim farkı olmaksızın coulomb (amper-saat) oluşmayacaktır. Elektriksel potansiyel serileri konusunda öğrendiğiniz üzere, her metalin diğerlerininkinden farklı ve steorik olarak denge haklinde olan çökelme veya ayrışma gerilimi vardır. Bu nedenle bir asitli bakır çözeltisinde bakır katot ile bakır kaplama çözeltisi arasındaki gerilim farkı 0,34 Volt u geçtikten sonra bakır kaplanmaya başlayacaktır. Banyoya bu gerilimi uygularsanız sınır değer aşılmadığından hiçbir şey olmaz. Çünkü bu düşük gerilimde sadece birkaç coulomb elektrolite sevkedilebilecektir. Ampermetrede okunabilir bir değere ulaşmak için daha yüksek gerilim farkı uygulamak gerekir. Daha yüksek gerilim farkı uygulandığında ampermetrede akım okunur ve kaplama başlar. Artık bu durumu tıpkı motorda olduğu gibi ENERJİ VERİMİ açısından analiz edebiliriz fakat bunu yapmaya çalıştığımızda bize gerekli olan verileri bulmanın zor, yetersiz ve bizim için fazla faydalı olmadığını göreceğiz. Mesela, kaplama süresince kullandığımız toplam enerjiyi kwh olarak hesaplamamızı sağlayacak olan kaplama tankı boyunca gerilimi ve belli bir zaman diliminde akan akımı ölçebiliriz. Ardından kaplamanın ağırlığını ölçüp, belli çalışma şartlarındaki ayrışma potansiyelini de içeren bazı karmaşık hesaplamalar yapılarak o ağırlıktaki metalin kaplanması için teorik olarak gerekli enerji miktarını tanımlayabiliriz. (Kişisel olarak artık buna gerek kalmadığından memnunum). Eğer bu uzun ve karışık hesaplamalara devam edersek çoğu kaplama işinde enerji veriminin gerçekten çok düşük olduğunu görürüz. Genellikle %10 un altındadır. Bundan başka, bulunan sonuç gerçek değer değildir ve bizim için anlam ifade etmez çünkü daha önce de söylediğimiz üzere bizim için birinci derecede önemli olan kaplamayı yaparken ne kadar enerji kullandığımız değil kaplamanın kendisidir. Tabii ki kaplama yaparken enerji zayii etmeyi istemeyiz ve bazı durumlarda enerji maliyeti oldukça önemli hale gelir ama genelde bizim için kaplamada elde ettiğimiz sonuç önem arzeder. Kaplamacı için KATODUN (veya ANODUN) COULOMB VERİMİ hem daha yararlı ve anlamlı hem hesaplaması daha kolaydır. Kısaca KATOT VERİMİ dersek, Sayfa 20