KAPLAMA TEKNİKLERİ DERS NOTLARI Yüzey Mühendisliği Malzemelerin yüzey özelliklerini değiştirerek; yeni mühendislik özellikleri kazandırmak ya da dekoratif açıdan çekici kılmak, insanoğlunun eski çağlardan beri süregelen amaçlarından birisi olmuştur. YRD. DOÇ. DR. ATİLLA EVCİN Günümüzde malzeme yüzeylerinin değiştirilmesine yönelik işlemler yüzey ve altlık malzemenin tasarımını bir arada ele alan ve bu ikisinin tek başlarına sağlayamayacağı özellikleri ekonomik olarak sağlayabilen işlemler olarak tanımlanır ve bilim olarak Yüzey Mühendisliği adını alır. Yüzey Mühendisliği disiplinler arası bir tanıma sahiptir.yüzey mühendisliği teknolojileri, problem çözme kabiliyeti yanında; katma değer sağlamaya da haizdir. Yüzey Mühendisliğinden amaç; belirli uygulamalar için en ekonomik manada, optimum yüzey özellik tasarımlarını verecek uygun teknolojilerin ortaya konmasını sağlamaktır. Malzeme tasarımı, özellikleri, yüzey mühendisliği teknolojileri ve endüstriyel sektörler arasındaki karşılıklı etkileşim şekilde gösterilmiştir. Şekil Çok sektörlü ve disiplinler arası bir teknoloji olarak yüzey mühendisliği Yüzey Mühendisliği teknolojilerinin avantajları ; Performans artışı Maliyet düşüşü Fonksiyonellikte iyileşme Mühendislik problemlerine çözüm getirme Nadir malzeme kaynaklarının dönüşümü Güç tüketiminde düşüş Verim artışı sayılabilir. Yüzey Kaplama Teknikleri Yüzey mühendisliği teknolojileri iki temel gruba ayrılabilir ; 1. Yüzey işlemleri : Bir malzeme yüzeyine başka bir malzemenin difüzyonu neticesinde yüzeyde bir bileşik tabakasının oluşturulması (nitrürleme, karbürleme, borlama, vb) 2. Yüzey kaplamaları : Bir malzeme yüzeyine başka bir malzeme katılması yada çöktürülmesi (metal-alaşımbileşik-seramik kaplama, boya-cam-beton-emaye kaplama vb) 1
Genellikle difüzyon yoluyla gerçekleştirilen yüzey işlemleri, altlık malzemesinin termodinamik özellikleriyle doğrudan ilgilidir. Yüzey kaplamaları ise, altlık malzemesinin termodinamiği ile doğrudan ilgili olmadığı için geniş bir uygulama imkanı sunmaktadır. Böylece oluşturulan malzeme; gerek alt yüzey ve gerekse kaplama malzemeleri açısından çok geniş bir özellik çeşitliliği vermekte, bu ise teknolojik önemini artırmaktadır. Yüzey kaplama tekniklerinin sınıflandırılması, genellikle kaplanacak malzemenin fiziksel durumuna bağlı olarak yapılabilir. Ayrıca farklı kaplama ve yüzey işlem teknikleri kullanılarak elde edilebilecek kaplama kalınlığına ve kaplama prosesinin sıcaklık aralığına göre de çeşitli sınıflandırmalar yapılır. Yöntemin ne olduğunu göz önüne almadan, yüzey kaplama prosesleri, altlığı ne kısmen ne de tamamen eritmeli, altlığın mekanik ve teknolojik özelliklerini değiştirmemeli ve altlıkta iç gerilmeler olşturmamalıdır. Kaplama tabakası altlık konstrüksiyonuna uygun ve fonksiyonları yerine getirecek kalınlıkta olmalı ve altlığa iyi yapışma göstermelidir. Şekil Kaplama malzemesinin fiziksel durumuna göre kaplama metodlarının sınıflandırılması CVD : Kimyasal buhar biriktirme PAPVD : Plazma destekli fiziksel buhar biriktirme ICA : İyon destekli kaplama IBA : İyon ışın destekli kaplama II : İyon implantasyonu Kaplama prosesleri sonucu üretilen fonksiyonel tabakaların kalınlığı 100 µm ve daha fazla ise bu proses kalın kaplama yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Kalın kaplama tabakasının ince tabakaya üstünlükleri ; Daha fazla ısı depolama hacmine sahip olması Şekil Kaplama yöntemlerinin elde edilen kaplama kalınlığına göre sınıflandırılması Arayüzeyde gerilme profilinin net, yüksek doğrulukta olması Korozyon davranışlarına karşı uzun servis ömrü göstermesi 2
Tablo Muhtelif kaplama proseslerinin karşılaştırılabilir karakteristikleri CVD : Kimyasal buhar biriktirme PAPVD : Plazma destekli fiziksel buhar biriktirme ICA : İyon destekli kaplama IBA : İyon ışın destekli kaplama II : İyon implantasyonu Şekil Kaplama yöntemlerinin kaplama sıcaklığına göre sınıflandırılması Aşınma ve Korozyon; hem malzeme, zaman ve işgücü kaybına yol açtığı için hem de insan hayatını tehlikeye sokabilecek durumlar oluşturabildiği için önlenmesi veya kontrol altına alınması gereken olaylardır. Kaplamaların en önemli kullanım nedenlerini oluşturan aşınma ve korozyon oluşumu, türleri ve mekanizmaları hakkında özet bilgi ve önleme yöntemleri kısaca belirtilecektir. Aşınma ve Korozyon Aşınma, bir yüzeyden diğer bir yüzeye malzeme transferi veya aşınma parçalarının oluşumu neticesinde ortaya çıkan malzeme kaybıdır. DİN 50320 de aşınma; kullanılan malzeme yüzeylerinden mekanik sebeplerle ufak parçaların ayrılması suretiyle meydana gelen değişiklik olarak tanımlanmaktadır. Aşınma olayında beş unsur vardır. Bunlar; ana malzeme (aşınan), karşı malzeme (aşındıran), ara malzeme, yük harekettir. Ayrıca sıcaklık faktörü de altıncı parametre olarak değerlendirilebilir. Şekil Aşınmayı oluşturan unsurlar 3
Aşınmayı etkileyen faktörler ise ; Ana malzemeye bağlı faktörler Malzemenin kristal yapısı Sertliği Elastisite modülü Deformasyon davranışı Yüzey pürüzlülüğü Malzemenin boyutu Karşı malzemeye bağlı faktörler Aşındırıcının etkisi Ortam şartları Sıcaklık Nem atmosfer Servis şartları Basınç Hız Kayma yolu Metallerin çevreleriyle yaptıkları kimyasal ve/veya elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu hasar görmeleri olayına korozyon denir. Korozyon olayında malzeme kayıpları hep bir çözeltiye geçme şeklinde anlaşıldığı için hasara uğrayan malzemeler, metalik malzemelerle sınırlandırılma ihtiyacını beraberinde getirmiştir. Ayrıca korozyon olayını sadece malzemenin kendisinin çevreden zarar görmesiyle sınırlamamak gerekir. Bu arada çevreninde zarar görmesi ön plana çıkabilir ve çevrenin hasarı çok daha önemlidir. Korozyon da aşınma gibi farklı şekilde sınıflandırılmaktadır. Korozyona sebep olan ortam açısından Kuru korozyon Islak korozyon Korozyona mekanizması açısından Kimyasal korozyon Elektrokimyasal korozyon Korozyona uğrayan metalin görünüşü açısından Üniform korozyon Yerel korozyon Korozyonun önlenmesi için ; Uygun tasarım (tek tip metal kullanılması) Uygun malzeme seçimi (ortama dayanıklı metal) Boyama İnhibitör ile koruma Katodik koruma (metal katot yapılır, kurban anot metal seçilir Zn, Mg, Al gibi) Kaplama Kaplama Teknikleri Elektrolitik kaplama Termokimyasal Kaplama Galvanizleme Emaye kaplama Termal sprey prosesi Sol-jel kaplama Kimyasal buhar çökeltme (CVD) Fiziksel buhar çökeltme (PVD) Polimer Kaplama Elektrolitik metal kaplama, metalik veya metalik olmayan bir malzeme yüzeyine elektro-kimyasal metotlarla metalik film oluşturulmasıdır. Günlük hayatımızda yüzeyi elektrolitik yöntemlerle kaplanmış pek çok ürün kullanılmaktadır. Saatlerde gümüş kaplama, gözlüklerde altın, araba ve uçak parçalarında çok çeşitli elektrolitik kaplama yöntemlerinin uygulandığı görülmektedir. 4
Elektrolitik kaplama, günümüzde birçok endüstri kolu için gerekli bir prosestir. Çünkü elektrolitik kaplama ile elde edilen yüzey özelliklerini başka yöntemlerle elde etmek her zaman mümkün olamamaktadır. Genel olarak korozyona ve aşınmaya karşı direnç özellikleri nedeni ile daha çok tercih edilmektedir. Çelik ürünler, günlük yaşantımızda yaygın olarak kullanılan birçok eşyanın imalatında vazgeçilmez bir girdi konumundadır. Kalay, ambalaj sektöründe yaygın olarak kullanılan teneke ürünlerin kaplanmasında kullanılırken; krom, kaplamacılıkta her türlü malzemenin, özellikle çelik malzemelerin, kaplanmasında ve kalaya alternatif olarak ambalaj sektöründe kullanılmaktadır. Termokimyasal işlemler veya termokimyasal difüzyon işlemleri kavramı: karbürleme, dekarbürizasyon, nitrürleme, borlama, vanadyumlama veya niobyumlama gibi farklı yöntemleri kapsar. Bu yöntemlerin amacı, yabancı element atomlarının iş parçasına difüzyonuyla malzemenin yüzeyini değiştirmektir. Bu suretle üretilen tabakalarla, malzemeler özel kullanım amacına uygun özellikler kazanır. Böylelikle düşük alaşımlı veya hatta alaşımsız çelik yüzeyine alaşım elementi biriktirmek suretiyle uygulanabilir. Borlama, termokimyasal işlem yoluyla iş parçasının yüzeyinin bor atomlarıyla zenginleştirilmesi olarak tarif edilen termo-difüzyonal yüzey işlemidir. Termal enerji yoluyla bor atomlarının iş parçasının yüzeyindeki metal latisin içerisine yayınması ve orada ana malzemenin atomları ile borürlerin oluşturulmasıdır. Galvanizleme, demir esaslı bir malzemenin sıvı çinko1anyosu içersine daldırılarak yüzeyinin koruyucu bir çinko tabakasıyla kaplanması işlemidir. Bu yöntemle: uzun daldırma süreleri yada alaşımlama tavı sırasında demir ve çinko arasında gelişen reaksiyonlar sonucunda kaplama içerisinde Fe-Zn faz diyagramında görülen fazlar oluşmaktadır. Emaye kaplama, kaplanan yüzeyin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile uygulanan proses açısından diğer kaplama yöntemlerinden farklı özellikler gösterir. Emayenin mükemmel yapışması, dekoratif görünümü, fiziksel ve kimyasal açıdan dış etkilere dayanımı ve yüksek korozyon direnci sağlaması nedeniyle özellikle çeliğin emaye kaplanması alanında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Özellikle emaye kaplama, emaye tekniklerinin son yıllarda geliştirilmesi ile sadece dekoratif amaçlı eşyalar, endüstriyel kazan ve kaplar, mutfak eşya ve cihazlarının kaplanmasında uygulanan yöntem olarak kalmamış; ulaşım, nakliye ve iş merkezlerinin bina ve yapı dış yüzeyinde kullanılan çelik esaslı malzemelerin kaplanması yönünde de uygulama alanı bulmaya başlamıştır. 5
Termal sprey kaplama teknolojisi: mevcut kaplama teknolojileri arasında en yaygın endüstriyel kullanım alanı bulmuş ve çok sayıda farklı yöntemin oluşturduğu bir kaplama teknolojisi ailesinin genel adıdır. Termal sprey kaplama teknolojisinde ana düşünce, metal ve alaşım yüzeylerinde ince ve koruyucu değeri yüksek aşınmaya dayanıklı bir kaplama tabakası meydana getirmektir. Böylece kaplanmış malzeme aynı anda metallerin tokluk ve şekillendirilebilme ile seramiklerin aşınma, korozyon ve yüksek sıcaklık dayanımı gibi üstün özelliklerine bir arada sahip olmaktadır Sol-jel prosesi, bir sıvı içerisinde bulunan katı taneciklerden oluşan kolloidal süspansiyonların (sol) oluşması ve sonrasında sürekli bir sıvı faz içerisinde üç boyutlu katı inorganik ağ yapılarının (jel) oluşmasını içerir. Sol-jel teknolojisi, çözelti formundan yola çıkılarak çok farklı uygulama alanına yönelik olarak seramik, cam veya kompozit malzemeler üretim tekniğine verilen genel isimdir. Fiziksel Buhar Biriktirme (FBB-PVD) yöntemi, katı haldeki bir malzemenin buharlaştırılıp veya sıçratılıp başka bir malzeme üzerinde biriktirilmesi anlamına gelmektedir. FBB yönteminde fizikokimya kurallarının geçerli olduğu katılaşma mekanizmalarının geçerli olmaması dikkat çekicidir. Bu yüzden bu yöntemler denge dışı işlemler olarak bilinmektedir ve her türlü katı malzeme üzerine hemen hemen her malzemeyi kaplamaya olanak sağlayabilmektedir. Polimer kaplamada ise, boyalı sac, galvanizli veya kaplamasız sacın yüzeyi temizlendikten sonra ön hazırlama işleminden geçirilip tek ya da her iki yüzeyine boya uygulanması ve fırınlanmasıyla elde edilen malzemedir. Ayrıca sıcak yada soğuk olarak plastik bir tabakanın (PVC film) sac yüzeyine preslenerek kaplanması (laminasyon kaplama) da boyalı sac üretimi konusu içerisine girmektedir. 6