BARTIN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ MALZEME LABORATUARI II DERSİ AKIMLI VE AKIMSIZ KAPLAMALAR DENEY FÖYÜ
Gelişen teknoloji ile beraber birçok endüstri alanında kullanılabilecek malzemelerden istenen ve beklenen özellikler de her geçen gün artmaktadır. Mevcut malzeme özelliklerinin istenen şartlara göre modifiye edilme gerekliliği de bu nedenlerle ortaya çıkmıştır. Birçok teknik alanda kullanılan malzemelerin yüzey özelliklerinin çevresel etkilere karşı korunabilmesi için yüzey kaplamaları tatbik edilmektedir. Ayrıca birçok sahada kullanılan elemanlardan optimum çalışmayı elde etmek ve bunu artırmak için de yüzey kaplamaları tatbik edilir. Metal ve alaşımlarına veya dışındaki diğer malzemelere uygulanan yüzey kaplamalarının amacı çok çeşitlidir. Bu amaçlardan başlıcaları aşınmaya, korozyona, ısıl etkilere ve benzeri dış etkilere karşı malzemeyi korumaktır. Ayrıca dekoratif görüntü de uygulama nedenlerinden biridir. Ancak kaplama uygulamaları çok fazla sayıda olup, amaca ve uygulanacak kaplamanın cinsine ve beklenen performansa göre kaplama uygulamasının türü de değişebilmektedir. 1-AKIMLI KAPLAMALAR: Akımlı kaplamalar denilince elektroliz prensiplerine dayalı doğru akım kaynağı yoluyla gerçekleştirilen kaplamalar anlaşılmaktadır. Bir tuz çözeltisine veya erimiş bir tuza batırılmış iki metal elektrot arasından bir akım kaynağı yardımıyla elektrik akımı geçirilecek olursa, elektrolitik iletkenlik yardımıyla devre tamamlanır. Elektrotların sıvıya batan kısımlarında bazı kimyasal olaylar meydana gelmektedir. Bu şekilde akım kaynağından sağlanan elektrik enerjisi kimyasal olayları meydana getirmek için kullanılmıştır. Meydana gelen bu değişmelerin tümüne elektroliz adı verilmektedir. Sülfürik asit çözeltisine daldırılmış Pt elektrotların olduğu ve iletken sistemler aracılığı ile bir güç kaynağından sağlanan anot katot potansiyel farkı yoluyla katot ve anotta reaksiyonların gerçekleştirildiği basit bir elektroliz hücresi aşağıda gösterilmiştir. a (Çözünmeyen Pt elektrot ile) Sülfürik Asit çözeltisinin elektrolizi (Şematik) : Şekil 1. Basit bir elektroliz hücresi
Katotta : 2H + + 2 é H 2 Anotta : SO = 4 2 é SO 4 (doymamış molekül grupları) SO 4 + H 2 O H 2 SO 4 + ½ O 2 (H 2 SO 4 + O) H 2 SO 4 2H + = + SO 4 Elektroliz olayının başlayabilmesi için katod ile anod arasına belirli bir en az (minimum) gerilimden yüksek değerde bir potansiyel farkı uygulanmaktadır. Potansiyel farkının bu minimum değerine ayrışma potansiyeli denilmektedir. Elektroliz esnasında pozitif yüklü iyonlar (katyonlar) negatif yüklü elektro da (katoda), negatif yüklü iyonlar(anyonlar) ise pozitif yüklü elektroda (anoda) göç ederler. Bu yüzden pozitif yüklü iyonlara katyon, negatif yüklü iyonlara da anyon adı verilmektedir. Katoda ulaşan katyonlar elektron alarak indirgenirler, anyonlar ise elektronlarını anoda vererek yükseltgenirler. Aynı hücre içindeki elektrolit örneğin bir asitli bakır sülfat çözeltisi olduğunda yukarıdakinden farklı reaksiyonların da meydana geldiği görülecektir. Buna ait şematik örnek aşağıda verilmiştir. b (Çözünmeyen Pt elektrot ile) Metal Sülfat çözeltisinin elektrolizi: Bu elektroliz uygulamasında farklı olarak Katot yüzeyinde indirgeme sonrası bakır (örneğin nikel, çinko gibi bir metal) in oluştuğu ve katot metalinin yüzeyini örttüğü görülecektir. Kaplama yapılması istenen metalin katoda asılarak, çözeltideki metal iyonlarının katot yüzeyine transfer edilen elektronları alması suretiyle yüzeyinde indirgendiği basit bir kaplama sistemi aşağıdaki Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Çözünmeyen anot sisteminde kaplama
Katotta: Cu ++ + 2 é Cu 0 (katotta toplanır, Cu kaplama) Anotta: = SO 4 2 é SO 4 (doymamış molekül grupları) SO 4 + H 2 O H 2 SO 4 + ½ O 2 (H 2 SO 4 + O) H 2 SO 4 2H + = + SO 4 Bir elektroliz hücresinde akımın iletilmesini sağlayacak olan iyonlar fazla ve farklı sayıda olabilirler. Bu durumda, anot ya da katotta önce reaksiyona girecek olan anyon ve katyonların sırasını onların minimum ayrışma potansiyeli (standart elektrot potansiyeli) belirlemektedir. Kaplanacak iyon, çözeltiye dışarıdan verilen bir metal tuzunun elektrolit içinde çözündürülmesiyle sağlanabileceği gibi, anodun çözündürülmesi yoluyla da sağlanabilir (Şekil 3). c (Çözünen metalik anot ile) Metal Sülfat çözeltisinin elektrolizi : Bu yöntemde en büyük fark anodunda çözünür olmasıdır. Çözeltide ihtiyaç duyulan iyonları banyoya asılmış anodun çözünmesi yoluyla sağlanmaktadır. Dolayısıyla elektrolitteki Cu ++ miktarı çözünen Cu anottan dolayı eksilmez, sabit kalır. Taki anot elektrot tükeninceye kadar. Şekil 3. Çözünen anot sisteminde metal kaplama hücresi Katotta: Cu ++ + 2 é Cu (katot yüzeyinde toplanır) Anotta: SO 4 = 2 é SO 4 (doymamış molekül grupları)
Cu 0 + SO 4 CuSO 4 CuSO 4 Cu ++ + SO 4 = 2-AKIMSIZ KAPLAMALAR Akımlı kaplamalar gibi akımsız kaplamalar da dekoratif özelliğinden korozyon direncini sağlamaya kadar pek çok niyetle yapılır. Akımsız kaplama (electroless plating), elektrik akımı kullanmadan atomlarının otokatalitik kimyasal indirgeme yöntemi ile elde edilerek metal, seramik veya polimer yüzeyine kaplama tekniğidir. Pratikte bu amaç için nikel büyük kullanım alanına sahiptir. Günümüzde nikel kaplama modern yüzey teknolojisinin en çok kullanılan proseslerinden biri haline gelmiştir. Akımsız olarak elde edilen kaplamalar banyo içeriğine bağlı olarak saf nikel katmanları halinde veya daha çok nikel fosfor veya nikel bor gibi alaşımları halinde olmaktadır. Nikel kaplamalar nikel tuzlarını içeren bir çözeltiye daldırılmış ve yüzeyi iletken veya katalitik bir malzeme üzerinde redükleyicinin etkisi ile nikel iyonlarının nikel metaline dönüşmesi sonucu elde edilir. Bu kaplama sisteminin diğer yöntemlere göre en önemli farkı çözeltide askıda duran çeşitli tozların da kaplanabilmesidir. Bu kaplamaların bazı üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir; Aşınmaya dirençli ve ısıl işlem sayesinde yüksek sertlik değerlerine ulaşabilirler. Metal veya metal olmayan yüzeylere bile belirli bir ön işlemden sonra rahatlıkla kaplanabilirler. Düzgün olmayan yüzeylere dahi eş kalınlıkta ve çözelti ile temas eden her bölgede kaplama meydana gelir. Gerek kitlesel (tambur), gerekse askıda kaplama yapımına uygun bir kaplama yöntemidir. Çözeltideki metal iyonunun indirgenebilmesi için kendisinin oksitlenip, iyonu indirgeyeceği çeşitli redükleyici maddelere ihtiyaç duyulur. Banyolarda kullanılan bazı redükleyiciler şunlardır: hipofosfit, borhidrür, aminobor ve hidrazin vb.
Banyolar çözeltinin ph ına göre şu şekilde sınıflanmaktadır: a) alkali banyolar hipofosfitli, bor hidrürlü banyolar. b) asidik banyolar hipofosfitli, aminoborlu banyolar. Akımsız kaplama aşamaları aşağıdaki şemada verilmiştir: Seramik Metal Polimer Yüzey Temizleme (Alkali çözelti Aseton vb) Seramik -Polimer Hassaslaştırma (SnCl çözeltisi) Akımsız Kaplama Aktivasyon HCl, H 2 SO 4 PdCl 2 Nikel iyonlarının redüksiyonu aşağıdaki reaksiyon ile oluşur: Katalitik Ni +2 + H 2 PO - 2 + H 2 O Ni 0 - + H 2 PO 3 + 2H + (4)