İndirmek için tıklayınız.
Transkript
İndirmek için tıklayınız.
2. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ BÖLÜM 2 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Elektrometal Kaplama Tekniği Ders İçeriği 1. Ders : 2. Ders : 3. Ders : 4. Ders : 5. Ders : 6. Ders : 7. Ders : 8. Ders : 9. Ders : 10. Ders : 11. Ders : 12. Ders : 13. Ders : 14. Ders : 15. Ders : 16. Ders : 17. Ders : 18. Ders : 19. Ders : 20. Ders : Elektrometal kaplamanın temel prensipleri, Bölüm 1 Elektrometal kaplamanın temel prensipleri, Bölüm 2 Cilalama (Polisaj) ve Parlatma Temizleme ve Paklama Kaplama banyosu kontrol unsurları Kaplama banyoları, Bölüm 1 (Cd, Cu, Cr) Kaplama banyoları, Bölüm 2 (Au, In, Fe) Kaplama banyoları, Bölüm 3 (Pt metalleri, Ni, Pb) Kaplama banyoları, Bölüm 4 (Ag, Sn, Zn) Alaşım kaplama banyoları, Bölüm 1 (Pirinç, Bronz, Altın) Alaşım kaplama banyoları, Bölüm 2 (Pb-Sn, Ni-Sn, Ni-Zn) Kimyasal son işlemler (Kromatlama, Fosfatlama), Metal renklendirme, Laklama, Elektrikli boyama Elektriksiz kaplama, Vakumlu ve Buharlı kaplama, Yalıtkan malzemeleri kaplama Kaplanmış metallerin test edilmesi, özellikleri, kaplama işlemlerinde kalite kontrol Anodik işlemler : Elektrikli parlatma, Anodlama, Elektrokimyasal bileme, Machining, Korozyon 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 Özel kaplama teknikleri, Bölüm 2 : Zor metalleri kaplama,, Elektrikli şekil verme Özel kaplama teknikleri, Bölüm 3 : Baskı devre kaplama, Manyetik alaşım kaplama, Elektrik akımıyla kaplama Mühendislik açısından metal kaplama Ticari açıdan metal kaplama Sayfa 1 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ 2. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ, BÖLÜM 2 İÇİNDEKİLER Kaplama çözeltisinde direnç ve iletkenlik Kaplama banyosunun asitliği ve pH Daldırma kaplama Elektrik potansiyel serilerinin özeti Elektrokaplamada akım yoğunluğu Basit alan hesaplamaları Ortalama akım yoğunluğu Anot akım yoğunluğu Akım yoğunluğunun kontrolü Kaplamada akım verimi Anot ve katot verimlerinin belirlenmesi Kaplama banyosunda polarizasyon Konsantrasyon eşik gerilimi Aktifleşme eşik gerilimi Omik eşik gerilimi Anot eşik gerilimi (Polarizasyon) Dağılma gücü ve metalin dağılması Akım dağılımının kontrolü Katot verilimi Mikrodağılma gücü Metal kaplama nasıl meydana gelir Kaplamada kristal çekirdek büyüklüğünü kontrol yöntemleri Elektrokaplamada genel teknikler Özel kaplama teknikleri Problemlerin cevapları Ders 2 Sınavı Dipnotlar Sayfa 2 3 5 8 12 13 15 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 33 35 36 38 41 45 47 48 49 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 : (SABİT) x (KABLO UZUNLUĞU) KABLONUN DİRENCİ = (OHM) (KABLO KESİT ALANI) Sembollerle ifade edersek KxL R= (1) 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/Rlevha = 1/r + 1/r + 1/r + . . . m adet küp için veya 1/Rlevha = m/r ve Rlevha = r/m Şimdi bu levhalardan n tanesinin seri bağlandığını düşünelim. Toplam hacmin direnci Rtoplam = r/m + r/m + r/m + . . . n adet levha için Rtoplam = 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 = 100.000 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) R= (100) x (100.000 cm) x (1.000.000) = 32,7 Ohm (0,52 cm²) TABLO 1-A. KATI İLETKENLERİN ÖZGÜL DİRENÇLERİ MALZEME ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak) Gümüş Bakır Altın Aluminyum Pirinç Demir Paslanmaz Çelik 1,6 / 1.000.000 1,7 / 1.000.000 2,4 / 1.000.000 2,8 / 1.000.000 7,0 / 1.000.000 10,0 / 1.000.000 70,0 / 1.000.000 1,6 x 10–6 1,7 x 10–6 2,4 x 10–6 2,8 x 10–6 7,0 x 10–6 10,0 x 10–6 70,0 x 10–6 1 TABLO 1-B. KAPLAMA BANYOLARININ ÖZGÜL DİRENÇLERİ BANYO ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak) Krom Bakır (sülfat) Siyanürlü Çinko Kadmiyum Siyanürlü Pirinç Bakır (Roşel) Saf Su 2,0 5,6 6,8 7,8 12,4 14,3 20 x 106 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 (C#) x A (3) Burada C# = 1/K, C= L 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 45 – 60 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 (H2O). 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 10.000.000 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 (H2O)meydana getirirler. Sayfa 5 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 H+ + OH– Æ H2O Hidroksil kökü ile hidrojen iyonları birbirleri ile kuvvetli reaksiyona girdiklerinden 100.000.000.000 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 Æ Na+ + (OH)– H2O 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 2. 10’ UN KATLARI (10) = (10) (10) x (10) = 100 (10) x (10) x (10) = 1.000 (10) x (10) x (10) x (10) = 10.000 (10) x (10) x (10) x (10) x (10) = 100.000 Matematikte (10) x (10) veya (10)(10) şeklindeki bir çarpım ifade edilmek istendiğinde bunun yerine 10’ un kendisi ile çarpıldığını ifade etmek için 102 ifadesi kullanılır. (Ders 1’de büyük rakamlarla çalışmıştık.) Benzer şekildetablodaki 103 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 100.000.000.000.000 litre suda 1 gram ise, kısaca 1014 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 10.000.000 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 100.000 litrede 1 gram ile 1.00.000 litrede bir gram arasında bir yerde olduğu sonucunu çıkarırsınız. Eğer logaritma 6 bilginiz varsa konsantrasyonun tam değerinin 630.957 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 1 litre suda 1 gram 100 litrede 1 gr. 5 0 10 litre suda 1 gram 101 litrede 1 gr. 1 100 litre suda 1 gram 102 litrede 1 gr. 2 1.000 litre suda 1 gram 103 litrede 1 gr. 3 10.000 litre suda 1 gram 104 litrede 1 gr. 4 100.000 litre suda 1 gram 105 litrede 1 gr. 5 1.000.000 litre suda 1 gram 106 litrede 1 gr. 6 10.000.000 litre suda 1 gram 107 litrede 1 gr. 7 (SAF SU – NÖTR) 100.000.000 litre suda 1 gram 108 litrede 1 gr. 8 1.000.000.000 litre suda 1 gram 109 litrede 1 gr. 9 10.000.000.000 litre suda 1 gram 1010 litrede 1 gr. 10 100.000.000.000 litre suda 1 gram 1011 litrede 1 gr. 11 1.000.000.000.000 litre suda 1 gram 1012 litrede 1 gr. 12 10.000.000.000.000 litre suda 1 gram 1013 litrede 1 gr. 13 100.000.000.000.000 litre suda 1 gram 1014 litrede 1 gr. 14 ÖRNEK 3 Çözüm pH ( İNDİS ) : Hidrojen iyonu konsantrasyonu 0,0001 gram/lt. olan bir banyonun pH’ ı nedir? : 0,0001 gr/lt = 10.000 litrede 1 gram 10.000 = 104 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 (ok yönünde) POTANSİYEL (Volt) KISALTILMIŞ GÖSTERİLİM Magnezyum Æ Magnezyum iyonu + 2,37 Mg° Æ Mg++ + 2 e– Aluminyum Æ Aluminyum iyonu + 1,67 Al° Æ Al+++ + 3 e– Çinko Æ Çinko iyonu + 0,76 Zn° Æ Zn++ + 2 e– Demir Æ Demir iyonu + 0,43 Fe° Æ Fe++ + 2 e– Kadmiyum Æ Kadmiyum iyonu + 0,40 Cd° Æ Cd++ + 2 e– Nikel Æ Nikel iyonu + 0,22 Ni° Æ Ni++ Kalay Æ Kalay iyonu + 0,14 Sn° Æ Sn+++++ 4 e– Kurşun Æ Kurşun iyonu + 0,13 Pb° Æ Pb++ + 2 e– Hidrojen Æ Hidrojen iyonu 0,00 H2 Æ 2 H++ + 2 e– Bakır Æ Bakır iyonu – 0,34 Cu° Æ Cu++ + 2 e– Cıva Æ Cıva iyonu – 0,79 Hg° Æ Hg++ + 2 e– Gümüş Æ Gümüş iyonu – 0,80 Ag° Æ Ag+ + 1 e– Platin Æ Platin iyonu – 1,2 Pt° Æ Pt++ + 2 e– Altın Æ Altın iyonu – 1,50 Au° Æ Au+++ + 3 e– Altın Æ Altın iyonu – 1,70 Au° Æ Au+ + 2 e– + 1 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 : 1. 3. 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 AKIM YOĞUNLUĞU 9 = TOPLAM AMPER / TOPLAM ALAN C=I/A (4) Akımı yalnız bırakırsak TOPLAM AKIM = AKIM YOĞUNLUĞU x TOPLAM ALAN (5) I=CxA 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sayfa 15 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 + 628 cm² + 155 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 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 Verim = (Elde edilen yararlı enerji) x 100 = 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 (360.000 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 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 (Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100 Katot Verimi = (Teorik olarak kaplanabilecek metal miktarı) veya (Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100 ec = (Faraday’ ın ilk kanununa göre metal miktarı) Anot için de ANOT VERİMİ olarak kısaltırsak, (Gerçekte çözünen metal miktarı) x 100 Anot Verimi = (Teorik olarak çözünebilecek metal miktarı) veya (Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100 ec = (Faraday’ ın ilk kanununa göre çözünebilecek metal miktarı) Bu oran bizim için daha anlamlıdır çünkü kaç coulomb uyguladığımızda ne kadar kaplama yapacağımızı veya karşılığında ne kadar metal çözüneceğini verir. KATOT (ve ANOT) VERİMİ metal kaplamak için ne kadar elektrik (coulomb) kullandığımızın ölçülmesi işlemidir. Gördüğünüz gibi Faraday Kanunları daima doğrudur fakat uygulanan coulombun tümü yararlı şekilde kaplama işinde kullanılamaz. Öyle ise uygulanan coulombun birazı başka bir reaksiyonda harcanmaktadır. Eğer banyoda metalle birlikte biraz da hidrojen kaplanması gibi bir durum sözkonusu ise, enerjinin bir kısmı faydası olmayan, hatta zaman zaman kaplamaya zararlı olan bu işte kullanılıyor demektir. Yahut katotta (veya anotta) sizin haberiniz olmadan başka bir kimyasal reaksiyon bu coulombları harcıyor olabilir. Esasında katot veriminin bize söylediği kullanılan toplam elektriğin (coulomb) ne kadarının metali kaplamak için harcandığıdır. Gerisi boşa gitmiştir. Normal şartlarda asitli bakır banyosunun katot verimi çok yüksektir (%98,7 – 99,9 arasında). Bu kullanılan her 1000 coulomb elektriğin 987 ila 999’ unun bakır kaplamak için kullanıldığını gösterir. Öte yandan bir siyanürlü bakır banyosunda katot verimi %34 civarındadır. Yani her 100 coulombun sadece 34’ ü kaplama işinde kullanılır. Krom kaplamada bu değer daha yüksektir. Çoğu durumda katot verimi %10 – 12 gibi daha düşük değerdedir. Şimdi katot ve anot verimi ile ilgili bazı hesaplamalar yapacağız. ÖRNEK 9 : Bir siyanürlü bakır banyo çözeltisinde 2 amper-saat elektrikle kaplanan metal miktarı 2,8 gr.dır. Katot verimi nedir? Çözüm : Ders 1, sayfa 10’ daki Basitleştirilmiş Faraday Tablosu’ ndan bir siyanürlü bakır banyosundan her 100 amper-saat elektrik geçirildiğinde teorik olarak 238,14 gr. (8,4 ons) bakır kaplanır. Bu 1 amper-saat ile 2,38 gr. bakır kaplanacağı anlamına gelir. 2 amper-saatte 2 x 2,38 = 4,76 gr. bakır kaplanmalıdır. Bu durumda katot verimi ec = 2,8 x 100 / 4,76 = %58,8 dir. ÖRNEK 10 : Örnek 9’ daki kaplama işi esnasında bakır anottan çözünen bakır miktarı 2,27 gr.dır. Anot verimi nedir? Çözüm : (Gerçekte çözünen metal miktarı) x 100 Anot Verimi = (Teorik olarak çözünebilecek metal miktarı) ea = 2,27 x 100 / 4,76 = %47,5 ÖRNEK 11 : Deney 9’ daki çalışma koşullarında iken, 2,15 A/dm² akım yoğunluğunda 18,6 dm² lik katot yüzeyine 226 gr. bakır kaplamak ne kadar sürer? Çözüm : Kaplamanız gereken ağırlığı, katot verimini ve toplam akımı (2,15 A / dm² x 18,6 dm² = 40 Amper) biliyorsunuz. Bilmediğiniz tek şey süredir. Ağırlık = (Faraday Sabiti) x (Toplam Akım) x (Zaman) x (Verim) veya W = K x I x T x ec Sayfa 21 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Zamanı çekersek T = W / (K x I x ec) = 226 gr. / [ (2,38 gr/amper-saat) x (40 Amper) x (0,59) ] T = 4,02 saat buluruz. Buradaki birimler Ders 1’ de ele alınmıştı. Saat dışındaki birimler birbiriyle sadeleşir ve sonuç saat olarak bulunur. Hangi birimlere göre hesaplanmış olursa olsun birbirini götüreceğinden verimin bir birimi olmayacağına dikkat edin. PROBLEM 11 : * 23 dm² yüzey alanına sahip bir katotta 110 gr. nikel kaplanmıştır. İzin verilen en yüksek akım yoğunluğu 4,3 A/dm² ve ec %95’ tir. En yüksek akım yoğunluğunda bu kaplamayı yapmak ne kadar sürer? Daha önce de bahsedildiği gibi katot ve anot verimi her çalışma şartında aynı değildir. Bir asitli bakır banyosunda katot verimi pratikte %100’ e ulaşabilir oysa standart bir krom banyosunda %14 gibi düşük bir değer alır. Yani verim kaplanan veya çözünen metalin cinsine bağlıdır. Verimi etkileyen diğer büyüklükler, 1. Banyonun kimyasal bileşimi 2. Kullanılan akım yoğunluğu 3. Sıcaklık 4. Kaplama banyosunu karıştırma Bir kaplamacı olarak sizi ilgilendiren bu değerleri kontrol edip ayarlayarak mümkün olan en yüksek verimi elde etmektir. Daha verimli katot daha az elektrik enerjisi kayıbı ve verilen işi belirli bir akımda daha çabuk bitirme anlamına gelir. Aslında güç kaybı daha önce de gördüğünüz üzere genellikle sizin için çok da önemli değildir fakat elektriğin fiyatı yükseldikçe daha önemli hale gelmeye başlar. Peki zamandan tasarrufu ne yapacağız? Güç kayıpları için para ödeyerek fazla enerji harcayabilirsiniz fakat zaman satın alamazsınız. Eğer banyonun katot verimi sadece %50 ise bu belli bir sürede tam verimde kaplayabileceğiniz metalin ancak yarısını kapladığınız anlamına gelir. Maksimum akım yoğunluğunda çalıştığınızı varsayarsak, %100 akım veriminde kapladığınız sürenin iki katı sürede kaplıyorsunuz demektir. Bir başka önemli nokta anot ve katot veriminin mümkün olduğunca birbirine yakın olması gerektiğidir. Bunun nedeni açıktır. Eğer katot verimi anot veriminden daha yüksek olursa sürekli çek yazan fakat yazdığı miktarı bankaya yatırmayan adama benzer bir durum ortaya çıkar. Bir süre sonra bankadan aranacak ve çeklerin karşılığı sorulacaktır. Kaplama çözeltisindeki metal iyonları tükenir ve çalışma koşullarını tekrar kazanabilmesi için bakıma ihtiyaç hisseder. Bu da zamandan ve işgücünden kayıp demektir. Madalyonun öbür yüzüne bakarsak, anot veriminin katot veriminden daha yüksek olması da istenmeyen bir durumdur fakat ilki kadar kötü bir durum değildir. Bu durumda kaplama çözeltisi metal iyonları bakımından gittikçe daha zengin hale gelir. Fazla metal iyonları er geç banyonun çamurunda çökelecek veya çözeltide mevcut bulunan asit yahut alkali kökleriyle birleşerek çözeltinin normal pH değerini yükseltecek ya da düşürecektir. Bu durum da banyoyu normal çalışma değerlerine döndürmek için zaman harcamanıza neden olacaktır. Aslında anot veriminin katot veriminden çok az bir miktar büyük olması, çözeltiye fazladan biraz metal karışmasına sebep olması ve bunun da banyoda kaplanan malzemeyi çıkarırken üzerinde giden metali dengelemesi nedeniyle istenen bir durumdur. Kaplama ve kirlenme kontrolünde malzeme çıkarılırken üzerinde giden bu az miktardaki çözeltinin büyük önemi vardır, bunu başka bir bölümde anlatacağız. Uygulamada ideal koşullar nadiren elde edilebilir, genellikle anot ve katot verimleri arasındaki %10-15’ lik fark oldukça yeterlidir. ANOT VE KATOT VERİMLERİNİN BELİRLENMESİ Çoğu kaplama banyosunda anot ve katot verimleri çalışma açısından yeterli derecede bilinir. Eğer çalışan kaplama banyosunun anot veya katot verimini belirlemenizi gerektiren bir durum varsa en basit yöntem anodun veya katodun tartılması, sonra da belli bir akımda ve belli bir sürede kaplama yapılmasıdır. Kaplama boyunca her beş dakikada bir akım değerleri ölçülür ve sonunda bunların ortalaması alınır. Kaplama tamamlandığında anot veya katot durulanır, kurutulur ve tekrar tartılır. Not: Anot verimini test ederken anodun üzerine yapışmış olabilecek metal parçacıklarını da tarttığınızdan emin olun. Bu anot verimini belirlerken en çok karşılaşılan hata unsurudur. Tartımdan sonra, (Katodun ilk ağırlığı) – (Katodun son ağırlığı) Katot Verimi = x 100 (Ortalama akım) x (Saat olarak süre) x (Faraday sabiti) Sayfa 22 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 (Anodun ilk ağırlığı) – (Anodun son ağırlığı) Anot Verimi = x 100 (Ortalama akım) x (Saat olarak süre) x (Faraday sabiti) Tartım mümkün olduğunca hassas yapılmalı, tercihen en az 0,001 gram hassasiyetinde olmalıdır. Test edilen kaplama banyosuna seri bağlanmış bir asitli bakır banyosunun KULOMETRE (voltametre) olarak kullanılması da mümkündür. Bakır anodun tartılması size geçen coulombu verir (bu banyonun katot verimini %100 olarak alabilirsiniz). Payda ve test edilen kaplama banyosunun katodunun tartılması da kaplanan metal miktarını verir. Ya da hassas bir amper-saat metre kullanarak devreden geçen coulombu belirleyebilirsiniz. Not : Anot veya katot veriminin doğrudan doğruya büyük bir kaplama banyosunda test edilmesinin pratik uygun olmadığı açıktır. Çoğu durumda bu testler banyodaki değerlere mümkün olduğunca yakın anot ve katot akım yoğunlukları ve sıcaklık değerlerine ayarlanmış küçük bir kavanoz veya beherdeki çözeltide yapılmalıdır. Özetle, 1. Anottan katottaki kaplanan metale akan elektriğin tesirini belirlediğinden katot ve anot verimleri kaplamada çok önemlidir. 2. Enerji ve zamandan tasarruf etmek için (zaman daha önemlidir) katot verimi mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. 3. Anot ve katot verimlerinin birbirine hemen hemen eşit, banyonun uzun süre dengeli çalışması için eğer mümkünse anot veriminin katot veriminden çok az yüksek olması arzu edilir. 4. Eğer anot ve katot verimleri arasında büyük fark varsa kaplama banyosu hızla bozulacak, normal çalışma koşullarını tekrar sağlamak bize çok değerli olan zamana ve işgücüne malolacaktır. 5. Anot ve katot verimleri metallerinin özelliklerine, kaplama banyosunun kimyasal bileşimine, banyonun sıcaklığına, akım yoğunluğuna ve karıştırmaya bağlıdır. Tabiri caizse her metal kendi kurallarına göre kaplanır. Yukarıdaki etkenler aracılığıyla elektrot verimlerinin denetim altında tutulması kaplama banyolarını ayrı ayrı işleyeceğimiz Ders 5 – 10 arasında ele alınacaktır. KAPLAMA BANYOSUNDA POLARİZASYON Akım yoğunluğu ile ilgili olan bölümde anotta meydana gelen POLARİZASYON durumundan bahsedilmişti. Polarizasyon nedir? En basit tabirle, bir kaplama banyosundan elektrik akışı esnasında meydana gelen, o çalışma şartlarında teorik olarak olması beklenenden daha fazla veya ilave dirençtir. Bu dirence hem anot hem de katodun yakınındaki çözeltide rastlanılabilir. Anot veya katot polarizasyonu şeklinde bahsedilir. Bir kaplamacı olarak sizin için katot polarizasyonu kaplamanın yapısını etkilediğinden anot polarizasyonundan daha önemlidir. Önce bu durumu ele alalım. Sayfa 23 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sıradan bir nikel banyosunda çalıştığınızı ve elektrik potansiyel serileri tablosuna göre katotta 0,22 Voltluk gerilimin nikel kaplanmasına yeterli olduğunu varsayalım. Ayrıca anodun mükemmel anot olduğunu, çözeltiye göre daima sıfır potansiyelde ve sıfır dirençte bulunduğunu farzedelim. Bu durumda 0,22 Volt uyguladığımızda biraz nikel kaplanacaktır. Fakat gerçekte bu olmaz. Gerilim 0,40 Volt’ a yükseldiğinde bir akım ölçülmeye ve nikel kaplanmaya başlar. Fazladan uygulanan bu gerilim teorik olarak kaplama için kullanılır ve Eşik Gerilimi olarak adlandırılır. Bizim örneğimiz için bu gerilimin büyüklüğü 0,40 – 0,22 = 0,18 Volt veya 180 milivolt’ tur. Şekil 18’ i gözönüne alalım. Kaplama yapmak için daha fazla enerji kullanmanız gerektiği çünkü gerilim eşiğini 12 aşmak için elektriğin coulombunu yükseltmeniz gerektiği anlaşılır. Zaman birimini bir saniye alırsak sabir akımda yapılan elektriksel iş I.E.t olacaktır. E’ yi iki parça halinde ele alırsak, teorik kaplama (çözülme) gerilimi Ed ve kaplama için kullanılan eşik gerilimi Eo ise, (6) E = Ed + Eo ve yapılan toplam elektriksel iş I.t x (Ed + Eo) dır. Burada I.Eo harcanan enerjidir. Ohm Kanunu’ na göre (E = I.R) potansiyel bir dirençten akan akım olarak tanımlanabilir. Öyleyse, (7) E = I.Rd + I.Ro ve yapılan iş (8) İş = I.t. (I.Rd + I.Ro) = I2.( Rd + Ro) . t 13 Akım sabit ise kullanılan ekstra enerjiyi I2Rot düşünebiliriz. Burada Ro polarizasyona (direnç) ve IRo eşik gerilimine (kaplama işi için harcanan gerilime) eşittir. Açıklamak için kaba bir yol olsa da, “Eşik Gerilimi” tabiri “Polarizasyon”dan daha doğaldır. Siz hangisini uygun görürseniz onu kullanabilirsiniz. KONSANTRASYON EŞİK GERİLİMİ Şekil 19’ daki gibi bir asitli bakır banyosundaki katodu düşünelim. Akım akmaya başladığında bakır iyonları hemen katotta birikmeye başlar ve 2 saniyeden daha kısa bir zaman aralığında katodun yakın çevresindeki bakır iyonları azalır veya tükenir. Bu eksikliği gidermek için bakır iyonları elektrik akımıyla göç eder ve doğal olarak katoda doğru yayılır. Bakır iyonları tabakası uzaklaştırılır ve onlardan boşalan yerler çevredeki bakır iyonları tarafından doldurulur. Örneğin, hidrojen iyonları saniyede 3,5 mm. ile en hızlı hareket eden iyonlardır, bu nedenle sadece elektriksel göç akım akmaya devam ederken katottaki daha fazla bakır talebini karşılamaz. Bu durumda talebi karşılamak için Difüzyon (yayılma) devreye girer. Difüzyon kaplama çözeltisinin daha yoğun olan bölgesinden az yoğun olan bölgesine doğru meydana gelen ve denge haline geçmek için yapılan doğal bir karışma çabasıdır. Tıpkı ısının sıcak olan yerden soğuk olana doğru yayılması gibi (Enerjinin hangi özelliğidir?) bir kaplama çözeltisindeki bakır iyonları da yüksek Sayfa 24 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 konsantrasyonda oldukları yerden daha düşük konsantrasyonda oldukları yere doğru hareket ederler. Bu işlem DİFÜZYON 14 olarak adlandırılır. Bakır iyonlarının kaplanarak ortamdan uzaklaştığı katotta bakır iyonu konsantrasyonu minimum seviyededir. Buradan biraz uzaktaki kaplama çözeltisinin incelmiş veya tükenmiş tabakasının sona erdiği yerde bakır iyonları konsantrasyonu çözeltinin geri kalanıyla aynıdır. Difüzyonun doğası gereği bakır iyonları dengeye gelmek için daha seyrek oldukları tabakaya göçerler. Sabit ve maksimum değerin altındaki elektrik akımında kaplanan miktardakine eşit miktarda iyon difüzyonla ve göçme ile katot civarına gelir ve denge haline ulaşılır. Eğer elektrik akımı yükseltilirse Faraday Kanunu’ na göre katottaki bakır iyonu ihtiyacı artacaktır. Doğal difüzyon işlemi bu ihtiyacı daha önce denge durumundayken olduğunun tersine tam olarak karşılayamaz ve KATOT TABAKASI bakır iyonları açısından daha fakir hale gelir. Bu fakir tabaka artık çözelti tarafından tam olarak doldurulamaz, katottaki bakır tabakası yeniden çözülme eğilimi gösterir (Enerjinin hangi özelliği?) çünkü çözelti basıncı iyon basıncı ile karşılaştırıldığında normal değerinden daha yüksek hale gelmiştir (Sayfa 13’ e bakın) yani bir potansiyel alanı oluşmuştur (çok küçük de olsa belirlenebilecek miktardadır) ve yönü banyoya uygulanan gerilime zıttır. Ders 1’ de işlediğimiz gibi eğer 12 Volt’ luk bir pile 6 Volt’ luk bir pili ters bağlarsak, net sonuç olarak iki pilin ürettiği toplam gerilim 12 – 6 = 6 Volt olacaktır. Bu demektir ki 6 Volt’ luk bir pile bir başka pili ters bağlayarak 12 Volt elde etmek istiyorsak 18 Volt’ luk pil kullanmalıyız. Tabi ki burada enerji kaybı olduğu açıktır. Bu özel olaya Konsantrasyon Eşik Gerilimi veya Konsantrasyon Polarizasyonu denir. Konsantrasyon kelimesinin kulanılmasının nedeni bunun konsantrasyon farkından dolayı oluşmasındandır. Daha sonra göreceğimiz üzere anotta da bunun zıttı olan bir olay benzer şekilde cereyan eder. Katottaki ince elektrolit tabakasına geri dönelim. Daha fazla bakır kaplamak için gerilimi arttırmaya çalışırsak sonuçta bakır iyonlarından oluşan tabakayı tamamen tüketmiş oluruz ve bir başka elektrot reaksiyonu meydana gelir, HİDROJEN KAPLANMAYA BAŞLAR (daha önce bundan bahsetmiştik). Katodun yakınlarında bakır iyonu kalmamıştır. BU ESNADA KAPLAMA GERİLİMİ YÜKSEKTİR, KATOTTA GAZ ÇIKIŞI OLUR, METAL KAPLANMAZ VEYA YANIK KAPLANIR, KATOT VERİMİ İSE NEREDEYSE SIFIRA KADAR DÜŞMÜŞTÜR. AKTİFLEŞME EŞİK GERİLİMİ Toplam eşik gerilimini etkileyen bir diğer faktör de Aktifleşme Eşik Gerilimi’ dir. Katodun yapıldığı metalin ve yüzey yapısının doğası gereği kaplama yapmak için bu ilave gerilim uygulanmalıdır. Örneğin, çelik yüzeye krom kaplama pirinç üzerine kaplamadan daha yüksek elektrik potansiyeli gerektirdiği için metalin yapısının etkisinden sözediyoruz. Ayrıca yüzey yapısı ile bir başka şey daha biliyoruz ki, mesela pürtüklü platin yüzeye düşük gerilimde hidrojen gazı kaplanır ve pürüzsüz bir hal alır. Eşik geriliminin veya polarizasyonun bu hali motor yatağındaki sürtünmeye benzer. Metallerin bazı birleşimlerinin daha düşük sürtünme direnci sağladığından sürtünmeye daha dayanıklı yüzeyleri olduğunu ve sürtünme yüzeyi yapısının da motor yatağındaki sürtünme direncine etki ettiğini biliyoruz. Genellikle eşik geriliminin bu şekli 0,20 ila 0,30 Volt arasındadır. En çok nikel, demir ve kobalt kaplamada bulunabilir. Bakır ve diğer birkaç metalin aktifleşme eşik gerilimleri sıfır çok yakın ve ihmal edilebilir kadar küçüktür. Hidrojen eşik gerilimi bir diğer muhtemel polarizasyon kaynağıdır. Hidrojenin iyonik forma geçtiğinde metal iyonu gibi davrandığı unutulmamalıdır. Bu nedenle elverişli bir durum ortaya çıktığında katotta tıpkı metal iyonu kaplanıyormuş gibi kaplanacaktır. Daha önce metal kaplamada aktifleşme eşik geriliminden bahsettiğimiz gibi hidrojen kaplanırken de bu gerilimden bahsederiz. Buna hidrojen eşik gerilimi denir. Kaplanan metalin çeşidine bağlı olarak (ve tabii ki yüzey yapısına) hidrojen eşik gerilimi çok az veya göreceli olarak daha büyük değişiklikler gösterir. Örneğin bir parça platinize platin (siyah platin) için eşik gerilimi neredeyse sıfırdır. Bu bir parça platinize platin üzerine uygulamada 0,03 Volt denge potansiyelinde hidrojen kaplanacağı anlamına gelir. Öte yandan çinko üzerine hidrojen kaplarken eşik gerilimi 0,75 Volt’ tur. Bu son durum elektrik potansiyel serisinde hidrojenden daha yukarıda olmasına rağmen sulu çözeltiden çinkonun kaplanarak uzaklaştırılmasına imkan vermesi bakımından oldukça dikkate değerdir. Tablo 4’ e bakın ve çinko iyonu potansiyelinin hidrojenden 0,76 Volt yüksek olduğuna dikkat edin. Bu nedenle hidrojen ve çinko iyonları ihtiva eden bir sulu çözeltide hidrojen çinkodan daha önce kaplanır. Öyleyse çözeltideki çinkoyu bakır üzerine kaplayarak uzaklaştırmaya çalıştığınızda bu kaplama olmayacak, sadece hidrojen baloncukları ve gaz çıkışı gözlemlenecektir. Burada eşik gerilimi yardıma yetişir. Hidrojenle birlikte çok küçük miktarda çinko kaplanacaktır fakat yeterli değildir. Yüzeyde bir miktar çinko birikir birikmez hidrojen artık eskisi kadar kolay kaplanmaz. Çinko üzerine hidrojen kaplanması için 0,75 Volt eşik gerilimini aşmalıdır, bunu da kolay kolay yapamayacağından artık hidrojen kaplanmayacak ve çinko kaplanmaya devam edecektir. Bazı durumlarda biraz önce anlatıldığı gibi hidrojenin aktifleşme eşik gerilimi uygulama açısından çok önemlidir. Tablo 6’ da basitleştirilmiş hidrojen eşik gerilimleri verilmiştir. Sayfa 25 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 TABLO 6. YAKLAŞIK OLARAK HİDROJEN EŞİK GERİLİMLERİ 14 METAL VOLT Platinize platin Altın Demir Bakır Karbon Çinko Nikel Gümüş Kadmiyum 0,030 0,390 0,557 0,584 0,700 0,750 0,750 0,760 1,130 OMİK EŞİK GERİLİMİ Son olarak omik eşik geriliminden bahsedeceğiz. Çalışan bir kaplama banyosundaki KATOT TABAKASI belli bir elektriksel dirence sahiptir. Eğer bu tabakadaki METAL İYONLARI veya iletken olarak davranan diğer tip iyonlar tüketilirse elektriksel direnç yükselecektir. Buradaki durum konsantrasyondaki değişime bağlı olan KONSANTRASYON EŞİK GERİLİMİ’ nden farklıdır. Bir dirençten akım akarken gerilim düşmesine neden olur (Ohm Kanunu’ ndan E = I.R) ve bu enerji kaybına OMİK EŞİK GERİLİMİ veya OMİK POLARİZASYON denir. Sadece akım taşıyan iyonların tüketilmesinden dolayı değil, aynı zamanda katot yüzeyinde herhangi bir nedenle oluşan bir film tabakası yüzünden de katot yüzeyine yakın tabakadaki elektrik direnci yükselecektir. Bu film tabakası gaz veya katı bir yapıda olabilir (tüketilen katot filmi akışkan bir film olarak düşünülebilir). Örneğin, uygun şekilde temizlenmemiş katodun yüzeyinde yalıtkan bir film tabakası mevcut olabilir. Yüksek akım yoğunluklarında bazik bileşikler katotta çökelecek ve direnci yükseltecektir. Gaz kabarcıkları da katot yüzeyine tutunabilir ve yalıtkan gibi davranırlar. Genellikle katottaki omik eşik geriliminin birincil sebebi katot yüzeyinin bitişiğindeki tabakada iletken iyonların tüketilmesidir, başka nedenlerle de olabileceğini aklınızdan çıkarmayın. Ec = konsantrasyon eşik gerilimi, Ea = aktifleşme eşik gerilimi ve Er = omik eşik gerilimi ise (9) Eo = Ec + Ea + Er Çoğu zaman bunlardan sadece birisi baskındır. Bazen ikisi veya üçü birlikte etkilidir fakat bu nadiren olur. Kaplama işlemi esnasında neler olduğunu Şekil 20’ deki bakır vb. gibi bir metal kaplanırken elde edilmiş akım yoğunluğu – gerilim grafiğine bakarak inceleyebiliriz. Gerilim sıfırdan yükseltilmeye başladığında ilk başlarda ölçülebilir bir akım kaydedilmez. Bakırın teorik olarak kaplanabileceği gerilime ulaşıldığında, yani bakır kaplanması için ortam koşullarına göre gereken denge geriliminde çok küçük bir akım ölçülebilir. Gerilim değişik polarizasyon formlarının (aktifleşme, omik) eşik gerilimlerini aşacak şekilde yükseltilmeye devam edilirse akım yoğunluğunda ani bir sıçrama görülür ve kaplama başlar. Sayfa 26 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Bu noktadan öteye gerilim yükseltilmeye devam edilirse akım yoğunluğunda göreceli olarak daha büyük artışlar olur ve uygulamadaki kaplama işleri burada yapılır. Gerilimdeki yükselme devam ettikçe artık akım yoğunluğu gittikçe daha az artmaya başlar ve bir süre sonra tavan noktasına ulaşır. Bu tavan noktası kaplanan metalin (burada bakır) belli kaplama koşullarındaki AKIM YOĞUNLUĞU SINIRI’ dır. Akım bu sınıra ulaştıktan sonra gerilim hala artırılmaya devam edilirse HİDROJEN ve/veya başka iyon türleri (kirlilik) kaplanmaya başlayacak ve akım yoğunluğunda yine keskin bir yükselme olacaktır. Daha önceden öğrenmiş olduğumuz gibi bu durumda kararmış, pürüzlü ve tozlu görünümlü bir kaplama elde edilir. Kaplama yaparken bu durumdan sakınmanız gereklidir. Bir metali kaplarken belirli çalışma koşulları için belirlenmiş akım yoğunluğu sınırı, değişik çalışma koşullarında da aynı değeri alacak diye düşünülemez. Bu önemli bir konu olup 5. Ders’ te açıklanacaktır. Bu durum akım yoğunluğunu sınırlamaya ve banyonun verimini artırmaya imkan tanır. ANOT EŞİK GERİLİMİ (POLARİZASYON) Anotta da benzer enerji kayıpları meydana gelir. ANODİK KONSANTRASYON POLARİZASYONU mevcuttur. Metal iyonları anottan çözündükçe anodun etrafında çözeltinin diğer kısımlarına göre metal iyonlarınca daha zengin olan bir film tabakası oluşur (Şekil 21). Difüzyon (yayınma) ve göçme ile çözeltinin geri kalanıyla eşit hale gelmeye çalışır. Eğer difüzyon ve göçme ile bu iş yapılamıyorsa fazla iyonların anoda geri kaplanma eğilimi vardır. İyon basıncı çözelti basıncını aşar ve zıt yönde bir potansiyel oluşur. Tıpkı katotta olduğu gibi bunun büyüklüğü enerji kaybına eşittir. Şimdi akım yoğunluğu arttıkça ve anotta daha çok iyon çözünür ve iyon konsantrasyonu kaplama oluşumuna yetecek kadar yükselir. Başka bir deyişle, çözeltideki metal tuzları arttıkça bir kısmı çözeltide kalsa bile bir kısmı da kaplanır. Bu tıpkı yalıtkan filmin oluşmasına benzer bir durumdur ve anotta omik gerilim oluşmasına neden olur. Öte yandan gerilim yükseldikçe elektrik akımı da yükselir, yalıtkan gazlı-sıvı veya katı bir film oluşumuna neden olan yeni bir anodik reaksiyon meydana gelir. Bu olduğunda gerilim yükselecek fakat uygulamada akım akmayacak ve metal çözünmeyecektir. Bu durumda ANOT POLARİZE OLMUŞ deriz.Aşırı yüklenmiştir ve duraklamıştır. Eğer anot çözünmeyen metalden yapılmışsa anotta aktifleşme eşik gerilimine ulaşılması mümkündür fakat aslında çoğu durumda fazla da önemli değildir. Kaplama banyosu boyunca uygulanan toplam gerilim, tüm eşik gerilimlerinin, normal kaplama geriliminin, normal çözülme geriliminin (bakır gibi çözünen anot kullanılması durumunda, bakır iyonunun bakır haline geçmesi için gereken gerilim 0,33 volt ve bakırın bakır iyonu haline geçmesi için gereken gerilim -0,33 Volt olduğu için bu ikisinin toplamı sıfır olur) ve çözelti direncini aşmak için gerekli gerilimin (I.R düşümü) toplamlarına eşittir. Semboller ile ifade edersek, (10) Etoplam = (En + Eo) 15 + Eoc + Eoa + IRsol E = Normal kaplama gerilimi Eo = Normal çözünme gerilimi Eoc = Katottaki eşik gerilimi Eoa = Anottaki eşik gerilimi I = Akım Rsol = Çözelti direnci Eşdeğer dirençler cinsinden ifade edersek, (11) Etoplam = (IRn + IRo) + IRoc + IRoa + IRsol ve buradan da çözünen anotlu bir banyo için, Ohm Kanunu’ ndan bulunacak akıma eşit büyüklükte olan akım, Sayfa 27 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 (12) I= Etoplam Roc + Roa + Rsol Eğer bu eşdirençlerden birinin değeri büyürse akan akımın miktarı azalacak ve kaplama tankının verimi düşecektir. Çözelti direnci Rçöz ve katot eşik geriliminin eşdirençleri Roc ve anot eşik gerilimi belli bir kesinlikle kontrol edilebilir. EN YÜKSEK ENERJİ VERİMLİLİĞİ İÇİN BUNLAR MÜMKÜN OLDUĞUNCA KÜÇÜK TUTULMALIDIR. Belli miktarda eşik gerilimi (polarizasyon) her kaplama işleminde meydana gelen bir durumdur. Bu durum biraz sonra dağılma gücünü ele alırken görüleceği üzere oldukça önemlidir. Kayıplar için gereken enerjinin dışında bir enerji harcanmamalı ve zaman israf edilmemelidir çünkü bu kullanılması gereken enerji miktarının arttırır ki katot veriminin düşmesine sebep olur. Yüksek polarizasyonda yapılan kaplamanın yüzey yapısı ve görünüşü (tozlu ve yanık) kötüdür. Polarizasyon ve optimum çalışma değerleri arasındaki dengenin iyi kurulmasını gerektiren sebeplerden birisi de budur. Bu nedenle polarizasyona etki eden çeşitli etkenlerin bilinmesi önemlidir. Bunlar; Akım yoğunluğu: Akım yoğunluğunu artırmak genelde polarizasyonu artırır (konsantrasyon ve omik). Katot tabakası daha çabuk fakirleşir. Sıcaklık: Kaplama banyosunun sıcaklığının artırılması polarizasyonu düşürür çünkü yüksek sıcaklıklarda difüzyon işlemi daha hızlıdır. Karıştırma: Kaplama banyosunun hareketli şekilde karıştırılması doğal difüzyon işlemini hızlandırır. Eğer hava karıştırması uygulanıyorsa hava kabarcıkları nedeniyle kaplama çözeltisinin toplam direnci biraz yükselir. Elektrolitin veya kaplama banyosunun yapısı: Banyoda yüksek konsantrasyonlarda metal iyonları bulunması polarizasyonu düşürür. Bazı bileşiklerde metaller diğerlerine nazaran daha hızlı çözülürler. Bu nedenle nikel kaplama banyosu saf nikel sülfattan hazırlanır ve nikel anot çözünmez. Eğer sofra tuzu (sodyum klorür) formunda biraz klor eklenecek olursa, banyoya elektrik uygulandığında nikel anot çözünmeye başlar. Kaplamacı olarak neden bu bileşiklerden birinin diğerlerinden daha iyi çalıştığını bilmeniz gerekmez. Bunlar 5 ila 10. derslerde işlenecektir. Yüzeyin yapısı: Bazı yüzeyler kaplamayı diğerlerinden daha aktif olarak kabul ederler. Bu durumda polarizasyona daha fazla eğilim vardır. Metal yüzeylerinden 3. derste bahsedilecektir. Gerçek bir kaplama işi yaparken sık sık aşırı polarizasyon etkileriyle karşı karşıya kalırsınız. Aşağıda bir kaplama banyosu POLARİZE OLDUĞUNDA meydana gelen ve dikkat etmeniz gereken etkiler (belirtiler) genel olarak verilmiştir: 1. BANYOYA BELİRLİ BİR GERİLİM UYGULANMAKTAYKEN AKIM NORMAL DEĞERİNİN ALTINA DÜŞER. Şöyle ki, 2 Volt uyguladığınızda 20 Amper akım elde ettiğiniz bir banyoda akım 2 Amper’ e kadar düşer. 2. 1’ İN DOĞAL SONUCU OLARAK, NORMAL ÇALIŞMA AKIMINI ELDE ETMEK İÇİN NORMALDEN DAHA YÜKSEK BİR GERİLİM UYGULANMASI GEREKİR. Mesela, önceden 2 Volt ile 20 amper akım akmasını sağlıyorsanız, aynı amperin akması için artık 10 Volt gibi oldukça yüksek gerilim uygulamanız gereklidir. Sayfa 28 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 3. ANOTTA VE/VEYA KATOTTA GAZ ÇIKIŞI VE/VEYA GENELLİKLE GÖZLE GÖRÜLEBİLEN BİR FİLM OLUŞUMU BAŞLAR. Değişik kaplama banyolarında polarizasyona neden olan etkiler ve giderilmesini Ders 5–10’ da işleyeceğiz. Beceriniz ve kaplamacılık bilginiz arttıkça bu etkileri gitgide daha az görmeye başlarsınız çünkü meydana gelmeden önce engelleme kabiliyetiniz gelişir. DAĞILMA (KAPLAMA) GÜCÜ VE METALİN DAĞILMASI Şekil 22’ de gösterildiği gibi bir parça metali kaplama tankına yerleştirdiğinizi düşünelim. Metalin çıkık kısmı anoda daha yakındır. Bu nedenle elektrik akımı buraya doğru akarken daha kısa bir yol izler, yani daha düşük dirence maruz kalır. Öyle ise A yüzeyine daha fazla akım akacaktır (Sayfa 10’a bakın). Bundan başka, akımda köşelere, kenarlara, sivri noktalara yönelme eğilimi vardır (bir kenara akım 2 yönden, dış köşeye 3 yönden, noktaya ise her yönden akabilir). Sonuç olarak akımla metalin dağılması Şekil 23’ te gösterildiği gibi yapılır (tabii ki o çizim mübalağalıdır). Değişik noktalardaki metal kaplama kalınlığı katottaki veya kaplanan malzemenin bir bölümündeki akım dağılım yönünün bir göstergesidir. Şekil 23 sıradan bir bakır kaplama banyosunda kaplanan malzemenin dış ve iç kenarlarında gözlemlenen kaplama kalınlıklarını göstermektedir. Akımın bu şekilde dağılımı BİRİNCİL AKIM DAĞILIMI olarak adlandırılır. BU TİP AKIM DAĞILIMLARI ASİTLİ BAKIR BANYOSU GİBİ SIRADAN KAPLAMA BANYOLARINDA GÖRÜLÜR ÇÜNKÜ ETKİ EDEN SÜRME KUVVETİ (GERİLİM) EN AZ DİRENÇLE KARŞILAŞACAĞI YOLU TERCİH EDER. Eğer anotla katot arasında birincil akım dağılımı var ve akım dağılımını sadece nokta, köşe, kenar gibi göreceli uzunluk farklarına bağlı olarak değişmekteyse, en basit şekilli yerler hariç aynı kalınlıkta (UNIFORM) bir kaplama elde etmemiz sözkonusu olmaz. Öyle ise kaplamaların çoğu yüksek oranda düzensiz olmalıdır. Neyse ki durum gerçekte böyle değildir. Biraz sonra göreceğiniz üzere BİRİNCİL METAL DAĞILIMI KAPLAMACI TARAFINDAN BİRAZ DÜZELTİLEBİLİR. Metalin dağılmasına etki eden iki faktör daha vardır. Bunlar KATOT VERİMİ ve POLARİZASYONdur. Bunların nasıl etki ettikleri daha sonra ele alınacaktır. Biz şimdi dağılma gücü konusunu işlemeye devam edelim. Metalin kendi kendine dağılarak katotta kaplanması usulüne DAĞILMA GÜCÜ denir. Eğer metal Şekil 23’ te gösterildiği gibi düzensiz bir yüzey üzerine kendi kendisine dağılmak suretiyle hemen hemen aynı kalınlıkta (uniform) olacak şekilde kaplanmışsa, metalin kaplandığı çözeltinin İYİ DAĞILMA GÜCÜ olduğunu söyleriz. Eğer uniform olarak kaplanmamışsa kaplama çözeltisinin KÖTÜ BİR DAĞILMA GÜCÜNE sahip olduğunu söyleriz. Bir kaplamacı olarak kaplama banyosunu kullanırken sizi ilgilendiren hususlardan birisi de en iyi dağılma gücünü elde edebilmektir. Çünkü uniform kaplama daha az metal, zaman ve enerji kaybı yani daha az maliyet demektir. Örneğin, eğer çok bozuk şekilli bir malzemeyi FLAŞ KAPLAMA TEKNİĞİ (çok ince kaplama) ile kaplıyorsanız, daha iyi dağılma veya dağılma gücü ile malzemede istenen kalınlıkta veya renkte kaplama elde etmek için banyoda tutma süresini kısaltarak zamandan kazanabilirsiniz. Eğer kaplamanın önce kenarlarda oluşmasını sağlayabilirseniz, iç taraflarda yeterli kaplama birikmesi için belli bir süre geçmesi gerekir. Öte yandan eğer TEKNİK AMAÇLI KAPLAMA işi için çok miktarda metali kaplıyorsanız ve kayda değer bir yüzeyde belli bir kalınlıkta ya da ağırlıkta metal kaplanması gerekli ise, ve siz ileri çıkık yüzeylere gerekenden daha fazla Sayfa 29 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 metal kaplar ve daha sonra istenen kalınlığa indirirseniz önemli miktarda metal, zaman ve enerji kaybetmiş olursunuz. AKIM DAĞILIMININ KONTROLÜ FİZİKSEL YÖNTEMLER Birincil akım dağıtımı ile etki eden dağılma gücünü ayarlamak için kaplanan malzemeyi anoda mümkün olduğunca uzak olmalıdır. Şekil 24’ te görüldüğü gibi katot anottan uzaklaştıkça elektrik akımının katedeceği iki yol arasındaki uzaklık farkı göreceli olarak azalır. Her iki yüzeye etki eden akımlar neredeyse aynı olur. Bir kaplama banyosunda bunu belli bir yere kadar yapabilirsiniz çünkü uzaklık artırıldıkça toplam direnç gitgide artacağından, kullanmanız gereken elektrik gücü ve dolayısıyla da maliyet artacaktır. Kapladığınız malzeme miktarına bağlı olarak pratik olmayan boyutlarda ve çok verimsiz bir tankta çalışmanız ve bunun yanında kullanılacak kimyasal miktarı artacağından daha fazla para harcamanız gerekir ve daha geniş bir çalışma ortamına ihtiyaç duyarsınız. En uygun kaplama sonucunu elde etmek için bu faktörlerin bir dengesini bulmalısınız. Genellikle anotla katot arasındaki uzaklık 15-45 cm. olacak şekilde ayarlanır.16 Bu meseleyi halletmenin bir diğer yolu da anotla katot arası uzaklığı KALKAN denilen yöntemi kullanmak suretiyle suni olarak artırmaktır. Bu yöntem Şekil 25’ te gösterilmiştir. Burada Lucite veya selüloz asetat gibi ince plastik tabakasından yapılma iletken olmayan bir kalkan, ileri çıkık yerlere doğru akım akmasını kesecek şekilde anotla katot arasına yerleştirilir. Diğer bir deyişle bu yerlerdeki veya noktalardaki direnci suni olarak arttırmış olursunuz. Bu işlem ne kadar dikkatli yapılırsa birincil akım dağılımı da o kadar uniform biçim alacaktır. Sayfa 30 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Bu yöntem hem daha yakın yerleştirme ve daha az enerji maliyeti ile kaplama yapılmasına, hem de kaplama tankı boyutlarının küçültülmesine imkan tanır. Dezavantajları ise değişik işler için değişik şekillerde imalat ve montaj gerektirmesidir. Eğer aynı şekle sahip malzemeden çok sayıda kaplamayacaksanız bu kalkanlardan imal ettirmek maliyet bakımından işinize gelmeyecektir. 17 Kalkan yönteminin en son hali malzemenin yüksek kısımlarını iletken olmayan bir boya ile boyıp buraların diğer kısımlarla beraber kaplanmasını önlemektir. Bu yönteme MASKELEME (Şekil 26) denir ve ileride kullanıldığı bölümlerden bahsedilirken ele alınacaktır. Çoğu durumda etkili bir yöntemdir. Birincil akım dağıtımını düzeltmek için kullanılan bir diğer yöntem “Akım hırsızı” olarak adlandırılır. İsminden de anlaşılacağı üzere, korunması gereken yüzeyin yakınında çıplak metal bir yüzey bulundurulması suretiyle akımın bir kısmının kaplanan malzeme yerine bu metale çekilmesi işlemidir (bkz. Şekil 27). Bu kısım anoda daha yakın olmasına rağmen çok fazla akım çekilmesi engellenmiş ve daha uniform bir kaplama elde edilmiş olur. Enerji ve metal kaybına neden olduğu gözden kaçırılmamalıdır. Üçüncü bir yöntem de Şekil 28’ de görüldüğü gibi kaplanan malzemenin şekline UYDURULMUŞ anot kullanmaktır. Burada malzemenin şekline göre özel şekil verilmiş anot veya anotlar kullanılır ve malzemenin oyuk kısımlarına yakın yerleştirilir. Böylece anot ile katot arasındaki uzaklık ve dolayısıyla da kaplama daha uniform olacaktır. Krom kaplamada kullanılan çözelti kötü dağılma gücü ile ünlüdür ve değişik yardımcı anotlar veya uydurulmuş anotlar kullanılmalıdır. 6. Ders’ te tamamıyla ele alınacaktır. BİPOLAR ELEKTRODLAR kullanılarak da dağılımın şekli düzeltilebilir. Eğer birkaç tane kuru pil Şekil 29’ daki gibi seri bağlanırsa A noktasının diğer bütün pillere göre pozitif olduğu bir voltmetre ile kanıtlanabilir. B noktası A’ ya göre negatif fakat diğerlerine göre pozitiftir. Elektriğin işlendiği bölümde gösterildiği üzere, potansiyel göreceli bir büyüklüktür. A noktası diğer tüm noktalara göre ANODİK’ tir. Kaplama banyosunda da benzeri sözkonusudur. Banyodan akım geçerken elektriksel direnç nedeniyle gerilimde E = IR kadar bir düşme olur. Eğer tepenin kenarındaki taş örneğini hatırlarsanız, buradaki durum taşın sadece biraz aşağıya inmesine denktir. Bu noktada da taş yere göre bir potansiyele sahiptir. A noktasındayken taşın potansiyeli daha yüksektir ve B, C, D noktalarına doğru inildikça azalır. Eğer kaplama banyosunda anot ile katot arasına bir parça metal veya iletken koyarsanız (Şekil 30’ daki gibi), anoda yakın olan ucu diğer uca göre anodik hale gelecektir. Herhangi bir yere bağlı olmayan, sadece çözeltinin içerisinde duran bu metal BİPOLAR (ÇİFT KUTUPLU) ELEKTROT olarak adlandırılır. Tıpkı mıknatısa benzer şekilde bir ucu ile öbür ucu ters kutupludur. Bu olgudan yola çıkılarak, bir veya birkaç metal parçası banyo çözeltisinin içinde belli noktalara yerleştirilerek akımın daha düzgün dağılması sağlanabilir. Uygulamada çoğu zaman yararlı olan bu durum metal ve elektrik enerjisi kaybına neden olacağından gelişgüzel yapılmamalıdır. Eğer bipolar elektrot olarak kullanılacak metal anodik ucunun çözünmesi ile kirlenmeye sebep olacaksa zararlı olabilir. Bu nedenle çözünmeyen metal elektrot kullanılması iyi olur. Sayfa 31 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sayfa 32 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 KATOT VERİMİ Dağılma gücünün katot verimine tesir ettiği aşikardır. Bir örnek verecek olursak, katot verimi %90 iken 4,3 A/dm² akım yoğunluğunda kaplama yaptığınızı varsayalım. 8,6 A/dm² katot akım yoğunluğunda bu verim yarıya (%45) veya biraz daha aşağıya düşer. Kaplama tankına düzensiz şekilli bir malzeme koyalım. Kaplamanın yüzey alanı yaklaşık 1 dm² ve ampermetreniz 4,3 amper okuyor ise kaplamada 4,3 A/dm²’ lik akım kullandığınızı düşünebilirsiniz. Fakat belki de aslında anoda daha yakın kısımlarda akım yoğunluğu 8,6 A/dm²’ ye kadar yükselmiş olabilir. Bu sebepten o kısımlardaki katot verimi sadece %45 olacak ve dolayısıyla anoda yakın kısımlardaki katot verimi de uzak kısımlardaki gibi %90 olsa idi kaplanacak metalin sadece yarısı kalınlığında metal kaplanacaktır. Bu durumda metal dağılımının veya dağılma gücünün dengelenme eğilimi vardır. Öte yandan, bazı durumlarda gözlendiği gibi eğer akım yoğunluğu arttıkça beraberinde verim de artsa idi dağılma gitgide daha dengesiz bir hal alırdı. O yüzden akım yoğunluğu değişiminin katot verimine nasıl etki ettiğini bilmek işinizin bir parçasıdır. Sayfa 33 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 POLARİZASYON Polarizasyon dağılma gücüne aşağıdaki şekilde etki eder. Kaplama tankına düzensiz şekilli bir malzeme yerleştirdiğinizi düşünün. Çıkıntılı kısımlar girintili kısımlardan daha fazla akım çekecektir. Çıkıntılı kısımlardaki akım yoğunluğu, akım yoğunluğundaki artış nedeniyle polarizasyon direnci de yükselene kadar artacaktır (daha önce işlediğimiz polarizasyon konusuna göz atın) ve bu olduğunda artık çıkıntılı kısıma doğru daha az akım akacaktır. Bunu bir otomatik akım kalkanı gibi düşünebiliriz. Akımın daha fazla aktığı yerlerde polarizasyon nedeniyle kaplama çözeltisi kendi kalkanını oluşturur ve buralarda elektriksel direnç yükseldiğinden buralarda daha az metal kaplanmaya başlar. Bazı çözeltilerde bu KENDİNDEN KORUMA KALKANI diğerlerine göre daha yüksek derecededir (daha fazla polarizasyon gösterir). Bu çözeltiler diğer çözeltilerden daha yüksek dağılma gücüne sahiptirler. Bu yüzden bir siyanürlü bakır çözeltisi asitli bakır çözeltisine nazaran daha iyi dağılma gücüne ve metal dağıtımına sahiptir. Sıradan asitli kaplama çözeltileri, daha karmaşık yapıdaki alkali veya siyanürlü kaplama çözeltilerine göre dağılma gücü bakımından daha zayıftırlar. Buna ilave olarak, kullanılacak bazı organik ya da inorganik bileşikler katot yüzeyinin belli bölgelerine çekilecek ve polarizasyonu artıracaktır. DAĞILMA GÜCÜ NASIL ÖLÇÜLÜR Dağılma gücü çeşitli değişkenlere göre farklı değerler alabildiği için hatasız bir ölçme yöntemi mevcut değildir. Sadece yaklaşık veya göreceli tespitler yapılabilir fakat bunlar da bir kaplama banyosundaki dağılma gücü hakkında göreceli olarak oldukça iyi fikir sahibi olmamıza yeterlidir. Dağılma gücünü test etmek için kullanılan en basit yöntem EĞRİ KATOT TESTİ’ dir. Şekil 32’ de gösterildiği gibi dik açıyla bükülmüş metal levhanın bir kısmı kazınır ve banyoya katot olarak bağlanır. Levhanın eğri kısmı dağılma gücünü ölçmede kullanılır ve banyonun çalışma şartları hakkında size fikir verir (krom kaplama bölümüne bakın). Bu test yöntemi çoğu kez krom kaplama banyosundaki sülfat oranını tayin etmek için kullanılır. Dağılma gücünü test etmek için HULL CELL (KABI) (Şekil 33), OYUK (KAVİTASYON) KABI (Şekil 34) ve HARING KABI gibi başka yöntemler de vardır. Bu yöntemler ilerde kullanılmalarını gerektiren konular işlenirken ayrıca ele alınacaktır. KAPLAMA GÜCÜ Kaplamacılar tarafından bazen KAPLAMA GÜCÜ deyimi yanlışlıkla DAĞILMA GÜCÜ’ nü ifade etmek için kullanılmaktadır. DAĞILMA GÜCÜ deyimi yukarıda anlatıldığı üzere kaplanan metalin katot üzerindeki dağılımından bahsederken kullanılır. Şöyle ki, metal üzerindeki oyuklarda çıkıntılı yerlere nazaran daha az olsa da biraz metal kaplanacaktır. KAPLAMA GÜCÜ deyimi ise belli çalışma şartlarında kaplama yaparken bazı metallerin diğer metal üzerine hiç kaplanmadığı durumlarda kullanılır. Yani burada belli bir metalin bir başka metal yüzeye kaplandığı durum sözkonusudur. Şimdi burada bahsedilen önceki ve sonraki iki metal deyiminin aynı şeyi ifade ettiğini düşünüyor olabilirsiniz. Mesela, bir siyanürlü çinko banyosunda pik döküm demir üzerine çinko kaplamaya çalışırsanız, bütün gün kaplama yapsanız bile pratikte hiç kaplama yapılmayacaktır. Sadece bazı noktalarda çok az çinko kaplama izlerine rastlayabilirsiniz. Bunun nedeni normal siyanür banyosunda (muhtemelen grafit mevcudiyeti nedeniyle) pik döküm demirin yüzeyine hidrojen gazının çinko iyonuna göre Sayfa 34 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 daha kolay kaplanmasıdır. Hidrojenin eşik gerilimi çinkonun kaplanması için gereken potansiyelden daha düşüktür. Buna benzer çeşitli örnekler verilebilir. Neyse ki, bu açmazı çözmek için değişik yollar mevcuttur. 6-10. derslerde sırası geldikçe anlatılacaktır. DAĞILMA GÜCÜNÜ KAPLAMA GÜCÜ İLE KARIŞTIRMAYIN. MİKRODAĞILMA GÜCÜ Şimdi bahsedeceğimiz tipteki dağılma gücü zaman zaman MAKROKAPLAMA GÜCÜ’ ne gönderme yapabilir (makro: çıplak gözle görülebilecek büyüklükte. Başka bir deyişle kaplanan malzemenin çukur ve tümsek kısımlarına yeterli kaplama yapılıp yapılmadığını gözle tetkik edip söyleyebilmeniz durumudur). Peki ya mikroçukurlar ve mikroçatlaklara (mikro : görülmesi için mikroskop kullanılması gereken küçüklükte) kolayca kaplama yapılmakta mıdır? Bu sorunun cevabı önemlidir çünkü büyük ölçekte kaplamanın ne kadar PÜRÜZSÜZ olacağını tayin eder. Sayfa 35 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 3. derste göreceğimiz üzere parlatılmış metal yüzeyler dahi pürüzsüz değildir. Milyonlarca minik çatlak ve çukur vardır ve sadece mikroskop altında görülebilir. Şekil 35’ te büyütülmüş hali görüldüğü gibi böyle bir yüzeyden biraz bahsedelim. İyi bir makrodağılma durumunda yüzey tamamen kaplanmış şekilde görünür (mikroçatlaklılık görülmez). Fakat mikrodağılma kötü olur ise kaplama kalınlığı arttıkça yüzey gittikçe daha pürüzlü hale gelecektir. Kötü mikrodağılmada sivri kısımlar düz kısımlara göre daha fazla kaplanır ve kaplama kalınlaştıkça eşitsizlik artar. Yüzeyin genel görünüşü pürüzlü ve kabadır (pürüzlülüğün ölçülmesi 3. derste işlenecektir). İyi bir mikrodağılmada ise düz kısımlar sivriliklere göre daha hızlı kaplanır ve daha düzgün bir kaplama elde edilir. Çok ilginçtir ki iyi makrodağılmaya sahip bir kaplama çözeltisi iyi bir mikrodağılmaya sahip olmayabileceği gibi tersi de geçerlidir. Bu durum kaplanan metalin, kaplanan yüzeyin yapıldığı metalin ve elektrolit bileşiğinin yapısıyla ilgilidir. Muhtemelen en önemlisi bileşiktir. Neyse ki belli bileşikler için satılan düzenleme kimyasalları kaplama banyosuna ilave edilerek mikrodağılma düzeltilebilmektedir. Düzenleme kimyasalı yüzeydeki mikrotepeciklere tutunmak ve buralardaki kaplamayı yavaşlatmak suretiyle etki eder (atomik çekim kuvveti nedeniyle yüzeye yapışır).18 Böylece çukur yerler daha hızlı kaplanır. Her kimyasal kullanılması gerekli olduğu zaman ve uygun kaplama banyosunda kullanılmalıdır. Artık metal kaplamanın nasıl meydana geldiğinden de bahsedip kaplamacılığın teorisinin anlatımını bitireceğiz.19 METAL KAPLAMA NASIL MEYDANA GELİR Kuartz kristalinin çok güzel görünümü vardır. Eğer bir kuartz kristali görmüşseniz muhtemelen neden mükemmel derecede muntazam bir geometrik şekle sahip olduğunu kendi kendinize sormuşsunuzdur. Dış görünüşünün bu kadar düzenli olmasının sebebinin atom yapısındaki düzenlemeden kaynaklandığını düşünmüşseniz haklısınız. Kristallerin dışarıdan bir müdahale olmadan kendi kendilerine oluşmasına izin verilirse atomları birbirine üç boyutlu uzayda çok düzgün bir yapıda bağlanacağından mükemmel bir geometrik yapı meydana gelir. Atomların bu şekilde dizilmelerinin iki sebebi vardır. İlki, doğadaki düzenlemeler en düşük serbest enerjili ve en kararlı hale ulaşacak şekilde yapılır (enerjinin 4. niteliği). İkincisi de doğada asla yer israf edilmez. Yer kaybına mümkün olduğunca sebebiyet verilmez. Buradaki düzenleme insan eliyle yapılan düzenlemeye benzemez. Bizim yaptığımız düzenleme kusursuz değildir. Taş blokların üst üste dizilerek yapıldığı piramitler bile aslında daha mükemmel şekilde yapılabilir. Yani belli koşullarda en düşük serbest enerjili hali sağlayacak bir dizilişe ulaşmak atomların veya kristallerin düzenlenmesinde esas noktayı teşkil eder. Tabiattaki metaller de kristal halindedir. Metal atomları aralarında bağ yaparken düzenli bir şekilde sıralanırlar. Genellikle çoğu metalin atomsal yapısı KÜTLE MERKEZLİ KÜBİK veya YÜZEY MERKEZLİ KÜBİK olmak üzere iki türlüdür (Şekil 36). Kütle Merkezli Kübik (KMK) dizilişe DEMİR ve KROM’ u örnek verebiliriz. Ortadaki bir krom atomunun etrafında bir kübün köşelerine yerleşmiş şekilde krom atomları bulunur. Bu diziliş uzayda üç boyutlu olarak sürüp gider. Yüzey Merkezli Kübik (YMK) dizilişe ise, kübün yan yüzeylerinin tam ortasında ve köşelerinde bulunacak şekilde dizilmiş BAKIR, ALTIN, GÜMÜŞ ve NİKEL atomları örnek verilebilir (Şekil 36). Daha nadir Sayfa 36 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 rastlanmakla beraber ÇİNKO ve KADMİYUM gibi bazı metallerde Hekzagonal (Altıgen) Sıkı Diziliş görülebilir. Bu dizilişte kübün üst ve alt kısımlarında merkezdeki bir atomun etrafında 6 atom yerleşmiştir ve aralarında da 3 atom bulunmaktadır. Bu yapıya hekzagonal prizma denir. Bu üç dizilişten herbiri de (temel birim veya yapı birimi)20 uzayı araklık bırakmadan doldurur. Doğada bu üç dizilişin kullanılma sebebi de budur. Şekilde gösterilen noktalı çizgiler atomların üç boyutlu uzayda bulundukları yeri daha kolay anlamanız için çizilmiştir ve KAFES olarak adlandırılır. Eğer metaller gerçekten kristal yapıdalarsa neden kuartz kristali gibi onlar da muntazam bir geometrik diziliş göstermezler. Eğer metal kristalinin kendi başına oluşup birbirine eklenmesine izin verilirse göstereceklerdir. Ne yazık ki çok özel teknikler kullanılmadan bu yapılamaz. Genelde çoğu metal kristali Şekil 37’ de gösterildiği gibi başlangıçta çekirdeklerin etrafında oluşmaya başlar, kristalleşme büyüdükçe bunlar birbirleriyle kesişirler. Kristal sınırları (tanecik sınırları) düzenli veya geometrik olarak birbirinin devamı olacak şekilde değil çarpık vaziyette karşılaşırlar. Mikroskop altında kristalin tanecikli yapısında bu sınırlar görülür. Tanecik sınırlarındaki ince bir atom tabakası haricinde kristal yapısı kusursuzdur. Metal kristali (taneciği) ortalama tanecik çapına göre ölçülür. Birim hacimdeki (veya alandaki) tanecik sayısı fazla ise tanecik boyutu küçük, az ise tanecik boyutu büyüktür denir. Uygulamada kapladığınız metalin tanecik boyutu çok önemlidir çünkü kaplamanın çoğu özelliğini etkiler. Hangi fiziksel özellikler tanecik boyutuna göre değişir? SERTLİK, PÜRÜZLÜLÜK, PARLAKLIK, ÇEKİLİRLİK, KUVVET, GERİLME ve KOROZYON (AŞINMA). Dekoratif kaplama için en önemli özellik kuşkusuz parlaklıktır. Endüstriyel veya mühendisliğe yönelik kaplamada ise diğer altısı daha önemlidir. Metali oluşturan kristal tanecikleri BÜYÜK olursa genellikle metal DAHA YUMUŞAK ve KOLAY ÇEKİLİR. Ayrıca DONUK ve PÜRÜZLÜ görünüşlüdür. Eğer tanecikler daha ince olursa metal DAHA SERT, GENELLİKLE DAHA KIRILGAN, PÜRÜZSÜZ ve PARLAK olacaktır. Daha önce bahsetmediğimiz bir diğer önemli özellik daha vardır: GÖZENEKLİLİK (PORÖZİTE). Endüstriyel kaplamada önemlidir. DAHA İNCE KRİSTAL YAPILI KAPLAMALAR, KABA YAPILILARA GÖRE DAHA AZ GÖZENEKLİ OLACAKTIR. Elektrokaplama işlemi esnasında kristal oluşumu iki adımdan meydana gelir: 1. Temel metalin üzerinde kristal çekirdekleri oluşur. 2. Bu çekirdekler gelişir ve büyür. Bir kaplamacı olarak bu işlem sürecini kontrol edebilirsiniz. Kristal çekirdeğinin oluşumu sırasında, bunların büyümesinin ve birbirleriyle çakışmasının istenmediği, yani üstün bir kristal yüzeyi elde etmekle sınırlanmış olduğunuz şartlarda çalışmanız gerekebilir. Bundan başka, eğer çekirdeklerin gelişmesinin istendiği (2. adım) şartlarda çalışıyorsanız kristal çekirdeği yapısı daha büyük olacaktır çünkü bu durumda az sayıda çekirdekten başlayıp bunlar yüzeyleri birbirleriyle temas edene kadar iyice genişleyeceklerdir. Elektrikle kaplamada metallerin çekirdek boyutunu nasıl kontrol edebileceğinizin yöntemlerini tartışmadan önce kristallerin nasıl büyüdüğünden biraz bahsedelim. Belli bir çevrede kristallerin gelişme şekline HABİT denir. Belli şartlarda oluşan kristalin habiti çalışma şartları değiştiğinde artık aynı olmayacaktır. Şekil 38’ de bazı kristal büyüme habitleri gösterilmiştir. Kristalin böyle değişik yönlere doğru büyümesinin nedeni, farklı çevresel şartlarda farklı yönlere doğru büyümeye zorlanmasıdır. Sayfa 37 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Elektrokaplamada genelde büyüme habiti SÜTUN şeklindedir. Yani yanlara doğru büyüme hızı dikey büyüme hızından daha düşüktür. Bu tip kristal oluşumu ALAN YÖNLENDİRMELİ BÜYÜME (elektrik alanının yönünde büyüme) olarak adlandırılır. Bazen LEVHA tipi kristal gelişimi gözlenir (genelde banyoya kimyasal etmenler eklenerek elde edilir). Buna TABAN YÖNELMELİ BÜYÜME denir. Bazen de İĞNE YAPILI kristaller görülür fakat genellikle YANIK, KUSURLU ve DALLANMIŞ kaplamalardır (iğne şekilli büyüme ağaç gibi dallanır). Doğal olarak daha değişik şekiller olabilir fakat yukarıdakiler size genel bir fikir verir. KAPLAMADA KRİSTAL ÇEKİRDEK BÜYÜKLÜĞÜNÜ KONTROL YÖNTEMLERİ Kristal boyutunu küçültmek için 1. İyice parlatılmış temel metalin üzerine kaplayın. 2. Akım yoğunluğunu artırın. 3. Kaplama banyosunun direncini düşürün. 4. Basit değil karmaşık (kompleks) metal iyonları kullanın. 5. Banyo sıcaklığını düşürün. 6. İlave kimyasallar kullanın. Sayfa 38 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Kristal boyutunu büyütmek için 1. Kaba taneli temel metalin üzerine kaplayın. 2. Akım yoğunluğunu düşürün. 3. Kaplama banyosunun direncini artırın. 4. Basit metal iyonları kullanın. 5. Karıştırma uygulayın. Yukarıdaki tavsiyeler her durumda sonuç vermeyebilir. Burada biraz karmaşık bir durum sözkonusudur ve ilerleyen derslerle beraber daha iyi anlaşılacaktır. Bazı zorluklarla karşılaşımasının nedeni bir büyüklükte değişiklik yapıldığında diğerlerinin de bundan etkilenmesindendir. Yukarıdaki öneriler size genel bir fikir vermesi amacıyla verilmiştir. Bunların kaplama kalitesine etkisini ve karmaşıklığını daha iyi anlamanız için önümüzdeki birkaç sayfa boyunca etkileri hakkında bilgi vereceğiz. Birinci Husus: Kristalde çekirdekleşme doğru sayıda atom (birkaç yüz veya binlerce olabilir) kısa bir zaman dilimi içinde aynı yere ulaştığında başlar. Çekirdek yapısı oluşurken dışarıdan enerji alır çünkü artık yeni bir yüzey oluşmaktadır (Yeni bir yüzey oluşması için iş yapılması gerektiğini basit şekilde şöyle anlayabilirsiniz: Bir tebeşiri ortadan kırın. Şimdi daha önce mevcut olmayan iki yeni yüzey meydana gelmiş olur.) Yeni bir yüzey oluşurken enerji harcanmasının nedeni atomların katot yüzeyine yapıştıklarında dışarıdan enerji almalarından dolayıdır. Böylece çekirdek oluşumu kolaylaşır ve oluşum hızı artar. İkinci Husus: Temel metalin yüzey yapısı çekirdek yapısına etki eder çünkü çekirdek oluşumunu işlemini etkiler. Temel metal ince çekirdekli ve/veya iyice parlatılmış ise atomların düzensiz olduğu çok sayıda bölge bulunur (çekirdek sınırları genellikle düzensizdir). Bu düzensiz bölgeler çekirdeklenmenin başlaması için çok elverişlidir çünkü kaplama çözeltisinden gelen atomlar buralara kolaylıkla tutunabilirler. Yüzeyde daha fazla sayıda düzenli atom bulunması diğerine göre çekirdek oluşumunu zorlaştıracaktır. Bu da çekirdek oluşum hızını biraz yavaşlatacak ve sonuçta ince çekirdekli kristal yapı oluşacaktır. Bununla beraber bu durum kaplama neticesine tek başına yön vermez çünkü belli bir kaplama kalınlığına ulaşıldığında çekirdek yapılarda büyüme eğilimi başgösterir. Bazı çekirdekler diğerlerini baskı altına veya içerisine alır. Eğer halihazırda kaplamacılıkla iştigal etmekte iseniz muhtemelen şu durumu gözlemlemişsinizdir: Örneğin iyice parlatılmış bakır yüzeye sık rastlanan bir altın kaplama çözeltisinde altın kaplıyorsanız ilk başta 0,0002 cm. kalınlığında çok parlak ve açık renkte bir altın tabakası oluşur. Kaplama kalınlaştıkça daha donuk ve koyu hale gelir. Bunun nedeni 0,0002 cm.den itibaren yüzeyde oluşan altın kristallerinin büyümeye başlamasıdır. BURADA DİKKAT EDİLMESİ VE UNUTULMAMASI GEREKEN NOKTA, İYİCE PARLATILMIŞ YÜZEYDE BAŞLANGIÇTA İNCE ÇEKİRDEKLİ KAPLAMA OLUŞUR, KAPLAMA KALINLIĞI ARTTIKÇA BU DURUMU KORUMAK İÇİN İLAVE TEDBİRLER ALINMALIDIR. Üçüncü Husus: Çekirdek boyutunu kontrol etmenin bir diğer yolu da kaplanan atomların sahip olduğu enerjiyi artırmaktır. Eğer daha fazla enerjiye sahip olurlarsa yerleşecekleri yeni yüzeyden çok fazla bir enerji almalarına ihtiyaç kalmaz. Sonuçta temel metalin birim yüzeyinde oluşan çekirdekler daha küçük ve daha fazla sayıda olacaktır. Bu durum kaplama çözeltisiyle ve çalışma şartlarıyla ilgilidir. Yüzeye gelen metal atomlarının enerjileri nasıl artırılabilir? Şimdiye kadar öğrendiklerinizden, değişik metallerin birbiri üzerine kaplanabilmesi için bir minimum denge potansiyeli olduğunu biliyorsunuz. Bu minimum değerde akım yoğunluğu çok küçük, dolayısıyla katot yüzeyine ulaşan metal iyonları oranı da oldukça düşüktür. Ayrıca yüzeye ulaşan her bir atomun enerjisi de benzer şekilde düşük olacaktır (her biri enerji eşiğini ancak atlayabilecek enerjiye sahiptir). Basit bir örnekle devam edelim: Yeni bir kristal çekirdeği oluşumu için minimum 100 birim enerji gerektiğini varsayalım. Her bir atom da minimum enerji seviyesinde ike 1 birim enerjiye sahip olsun. Öyle ise çekirdek oluşumunun başlaması için gerçekten çok küçük bir alana 100 atomun birlikte yaklaşması gerekir. Eğer kaplama yaptığınız gerilimde atomların katoda ulaşma oranı (akım yoğunluğu) örneğin birim alana saniyede 100 atom ise saniyede bir çekirdek meydana gelecek ve büyümeye başlayacaktır. Gerilimi atom başına 2 birim enerji verecek şekilde artırdığınızı düşünelim. Aynı anda akım yoğunluğu da yükselecek (Ohm Kanunu) ve birim alana saniyede ulaşan atom sayısı 200’ e çıkacaktır. Çekirdek oluşması için 100 enerji birimi gerekli olduğundan artık her saniyede 4 çekirdek oluşabilir. Bir adım daha öteye geçersek, her potansiyel her atomun 10 birim enerjiye sahip olacağı değere kadar yükseltilirse ve saniyede birim alan başına 1000 atom ulaşırsa (ilk durumla orantılı olarak düşünülmemiştir) çekirdek oluşumu için sadece 10 atom gereklidir, saniyede 100 çekirdek oluşur. Prensipte böyledir fakat uygulamada aynen bu şekilde olmayabilir. Gerilimin dolayısıyla akım yoğunluğunun belirsiz miktarda artırılması ince kristal yapı oluşumuna yol açmaz. Çoğu işlemin olduğu gibi bu işlemin de bir sınırı vardır. Belli bir akım yoğunluğuna kadar 21 diğer değişkenler eşit davranırlar, bu aşıldığında kaplama ince çekirdekli olmadığı gibi, banyodaki yabancı maddelerin kaplama yüzeyine metal atomlarıyla beraber taşınması nedeniyle YANIK, KOYU ve BOZUK RENKLİ olur. (POLARİZASYON hakkında söylediklerimize göz atın.) Sayfa 39 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Bunun meydana gelmesinin sebebi belli şartlarda belli bir çözeltide akan metal iyonları belli miktarda akım taşıyabilirler. Eğer potansiyel çok fazla artırılırsa metal iyonları da diğer iyonlar gibi bu durumu koruyamazlar. Büyük oranda hidrojen kaplanmaya başlanır ve katot verimi düşer. Hidrojen iyonları tüketildiğinden katot yakınlarında pH artar (birim hacimde daha az hidrojen iyonu) ve kaplama bazik yapılar içermeye başlar. Her akım yoğunluğu için (gerilimle ayarlanır) diğer koşulların sabit kalması sağlanırsa kristal boyutu dengeli bir büyüklükte olur. Yüksek akım yoğunluklarında bu denge büyüklüğü düşük akım yoğunluklarındakine göre bir dereceye kadar küçüktür. Bu üçüncü hususa göre, katottaki metal atomları ciddi şekilde tüketilmeden atomların enerjisinin artmasına izin verilen bir durumda kristal denge büyüklüğüne erişecek kadar küçük çekirdek oluşma imkanı vardır. Kaplama banyosunun direncinin düşürülmesi ve diğer değişkenlerin sabit tutulması küçük kristal boyutu elde etmek için size yardımcı olacaktır. Çünkü yüksek akım yoğunlukları banyonun uçtan uca geriliminin artırılmasıyla mümkün olur, bir başka açıdan bakarsak bu durumda katottaki potansiyel düşümü daha büyük olacaktır (polarizasyon konusuna bakın). Peki nasıl yapacaksınız? Elektrik akımıyla katoda taşınacak bol miktarda metal iyonu olduğundan emin olun. Yani çözeltideki metal iyonu konsantrasyonunun artırılması çözeltinin iletkenliğini de belli oranda artıracaktır. Bu da belli bir gerilimde yüksek akım yoğunluklarına ulaşılmasına, böylece birim zamanda katoda ulaşan atom sayısının artırılmasına imkan verir. Bundan başka katoda ulaşan metal atomlarının enerjisi ve sayısı artırılarak daha küçük çekirdek boyutu elde edilebilir. Dolayısıyla kristal denge boyutu daha küçük olacaktır. Bir kaplamacı olarak bu ilkeyi uygularken açmazda kalabilirsiniz çünkü ikisi de aynı şekilde, GERİLİM ile kontrol edilir. Enerjinin içeriği ile birim alana saniyede ulaşma miktarı arasında doğrusal (lineer) ve doğrudan bir ilişki yoktur. Kısaca açıklamak gerekirse, Katot yüzey tabakasında kaplanmaya hazır çok sayıda metal iyonu bulunmalıdır. Bu metal iyonları çok miktarda enerjiye sahiptir. Burada kaplama banyosunun iletkenliğini artırmak yardıma koşar. Yani gerilim düşmelerinin çoğu katot ile kaplama çözeltisi arasındaki yüzeyde olur, belli bir enerjiye sahip metal iyonları katot yüzeyine çarparlar. Başka deyişle belli bir ortalama gerilimde enerjinin çoğu arayüzeyde olur. Basit metal iyonları yerine karmaşık (kompleks) olanlarının kullanılması da yardımcı olur. Bakır sülfatın bakır iyonu gibi bir basit metal iyonu katoda doğru göçer ve deşarj olur. Bu olay çok fazla enerji gerektirmez. Bakır iyonu kendi başına basit iyon olarak kalmaz, bakır siyanür gibi bir karmaşık metal iyonu oluşturur. Karbon ve azot iyonları birbirine güçlü bir bağ ile bağlanmıştır. Kaplama esnasında bakır, azot ve karbon ile arasındaki bağı koparır ve serbestçe kaplanabilecek hale geçer. Bu işlem bakır iyonlarını doğrudan sülfat iyonlarından ayırmaktan daha fazla enerjiye malolur. Bu bakırı enerji eşiğinden geçirecek bir etkiye denktir ve tekrar aşağı inmeye başladığında (enerjisi boşalırken) basit asitli bakır iyonu olsa idi sahip olacağı enerjiden daha fazla enerjiye sahip olur. Öte yandan, eğer kaplama oranını (akım yoğunluğu) yükseltmek istiyorsanız katot yüzey tabakasında kaplanmaya hazır çok sayıda metal iyonu bulunmalıdır. Basit metal iyonu kullanıyorsanız (diyelim ki asitli bakır) banyodaki konsantrasyonlarını iki katına çıkarmak ve önceden kullanılan akım yoğunluğunda devam etmek suretiyle daha mı küçük kristaller elde edersiniz? Hayır! Öncekinden daha büyük olacaklardır. Garip gibi gelebilir fakat göründüğü kadar tuhaf değildir. Banyoya daha fazla bakır iyonu ilave ederek banyonun iletkenliğini artırmış, o yüzden de daha önce belli bir akım yoğunluğu elde etmek için belli bir gerilim uygularken artık daha az gerilim uygulamak yeterli olacaktır. Bu, metal iyonlarına arayüzü geçmeleri için verilen enerjinin önceden olduğundan göreli olarak daha az olacağı anlamına gelir. Bu nedenle çekirdek oluşturmak için daha fazla sayıda iyon kullanılır ve çekirdek başlangıç tane büyüklüğü daha büyük olur. Görüldüğü gibi durum sanılandan daha karmaşıktır. Eğer bunları yaparsanız akım yoğunluğunu öyle bir noktaya kadar artırmalısınız ki atomlar daha önce (yüksek akım yoğunluğundaki halde) sahip olduklarıyla aynı enerjiye sahip olsunlar. Karıştırma yani metal iyonlarını çözeltinin ortalarından alarak katot filminde kullanılanların yerine getirme de benzer bir etki yapacaktır. Difüzyon direncini azaltacaktır. Buraya kadar iyi ama eğer gerilim de aynı anda yükseltilmezse (akım yoğunluğunda da eşdeğer bir yükselme meydana getirir) kristal boyutu daha küçük olacağına büyük olur. Karıştırma uygulanıyorsa katoda ulaşan bakır iyonları düşük serbest enerjilidir, diğer hallerde aynıdır. Banyo sıcaklığını düşürmek ters etki yapar. Atomları yavaşlatarak katot filme doğru difüzyon direncini yükseltir. Bunun anlamı sınırı geçmeleri için daha fazla enerji verilmelidir. Bunun nasıl olduğuna dikkat edin: Banyo sıcaklığını düşürmek direnci artırır,öyleyse daha öncekiyle aynı akım yoğunluğu istiyorsanız gerilimi artırmanız gerekir. Bu artışın bir kısmı bakır atomlarının sınırı geçmeleri için ihtiyaç duydukları enerjidir. Dördüncü Husus: Bir diğer fikre göre çözeltiye bir şey katılarak kristal büyüklüğü ayarlanabilir, belli bir büyüklüğün üzerinde olmasına izin verilmez. Ne olursa olsun sizin yapabileceğiniz küçük kristaller elde etmektir. Daha önce gördüğünüz gibi kristal habiti değişik yönlerde gelişebilir. Çoğu durumda kristal elektrik akımının yönünde daha hızlı büyür (katot yüzüne dik açılı şekilde). Daha konsantre bir çözeltide ve daha yüksek akım yoğunluklarında birim yüzeye giden metal iyon sayısı artar. Metal döküm bu yönteme çok benzer şekilde yapılır. Kristaller soğuk döküm duvarlardan sıcak bölgelere doğru gelişir. Sayfa 40 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Kaplama banyosuna ilave kimyasallar eklenerek bazı kristal yüzlerini absorbe ederler, biz de büyümenin o yüzlerle bitmesini umarız. BU PARLATICILARIN TEMEL İLKESİDİR. Kristalin çok fazla büyümesini engelleyerek kristal boyutunun küçük olmasını ve böylece parlaklığı sağlarlarama asıl önemlisi, kristal yüzeylerinden başlayarak değişik yönlere doğru uniform büyüme olmasını ve böylece daha pürüzsüz ve uniform yüzey sonuçları elde etmemizi sağlar. Beşinci Husus: Bahsedilmesi gereken bir önemli nokta daha var. Bu Bancroft Prensibi’dir ve şöyledir: BELLİ BİR ÇÖZELTİ BELLİ BİR AKIM YOĞUNLUĞUNDA İYİ KAPLAMA SONUCU VERİYORSA, KATOT YÜZEY ALANINDAKİ ŞARTLARIN SABİT KALMASININ SAĞLANMASI KOŞULUYLA DAHA YÜKSEK AKIM YOĞUNLUKLARINDA DA İYİ SONUÇ VERECEKTİR. Diğer bir deyişle bir banyodan güzel kaplama elde ediyorsanızakım yoğunluğunu yükseltebilirsiniz (yani kaplama süresini kısaltabilirsiniz) ve katot yüzeyindeki koşulları düşük akımda çalışırken mevcut olan koşullarda tutarsanız hala güzel kaplama elde edersiniz. Bunu yapmak her zaman mümkün olmayabilir ama çoğu durumda mümkündür. Önceki 4 bölümde işlenen değişkenlerle oynayarak kaplama üretimini artırma şansı her zaman vardır. Sonunda neden ne yaptığınızı bilmeniz gerektiğini, DÜŞÜNEREK kaplamanız gerektiğini anlamış olmalısınız. Kaplamacılık sadece daldırmak, batırmak, şalterleri açıp kapamak işi değildir. İncelik, karar verme kabiliyeti ve bilgi ister. Her şeyde olduğu gibi bilgi güçtür. Artık elektrokaplama ve metal sonlandırma uygulamaları için hazırsınız. ELEKTROKAPLAMADA GENEL TEKNİKLER Şimdiye kadar kaplamanın uygulama yönünü daha iyi anlayabilmeniz için bazı temel prensipler öğrendiniz. Şimdi uygulamada kullanılacak bazı bilgiler vereceğiz. KAPLAMA BANYOLARININ FORMÜLASYONU Burada verilen veya başka yerden edindiğiniz formüllerle kaplama banyosu hazırlarken banyonun içeriğinin aşağıdaki şekilde olduğunu unutmayın. 1. Metal tuzu veya bileşiği banyoya metal iyonu sağlar. (Kaplanan metal) 2. Asit veya alkali bileşiği (banyonun pH’ ının düşük mü yüksek mi olduğuna bağlı olarak) çözeltinin iletkenliğini artırır (direnci düşürür, yani iletkenlik sağlayan bir kimyasaldır. 3. Eklenen kimyasallar aşağıdaki alt gruplarda incelenebilir: A. TAMPON: Banyonun pH seviyesini değiştirmeden kalmasına yardım eden kimyasal bileşiklerdir. Kimyasal asit ve alkali deposu gibi davranırlar. pH değişme eğilimi gösterirse çözeltiye ilave asit veya alkali iyonları vererek dengede tutar. B. POLARİZÖR (KUTUPLAŞTIRICI) VE DEPOLARİZÖR: Polarizörler genellikle katottaki polarizasyonu artıran maddelerdir. Depolarizörler isimlerinden anlaşılacağı üzere, polarizasyonu azaltmak veya minimize etmek amacıyla (genellikle anotta) kullanılan kimyasal bileşiklerdir. Örneğin, çoğu nikel banyosunda az miktarda klor iyonu bulunur çünkü klor nikel anodun polarizasyonunu engeller ve çözünmeden koruyarak banyonun pasive olmamasını sağlar. Polarizörler ise ters yönde iş görürler. Katot polarizasyonunu artırırlar. C. EŞİTLEME KİMYASALI: Mikrodağılma gücünü geliştiren bileşiklerdir. Pürüzsüz yüzey elde etmek için kullanılırlar ve genellikle PARLATICI İLE BİRLİKTE KULLANILIRLAR. D. PARLATICI: Banyoda kaplanan malzemelerde parlaklığı sağlamak için kullanılan bu bileşiklerin iki çeşidi vardır. ASIL PARLATICI kristal habitini çok kuvvetli şekilde değiştirir ve daha fazla etki elde etmek için genellikle YARDIMCI PARLATICI (çoğu durumda eşitleme kimyasalı ile aynı işi görür) ile birlikte kullanılır. Bu ikisinin kullanımı birbirini etkiler. E. ISLATICI veya ANTİ-PİT KİMYASALI: Islatıcılar bir kaplama banyosunda az miktar kullanıldıklarında kaplama çözeltisinin yüzey gerilimini azaltan veya düşüren kimyasal bileşiklerdir. Gerçekte yaptıkları şey çözeltinin ıslatılmasına yardım etmek gibi birşeydir. Çözeltinin yüzey enerjisini düşürmek suretiyle katotla kaplama banyosu arasındaki temas daha iyi hale gelir ve böylece katot yüzeyine yapışmış olan küçük parçacıklar (bunlar gaz kabarcıkarı için tıpkı birer çekirdek gibi davranırlar ve bu da karıncalanmanın nedenidir) giderilir. Zaman zaman da sızdırmayı azaltmak ve krom kaplamadaki gibi gaz baloncuklarının sprey etkisine karşı kalkan etkisi yapar. F. KATALİZÖR: Bu kimyasal bileşikler veya elementler bir işlem olurken kısa süre boyunca veya çok az miktarda kullanılarak, normalde içinde olmaması gereken bu işlemi hızlandırır. Bu kimyasallar, elementleri veya bileşikleri değiştirmeden birleşmelerini sağlar. Örneğin krom kaplama banyosuna az miktarda sülfat iyonu katalizör olarak kullanılır. Krom kaplamadan önce kromik asit çözeltisine az miktarda katılması gereklidir. G. STRES (GERGİNLİK) AZALTICI: Değişik kaplama banyolarında yapılan kaplamaların yapısı gergin olabilir (örneğin bazı nikel kaplama banyoları böyledir). Endüstri ve mühendislik uygulamaları için yapılan kaplamacılıkta dahili gerginlik çok önemli bir fiziksel özelliktir. Bu bileşiklere tipik örnek olarak gerginliği azaltan ve basınca dönüştüren sakarin gösterilebilir. Sayfa 41 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 H. ÇELATLAR: Bu bileşikler kaplama çözeltisindeki kirletici metallerle birleşerek kaplanmalarını engellerler. Kirletici metal iyonları kaplamaya zarar verebilirler. Bu bileşikler zararlı metal iyonlarına kuvvetli şekilde bağlanarak iyon gibi davranmalarını dolayısıyla kaplanmalarını önlerler. Tipik bir örnek olarak özel bir altın kaplama banyosunda bu amaçla kullanılan EDTA (Etilendiamintetraasetik asit) verilebilir. Bazı kaplama çözeltilerinde bunlardan sadece 1 ve 2 numaralı olanlar kullanılır. Örneğin bir bakır sülfat banyosunda genelde sadece bakır sülfat ve sülfürik asit vardır. Bazen 3. gruptaki kimyasallardan ve 4. gruptakilerden de kullanıldığı olur. Bu kimyasallara aşina olmanız ve ne için kullanıldıklarını öğrenmeniz önemlidir. ÇEŞİTLİ KAPLAMA TEKNİKLERİ ASKI (TANK) KAPLAMA: Bazı kaplamalar askıda yapılır. Genellikle dikdörtgen şeklindedir fakat dairesel veya özel bir şekilde de olabilir. Tipik bir dikdörtgen kaplama tankı Şekil 39’ da gösterilmiştir. Bu tankın içinde kaplama çözeltisini bulunur ve seramik, cam, demir, çelik, tahta, kauçuk, fiberglas, plastik gibi değişik yapı malzemelerinden oluşur. Bu yapı malzemeleri kaplama banyosunun yapısına ve çalışma koşullarına göre değişiklik gösterir. Ders 6-9’ da ve Ders 19’ da incelenecektir. Kaplamaya yardımcı olması için tank boyunca bir veya daha fazla bakır veya pirinç bara yerleştirilmiştir. Buna KATOT BARASI veya MALZEME BARASI denir. Şekildeki tankta katot barası tankın ortasındadır. Geniş tanklarda ANOT BARALARI arasına üç katot barası eşit aralıklarla yerleştirilebilir. Katot barasının karşısında bulunan bakır veya pirinçten baralara ANOT BARASI (BAĞLANTI BARASI) adı verilir. Anot baraları birbirlerine genellikle kalın bakır kablo veya bara ile ve en son da redresörün artı (pozitif) ucuna bağlanırlar. Katot ve anot baraları birbirlerinden ve kaplama tankından tankın iki ucundaki yalıtkan desteklerle yalıtılmıştır. Bu yalıtkan destekler genellikle porselen,plastik veya tahta takozdur. Kaplanacak malzeme bakır çengellerle katot barasına asılır. Bu çengellere askı denir. Askı kaplanacak malzemeyi asmak için kullanılan metal çerçeveden başka bir şey değildir. Genelde bakırdan yapılmıştır ve katoda temas etmesi istenmeyen yerleri plastisol denen kauçuk cinsi bir bileşikle kaplanmıştır. Bir askı örneğini Şekil 40’ ta görebilirsiniz. Mekanik olarak eğebilirseniz kendi askılarınızı imal edebilir ve yalıtılacak kısımlarını yalıtabilirsiniz. Başka bir derste bunu göreceksiniz. Çoğu durumda askıyı satın almak daha hesaplıdır. Kaplama yaparken doğru şekilde düzenlenmiş malzeme tanka askı veya kablo ile asılır ve sigorta kapatılarak (1 konumu) enerji verilir. (Not: Bazı kaplama işlerinde kaplanacak malzemeyi yerleştirirken devrede akımın mevcut olması en iyi sonucu verir. Ders 6-9’ da değişik kaplama çözeltileri için özel talimatlar sırası geldikçe verilecektir.) ASKI KAPLAMA değişik ebat ve boyutlardaki sıradan kaplama işlerinin çoğu için uygun bir yöntemdir. Sayfa 42 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 DOLAP KAPLAMA: Çok küçük ebatta ve fazla sayıda malzemelenin kaplanması gerekiyorsa askı kaplama pratik bir yöntem değildir. Bu durumda dolap kaplama yapılmalıdır. Dolap kaplamada22 kaplanacak malzeme genelde küçük hacimlidir, silindirik veya hekzagonal şekilli dolaba boşaltılır (Şekil 41). Dolap uzun ekseni etrafında yatay veya açılı şekilde döner. Kaplanan malzemeye elektrik akımı dolaba daldırılmış esnek metal başlıklı bir parçayla (kablo veya zincir) ya da kontak butonlarıyla verilir. Bu tip kaplamada kaplanan malzemenin (katot) yüzey alanı çoğu durumda tam doğru olarak hesaplanamaz ve ağırlık üzerinden ayarlama yapılır. Bütün yüzeyler aynı anda akım çekiyor gibi düşünülemez. Dolap döndükçe (saniyede 5 ila 20 kez döner) bütün yüzeyler ergeç akım çeker ve metal kaplanır. Eğer dolap doğru şekilde yapılmış ve düzenlenmişse, çok küçük ve aynı şekilli malzeme üzerinde mükemmel uniform kaplama elde edilir. Kaplama dolaplarının çeşitli türleri vardır. Herbirinin üstün ve eksik yönleri mevcuttur. Silindirik veya yatay tip dolapta anotlar anot busbarına bağlıdır ve dolabın dış yüzeyine bazı durumlarda uyar bazen uymaz. DOLABA UYAN ANOTLARLA DAHA İYİ SONUÇLAR ELDE EDİLİR. Açılı tip dolapta anot çözeltinin içinde ve kaplanan malzemenin üzerindedir. Bununla beraber özel tasarlanmış açılı tip dolaplar delikli olup anotlar dolabın dışındadır. Basit bir açılı tip dolabın düşük elektriksel dirençten dolayı üstünlükleri vardır fakat kaplama bittikten sonra içindeki çözelti boşaltılmalıdır. Ayrıca çözünmez anot veya torba kullanılmazsa anot parçacıkları kaplanan malzemenin üzerine çöker ve bozuk kaplamaya neden olur. Belli işlere bazı tip dolaplar daha iyi uyar. Kaplama işinde çalıştıkça bunu tecrübe ile öğreneceksiniz. Bunu etkileyen faktörleri sonraki derslerde ele alacağız. OTOMATİK KAPLAMA MAKİNALARI Bu makinalar bir günde çok sayıda parçanın kaplandığı büyük kaplama atölyelerinde ve fabrikalarda kullanılır. Bu makinalarla çalışırken kaplanacak malzeme genelde askıya asılır, otomatik olarak taşınır, taşıyıcı bantla bir dizi kaplama işlemi arasında (temizleme, durulama, aside daldırma, kaplama, durulama ve kurutma) nakledilir. Bir kaplama işlemini bir başkası takip eder, durulama, kurutma ve boşaltma ile sona erer. Makinada çok sayıda mekanik sistem çalışır. Kaplama makinası üreticileri her geçen gün daha verimli ve yeni tasarımlar yapmaktadır. Otomatik kaplama makinası burada ancak kabaca tanımlanabilir. Eğer bu tip bir makinanın kullanıldığı kaplama tesisinde işe başlarsanız tecrübe kazanarak makinanın çalışma sistemini öğrenebilirsiniz. İlk iki derste öğrendiğiniz temel kaplama prensipleri bu makinada da geçerlidir fakat otomatik kaplamada bunların hepsi biraradadır. Makinayı kullanabilecek kadar yabancı dil bilgisi edinmeniz gerekir. Askı taşıyıcılarına kol denir. Bir kaplama aşamasının tümüne devir denir. Faraday’ ın ilk yasasına göre bir cismin üzerine kaplanan metalin ağırlığı akıma ve zamana bağlıdır. Otomatik kaplama sırasında bunlara bağlı olan değişkenler: 1- Askının hareket hızı, 2- Kaplama tankının uzunluğu (bu iki faktör askının dolapta kalma süresini belirler), 3- Askıdaki akım. Aslında manuel kaplamadan daha zor değildir ve aynı prensiplere göre yapılır. Yine de kaplama işi sürekli ve hızlı bir şekilde yapıldığından sistemnin tüm parçalarının doğru çalışma şartlarında olmasına özel dikkat edilmesi gerekir. Hata ortaya çıkmasını önleyici bakım şarttır. Bu otomatik kaplama makinalarını durdurmak, ve tanklardan bir tanesindeki dengesi bozulmuş çözeltinin bakımını yapmak kayıp işgücü ve enerji dolayısıyla tesise çok pahalıya malolur. Bu arada görmekte olduğunuz kursla birlikte hata tahmini ve önleyici bakım bilgileri de edineceksiniz. Şimdi otomatik kaplamayla ilgili bir hesaplama örneği vereceğiz. ÖRNEK 12 : Bir nikel kaplama tankında askının tankta kalma süresi isteğe göre 5 ila 30 dakika arasında ayarlanabilir. İzin verilen akım yoğunluğu 4,3 – 6,5 A/dm² arasındadır. İstenen kaplama kalınlığının üzeri kusurlu sayılmaktadır. Her bir askı koluna 18,5 dm² mal asılabilmektedir. Malzemenin yüzeyine ortalama olarak 2,38 gr/dm² kaplama yapılmak isteniyor. Askının tankta kalma süresi ve kol başına çekilen toplam akım nedir? (Katot verimi %80’ dir). Sayfa 43 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Çözüm : Eğer sonuç aynı olacaksa askının tankta kalma süresinin mümkün olduğunca az olması istenen bir durumdur. Bu süre uzadıkça üretim hızı düşer. Bundan dolayı maksimum akım yoğunluğunu kullanmayı tercih ettiğimizi düşünün. Faraday Tablosu’ ndan (Ders 1, Sayfa 10) 100 Amper-saat ile 3,9 ons = 110,57 gr. nikel kaplanabileceğini biliyoruz. Yüzeyin her dm²’ sine 2,38 gr. nikel kaplamak istiyoruz. Buradan her 1 dm² için uygulamamız gereken amper-saati bulalım: (2,38 gr/dm²) / (110,57 gr.) x (100 A.h) = 2,15 A.h En fazla 6,5 A/dm² akım yoğunluğu uygulayabildiğimize göre, gereken süre (2,15 A.h/dm²) / (6,5 A/dm²) = 1/3 saat = 20 dakika buluruz. Bulduğumuz bu değer %100 katot verimi içindir ve verilen çalışma şartlarında kaplamanın bitirilebileceği en kısa süreyi ifade eder. Yukarıdaki hesaplama yüzeyin 1 dm²’ sine göre yapılmıştır. Bir kol (katot taşıyıcı) 18,5 dm² olduğundan dolayı (6,5 A/dm²) x 18,5 dm² = 120 Amper bir kolun çektiği toplam akımdır. Askının tankta kalma süresini (%80 katot veriminde) bulalım: Verim %80 ise askının tankta kalma süresini 20/0,8 = 25 dakika olarak hesaplarız. PROBLEM 5 : Bir otomatik kaplama makinasının nikel kaplama tankı 30 metre uzunluğundadır. Taşıma kolunun hareket hızı 1,5 m/dak. ile 6 m/dak. arasında ayarlanabilmektedir. Her bir taşıma kolu 37 dm² mal taşıyabilmekte ve 0,12 gr/dm² kaplama kalınlığı istenmektedir. İzin verilen maksimum akım yoğunluğu 4,3 A/dm² ise askının tankta kalma süresi ve kol başına çekilen toplam akım nedir? Katot verimi %85’ tir. Kollar hangi hızla hareket ettirilmelidir? Sayfa 44 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 ÖZEL KAPLAMA TEKNİKLERİ 23 FIRÇA İLE VEYA SEÇİCİ KAPLAMA: Fırça ile kaplama tankta kaplamaya müsait olmayan geniş cisimlerin veya bir bunların kısmının kaplanmasında uygulanır. Kaplama bu işe uygun bir yerde yapılabilir. Fırça ile kaplamada elektrolit pasta veya ağdalı sıvı formundadır (kalınlaştırılmış elektrolit) ve özel katot fırçası ya da süngeri ile ile sürülerek bir doğru akım kaynağından elektrik verilir. Kaplanan malzeme katot gibi, fırçanın içindeki metal levha ise anot gibi davranır. Malzemenin fırçalanması ve kaplanması eşzamanlı olarak yapılır. Göreceli olarak küçük alanları ince bir tabaka ile kaplamak için uygundur. Bununla birlikte geçmişte fırçaya sürtünerek döndürülebilen el aletleri vb. onarımında kalın metal katmanları kaplamak için kullanılmıştır. SPREY KAPLAMA: Daha önce bahsettiğimiz (Jet Kaplama) ve özel kaplama sorunlarını halletmek için kullanılan bir yöntemdir. Yeni bir yöntem değildir, 1960’ ların başlarından itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Korumalı katot üzerindeki belli bir bölgeye çok ince bir tabaka halinde elektrolit püskürtülür. Spreyin memesi anot, kaplanan malzeme katottur. Bu yöntemle küçük bir bölgeye göreceli olarak kalın bir kaplama hassas bir şekil verilerek yapılabilir. Yarıiletken kaplamacılığında kullanılan bir tekniktir. DALDIRMA KAPLAMA: Elektrik potansiyel serileri bölümünde bu yöntemden sözedilmişti. Elektrik potansiyel tablosundaki bir metal kendinden aşağıdaki bir metalle yer değiştirebilir. Altın suyuna batırma, renklendirme ve kalaylamada sık kullanılan bir yöntemdir. ELEKTRİKSİZ KAPLAMA: Bu kaplama yöntemi aynaların arkasını gümüşle sırlama işleminin aynısıdır. Gümüşle sırlamada olduğu gibi metal tabakası kaplama kabının ya da tankın içyüzünde değil sadece kaplanacak yüzeyde oluşur ve kaplanacak cisme ön işlem uygulandığı için katalizör gibi davranır. Bu nedenle sadece kaplanması istenen cismin yüzeyi kaplanır. 24 Elektriksiz nikel kaplama bu işlem için verilebilecek iyi bir örnektir. Tampon çözeltisinde bulunan hipofosfit iyonları nikel çözeltisini indirger. ANODİZASYON: Bu anodik bir işlemdir (işlem anotta gerçekleşir) ve esasen aluminyumu magnezyum gibi metallere karşı korumak ve dekoratif aluminyum elde etmek için kullanılır. ELEKTRİKLİ PARLATMA: Bir başka anodik işlemdir ve çok parlak metaller elde etmek için kullanılır. ELEKTROFORETİK KAPLAMA: Eskiden beri yapılmakta olan önemli bir kaplama işlemidir. Elektriği iletmeyen malzemelerin veya kısımların özel bir kaplama çözeltisinden elektrik akımı geçirmek suretiyle kaplanması işlemidir. Uniform şekilde boya kaplamada kullanılması yeni gelişmekte olan kullanım alanlarına tipik bir örnektir. VAKUMLU KAPLAMA: Bu işlemde elektroliz yeralmadığı için aslında bu isimlendirme yanlış kullanılmaktadır. Metali yüksek vakumda buharlaştırarak vakum haznesinin içindeki askıda asılı olan malzemeye kaplanması işlemidir. Pahalı olmayan bir metal sonlandırma işlemi haline gelmiştir, daha sonra anlatılacaktır. BUHARLA KAPLAMA: Vakumlu kaplamaya çok benzer. Buhar veya gaz formunda bulunan metal (element veya bileşik şeklinde olabilir) ısıtma veya katalizör etkisi ile kaplanmak istenen cisimlere kaplanır. DARBEYE KARŞI KAPLAMA: İlginç bir kaplama tekniğidir. El aletlerinin çinko ile kaplanmasında kullanılır. Çinko tozu ve katalizör ile hazırlanmış çözeltide çekiç başlarının kaplanması işi güzel bir örnektir. Çinko parçacıkları dolapta veya varilde karıştırılan çelik malzemenin yüzeyine kaplanır. Bu yöntem 15 yıl kadar olmakla birlikte kısıtlı bir alanda kullanılmaktadır. KOMPOZİT KAPLAMA: Aluminyum oksit veya elmas tozu gibi iletken olmayan maddelerin nikel gibi metaller üzerine kaplanmasında kullanılır. Aşınmaya dayanıklı, sert malzeme elde etmek amacıyla uygulanır. Yeni bir teknik olmamasına karşın yeni yeni önem kazanmaktadır. ELEKTRİKLİ ŞEKİL VERME: Malzemenin tümüne veya bir kısmına kaplama işlemi ile şekil verilmesi amacıyla uygulanır. Gelecekte geniş bir uygulama alanı bulması muhtemeldir. 17. derste bu konu daha detaylı işlenecektir. JEL KAPLAMA: Akışkan çözelti yerine jelin içerisinde kaplama işlemi gerçekleşir.Dolap kaplamada zaman zaman kullanılır. AKMALI KAPLAMA: Eski bir prensibe bağlı olarak yapılan yeni bir kaplama tekniğidir. Elektrik kaynağına bağlı olmasa da bazı noktarın kaplanmasını sağlar. Sayfa 45 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Burada verilen bütün kaplama teknikleri hızla gelişmekte olan birer Yüzey İşlem alanıdır. Bu kitaplarla bu kaplamalar hakkında yeterli önbilgiye sahip olacaksınız. KAPLAMACILIKTA UYGULANAN İŞLEMLER Genellikle bütün kaplama işleri aşağıdaki üç adıma göre yapılır. 1. Kaplanacak malzemenin (işin) kaplamaya ön hazırlığı 2. Asıl kaplama işlemi 3. Yüzey işlem sonlandırma veya laklama Bir kaplamacı olarak genelde kaplanacak malzemeyi kaplamadan önce işe harırlamanız gereklidir. Kaplanacak malzeme pürüzlü, oksitlenmiş veya kirli olabilir. Yüzeydeki pürüzler cilalama ve parlatma işlemleriyle giderilmelidir. Oksitler ve çapaklar asit veya alkaliye daldırma ile giderilmeli, yağ alma ve/veya elektrikli temizleme işlemleriyle kirlilik temizlenmelidir. Bu işlemlerden biri veya birkaçı kaplamacılıkta bir numaralı adımı oluşturur. Bu hazırlama teknikleri 3 ve 4. derslerde tarif edilmiştir. Asıl kaplama işlemi (2 numaralı adım) 6, 7, 8, 9, 10 ve 11. Kaplamadan sonra malzeme genelde laklanır ya da renklendirilir veya bir başka yüzey işlem uygulandıktan laklanır. Sonlandırmada yapılan işlemler 12. derste anlatılmıştır. Böylece 2. dersi bitirmiş olduk. Eğer derslere ilgili ve dikkatli şekilde çalışırsanız teorik ve pratik olarak çok yararlı bilgiler edineceksiniz. TAVSİYE OLARAK SON BİRKAÇ SÖZ Dersler ilerledikçe farkına vardığınız gibi metal kaplamacılığında başarıya giden yol ayrıntılarda yatar. Eğer ayrıntıları ihmal ederseniz istediğiniz kaplamayı elde edemez ve kıymetli olan vaktinizi boşa harcamış olursunuz. Bu can alıcı noktayı iyice anlamanız gereklidir ki işinizde başarılı olabilmeniz için ayrıntılara özen göstermelisiniz. Kaplamada yapılan işlemler genellikle basittir, ince ayrıntılara dikkat etmek kazançlı kaplama ile pahalı kaplama arasındaki farkı belirler. Bunu yapmanın yolu da iyi bir gözlemci olmaktan geçer. Gözünüzü her zaman açık tutmalı kaplamada ne olup bittiğini gözlemelisiniz. Eğer kaplanacak malzemeyi banyoya koyduktan sonra gereksiz şeylerle uğraşırsanız iyi bir gözlemci olamazsınız. İyi bir gözlemci olmak demek kaplama esnasında küçük detaylara ve farklılıklara dikkat etmek demektir. Kaplama esnasında sadece yaptığınız işi düşünerek kaplamada meydana gelebilecek hataları ve dolayısıyla para ve işgücü kaybını önleyebileceğinizi asla unutmayın. Sayfa 46 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 PROBLEMLERİN CEVAPLARI 1. 2,71 Volt 2. 39,6 A/ft² ve 4,28 A/dm² 3. 7,39 dm² 4. 1,05 saat veya 1 saat 3 dakika 5. 5 dakika, 56,4 amper ve saniyede 609 cm. bu problem düşünmeyi gerektirir. Formülden yola çıkarsanız %85 verimde 1,76 dakika kalması gerektiğini bulursunuz. Bu da 17,37 metre/dakika gibi bir hıza tekabul eder ki imkansızdır. Mümkün olan en yakın banyoda kalma süresi 5 dakika olduğundan akım yoğunluğu bu süreye göre azaltılmalı 4,3 A/dm² değil 1,52 A/dm² uygulanmalıdır. Sayfa 47 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 DERS 2 SINAVI (5 puan) 1. Metalik iletken ile elektrolitik iletken arasındaki farkı kendi cümlelerinizle yazın. (10 puan) 2. 2,5 cm. x 0,64 cm. x 6 mt. Boyutlarında iki bakır bara bir kaplama tankına seri bağlanmıştır. Sayfa 4’ teki Tablo 1-A’ yı kullanarak seri bağlı iki bakır baranın toplam direncinin kaç ohm olduğunu bulun. Eğer tanktan 500 amper akım geçmekteyse bu baralardaki gerilim düşümünü hesaplayın. (İpucu: E = I.R) (15 puan) 3. Bir asitli bakır çözeltisi (özgül direncini Sayfa 4 Tablo 1-B’ den bulun) (15 puan) 3. Bir asitli bakır çözeltisi (özgül direncini Sayfa 4 Tablo 1-B’ den bulun) (5 puan) 4. Bir kaplama banyosunda hidrojen iyonları konsantrasyonu litrede 0,00001 gram ise bu çözeltinin pH’ ı nedir? (10 puan) 5. Bir çinko şerit asitli altın kaplama banyosuna daldırılıyor (burada altının değerliği 3’ tür, Tablo 4’ e bakın). Çinko şerit altın anoda bağlanırsa ne kadar gerilim üretilir? Şerit anoda bağlanmadan daldırılırsa ne olur? (15 puan) 6. Aşağıdaki şekildeki gibi bir parçanın sadece dışını kaplayacaksınız. İzin verilen maksimum akım yoğunluğu 4,3 A/dm² ve bir askıya bunlardan 10 parça asılabiliyorsa, redresörünüzün tam kapasitesi olan 500 Amper akımda kaç askı kaplayabilirsiniz? Kaplamanın uniform olması için neler yapabilirsiniz? (15 puan) 7. Bir siyanürlü bakır banyosunun katot verimi %58 , anot verimi %55’ tir. Tanktan 10 Faraday elektrik geçirildikten sonra banyodaki bakır içeriği azalır mı, artar mı? Kaç gram? Başlangıçta bakır konsantrasyonu 45 gr/lt. ise 10 Faraday geçtikten sonra ne olur? (Tankta 400 litre çözelti vardır.) (5 puan) anlatın. 8. Kaplama gücü, dağılma gücü ve mikrodağılma gücü arasındaki farkı kendi cümlelerinizle (15 puan) 9. Bir otomatik parlak nikel tankında askı hızı dakikada 60 cm. ile 900 cm. arasında ayarlanabiliyor. En fazla uygulanabilir akım yoğunluğu 5,4 A/dm² ve her kola 37 dm² mal asılabilmektedir. Katot verimi %90’ dır ve kaplama ağırlığının 0,122 gr/dm² olması isteniyor. Tank 30 metre uzunluğundadır. İstenen sonucu elde etmek için gerekli askı hızı ne olmalıdır? Cevabınızı açıklayın. (5 puan) 10. Patronunuz yumuşak bir nikel kaplama işi yapmanızı istiyor. Parlak olması gerekmiyor ama pürüzsüz olması isteniyor. İsteği yerine getirmek için uygulanacak genel prensipler nelerdir? Sayfa 48 Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 DİPNOTLAR –6 1. 1,7 / 1.000.000 kısaca 1,7 x 10 olarak gösterilir. 2. Banyonun gerçek direnci tüm bileşiminin direncine eşit olduğundan dolayı bunlar yaklaşık değer olarak düşünülmelidir. Yine de bize genel bir fikir verir. 3. Kovalent bağ olduğunu hatırladınız mı? 4. Suda çözündüğünde hidroksil kökü veren çoğu baz veya alkalileri kaplamacılıkta kullanacaksınız. 5. Matematikte herhangi bir sayının sıfırıncı kuvveti (üssü) bire eşittir. + 6. pH’ ın kimyasal tanımını tam olarak veren matematiksel ifade, pH = – (hidrojen iyonu konsantrasyonunun logaritması) = – log (H ) 7. Nernst eşitliği. 8. Daniel pili bakır sülfat çözeltisi içeren bakır tanka yerleştirilmiş, içinde çinko sülfat çözeltisi bulunan gözenekli (poröz) bir kap ve bir çinko çubuktan oluşur. Bu şekilde çinko elektrot 0,76 V potansiyele sahip çinko iyonlarıyla temasa geçer, bakır da -0,34 V potansiyele sahip bakır iyonlarıyla temasa geçer. Gözenekli kap içinden sülfat iyonlarının serbestçe geçmesine izin veren fakat bakır ve çinko iyonlarını geçirmeyen yapıdadır. İlk tanımlanan durumda da gerilim aynıdır fakat bakır ve çinko iyonları serbestçe karışabildiği için polarizasyonun etkisine bağlı olarak kısa bir süre sonra pil çalışmayacaktır. 9. A/dm² veya A/ft² birimleri arasındaki fark yüzey alanı birimlerindeki farklılıktan (desimetre veya foot) kaynaklanır. 10. Hem mikroskopik (çıplak gözle tespit edilemeyen) hem de makroskopik (çıplak gözle tespit edilebilen) şekil bozukluklarından dolayı alan hesabının tam doğru yapılabilmesi hemen hemen imkansızdır. 11. Hesaplama için kullanımı kolay bilgisayar programlarından yararlanabilirsiniz. 12. Daha önce bahsedilmişti. 13. t saniye olarak zamanı ifade eder. 14. Bunlar kabaca verilmiş değerlerdir. Gerçek değerler bir dizi ortam değişkenine bağlıdır. 15. Çözünür anotlu bir banyo için (En + Eo) = 0 dır. Eğer çözünmeyen anot kullanılırsa Eo = 0 olur. 16. Bazı durumlarda kaplanan malzemenin uzaklığını “dış etki ile” arttırmak için bir elektrik direncini malzemeye veya askıya seri bağlayarak akımı düşürmek mümkündür. Bu yüzden Şekil 23A’ daki 2 ohmluk dirence dışarıdan 1 ohmluk bir direnç seri bağlanırsa I1 ile I2 yaklaşık olarak eşit olacaktır. Her zaman bunu sağlamamk mümkün olmayabilir ve beceri gerektirir. Bu konu ileride daha detaylı şekilde ele alınacaktır. 17. Çoğu durumda “kimyasal kalkan” kullanmak daha iyi ve daha ucuz bir yöntemdir. Kaplama banyosuna ilave edilen kimyasal çıkıntılı noktalara göç ederek elektrik direncini yükseltir ve akım akışını dengeler. İleride Polarizasyon kısmında bahsedilecektir. 18. Genelde bu bağ Van der Waals tipidir. 1. derse bakın. 19. Aslında teorik bilgilere ilerideki bölümlerde uygulamaların anlatımı sırasında yeri geldikçe değinilecektir. 20. Birim hücre olarak da adlandırılır. 21. Buna “sınır akım yoğunluğu” denir. Belli çalışma şartlarında kaplama yapılırken belli bir değeri vardır ve eğer ihtiyaç hissedilirse hesaplanarak bulunur. 22. Dolap kaplama hakkında ileride detaylı bilgi verilecektir. 23. Ders 15,16,17,18’ de daha geniş açıklanacaktır. 24. Bundan sonra işlem kendinden enerji alır (otokatalitiktir). Sayfa 49