Metal Kaplama Nasıl Meydana Gelir ?

METAL KAPLAMA NASIL MEYDANA GELİR



Kuartz mükemmel derecede muntazam bir geometrik şekle sahip kristalinin çok güzel görünümü vardır. Dış görünüşünün bu kadar düzenli olmasının sebebinin atom yapısındaki düzenlemeden kaynaklanmaktadır.

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 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.

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.



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.)



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.



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.

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder