GAZ HALDEN METAL ÇÖKELTME
VAKUM KAPLAMA
Vakum kaplamanın arkasındaki fikir oldukça basittir.
İçinde su kaynayan bir çaydanlık düşünün. İçerde buharlaşan su, su buharı halinde çaydanlığın ucundan sabit şekilde çıkmaktadır. Kısa bir süreliğine çaydanlığın ucunu kapatarak içerdeki su buharının basıncı ölçerseniz, suyun kaynama noktasına ulaştığında içerideki basıncın tam olarak 14,7 PSI (pound/inç2), 1 atmosfer (atm) ya da 760 mm-cıva olduğu görülür ki, bu da dışarıdaki havanın basıncıyla tam olarak aynıdır. Sıvı haldeki suyu terk eden su molekülleri tıpkı gaz gibi davranırlar ve sıradan bir gazın yaptığı gibi çaydanlığın iç çeperine bir basınç uygularlar.
Yarattıkları bu basınç sıvının BUHAR BASINCI olarak adlandırılır (bu durumda suyun buhar basıncı). Aynı zamanda SIVININ KISMÎ BASINCI olarak da adlandırılır.
Burada unutulmaması gereken şey şudur: Su kaynama noktasına kadar ısıtılırken, herhangi bir bir sıcaklıkta, suyu terk eden belli sayıda su molekülü birbirlerine ya da kabın duvarlarına çarparak suya geri dönerler ve tekrar sıvı su molekülleri halini alırlar. Herhangi bir sıcaklıkta, (kapalı bir kapta) buharlaşarak sudan ayrılan su molekülü sayısı ile yoğunlaşıp tekrar sıvı haline dönen buhar molekülü sayısı arasında bir denge vardır. Bizim ölçtüğümüz buhar basıncı bu denge noktasında ölçtüğümüz basınçtır.
Sıvıdan ayrılan moleküller ortalama olarak sıvıda kalan moleküllerden daha fazla enerjiye sahiptir. Aksi halde onları sıvı halde tutan kuvvetleri yenerek sıvıdan ayrılmaları mümkün olmazdı! Doğal olarak, suya ne kadar ısı enerjisi verilirse su molekülleri o kadar enerjik hale gelirler. Bu da sıcaklık arttıkça daha fazla su molekülünün su yüzeyinden ayrılarak su buharı haline geleceği anlamına gelmektedir (buhar ve gaz eş anlamlıdır), ve gittikçe daha az sayıda buhar molekülü su haline geri döner.
Kolayca görülebileceği gibi, suyun sıcaklığı arttıkça kabın içindeki BUHAR BASINCI da yükselir.
KABIN İÇİNDEKİ BUHAR BASINCI DIŞARDAKİ HAVANIN BASINCIYLA TAM OLARAK AYNI NOKTAYA GELDİĞİNDE, SU KAYNAMA NOKTASINA ULAŞMIŞ DEMEKTİR.
Bu herhangi bir sıvının kaynama noktasının tanımıdır. Suyun kaynama noktası atmosfer basıncında (1 atmosfer = 14,7 PSI = 760 mm-cıva) 100 0C’ dir (212 °F). Daha düşük sıcaklıklarda buhar basıncı da daha düşük olur.
HER SIVININ BELLİ BİR SICAKLIKTA BELLİ BUHAR BASINCI VARDIR.
Belki şaşırtıcı gibi görünebilir, her KATININ belli bir sıcaklıkta belli bir buhar basıncı vardır.
Bir katının kaynama noktasında, örnek olarak bakırı ele alalım, bakır atomları gaz hale dönüşmek için sıvı bakırı terk ederler. Ve o sıcaklıkta (2336 0C) bakırın buhar basıncı 1 atmosferdir (14,7 psi). Sıcaklık 2336 0C’den aşağı düşerse daha az bakır atomu sıvı yüzeyini terk edecek böylece bakırın buhar basıncı düşecektir.
Katılaşma sıcaklığına düştüğünde (1038 0C) bakırın buhar basıncı çok düşer ama yine de belli bir değeri vardır. Sıcaklık oda sıcaklığına doğru düştükçe basınç neredeyse yok olacaktır. Aslında basınç o kadar azalacaktır ki 1 gram ağırlığında bir bakır damlasının buharlaşması için 1 milyar yıl gerecektir. Bunu bir gram su ile karşılaştırırsak, bu miktarda su oda sıcaklığında 4 saat ya da daha az bir sürede buharlaşacaktır.
İçinde su olan bir kap cam fanusun altına yerleştirilip basınç bir vakum pompası ile düşürülürse, oda sıcaklığında (20 0C) olmasına rağmen kaptaki suyun kaynadığı gözlenecektir. Fanusun içindeki basınç 17,5 mm-cıvaya (Bu değer psi ve atmosfer cinsinden kaçtır?) düştüğü anda suda kabarcıklar oluşur ve kaynar. Bu durum önceden yapmış olduğumuz kaynama noktası tanımını destekler niteliktedir, bir sıvının kaynama noktası sıvı basıncının dış (çevre ya da ortam) basınca eşitlendiği sıcaklık seviyesidir.
Şimdi aşağıda saf aluminyum için verilmiş buhar basıncı şekillerini göz önüne alalım.
Saf aluminyumun kaynama noktası 2056 oC’ dir bu sıcaklıkta buhar basıncı 14,7 psi ya da 760 mm-cıvaya eşittir. 1284 oC sıcaklıkta sıvı aluminyum artık kaynamamaktadır ve buhar basıncı 1 mm-cıvaya eşittir. Aluminyumun erime ısısı olan 660 oC sıcaklıkta buhar basıncı 0,00001 mm-cıvaya kadar düşer.
Aluminyum bir şekilde erime noktasındaki veya daha yüksek sıcaklığa getirilirse ya da bir vakumlu kaba konarak basınç 0,00001 mm-cıvaya düşürülebilirse, tıpkı 20 oC sıcaklıkta ve 17,5 mm-cıva basınçtaki cam fanustaki su gibi, aluminyum da kaynamaya ve buharlaşmaya başlayacaktır.
Buharlaşan aluminyum atomları (tek tip atomlu moleküller) gaz molekülleri gibi davranacaklardır.
HER DOĞRULTUDA DÜZ HATLARDA HAREKET EDECEKLERDİR.
Dahası bir başka açıdan da tıpkı su molekülleri gibi davranacaklardır. Aluminyum molekülleri kendilerinden daha soğuk olan herhangi bir yüzeye temas ederlerse yoğunlaşacaklardır (çökeceklerdir). (Burada enerjinin hangi ilkesi söz konusudur?)
Vakumla metali buharlaştırarak kaplamanın temel prensibi budur.
Burada dikkat edilmesi gereken başka bir nokta da vakum şudur: Vakum, aluminyumu buharlaştırma işinde yardımcı olmakla birlikte başka bir amaca daha hizmet etmektedir. Vakumun içindeki havada bulunan oksijen miktarını azaltarak oksitlenme ihtimalini de en aza indirmiş olur. Böylece aluminyum için 2Al + 3O2 = Al2O3 tepkimesi engellenmiş olur. Yüksek vakum aluminyum atomlarının oksijen atomları ile birleşmesini engeller, böylece ortaya değersiz ametalik aluminyum oksit çıkmasının önüne geçilmiş olur.
Buharlaştırma metodunda akılda tutulması gereken bir diğer nokta METAL ATOMLARININ TAM OLARAK DÜZ ÇİZGİLER HALİNDE İLERLEMELERİ yani çökelmenin görüş alanında oluştuğudur.
Şekil 4’te gösterildiği gibi ton yapılamaz, atomların önüne bir engel konursa arkadaki kısım kaplanmamış olacaktır.
Doğru bir vakumla metal kaplama sürecinde buharlaştırılacak metal genellikle özel bir tungsten sargı metal eritme krozesine konur, bu düzenek cam fanusun içindedir (vakumlu kap). Doğru vakum basıncına ulaşıldığında elektrik akımı verilerek metal eritme kabı ısıtılır ve aluminyumun, altının, gümüşün ya da kullanılan diğer metalin erime noktasına ulaşılır, böylece işlem süreci başlar. Buharlaştırılan metalin buhar basıncı düşük olsa bile şaşırtıcı derecede çok sayıda metal atomu çıkar ve birkaç dakika içinde ince bir kaplama tabakası oluşur. Metal kaplanan tabaka kalınlığını kontrol etmek için bazı yollar vardır ancak bunlar buradaki konumuza dahil değildir.
Kayıt cihazları hazırlamak gibi özel durumlar haricinde vakum kaplama toplu halde metalik olmayan nesnelerin kaplanmasında çok sık tercih edilen bir yol değildir. Bunun ardındaki sebep, daha sonra yapılacak bir kaplama için aluminyum gibi ucuz bir metal temel kaplama maddesi olamaz, çünkü üzerine kaplama yapılacak ince aluminyum filmi fazla aktiftir (ders 17’de öğreneceğimiz gibi aluminyum üzerine kaplama pek çok problem yaratmaktadır). Altın ve gümüş ise temel metaller olarak çok pahalıdırlar ve bunun yanı sıra gölgelenme gibi göz önünde tutulması gereken bir başka muhtemel problem vardır.
Yine de ucuz plastik maddelerin özellikle ıvır zıvır malzemelerin kaplanmasında VAKUM KAPLAMA büyük rağbet görmektedir. (BU YOLLA YALITKAN MADDELER KADAR METALLER DE BİR BAŞKA METALLE KAPLANABİLMEKTEDİR.)
Plastik maddeler kaplanırken laklanmış ince bir tabaka, buharlaşmış metal kaplama için astar kaplama olarak önem kazanmaktadır (genellikle aluminyum kaplamada). Seri üretimde ustaca hazırlanmış askı ve tutacaklara yerleştirilen malzemeler döndürülmek suretiyle kaplanacak yüzeyin her tarafının hareket eden atomlara maruz kalması ve kaplanması sağlanabilir. Vakumlu kaplar çok büyük (bir oturma odası boyutunda) veya çok küçük (bir cam fanus boyutunda) olabilirler.
Kontrollü yapılan kaplama işlemi ile parçalara ince bir metal tabaka kaplanmıştır, parçalar çıkarılır ve üzerleri bu çok ince metal tabakasını koruyucu amaçlı, şeffaf lak tabakası ile kaplanır.
Bu işlemin nasıl yapıldığını anladığınızı düşünerek bu tür metal kaplama işleminin ayrıntısına girmeyeceğim. Daha önce de söylediğim gibi, bu başlı başına bir alandır, daha fazla detaya girmek istiyorsanız dersin sonunda verilmiş olan kaynaklardan yararlanabilirsiniz.
Konuyu bitirmeden önce bu tekniğin temel zorluklarından bahsedelim.
1. KULLANILAN VAKUM YETERİNCE DÜŞÜK DEĞİL – başka bir deyişle sistemde bir sızma vardır ya da su buharı mevcuttur – bu yüzden metal kaplama koyu ya da siyah olur. Bu genelde karşılaşılan bir zorluktur.
2. PARÇALARIN ASKIYA YANLIŞ ASILMASI YA DA KROZELERİN YANLIŞ YERLEŞTİRİLMESİ NEDENİYLE GÖLGELER OLUŞUR.
3. VAKUMLU KABA KİRLİ PARÇALAR KOYULURSA VEYA LAK ASTAR YANLIŞ KAPLANMIŞSA YAPILAN KAPLAMA YAPIŞMAYACAKTIR.
Şimdi başka bir konuya geçiyoruz.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder