DEMİR KAPLAMA
KİMYASAL SEMBOL : Fe (Ferrum)
ATOMİK AĞIRLIK : 55.85
DEMİRİN KİMYASAL VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
Demir, çok dayanıklı, grimsi beyaz renkli, özgül ağırlığı 7,9 olan bir metaldir. 2 veya 3 Olmak üzere iki valans değerine sahiptir. Düşük değerlikli (2) tuzlar ferröz tuzları, daha yüksek değerlikli (3) tuzlar da ferrik tuzları olarak bilinirler.
DEMİRİN KAPLAMA METALİ OLARAK KULLANILMASI
Demir yaklaşık olarak yüz yıldan bu yana üzerine kaplama yapılan bir metal olarak kullanılagelmişse de, ancak son yıllarda bir kaplama metali olarak kullanılmaya başlanmıştır. Demirin kaplama metali olarak en kapsamlı kullanım alanı, aşınmaya karşı uzun hizmet ömrü temin ettiğinden, baskı plakalarının kaplanma alanı olmuştur. Bununla beraber yakın geçmişte, ağır demir plakalarının aşınma aksamı ve lastik ve cam elektroform kalıbı (galvanometrik kaplama ile) ve plastik ve hafif metal pres kalıbı olarak kullanılmasına ilgi odağı oluşturulmuştur. Manyetik bellek düveneklerinde de ince demir veya demir alaşımı kaplamaları kullanılmaktadır. Kaplama banyoları çok önemli ölçekte ıslâh edilerek geliştirilmişlerdir ve demir kaplamacılığının geleceği parlak görünmektedir.
DEMİRİN ELEKTROKİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Demir elektrokimyasal seride hidrojenin üstünde yer almaktadır ve bu nedenle kolayca çözünmeye ve korozyona uğramaya eğimli davranmaktadır. Demir, yalnızca içerisinde ferröz (2 değerlikli) formda bulunduğu çözeltilerden yapılacak kaplamaya elverişlidir. 17,9 Amper-saat elektrik enerjisi altında, 1 ft2 (9,29 dm2) alana sahip bir yüzey üzerine, 0,001” (25,4 mikron) demir kaplama yapabilirsiniz. Aynı şeyi bir diğer ifade ile şöyle açıklayabiliriz: Bir amper-saat elektrik enerjisi altında, 1,04 gram demirin çökeltilerek kaplanma olanağı vardır. Katod verimi, demirin kaplandığı koşullara bağlı olarak %90 ilâ %98 arasında değişiklik gösterebilir.
PROBLEM #3 :
Demir, 40 A/ft2 akım yoğunluğu altında, 2 saat boyunca bir demir sülfat (FeSO4) çözeltisinden kaplanmaktadır. Katod etkinliği %90’dır. 1 ft2 alan üzerinde oluşacak demir kaplamanın ortalama kalınlığı ne kadar olacaktır?
CEVAP :
Kullanılan toplam elektrik enerjisi, (2 x 40) 80 amper-saat ve katod etkinliği sadece %90 düzeyinde olduğundan, demirin kaplanması için fiilen (80 x 0,9) 72 amper-saat düzeyinde enerji yararlı biçimde kullanılmıştır. Durum böyle olduğundan ve 17,9 Amper-saat düzeyinde enerji 1 ft2 alan üzerinde 0.001” kalınlığında bir demir kaplama tabakası oluşturacağından, 1 ft2 alan üzerinde [(72/17,9) x (0,001)] = 0,0041” (yaklaşık 104 mikron) kalınlığında bir demir kaplaması elde edebileceksiniz.
OKSİDASYON VE İNDİRGENME (REDÜKSİYON) HAKKINDA BİRKAÇ SÖZ
Demir kaplama üzerindeki tartışmalar, oksidasyon ve indirgenme işlemleri hakkında küçük bilgiler edinme imkanı sunmaktadır. Hiç kuşku yoktur ki, zaman zaman paslanan demir hakkında, demir oksitlenmiş dendiğini işitmişsinizdir. Bu ifade gerçekten doğrudur, nitekim havada bulunan oksijen, tedrici biçimde demirle birleşmekte ve pas olarak bilinen kırmızımsı kahverengi pulları (ferrik oksit, Fe2O3) oluşturmaktadır. Bununla beraber, bu bir kimyager tarafından en geniş kapsamda kullanılan OKSİDASYON teriminin özel bir uygulamasıdır. OKSİDASYON hakkında bazı bilgilere sahip olmanız önemlidir. İşte bu nedenle, fiili uygulamalı demir kaplama banyolarına geçmeden önce bu noktada, bu konuya ilişkin bazı bilgiler aktarmak istiyorum.
2. Derste gördüğünüz üzere, belirli bir atomun değerliği (valansı), bir kimyasal tepkime neticesinde yitirmek veya kazanmak eğiliminde olduğu en dış yörüngesindeki elektron sayısıdır. Böylece bir atom, bir elektron kazandığı veya yitirdiği takdirde, bu atomun değerliği bir, deriz. Eğer iki elektron kazanılmış veya yitirilmiş ise, söz konusu değerliğin iki olduğu söylenir ve bu böylece devam eder. Demirin doğası gereği, bir demir atomu iki veya üç elektron yitirebilir. Demirin iki değerlikli olarak bulunduğu demir tuzları ferröz tuzları, üç değerlikli olarak bulunduğu demir tuzları ise ferrik tuzlar olarak anılır.
Bu durumda OKSİDASYON sözcüğünün genel kullanımı şunu ifade etmektedir: BİR ATOMDAN, BİR VEYA DAHA ÇOK SAYIDA ELEKTRON ALDIĞINIZDA, SİZİN BU ATOMU OKSİDE ETTİĞİNİZ ANLAŞILIR ve bu işlemin adı OKSİDASYON’dur. Olay bu açıdan ele alındığında, ifadenin havada bulunan oksijen elementi ile bir ilişkisi yoktur. Bu şekilde, bakır metali klorürle birleşerek bakır klorür (CuCl2) oluşturduğunda, bakır metalinin klorürle iki değerliğe OKSİTLENDİĞİni söyleyebiliriz. İşlemi kontrol altında tutarak, yalnızca CuCl oluşumuna izin verdiğimiz takdirde de, bakırın bir değerliğe oksitlendiğini söyleyebiliriz. Demire gelince, oksijen ve demirin birleşmesinin nihâi sonucu ferrik oksittir (Fe2O3) (Oksijen elementi kendi atomik yapısı üzerine 2 elektron çekebilme gücüne sahiptir, -- oksijenin 2 NEGATİF VALANSI vardır-- böylece üç elektronlu iki adet demir atomu, üç oksijen atomu ile Şekil 14’te görüldüğü gibi bağ yapar). Netice olarak demir, FERRİK DURUMA OKSİDE OLUR.
BİR ATOMDAN ELEKTRON ALMAK İŞLEMİ OKSİDASYON OLARAK ADLANDIRILIR. BUNLARI GERİ BIRAKMA TERS İŞLEMİ İSE, İNDİRGENME (REDÜKSİYON) OLARAK ADLANDIRILIR.
Galvanoteknikte, 2. Derste açıklanmış olduğu gibi metal katotta kaplanır, çünkü metal iyonları çözündüklerinde yitirdikleri elektronları veya negatif yükleri katotta geri kazanırlar. ÖYLEYSE BİR METALİ KATOTTA KAPLAMA İŞLEMİ, BİR İNDİRGENME (REDÜKSİYON) İŞLEMİDİR.
KAPLAMA BANYOSUNUN ANODUNDA, METAL ATOMLARI ELEKTRON YİTİRİR VE ÇÖZÜNÜRLER. BÖYLECE BİR KAPLAMA BANYOSUNDA, METAL BİR ANODUN ÇÖZÜNMESİ BİR OKSİDASYON İŞLEMİDİR. Bu küçük anımsatmayı akılda bulundurarak, şimdi demir kaplama banyoları konusunu ele alalım.
DEMİR KAPLAMA BANYOLARI
DEMİR (FERRÖZ) SÜLFAT BANYOSU:
Bu banyo, oda sıcaklığında demir kaplama yapmanın basit bir yöntemini sunduğundan burada açıklanmıştır. Bunun yanı sıra, bundan sonra açıklanacak olan demir kaplama banyolarının, daha iyi sonuçların elde edilebilmesi için oda sıcaklığının üstünde çalıştırılmaları gereklidir. Bunun da ötesinde daha az aşındırıcı (korozif) olup yeni başlayanların deney yapabileceği iyi bir çözeltidir.
REÇETE
Demir (ferröz) amonyum sülfat ............. 1361 gr
Su ........................................ 3,785 lt
Taze olması gereken demir amonyum sülfatı su içerisinde (başlangıçta yaklaşık 2 litreyle yola çıkarak) çözün ve sonra da suyun geri kalanını çözeltiye karıştırın. Çözeltiyi pH kağıdı ile test edin (ölçme aralığı 5’ten 7’ye bir pH kağıdı). Test kağıdına göre çözeltinin pH değeri 5,5 ilâ 6,0 aralığında olmalıdır. Böyle olmadığı takdirde yavaşça ve her defasında birkaç damla sülfürik asit ilave edin (genellikle katılması gereken miktar 0,53 ml/lt.dir) ve gayeti iyi karıştırın. pH ölçümünü tekrarlayın.
pH 5,5 ilâ 6,0 aralığına gelmediği takdirde, pH doğru aralığa gelinceye dek yukarıda açıklanan işlemi tekrarlayın. Çökelme oluşması eğilimi nedeniyle pH’ın 6,0 değerinin üstüne çıkmasına izin vermeyin.
KATOD AKIM YOĞUNLUĞU:
Oda sıcaklığında çalıştırma durumunda 2,15 A/dm2 akım yoğunluğu uygulayın. Çözeltinin sıcaklığı oda sıcaklığından 49°C’ ye yükseltildiği takdirde 4,3 A/dm2 akım yoğunluğu uygulanmalıdır. Çözelti daha da fazla ısıtıldığı takdirde 6,45 A/dm2 veya daha yüksek akım yoğunluğu uygulanmalıdır.
ANOD-KATOD ALAN ORANI:
Anod-katod alan oranı 1’e 1,5 olmalı, yani katod alanı daima anod alanından biraz daha geniş olmalı ve böylece banyo içerisinde asidik koşulların oluşması eğiliminin geliştirilmesi sureti ile, bazik kirleticilerin oluşmalarının engellenmesi sağlanmalıdır.
ANODLAR:
Düz plakalar halindeki Armco ingot (külçe) demir anodlar kullanın. Bu banyoda anodların çantayla kapatılması için mutlak bir gereksinim olmasa da, kaplamanın kaba olmasının bertaraf edilebilmesi için böylesi bir önlemin alınması önerilir. Oda sıcaklığında çalışma koşulları için vinyon çantalar, sıcak çözeltiler için temperlenmiş cam bezinden çantalar bu amaçla kullanılmalıdır.
TANKLAR:
Bu özel çözelti çok fazla aşındırıcı (korozif) değildir ve çeşitli tank malzemeleri kullanılabilir. Küçük bir deneysel düzenek için bir çini kap veya tank (iç tarafı sırlı) kullanmak, cam veya lüsit tanklar kadar iyi iş görecektir. Büyük ölçekli işler için en iyi olan tanklar, lastik kaplı veya teflon kaplı çelik tanklardır. Ağır işler söz konusu olduğu takdirde, tank içerisine düşebilecek ağır nesnelerin taban kaplamasını veya iç yan kenarlara temas edebilecek ağır nesnelerin bu iç yan duvar kaplamalarını zedelemelerinin önlenmesi için, lastik veya teflon kaplamanın aside dayanıklı tuğla ile korunması en iyi çözüm yoludur.
ÇALIŞTIRMA SICAKLIĞI:
Daha önce açıklanmış olduğu gibi, bu çözelti oda sıcaklığı ile 71°C veya daha yüksek sıcaklık derecelerine dek kullanılabilir. Daha yüksek sıcaklıklar, daha yüksek akım yoğunluklarının uygulanmasına imkan verir. Böylesi banyolar sık sık kullanıldığı ve malzemeyle iyi yüklendikleri takdirde, banyodan geçen akım banyonun ısınmasına yeterli ısı oluşturacak ve çözeltinin sıcaklığını kendiliğinden en az 49°C düzeyine dek yükseltecektir.
KAPLAMA BANYOLARINDA ISITMANIN ETKİLERİ
Daha önceki duruma göre sorulacak olan soru, kaplama banyosunun ısıtılmasına neden gereksinim duyulduğudur. Cevabı oldukça basittir.Metalin kaplanmasını sağlayan gerilimi oluşturan aşağıdaki bileşenleri bir kez daha anımsayınız :
1. Anodik ve katodik gerilimlerin cebirsel toplamı,
2. Katod polarizasyonuna bağlı gerilim düşmesi (IRc),
3. Anod polarizasyonuna bağlı olarak gerilim düşmesi (IRa),
4. Çözelti direncine bağlı olarak gerilim düşmesi (IRs)
Bir kaplama banyosunun ısınmasının çoğuna bu son faktör neden olur. Kaplama çözeltisinin omik (Ω) direncinin üstesinden gelmek için, bir miktar elektrik enerjisi ısı enerjisine çevrilmektedir.
2. Derste öğrenmiş olduğunuz üzere, bir direnç üzerinden akım geçtiğinde enerji kullanılarak tüketilmekte ve bir diğer forma, yani ısıya dönüşmektedir. Tüketilen enerji QE ifadesi ile gösterilmekte, burada Q coulomb cinsinden elektrik miktarını, E ise coulomblar sayesinde yükseltilen veya düşürülen potansiyeli temsil etmektedir (bu ifade anlaşılmaz geldiyse, tekrar 2. Derse bakınız). Q = It olduğundan ve burada I Amper cinsinden akım şiddetini, t ise saniye cinsinden zamanı temsil ettiğinden ve OHM KANUNU uyarınca E = IR olduğundan (R, ohm (Ω) cinsinden direnç);
JUL (JOULE)CİNSİNDEN ENERJİ = I2Rt dir ve bunun anlamı, enerjinin ısıya dönüşmüş olmasıdır.
1 JUL 0,24 KALORİYE (1 kalori, 1 gram suyun sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli olan ısı miktarıdır) EŞDEĞER OLDUĞUNDAN, bir kaplama çözeltisinin kullanım aşamasında ne kadar ısınacağını belirlemek için yaklaşık bir yöntemimiz bulunmaktadır. Aşağıdaki örnek size bu hesaplamanın temel ilkesini verecektir.
ÖRNEK 3 :
100 galon (378 litreye eşdeğer) bir kaplama banyosunun, tam yük altında toplam direnci 0.1 Ohm ve besleme akımının akım şiddeti 100 Amperdir. 1 saat içerisinde üretilen sıcaklığın kalori miktarı kabaca aşağıdaki gibi bulunacaktır :
(100) x (100) x (0,1) x (3600 sn = 1 saat) x (0,24) = 864.000 kalori
Kaplama banyosu saf sudan ibaret olsa ve Tr oda sıcaklığında çalıştırılmaya başlansa, 378.000 gram su sonuçta Tf nihâi sıcaklık derecesine yükselir. Bunu aşağıdaki basit eşitlikle ifade etmek mümkündür:
378.000 (Tf – Tr) = 864.000
Sıcaklıktaki değişimi bulmak için düzenlersek,
Tf - Tr = 864.000 / 378.000 @ 2,3°C
Bu durumda, banyo saf sudan ibaret olmuş olsa, çalıştırılmasından bir saat sonra sıcaklığı, başlangıçtaki sıcaklığına göre 2,3°C düzeyinde bir artış gösterirdi. Bununla beraber kaplama banyosu saf su içermemektedir ve bir düzeltme faktörü (ÖZGÜL ISI) uygulanarak banyo içerisindeki çözeltiye göre bir uyarlama yapılmasına gereksinim vardır. Kaplama çözeltilerinin çoğu için bu faktör 0,8 olarak alınabilir (0,6 ilâ 0,9 arasında değişkenlik gösterir) ve bu faktör örneğimizde uygulandığında, sonuç aşağıdaki gibi olur:
378.000 (Tf - Tr) x 0,8 = 864.000
Tf - Tr = (864.000) / [(378.000) x (0,8)] = 2,87°C
Bu hesaplamaya katabileceğimiz bir başka ayrıntı da, IŞIMA (RADYASYON) KAYIPLARI karşılığıdır. Bunun anlamı, oluşan ısının tümünün banyo sıcaklığını arttırmakta kullanılmamasıdır. Isının bir kısmı çevredeki havaya yayınnacaktır. Genellikle bu kayıp, oluşan toplam kalorinin değerin yaklaşık olarak %10’u kadardır. Bu ayrıntı da hesaba katıldığında, aşağıdaki düzeltilmiş sonuca ulaşılır :
378.000 (Tf - Tr) x 0,8 = 864.000
864.000 x %10 = 86.400
864.000 – 86.400 = 777.600
Tf - Tr = (777.600) / [(378.000) x (0,8)] = 2,6°C
Hesaplamayı biraz daha duyarlı duruma geliştirebilmek için, tank içerisindeki çözeltinin saf su olsa ağırlığının 378.000 gram olacağı, bununla birlikte çözeltinin saf su olmaması nedeni ile, gerçek çözelti ağırlığının {378.000 x çözeltinin özgül ağırlığı} ilişkisi ile belirlenme gereksinimi karşısında ve çözeltinin özgül ağırlığının da 1.10 olarak alınması durumunda, ısı kazancı için daha doğru bir hesaplama aşağıdaki gibi olacaktır:
378.000 x (1,1) x (0,8) x (Tf - Tr) = 864.000
864.000 – 86.400 = 777.600
Tf - Tr = (777.600) / [(378.000) x (1,1) x (0,8)] = 2,33°C
Bu hesaplama yine de kaba bir hesaplamadır, ancak birçok kaplama işi için oldukça yeterlidir. Böyle bir değerlendirmenin yapılabilmesi için akılda bulundurulması gereken faktörler, gerek tank üzerinde hareket halinde bulunan ortam havasının çevresel kayıpları artıracağı (havalandırma, vb.), gerekse çoğunlukla büyük ve ağır aksam olan (az da olsa bir soğutma etkisi meydana getiren) tank içerisine daldırılan kaplanacak nesnelerdir.
Verilmiş olan bu örnekte, sıcaklık saatte yalnızca yaklaşık 2,6°C artış göstermektedir. Bununla beraber, 15 dakikalık aralarla tanka daldırılan soğuk ve ağır malzemelerin yaratacağı soğutucu etki dikkate alınırsa, tanktaki sıcaklık artışı ancak 1°C veya soğutma etkisine bağlı olarak daha az olacaktır. Bu nedenle, böyle bir durumda çözelti sıcaklığa karşı çok duyarlı olmadığı müddetçe, soğutucu bir düzeneğin çözelti içerisine daldırılmasına gereksinim olmayacaktır. Şimdi çalışmanız için bir problem veriyoruz. Bunu çözmeniz yararlı olacaktır, sınavda bir benzeriyle karşılaşacaksınız.
PROBLEM #4:
100 galon (378 litre) kadmiyum kaplama çözeltisi ile çalışmaktasınız. Bu çözeltinin özgül ağırlığı 1,2 gram/mililitre, özgül ısısı 0,75’ dir. Tam yükte geçen toplam akım 150 Amper olup çözeltinin uçtan uca direnci 0,08 Ohm’ dur. Çözelti normal çalışma koşullarının 5°C üzerindeki sıcaklık artışına karşı duyarlı ise, bir soğutucu düzenek kullanılmasına gerekecek midir? Tank her 15 dakikada bir tam yüklenmektedir, ancak kaplanacak malzeme hafif ve incedir.
Bu örnek ve şaşırtmaca, sadece bazı durumlarda kaplama banyosunu ısıtacak enerjinin nasıl harcandığını açıklamak için verilmiştir. Daha yüksek bir çalışma sıcaklığı gerekli olduğu takdirde, israf edilen bu enerji banyoyu doğru çalışma sıcaklığına ısıtmak için kullanılamayacağından dolayı dalgıç tipi ısıtıcı düzeneklerle çalışma sıcaklığının ayarlanması gerekebilir. İçerisinde buhar dolaşarak ısınan Karbat veya tantal ısıtma bobinleri ya da paslanmaz çelik veya kuartz ceketli elektrikli dalgıç tipi ısıtıcılar, demir (ferröz) sülfat çözeltisinde kullanılmaya uygundur. Teflon da iyi iş görür.
DEMİR (FERRÖZ) SÜLFAT BANYOSUNUN ÖZELLİKLERİ
Demir (ferröz) sülfat banyosunun çalıştırılması nisbeten kolaydır, ancak iyi nitelikte kaplama elde etmek için bazı hususlara kesinlikle dikkat edilmelidir
pH:
Eğer banyo oda sıcaklığında çalıştırılmakta ise, pH düzeyi bir pH kağıt testi ile 3,5 ilâ 3,8 düzeyine ayarlanmalıdır. Bu değer aralığında en az gevrek (kırılgan) yapıda demir kaplama elde edilir.
Şayet banyo oda sıcaklığının üstündeki bir sıcaklıkta çalıştırılacak ise, pH kağıdı testi ile pH 5,5 ilâ 6,0 düzeyine ayarlanmalıdır. Yüksek sıcaklıkta çalışma için en iyi pH aralığı budur.
FERRİK İYONLAR:
Banyonun çalışması aşamasında, banyo içerisinde varolan belirli miktardaki ferröz iyonlar, anod reaksiyonunun okside edici etkisi ve banyo içerisindeki hava varlığı nedeni ile ferrik iyonlara okside olacaklardır [Fe++ - e- → Fe+++]. Çözelti içerisinde bulunan ferrik iyonların fazlası demir plakasının aşırı kırılgan olmasına neden olacağından, ferrik iyon sayısının en az ölçekte bulunması hususu önem taşımaktadır. Bu işlem, anod alanını işlenen parça alanından biraz daha küçük bulundurmak ve daha önce krom kaplama konusunda açıklanmış olduğu gibi, çözelti içerisinde yüzen polistiren çubuklar veya polietilen toplar kullanmak sureti ile gerçekleştirilebilir. Çözeltinin üstünün kapatılması, havadaki oksijenin çözelti içerisine intikal etmesini ve anod ve katodlardan serpilmeyi önlemenin yoludur. Bu önlemlere rağmen, belirli bir çalışma süresinin sonunda, çözelti içerisinde ferrik iyonların oluştuğu gözlemlenecektir. Bu durumdan, çözeltinin renginin tedrici biçimde mavimsi yeşilden, sarımsı yeşile doğru dönüşmesi ve diğer herşey aynı kalırken, demir kaplamanın kırılganlaşması sayesinde haberdar olacaksınız. Böylesi bir oluşum karşısında biraz sülfürik asit katmak sureti ile pH derecesini 2,0 düzeyine indirgeyin ve çözeltiyi, tüm ferrik iyonu ferröz iyona indirgeyecek (redükte edecek) olan demir talaşı üzerinden geçirin veya süzün. Bu uygulamadan sonra pH derecesini aşağıda açıklanan şekilde tekrar ayarlayın. Böylesi bir işlem, ağır üretim tanklarında düzenli veya sürekli biçimde uygulanmalıdır.
DEMİR (FERRÖZ) SÜLFAT BANYOSUNUN KONTROLÜ
Yapılması gereken iki şey, banyodaki metal veya ferröz sülfat içeriğinin ve pH derecesinin kontrol altında bulundurulmasından ibarettir.
pH DERECESİNİN KONTROLÜ:
Katodlardan daha küçük boyuttaki anodlarla çalışırken pH derecesinin giderek azalma eğiliminde olduğu gözlenecektir. pH’ ı yükseltmek için uygun değere erişinceye dek, sürekli ve düzenli karıştırma altında çözeltiye biraz amonyum hidroksit katın. pH derecesinin kontrolü, banyoya Şekil 15’te görüldüğü gibi içerisinde demir (ferröz) karbonat bulunan temiz bir kanvas çanta** asmak sureti ile de gerçekleştirilebilir.
DEMİR (FERRÖZ) SÜLFAT İÇERİĞİNİN KONTROLÜ:
En basit kontrol yöntemi, bir Bome hidrometresi kullanmaktır. Banyo doğru olarak ilk kez hazırlandıktan sonra, alacağınız bome okuması yaklaşık 22 ilâ 24 civarında olmalıdır. Banyo çalıştırıldıkça bome derecesi giderek düşeceğinden, başlangıçtaki değere iyice yaklaşıncaya dek çözeltiye demir (ferröz) amonyum sülfat katın ve çözün. Daha doğru ve duyarlı bir kontrol için aşağıda açıklanan yöntemi uygulayın.
FERRÖZ DEMİR İÇİN KİMYASAL ANALİZ
Pipetle 2 mililitre numune alarak 250 ml.lik bir behere koyun. Üzerine 25 ml. sülfürik asit (%25’lik çözelti), 5 ml. fosforik asit (konsantre) ve 3 damla difenilamin indikatörü (asetik asit içerisinde %1’lik çözelti) katın. Bu karışımı, kalıcı mor-mavi renk elde edene dek potasyum dikromat çözeltisi ile titre edin.
Ons/galon cinsinden ferröz demir miktarı:
... ml K2Cr2O7 x dikromatın normalitesi x 3,74
Gram/litre cinsinden ferröz demir miktarı:
... ml K2Cr2O7 x dikromatın normalitesi x 28,01
(Not: 1 ons/galon = 7,49 gr/lt olduğundan 3,74 x 7,49 = 28,01)
Ferrik demir için analiz yöntemlerini bu Dersin veya 5. Dersin sonunda verilen referanslardan bulabilirsiniz.
NOT: Ferröz (demir) amonyum sülfat tuzu, Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, 6 molekül kristalize olmuş su içermektedir. Bakır kaplama konusu altında açıklanmış olan kristalizasyon suyunu göz önüne almaksızın, banyo formülünde verilen miktarda tartı yapabilmenizin tek yolu budur.
DEMİR SÜLFAT BANYOSUNDA HATA BULMA VE GİDERME
Ferröz (demir) amonyum sülfat banyosunun çalıştırılması oldukça kolaydır ve çalışırken karşılaşılabilecek küçük hatalar, hata belirtileri, nedenleri ve giderilme çareleri aşağıda açıklanmıştır:
BELİRTİ
OLASI NEDENİ
Karıncalı kaplama
(1) Çok fazla ferrik demir var.
(2) pH çok yüksek.
(3) Organik madde var.
GİDERİLME YÖNTEMİ
Daha önce açıklanmış olan yöntemi uygulamak sureti ile çözeltiyi ferrik demirden arındırın. pH derecesini düşürün. Çözeltiye 0,26 ml/lt nemlendirici katılması da karıncalanmayı önlemeye yardımcı olacaktır. Çözeltiyi aktif karbon üzerinden filtre ederek organik kirleticileri tasfiye edin.
BELİRTİ
OLASI NEDENİ
Gevrek (kırılgan) kaplama
(1) Ferrik demir var.
(2) Banyo sıcaklığı çok düşük.
(3) Organik kirleticiler var.
(4) Yanlış pH – sıcaklık bileşimi.
GİDERİLME YÖNTEMİ
Çözeltiyi yukarıdaki gibi ferrik demirden arındırın. Banyo 24°C’ nin altında çalışıyorsa ısıtın. Çözeltiyi aktif karbon üzerinden filtre ederek organik kirleticileri tasfiye edin. pH’ ı ve banyo sıcaklığını kontrol edin. Gerekli düzeltmeleri yapın.
BELİRTİ
OLASI NEDENİ
Kaba (pürüzlü) kaplama
(1) Kirlenmeye veya yüksek pH’ a bağlı olarak banyoda süspansiyon halinde kir parçacıkları var.
(2) Anod parçacıkları var.
GİDERİLME YÖNTEMİ
pH’ ı kontrol edin ve yüksek ise düşürün. Banyoyu filtre edin, anotlar çanta içerisinde değilse anodlara olabildiğince erken çanta giydirin.
BU ÇÖZELTİYE İLİŞKİN GENEL GÖSTERGELER
Oda sıcaklığında kullanıldığı takdirde, aşınan demir aksamın düzeltilerek, yapılandırılması için karşıgalvanize klişelerin karşılanması için uygun bulunacaktır ve kullanılabilecektir. Bu banyoda kaplama yapılma öncesi parçanın temizlenmesine ilişkin temizleme döngüsü, asidik tip banyolarda kaplama öncesi parçanın temizlenmesi için 4. Derste açıklandığı gibi yapılmalıdır. Bu banyonun dağılma gücü, aşağıda açıklanan klorür banyosunun dağılma gücünden biraz daha yüksektir.
DEMİR (FERRÖZ) KLORÜR BANYOSU
Demir (ferröz) klorür (susuz) ............. 1361 gr [1]
Potasyum klorür ........................... 680 gr [2]
Mangan klorür ............................. 14 gr [3]
Gardinol (nemlendirici) ................... 1 gr [4]
Su ........................................ 3,78 lt
ÇALIŞMA KOŞULLARI
Sıcaklık .................................. 74°C
Katod akım yoğunluğu ...................... 4,84 A/dm2
Anod/Katod oranı .......................... 1:1,5
pH ........................................ pH kağıdı ile 2 ilâ 3’ e ayarlanmış. Tuzları çözdükten sonra, biraz hidroklorik asitle ayarlayın.
ÇÖZELTİNİN HAZIRLANMASI:
Banyo reçetesindekileri sırası ile 1,9 lt suda çözün ve sonra da suyun geri kalanını bu çözeltiye katınız. Tuzların çözündürülmesi aşamasında suyu 82°C düzeyine dek ısıtınız.
TANKLAR:
Bu çözelti biraz aşındırıcıdır (korozif). Direkt temas etmesi halinde demiri ve diğer metal donanımı paslandıracaktır. Özellikle büyük miktarda kaplama yaparken lastik veya tygon kaplı paslanmaz çelik tanklar kullanın. Ağır cisimlerin yaratabilecekleri hasar riski söz konusu olan durumlarda, tankı asite dayanıklı tuğlalar döşemek sureti ile zedelenmeye karşı güvence altına alın.
BANYONUN ÇALIŞTIRILMASI:
Çalışma sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda kaplama aşırı kırılgan yapıda olacağından, bu banyonun ancak ısıtılarak kullanılabilmesi mümkündür ve eşbiçimli sıcaklık dağılımını idame ettirebilmek için banyo termostatik kontrol ile çalıştırılmalıdır. Karbat veya tantaldan çelik ısıtma bobinleri kullanılabilir. Elektrikle çalışan tantal veya kuartz ceket giydirilmiş dalgıç ısıtıcılar da kullanılabilir. Banyonun çalıştırılması oldukça basittir. Burada önemli olan, kaplamanın kırılgan yapıda olması ve yüzeyin pürüzlü olması gibi zararlı etkileri olan ferrik iyonun kontrol altına alınmasından ibarettir. Fiili potasyum klorür ve demir (ferröz) klorürün zararlı olmayan konsantrasyon değerleri çok değişkenlik gösterebilir ancak, mangan klorür konsantrasyonunun verilen konsantrasyonun %10’ undan daha yukarı çıkmasına izin verilmemelidir. Çalışma esnasında mangan klorür yalnızca süzüntü kayıpları sureti ile eksilebilir ve böylece konsantrasyonu tedrici biçimde azalır. Besleme, tank içerisine daldırılarak kaplanacak parçaların yüzey alanı esas alınarak yapılmalıdır. Güvenli değiştirme, tanka girecek tahminen 9.300 dm2 yüzey alanı başına 1 gramdır.
Bir banyo ilk hazırlandığında veya çalıştırılmadan bir süre açık havada bırakıldığında, banyoda önemli miktarda ferrik demir oluşur. Bu durum, çözeltinin renginin sarımsıdan kahverengine dönüşmesinden kolaylıkla anlaşılabilir (saf ferröz demir çözeltisi duru yeşil renktedir). Bundan dolayı, taze bir banyo hazırlanırken tank içerisinde biraz hurda demir veya istendiği takdirde demir anodlar kullanılabilir. Çözeltiye yaklaşık 2,64 ml/lt oranında hidroklorik asit katın ve banyoyu 8 ilâ 12 saat kadar dinlenmeye bırakın. Sonucu daha hızlı elde edebilmek için, çözeltiyi 82°C sıcaklığına kadar ısıtın. Bundan sonra, daha önce açıklanan yöntemle pH derecesini tekrar ayarlayın ve hurda demirleri çözeltiden çıkartın.
Banyo hazırlanarak kullanıldıktan sonra, anodlarda gözenekli kupalar kullanmak ve sahte katodları Şekil 16’da görüldüğü gibi temizlemek, tüm ferrik iyonlarının ferröz iyonlarına indirgenmesi için mükemmel bir yöntemdir.
Tanktaki ferrik iyonlarını tamamen tasfiye etmek için, normal akım yoğunluğunun yarısında bir gece boyunca çalıştırın. Çalıştırma sonrasında gözenekli kabı çıkartın ve içindeki yüksek ölçüde ferrik demir içeren çözeltiyi atın.
Yüzen polistiren veya polietilen plastik parçalar kullanmak, özellikle bu çözeltiyle çalışılırken havanın etkisiyle meydana gelecek oksidasyonu ve sprey etkisini önlemesi nedeni ile yararlı olacaktır.[1]
BANYONUN KONTROLÜ:
İzin verilen metal konsantrasyonu aralığı oldukça geniş olduğundan, bu banyonun kontrolü oldukça basittir.
pH:
Daha önce de açıklandığı gibi banyonun pH’ ını düşürmek için hidroklorik asit, yükseltmek için ise temiz kanvas torba içerisinde demir (ferröz) karbonat kullanın
METAL İÇERİĞİ:
Pratik kontrol için bir hidrometre kullanınız. İlk hazırlandığında banyonun okuma değerini alınız ve Bome derecesinin giderek azalacağını akılda bulundurunuz.
DEMİR (FERRÖZ) FLUOBORAT BANYOLARI
Son yıllarda, bazı bilgisayar bellek parçalarına elektrikli şekil verilmesinde ve kaplanmasında demir (ferröz) fluoborat banyoları kullanılmaya başlanmıştır. Aşağıda iki iyi reçete verilmiştir:
REÇETE #1
Demir (ferröz) fluoborat .................. 240 gr/lt
Amonyum klorür ............................ 15 gr/lt
Borik asit ................................ 30 gr/lt
ÇALIŞMA KOŞULLARI
Sıcaklık .................................. 66°C – 71°C
Katod akım yoğunluğu ...................... 2,15 – 9,7 A/dm2
pH ........................................ 3,0 – 3,4
Filtrasyon : Sürekli filtrasyonla kullanın.
REÇETE #2
Fluoborat olarak ferröz iyon ............. 35 – 47 gr/lt
Ferrik iyon ............................... 1,1 gr/lt
Sodyum klorür ............................. 3,8 gr/lt
ÇALIŞMA KOŞULLARI
Sıcaklık .................................. 57°C – 63°C
Katod akım yoğunluğu ...................... 2,15 – 9,7 A/dm2
pH ........................................ 2 – 3
Bu banyoların her ikisinde de, katılan klorürlerin, kaplama üzerinde son derece olumsuz etkileri olan iyodürden âri bulunmaları hususu önemlidir. Banyo #2’de yapılan kaplamalar göreceli olarak gerilmesizdir ve banyonun kirlenmesi (organik) önlendiği ve ferrik iyon içeriğinin litre başına 1,1 gramı aşmasına izin verilmediği müddetçe de bu niteliklerini koruyacaklardır. Aktif karbonla filtrasyon, banyonun organik kirleticilerden arındırılması için bir gereksinimdir. Bu işlem için selüloz tipi bir filtre desteği ve ayrı bir filtrasyon tankı kullanılmalıdır. Boşta çalıştırma da elektrolitik arıtmaya yardımcı bir yöntemdir. pH derecesinin kontrolünde, pH derecesini yükseltmek isterseniz yağdan arındırılmış bir parça çelik yününü banyoda çözün. Yüksek değerlerde çalıştırmanın önlenmesi için, bir miktar çözelti ile deneme testi yapılabilir. pH derecesini düşürmek için, banyoya gerekli miktarda fluoborik asit katın.
Bu banyoların anod verimleri yaklaşık %100’e dek çıkabilir ancak katod verimleri, sıcaklık, pH ve akım yoğunluğu bağlı olarak %85-95 arasında değişebilir. Amaca uygun tanklar, ısıtma bobinleri ve anodlar hakkında daha ayrıntılı bilgi edinmek için, bu dersin sonunda verilen referanslara bakın. Artık fluoboratlar hakkında karşılaşabileceğiniz farklı etkilerini anlamaya yeterli bilgi edinmiş bulunmaktasınız (unuttuysanız bakır kaplama konusuna bakın). Fluoborat iyonunun cam, kuartz ve diğer seramiklere etki edebileceğini daima akılda bulundurun. Bu banyo her ne kadar klorür veya sülfat banyolarından daha az korozif olsa da, metaller üzerinde belirli bir etkiye sahiptir. Ayrıca Banyo #2’deki konsantrasyonların iyon gücü olarak verilmiş olduğunu da gözden kaçırmayın. Bunları demir (ferröz) fluoboratın gr/lt’ si olarak tahvil etmek size bağlıdır. Bunu yapmak sureti ile, öğrendiklerinizi bu şekilde kullanmış olacaksınız ve öğrenmenizin yolu da bu şekilde kendinizin yapmasıdır!
Fluoborat çözeltileri genellikle konsantre fluoboratın suda çözündürülmesi sureti ile elde edilir. Örneğin Sn(BF4)2, ağırlıkça %47 bileşik içeren bir konsantre olarak satılmaktadır, geri kalan bölümü sudan ibarettir. Bu çözeltinin özgül ağırlığı 1,6’ dır ve bir galonu yaklaşık olarak 13,3 pound ağırlığındadır (1,6 kg/lt). Bunu esas alarak, aşağıdaki problemi çözmenizi istiyorum:
PROBLEM #5:
Bir kalay fluoborat banyo reçetesinde, beher galon için, fluoborat olarak 10 ons kalay bulunması istenmektedir. Banyo hacmi 100 galondur. Suyun geri kalanını katmadan önce, 100 galonluk tanka kaç galon konsantre kalay katmanız gerekir?
Şimdi size, üzerinde deneysel olarak çalıştığım bir demir kaplama banyosunu açıklayacağım. Bu banyo, klorür banyosuna göre daha yüksek dağılma gücüne sahip olması, çok fazla korozif olmaması ve oda sıcaklığında kullanılabilir olması nedeni ile mükemmel imkanlar sunmaktadır. Bu formülü size vermemin nedeni, ilgi duyduğunuz takdirde küçük ölçekte üzerinde araştırma yapmanızı sağlamaktır.
DEMİR (FERRÖZ) SÜLFAMAT BANYOSU
REÇETE
Demir (ferröz) karbonat ................... 567 gr
Sülfamik asit ............................. 850 gr
Amonyum sülfamat ......................... 284 gr
Sitrik asit ............................... 142 gr
Su ........................................ 3,785 lt
ÇALIŞMA KOŞULLARI
Demir (ferröz) karbonat ................... 567 gr
Sıcaklık: Oda sıcaklığı veya daha yüksek.
Anod/katod oranı .......................... 1,5/1
Katod akım yoğunluğu: Oda sıcaklığında 3,23 – 4,3 A/dm2
Tanklar: Fayans (sırlı), cam, lüsit, polietilen veya lastik kaplı çelik tanklar kullanılmalıdır.
BANYONUN HAZIRLANMASI
Suyun 2/3’ ünü 82°C’ ye ısıtın ve kristalize bir toz olan sülfamik asiti içerisinde çözündürün. Şimdi, yavaş yavaş karıştırarak demir (ferröz) karbonat ekleyin, karbonatı ayrıştıkça fışırdar. Daha sonra amonyum sülfamat ve sitrik asit ekleyin. Suyu ekleyin. Çökelme oluşursa süzün ve oda sıcaklığında dinlenmeye bırakın veya oda sıcaklığına soğuttuktan sonra süzme işlemini gerçekleştirin. Banyo kullanılmaya hazırdır.
VERİLEN BANYOLARDA YAPILAN DEMİR KAPLAMALARIN ÖZELLİKLERİ
Verilen tüm bu banyolarda istenen herhangi bir kalınlıkta demir kaplama yapılabilir. Kalın kaplamalar ve elektrikli şekil vermede, sıcak çözelti ve katod çubuğunun hareketi veya çözelti pompalanarak yapılacak karıştırma önerilir (HAVA İLE KARIŞTIRMA FERRİK TUZ İÇERİĞİNİ YÜKSELTECEĞİNDEN VE BÖYLECE KAPLAMANIN PÜRÜZLÜ VE GEVREK OLMASINA YOL AÇACAĞINDAN DOLAYI ÖNERİLMEZ).
Çoğu kaplamalar sert olmaya eğilimindedir. Demir kaplamasını yumuşatmak istiyorsanız 6 saat boyunca 138°C sıcaklığında yağ banyosunda veya 1 saat boyunca 315°C sıcaklığında hareketsiz (inert) hava altında ısıl işleme tâbi tutun.
Demir kaplamalar oldukça saftır ve normal demirden biraz daha zor korozyona uğrarlar. ŞUNU UNUTMAYIN Kİ, BİR PARÇA DEMİRLE KAPLANDIKTAN SONRA, ÇOK İYİ DURULANMALI VE KURUTULMALIDIR.
Elektro kaplama yöntemiyle kaplanmış demir alışılmış yöntemle kaynak yapılabilir ve mükemmel manyetik özelliklere sahiptir. Bu güne dek demirin dolapta kaplanmasına ilişkin hiçbir talep gelmemiş olmasına karşın, daha önce açıklanmış olan klorür çözeltisinin veya yüksek konsantrasyonlu fluoborat çözeltisinin kullanılması sureti ile dolapta demir kaplama yapılabilmesi mümkündür.
Kanımca elektro kaplama demir, denemek ve deneyim kazanmak isteyenlerin hayal gücüne pek çok olasılıklar sunmaktadır.
Aşağıdaki avantajları dikkate alınız, ne demek istediğimi daha iyi anlayacaksınız:
1. Kaplama maliyeti düşüktür.
2. İyi ölçekte anod korozyonu vardır.
3. Kaplanmış durumunda iken seçkin özellikler kazandırılabilir.
4. Sertlik 27-360 Brinnell arasında, gerilme direnci 50.000-110.000 psi arasında değişir.
5. Kaplanması kolay bir metaldir, üzerine nikel kaplandığı takdirde daha az gözenekli yapı sergiler
6. Saf formda kolaylıkla kaplanabilir.
7. Manyetik özellikleri iyi olan kaplamalar elde edilebilir.
8. Kaplamalar, döküm demir veya çeliğin ısı kapasitesine sahiptir.
9. Aşınmayı veya mekanik işleme kusurlarını bertaraf etmenin en ucuz yöntemidir.
PARLAK DEMİR KAPLAMA
Şimdiye kadar gerek parlak demir kaplamaya ihtiyaç duyulmaması, gerekse göreceli olarak böylesine demir kaplama fazla yapılmadığı için, bugüne dek demir kaplama banyoları için gerçekten tatmin edici bir parlaktıcı bulunamamıştır. Genelde çoğu organik parlatıcı, demir kaplamanın gevrek (kırılgan) olmasına neden olur. Bununla beraber, sakarin gibi bazı bileşiklerle birleşik haldeki sülfatlı yağlar, yağların neden olduğu artık gerilmenin azaltılması konusunda bazı başarılı sonuçlar sağlamıştır. Bu konuda yapılacak çok araştırma vardır.
KUSURLU DEMİR KAPLAMALARIN SÖKÜLMESİ
Çoğu demir kaplama koruyucu veya dekoratif amaçlı değil, elektrikli şekil verme amacıyla yapıldığından kaplama tabakasının sıyrılmasına nadiren gereksinim duyulacaktır.
Demir kaplamayı çözmek için, kaplama aşağıdaki çözeltiye daldırılmalıdır:
REÇETE
Hidroklorik asit .......................... 946 ml
Su ........................................ 3,785 lt
Tepkime hızlandırılmak istenirse demir kaplamayı anod olarak ve karşısında sahte katod kullanarak bir akım oluşturulabilir. Tanka 6 Volt gerilim uygulanmalıdır.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder