MALZEMELERİN YÜZEY İŞLEMLERİ
MALZEMENİN YÜZEY İŞLEMLERİ
Yüzey kaplama işlemleri son yüzyılda sağladığı ekonomik ve teknik avantajlar sayesinde büyük bir ilgi görmektedir.Gelişen teknolojinin ihtiyaçlarına cevap verebilecek bazı ürünlerin üretimi sadece kaplama işlemleriyle yapılabilmekte yada bu yolla ekonomik hale gelmektedir.
Kaplama işlemi bir malzeme yüzeyinin fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştirmek amacıyla yapılmaktadır.Yüzey ve altlık malzemenin tasarımını bir arada ele alan ve her ikisininde tek başlarına sağlıyamıyacağı özellikleri ekonomik olarak sağlıyabilen işlemlere genel olarak yüzey işlemleri adı verilir.
Kaplama işleminin endüstriyel uygulama alanlarını şöyle sıralıyabiliriz:
1)Optik amaçlı kaplamalar
2)Elektrik-elektronik sanayinde kullanılan kaplamalar
3)Tribolojik(aşınmaya karşı) dayanıklı kaplamalar
4)Korozyondan korunma amacıyla yapılan kaplamalar
5)Dekorotif amaçlı gerçekleştirilen kaplamalar
YÜZEY KAPLAMA TEKNİKLERİ
Yüzey kaplama teknikleri temelde iki gruba ayrılır;
1)Yüzey işlemleri:Bir malzeme yüzeyine başka bir malzeme difüzyonu ile yüzeyde bir bileşek tabakası oluşturma esasına dayalı teknikler.Nitrürleme,sementasyon,borlürleme,karbürleme.
2)Yüzey kaplamaları:Bir malzeme yüzeyine başka bir malzemenin katılması yada çöktürülmesi esasına dayanır.Kaplama malzemesi bulunduğu fiziksel hale göre,bu kaplamaları üçe ayırabiliriz.
a)Gaz halinde yapılan kaplamalar(kimyasal buhar biriktirme yöntemi,fiziksel buhar biriktirme yöntemi ve plazma destekli diğer kaplamalar)(PVD;CVD)
b)Çözeltiden gerçekleştirilen kaplamalar.(Elektro kimyasal kaplama,kimyasal redüksiyon işlemleri,akımsız kaplamalar;soljel metodu)
c)Sıvı veya yarı sıvı halden yapılan kaplamalar.(Lazer,kaynak,termal sprey yöntemleri)
YÜZEY İŞLEMLERİ(THERMO KİMYASAL KAPLAMA YÖNTEMLERİ)
Yüzey işlemleri karbürleme ,nitrürleme ,borlama ,vanadyumlama ,niyobyumlama ,kromlama gibi farklı yöntemleri kapsar.Bu yöntemlerin temel amacı yabancı element atomlarının yani kaplama metali atomlarının iş parçasına yani altlık malzemesine difüzyonu ile malzemenin yüzey özelliklerini değiştirmektedir.Karbürleme ve nitrürleme yöntemleri yüzey işlem olarak en sık kullanılanlarıdır.
NİTRÜRLEME:Genellikle aşınma ,yorulma ve korozyona karşı dayanımı arttırmak amacıyla gerçekleştirilir.500º C ile 580º C arasındaki sıcaklıklarda uygulanan bir prosestir.Demir ve demir alaşımlarına uygulanan nitrürleme , uygulama sıcaklığına bakıldığında (500-580º C) ferrit fazında gerçekleşen bir işlem olduğunu söylemek mümkündür.Uygulamada gaz,sıvı ve plazma nitrürleme olarak üç yöntem vardır.
Gaz nitrürlemede azot kaynağı olarak gaz fazında NH3 kullanılır.İşlem 500º C civarında gerçekleştirilir.Sıvı nitrürlemede azot kaynağı sodyum siyanür(NaCN) veya (tuz banyosu) potasyum siyanürdür(KCN).İşlem sıcaklığı 580º C dir.Plazma nitrürlemede ise işlem bir vakum ortamında veya fırında gerçekleştirilir.Kullanılan gaz azot+hidrojen karışımıdır.Plazma nitrürleme PVD esaslarına göre çalışır.Plazma nitrürlemede; işlem süresi , sıcaklığı gibi geleneksel ısıl işlem paremetreleri yanında akım yoğunluğu ve gaz bileşimi gibi paremetrelerde etkilidir.Her üç yöntemin süreside; kaplanacak malzemenin bileşimine ve talep edilen difüzyon derinliğine bağlı olarak 10 dk ile 60 sa arasında değişir.
KARBÜRLEME(SEMENTASYON):Karbürleme düşük karbonlu çeliklerin yüzeyine atomsal karbon difüzyon işlemidir.İşlem %0,1-%0,2 C içeren düşük karbonlu çeliklerin karbon miktarını %0,7-%0,8 artırmak amacıyla uygulanır.Yüzey tabakasındaki karbon miktarı artırılırken tüm matris içersinde sürekli bir sementit fazının veya ağının oluşumuna engel olmak için karbon seviyesi yada karbon miktarı tüm yapı içersinde %0,8 in altında tutulur.(çünkü ötektoid üstü ötektoid altı).Sementasyonla karbürleme ortamları katı ,sıvı veya gaz olabilir.Katı ortamda karbürleme günümüzde pek kullanılmamaktadır.Sıvı fazdaki karbürleme ajanı ise genellikle siyanür tuzlarıdır.NaCN ençok kullanılanıdır.Gaz ortamında karbürlemede ise hidrokarbonlar veya doğal gaz kullanılır.Karbürleme işlemleri 930-970º C sıcaklığı arasında gerçekleştirilir.Pratikte 950º C de gerçekleştirilen karbürleme işlemi östenit faz bölgesinde uygulanan bir işlemdir.Bu nedenle karbürleme işlemi sonrasında çeliğin bileşimine bağlı olarak yeniden martensit elde etmek için uygun su verme işlemi yapılmalıdır.Karbürleme işlemi sonucu oluşan sertlik 700-900 kg/mm² arasında değişir.Sementasyon işlemi tıpkı nitrürlemede olduğu gibi aşınmaya ve yorlmaya karşı uygulanır.
VANADYUMLAMA: Çeliklerin vanadyumlanması katı ,sıvı ,gaz ortamlardan vanadyumun difüzyonuna dayanan thermo kimyasal bir yüzey işlemdir.Yüksek karbonlu çeliklere uygulanır.Yüzeyde VC,V2C formunda oluşur.Vanadyumlama genellikle kutu sementasyon yöntemi ile gerçekleştirilir.Silisyumlama yüzeyin silisyuma doyurulması işlemidir.PVD,CVD yanında kutu sementasyon yöntemi ile silisyumlama gerçekleştirilir.Özellikle asidik ortamlara karşı yüksek direncinden dolayı geniş kullanım alanlarına sahiptir.
*Thermo kimyasal kaplama yöntemleri yardımıyla ister arayer atomları (C,N,B) altlık içine difüze ettirilerek üretilen, ister ise yüzeye ayrı bir tabaka şeklinde biriktirilen kaplamalar olsun(alüminyumlama ,silisyumlama ,vanadyumlama ,kromlama gibi); kutu sementasyon işlemleri günümüzde hala kullanılmaktadırlar.thermo kimyasal kaplama yöntemlerini uygulama amaçları aşınma ,yorulma ve korozyona karşı dayanımı arttırmaktır.
ÇÖZELTİDEN GERÇEKLEŞTİRİLEN KAPLAMALAR
Elektrolitik metal kaplamalar korozyona karşı ,dekorotif amaçlı ve aşınmaya karşı korunmak amacıyla kulanılır.Elektrolitik kaplama işlemi;
a)Elektro kimyasal
b)Akımsız(kimyasal) kaplama olmak üzere uygulamada ikiye ayırmaktadır.
Kaplama işlemi ister elektro kimyasal ister kimyasal olsun prosesin akım şeması benzerdir.Kaplanacak olan parça; yüzey temizleme-yıkama-oksit ve pasın yüzeyden uzaklaştırılması-elektrolitik parlatma-kaplama işlemi ve yüzey yıkama kademelerinden geçer.Kaplanacak olan parçanın yüzey geometrisine bağlı olarak uygulamada farklılıklar yaşansada temel adımlar yukarıdaki gibidir.
YÜZEY TEMİZLEME:Yüzey temizleme işlemi parçanın yüzeyindeki yağ ,pas ,cila artıkları gibi kirliliklerin ortadan kaldırılması amacıyla yapılır.Sodyum karbonat ,sodyum hidroksit ,tri sodyum fosfat belli miktarlarda 60-70ºC suda çözdürülür10-15 dk bu solüsyon içersinde bekletilir.Solüsyondan çıkartılan parçalar sıcak ve temiz suyla yıkanır ve kurutulur.
ELEKTROLİTİK PARLATMA:Yüzeyde var olan oksit tabakasının elektrolitik kaplama yapmadan önce mutlaka giderilmesi gerekmektedir.Oksit tabakası kaplamanın 1. adımı olan yüzey temizleme kademesinde giderilmez.Tabakanın giderilmesi için metal yüzeyleri(eğer yüzey uygunsa)mekanik olarak keçe veya fırçalarla polisaj işlemi uygulanır.
Elektrolitik parlatmalar her metel için özel banyo bileşimine sahip bir işlemdir.Elektrolitik parlatmada temel nokta bir sonraki işlem adımında kaplanacak metalin(parçanın) anot olarak bağlanmasıyla gerçekleştirilir.Parlatmada ve kaplamada doğru akım kaynakları kullanıldığından elektrolitik parlatmada metal yada parça + uca bağlanır(anodik bağlanma).Eğer parçanın oksit tabakası bir önceki işlemde giderilmiş ise yüzey kimi zaman gözle görülmeyecek ölçüde bir pürüzlülüğe sahiptir ve elektrolitik parlatmayla yüzey kaplamaya uygun, düzgün üniform hale getirilir.Bir önceki işlemde oksit tabakasını gideremediysek; bu kez yüzey hem pürüzlü hemde oksitlidir.Seçilecek akım yoğunluğu ve işlem süresiyle oksit tabakası giderilebilir.
Metal parça geçirmiş olduğu tüm yüzey hazırlama işlemlerinden sonra kaplama ünitesine gönderilir.Parça kaplama banyolarına katot olarak asılır.Anot olarak ise;
1)Şayet çözümeyen anotlar kullanıcaksak kurşun ve kurşun alaşımlar
2)Şayet çözünen anotlar kullanıcaksak kaplanacak metalin külçe dökümü(anot dökümü) anot olarak asılır.Nikel kaplamaların önemli bir kısmı bu şekilde yapılır.
Metal kaplamalarda kaplamanın bakır ,nikel ,çinko ,altın olmasına bağlı olarak çok sayıda banyo bileşenleri vardır.Örneğin nikel kaplama banyoları mat ve yarı mat nikel kaplamalar ,parlak nikel kaplamalar ,siyah nikel kaplamalar ,sülfamatlı,florabatlı olmak üzere; bakır kaplama banyoları sülfatlı ,siyanürlü ,klorürlü olmak üzere; krom kaplama banyolarını sert ve yumuşak olarak sınıflara ayırmak mümkündür.
ELEKTROLİTİK KAPLAMANIN KALİTESİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER
1)AKIM YOĞUNLUĞU: Akım yoğunluğunun kaplama kalitesine etkisiiki şekilde gerçekleşir.Akım yoğunluğu arttıkça katottaki metal birikim hızı artar ve kaplama ince taneli yapılardan oluşur.Akım yoğunluğu üretim hızını arttırmak amacıyla çok arttırıldığında katot yüzeyinde bir iyon fakirleşmesi ve buna bağlı olarakta homojen olmayan süngerimsi bir kaplama ortaya çıkar.Yüksek akım yoğunluklarında katottan hidrojen gazı çıkma ihtimali vardır.Bu durumda yüzey kalitesi bozulur.Düşük akım yoğunluklarında ise katotta biriken metal iri ve kaba tanelidir.
2)pH DEĞERİ(ÇÖZELTİNİN): Elektrolitin pH değeri olması gerekenin altında veya üstünde olursa kaplama kalitesi derhal bozulur.Yüzeyde renk tonlamaları , koyulaşmalar gözlenir.
3)SICAKLIK: Sıcaklık ,çözelti içersindeki metal iyon difüzyon hızını arttırdığından katotta küçük ince yapılı bir kristal yapısını zorlar.sıcaklığın çok artması durumunda katot polarizasyonu azalır.Buna bağlı olarak kaba iri yapılı kristal oluşumu gözlenir ayrıca yüksek sıcaklık. Hidrojen fazla voltajınıda azaltıcağından yüzeyde Hidrojen çıkışını kolaylaştırır.
4)ELEKTROLİTİK BİLEŞİMİ & MEKANİK ETKİ: Kaplamanın kalitesi üzerinde konsantrasyonun etkisi büyüktür.Konsantrasyona bağlı olarak ince üniform matris , metale yapışık sağlam bir kaplama elde etmek mümkündür.Elektroliz süresince katot yüzeyine yakın bölgelerde iyon fakirleşmesi olacaktır.
KİMYASAL KAPLAMA (AKIMSIZ METAL KAPLAMA)
Kaplanacak yüzey metal dışı bir malzemeyse metal kaplama işlemi bu amaca göre modifiye edilmiş(geliştirilmiş) elektrolitik çözeltilerle gerçekleştirilir.Kaplamanın (elektrolizin) gerçekleşmesi için üretilmesi gereken elektronlar (bu elektronlar katot reaksiyonu için gereklidir) elektrolitik kaplamalarda gördüğünüz klasik anot reaksiyonlarıyla (anodik oksidasyon veya suyun parçalanmasıyla) üretilemezler.
Aslında kimyasal metal kaplama prosesinde üretilen elektronlar da bir anodik reaksiyon ürünüdür ancak bu reaksiyon ne suyun parçalanması ne de metalin anodik oksidasyonudur.
Kimyasal metal kaplama işlemindeki anodik reaksiyon bir organik bileşiğin bazik şartlarda parçalanmasıyla elde edilir.Akımsız metal banyolarında kaplanan söz konusu organik Formaldehit’tir.
2CH2O + 4OH ˉ → HCOO ˉ + 2H2O + H2 + 2eˉ
Formaldehit
Kimyasal metal kaplamada görülen bu anodik reaksiyondan da görüldüğü gibi söz konusu reaksiyon bazik şartlarda gerçekleşir.Yani kaplama çözeltisinin pH değeri 10 dan büyük olmalıdır.Bu pH değerlerinde bütün yarı soy ,soy ve bazik metaller hidroksitleri halinde çökerler.Bu yüzden kimyasal metal kaplama banyosu yüksek pH değerlerinde metal iyonlarını çökmeden çözeltide tutabilecek farklı kimyasallar içerir.Bu kimyasallar mol ağırlığı çok yüksek ve söz konusu metal iyonuyla ligand oluşturabilecek özelliğe sahip kimyasallardır.Uygulamada en çok karşımıza çıkan EDTA ,Quadrol ve Tarterik asittir.Klasik bir bakır kaplama banyosu 7-15(10-15) gr/lt Cu² iyonu ,25-30 gr/lt EDTA , 6,5-7 ml/l Formaldehit ,15-20 gr/lt Sodyum hidroksit(pH 10-12 ayarlamak için ne kadar gerekiyorsa o kadar) bileşimine sahiptir.
Kimyasal metal kaplama işlemleri genellikle yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilir.Bakır için uygulama sıcaklığı 65ºC dir.Banyo sıcaklığı ve banyo bileşimi parçanın banyoda ne kadar kalacağını belirler.Proses süresi temiz yeni hazırlanmış banyoda 10-15 dk iken banyonun kullanımına bağlı olarak artar.Kaplama kalitesinin kullanıma bağlı olarak bozulmasıyla banyoya gerekli ilaveler yapılır.Belli sayıdaki ilavelerden sonra banyo bileşimi standart bile olsa reaksiyon yürümez yani kaplama gerçekleştirilemez.Banyo kilitlenmiştir.
Kimyasal metal kaplamada örneğin bakır katot reaksiyonu şöyledir:
Cu(2) – Ligand + 2eˉ → Cu + Ligand
Akımsız metal kaplamalarda temel üretimin ağırlıklı kısmı NİKEL dir.