1. Akımsız Kaplamalarda Güncel Uygulamalar ve Gelişmeye Açık Alanlar
Akımsız kaplama; metal iyonlarının otokatalitik veya kimyasal indirgeme yöntemi ile elde edilerek malzeme üzerine kaplanması tekniğidir [1].
Akımsız kaplama yöntemi uzun bir geçmişe sahip olmakla birlikte endüstride yaygın olarak kullanımı son 20 yıla dayanmaktadır. Temelde bir akımsız kaplama banyosu metal iyonlarının kaynağı en az bir metal tuzu ve bir indirgeyici maddeden oluşur.
Ancak bunlarla birlikte stabilizatörler, tampon kimyasallar veya yüzey aktif maddeler gibi yardımcı bileşenlere de sıklıkla ihtiyaç duyulur, tekil reaktifler düzenli olarak birden fazla rol üstlenir ve çözelti bileşimi ve reaktivitesi, zaman ve şartlara bağlı olarak değişir.
Örneğin pH değişimi, indirgenlerin tüketimi, yan ürünlerin oluşumu, banyo ömrü, katalitik arayüzeylerin değişmesi gibi hususlar akımsız kaplama proseslerini önemli ölçüde karmaşıklaştırır [2].
Günümüzde endüstriyel uygulamalarda en yaygın kullanılan akımsız kaplama işlemi, sahip olduğu üstün özellikleri nedeniyle akımsız nikel kaplamadır. Akımsız nikel kaplamaların
en yaygın kullanılan kaplama çeşitleri ise Ni-P ve Ni-B alaşım kaplamalardır.
Akımsız nikel kaplamalar aşağıda maddeler halinde verilen avantajları nedeniyle otomotiv, petrol ve gaz, havacılık ve uzay, kimya, madencilik, plastik ve elektronik endüstrisi olmak üzere çok geniş bir kullanım alanına sahiptir.
a. Mükemmel korozyon ve aşınma direnci,
b. Uniform kaplama kalınlığı,
c. Kaplama sertliğinin çeşitli işlemlerle kontrol edilebilmesi,
d. Lehimlenebilirlik,
e. Yağlayıcılık,
f. Manyetik özellikler,
g. Düşük işçilik maliyet,
h. Aktif yüzey özelliğine sahip veya yüzeyi aktive edilebilen malzemeler (metal, seramik, cam, plastik vs.) üzerine uygulanabilir.
Bu çalışmada, akımsız kaplamalarla ilgili yapılan güncel çalışmalar ve gelişmeye açık alanlar değerlendirilmiştir.
1.1. Çoklu Alaşım Sistemli Akımsız Kaplamalar
Genel olarak, metal kompleksi indirgeyici ajandan daha pozitif standart potansiyele sahip ve kaplanan metal otokatalitik büyümeyi sağlamak için anodik indirgeyici oksidasyonunda
yeterince aktif olma koşullarını sağlayan metaller akımsız kaplama yöntemi ile elde edilebilmektedir (Tablo 1).
kaplamalar [3].
sertlik, sürtünme, aşınma, iletkenlik, optik, manyetik, termal kararlılık ve korozyon özellikleri üzerinde faydalı etkilere sahip diğer elementlerin de kaplama metaline ilave
edilmesini gerekli kılmaktadır.
Günümüzde yaygın olarak çalışılan ve uygulama sahası bulan üçlü alaşım sistemine
sahip kaplamalara Ni-P-B, Ni-Fe-P, Ni-Co-P, Ni-P-Mo, Ni-Zn-P, Ni-W-P, Ni-Pt-P ve Ni-Cr-P örnek verilebilir.
Ni-P alaşım sistemine ilave edilebilen Co, Cu, Fe, Mo, Sn ve W elementleri Ni-B alaşım sitemine de eklenerek nikel bor esaslı üçlü alaşım sistemleri de elde edilebilmektedir. Üçlü
alaşım sistemleri ile elde edilen başarılı sonuçlar dörtlü alaşım sistemine sahip akımsız kaplamaların yolunu açmış ve bu yönde çalışmalar yapılmaya başlanmıştır.
1.2. Çok Katmanlı Kaplamalar
Çok katmanlı kaplamalar, iki veya daha fazla katmanın aynı kaplama yapısında birleştirilmesiyle karakterize edilir. Farklı yapı ve özelliklere sahip kaplamaların kombinasyonu ile elde edilen çok katmanlı kaplama sistemleri kaplamaların sertlik, aşınma ve korozyon dayanım kombinasyonunu geliştirilmeye olanak sağlamaktadır.
Öte yandan, kaplama kalınlığı boyunca yapay ara fazlar oluşturarak aynı yapıdaki katmanları birleştirme olasılığı da vardır. Bu durumda, alt tabaka yüzeyine paralel olan bu ara fazların mevcudiyeti, kusurların ilerlemesini durdurma görevini yerine getirebilir ve dislokasyon hareketini engelleyebilir, mekanik ve koruyucu özellikleri tek katmanlı kaplamaların sunduğu koruyucu sınırın ötesinde arttırabilir [3].
Ancak çok katmanlı kaplamalardan maksimum verim alınabilmesi için kaplama bileşim ve özellikleri dikkate alınarak kaplama sırası, kaplama sayısı ve kalınlıklarının çok iyi tasarlanması gereklidir.
Akımsız çok katmanlı kaplamaların elde edilmesinde iki farklı banyo yaklaşımı vardır. Bunlar; çift veya çoklu banyo yaklaşımı (Şekil 1) bir diğeri ise tek banyo yaklaşımıdır. Çoklu banyo yaklaşımında ayrı ayrı kaplama banyoları hazırlanarak kaplama sırası ve kalınlığına
bağlı olarak altlık malzeme sırasıyla kaplama işlemlerine tabi tutulmaktadır.
Son yıllarda ise çok katmanlı kaplamaların elde edilebildiği hibrit elektro-akımsız kaplama banyolarını tek banyoda birleştiren tekli banyo yaklaşımı kullanılmaya başlanmıştır.
Bu kaplama yaklaşımı, aynı elektrolitte bulunan farklı metallerin birikmesini sağlayan tek bir kaplama banyosu olan akımlı ve akımsız kaplama banyo kombinasyonundan oluşmaktadır. Çift banyo yaklaşımı ile elde edilmiş Ni-P/ Ni-B dubleks kaplamanın yüzey ve kesit görünümü Şekil 2’de verilmiştir.
1.3. Akımsız Kompozit Kaplamalar
Akımsız kaplama yöntemi ile elde edilen kompozit kaplamaların geçmişi 1960’lı yıllara dayansa da malzeme bilimi alanında yaşanan gelişmelerle birlikte üretilen nano boyutlu partikül çeşitliliğinin ve niteliklerinin artması, akımsız kompozit kaplamalara olan ilgiyi arttırmış ve bu alandaki çalışmalar da hız kazanmıştır.
Akımsız kaplamalarda kaplama banyosuna ilave edilen katı parçacıkların kaplama metali ile birlikte yüzeye bağlanması işlemi, onların sertlik, sürtünme, aşınma ve korozyon direncinden faydalanma düşüncesi ile ortaya çıkmıştır.
Son on yıl içerisinde bu alanda çok sayıda çalışma yapılmıştır ve bu çalışmalarda karbürler, nitrürler, oksitler ve karbon bazlı katı partiküller kullanılarak akımsız Ni-P ve Ni-B alaşımlı kompozit kaplamalar elde edilmiştir.
Kompozit kaplamalarda yaygın olarak kullanılan partiküllere Si3N4 (Şekil 3), Al2O3, grafit, PTFE, WC, MoS2, TiO2, WS2, CNT, SiO2, ZrO2, TiN ve BN örnek olarak verilebilir. Bu alanda farklı kaplama alaşımlarının kullanılması ve hibrit kompozit kaplamaların üretilmesi önü açık alanlar olarak değerlendirilebilir.
Ayrıca kaplama banyosuna ilave edilen parçacıkların kaplama banyosunun bozulmasına neden olabilmesi, parçacıkların banyo içerisinde çökelmesi ve topaklanması ile parçacıkların
maksimum seviyede kaplama metali ile homojen bir şekilde yüzeylere bağlanabilmesi, nano parçacıkların maliyeti dikkate alındığında bu alanda aşılması gerekli önemli problemler olarak karşımıza çıkmaktadır.
1.4. Mikro ve Nano Boyutlu Malzemelerin Akımsız Kaplanması
Son yıllarda çalışılan konulardan biriside mikro ve nano boyutlu parçacıkların yüzey yüzey özelliklerini değiştirmek amacıyla farklı şekil ve boyuttaki metal, plastik ve seramik esaslı parçacıklar üzerine uygulanan kaplama işlemleridir.
Uygulama amaçlarının başında kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılan seramik partiküllerin sıvı metal içerisindeki ıslatmak kabiliyetinin geliştirilmesi gelmektedir.
Bunun yanı sıra farklı bileşimlerde parçacıkların elde edilmesi, parçacıklara iletkenlik ve manyetik özellikler kazandırmak maksadıyla da uygulanmaktadır.
Pasif yüzey özelliğine sahip parçacıkların kaplanabilmesi için öncelikle yüzey aktivasyon işlemlerinin uygulanması gereklidir.
Bu alanda geliştirmeye açık alanların başında parçacıkların tüm yüzeyinde aktif yüzey elde edilebilecek ekonomik yüzey aktivasyon tekniklerin geliştirilmesi, kaplama banyosuna atılan partiküllerin topaklanmasının önlenmesi ve aktivasyon süreçleri ile kaplama ve ara yıkama işlemlerinde yaşanan partikül kayıplarının minimize edilmesi gelmektedir.
1.5. Akımsız Kaplama ile Nanomalzeme Üretimi
Akımsız kaplama yöntemi yalnızca geleneksel olarak karşılaştığımız kütlesel parçaların kaplanması işlemleri için değil nano ölçekte farklı şekil ve boyutlara sahip nano malzemelerin üretilmesi için de kullanılabilmektedir.
Yöntemin sahip olduğu, altlık malzemenin veya katalize edilmiş yüzeyin şeklinden bağımsız olarak eşit kaplama kalınlığı sağlayabilmesi ve farklı metal veya alaşım yapılarının elde edilebilmesi nedeniyle akımsız kaplama tercih edilen yöntemlerden biri olmuştur.
Şekil 5’te görüldüğü gibi pasif yüzey özelliğine sahip farklı şekil ve boyutlarda malzemelerin katalize edilmiş yüzeylerinde kaplamanın büyümesi sağlanarak farklı boyutlarda (0D: boyutsuz, 1D: bir boyutlu, 2D: iki boyutlu, 3D: üç boyutlu) partikül, nanotel, nano-tüp, nano plaka ve nano-kafes gibi yapılara sahip nano malzemeler elde edilebilmektedir.
2. Sonuçlar
Akımsız kaplama yöntemi ile ilgili yapılan güncel çalışmaların ve bu çalışmalarda karşılaşılan problemlerin de değerlendirildiği bu çalışmada, farklı alaşım sistemlerinin geliştirilmesi, çok katmanlı kaplamalarla ilgili yeni kaplama tasarımlarının oluşturulması ve çok katmanlı yeni kaplama yöntemlerin geliştirilmesi, nano parçacık takviyeli hibrit kompozit kaplamalarla ilgili çalışmaların yapılması ve akımsız kaplama prosesi ile nano parçacık üretimi geliştirmeye açık alanlar olarak değerlendirilmiştir.
Referanslar
1. U. Matik, Akımsız Ni-P kaplamalarda Kaplama Parametrelerinin Belirlenmesi ve Mekanik Özelliklerine Etkisi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 2010.
2. F. Muench, Electroless Plating of Metal Nanomaterials, Wiley Library, ChemElectroChem 2021, 8, 2993 –3012.
3. F. Delaunois, V. Vitry and L. Bonin, Electroless Nickel Plating Fundamentals to Applications, CRC Press Taylor & Francis Group, 2021.
4. U. Matik, Effect of crystallization on wear and corrosion behavior. of electroless Ni-P/Ni-B duplex coating on ferrous PM compacts, Kovove Mater. 58 2020 247–254.
Doç. Dr. Ulaş Matik
Karabük Üniversitesi
TOBB Teknik Bilimler MYO
Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü
