Elektrokaplama

Elektrokaplama katı bir alt tabaka üzerinde o metalin katyonlarının doğrudan bir elektrik akımı vasıtasıyla indirgenmesi yoluyla metal kaplama yapan işlemlerin genel adıdır. Kaplanacak kısım elektrolitik hücrenin katodu (negatif elektrot) görevi görür; elektrolit, kaplanacak metal tuzunun çözeltisidir; ve anot (pozitif elektrot) genellikle ya o metalin külçesi veya bazı etkisiz iletken malzemelerdir. Akım harici bir güç kaynağı tarafından sağlanır.
Elektrokaplama sanayinde ve dekoratif sanatlarda aşınma ve korozyona direnç, kayganlık, yansıtma, elektriksel iletkenlik veya görünüm gibi nesnelerin yüzey niteliklerini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılır. Küçük boyutlu veya aşınmış parçalarda kalınlık oluşturmak veya elektroformlama denilen işlem karmaşık şekilli metal plakaları üretmek için de kullanılabilir. Bakır gibi metalleri saflaştırmak için de kullanılır.
"Elektrokaplama" terimi gümüş/gümüş klorür elektrotları yapmak için gümüş tel üzerinde gümüş klorür oluşumunda olduğu gibi katı bir altlık üzerinde anyonların oksidasyonunu sağlamada elektrik akımı kullanan işlemler için de bazen kullanılır.
Elektropolisaj bir metal nesnenin yüzeyinden metal katyonları uzaklaştırmak için elektrik akımı kullanan bir işlem olup elektrokaplamanın tersi olarak düşünülebilir.
İşlem
Elektrolit, kaplanacak metalin pozitif iyonlarını (katyonlarını) içermelidir. Bu katyonlar katotta sıfır değerlik durumunda metale indirgenir. Örneğin bakır kaplamaya yönelik elektrolit Cu2+ katyonlarına ve anyonlarına ayrışan bakır(II) sülfat çözeltisi olabilir. Katotta, Cu2+ iki elektron kazanarak metalik bakıra indirgenir.
Anot kaplama metalinden yapıldığında orada ters reaksiyon olabilir ve onu çözünmüş katyonlara dönüştürür. Örneğin bakır iki elektron kaybederek anotta Cu2+ 'ye yükseltgenir. Bu durumda anodun çözünme hızı katodun kaplandığı orana eşit olur ve bu yüzden elektrolit banyosundaki iyonlar anot tarafından sürekli olarak doldurulur. Net sonuç, metalin anot kaynağından katoda etkili transferidir.
Bunun yerine anot, kurşun veya karbon gibi elektrokimyasal oksidasyona dirençli bir malzemeden yapılabilir. Oksijen, hidrojen peroksit veya diğer bazı yan ürünler daha sonra anotta üretilir. Bu durumda kaplanacak metalin iyonları solüsyondan çekilirken banyoda periyodik olarak yenilenmelidir.
Kaplama genellikle bir alaşım değil tek metalik elementtir. Bununla birlikte bazı alaşımlar özellikle pirinç ve lehim olmak üzere elektro biriktirilebilir. Kaplanmış "alaşımlar" gerçek alaşımlar yani katı çözeltiler değil daha çok kaplanan metallerin küçük kristalleridir. Kaplanmış lehim durumunda bazen "gerçek bir alaşıma" sahip olmanın gerekli olduğu varsayılır ve kaplanmış lehim, kalay ve kurşunun gerçek bir alaşım oluşturmak üzere birleşmesine izin vermek için eritilir. Gerçek alaşım kaplanmış alaşımdan daha korozyona dayanıklıdır.
Pek çok kaplama banyosunda biriktirilecek metalin siyanürlerine ek olarak diğer metallerin siyanitleri (potasyum siyanür gibi) bulunur. Bu serbest siyanürler anot korozyonunu kolaylaştırır, sabit bir metal iyonu seviyesinin korunmasına yardımcı olur ve iletkenliğe katkıda yapsr. Ek olarak iletkenliği artırmak için karbonatlar ve fosfatlar gibi metal olmayan kimyasallar da eklenebilir.
Alt tabakanın belirli bölgelerinde kaplama istenmediğinde banyonun alt tabaka ile temas etmesini önlemek için durdurucular uygulanır. Tipik stop-offlar (durdurmalar) arasında bant, folyo, cilalar ve vakslar bulunur.
Bir kaplamanın düzgün bir şekilde örtme kabiliyetine (ingilizce:throwing power) denir; atma gücü ne kadar iyi olursa kaplama o kadar düzgün olur.
Vuruş
Başlangıçta çok ince (genellikle 0,1μm kalınlığından az) bir darbe veya flaş adı verilen özel bir kaplama birikintisi kullanılabilir.) yüksek kalitede ve yüzeye iyi yapışan kaplama kullanılabilir. Bu, sonraki kaplama işlemleri için temel görevdir. Darbe yüksek akım yoğunluğu ve az iyon konsantrasyonlu banyo kullanır. İşlem yavaştır bu nedenle istenen darbe kalınlığı elde edildiğinde daha verimli kaplama işlemleri kullanılır.
Çarpma yöntemi, farklı metallerin kaplanmasıyla birlikte de kullanılır. Korozyon direncini iyileştirmek için metal üzerine bir tür birikintinin kaplanması isteniyorsa ancak bu metal doğası gereği alt tabakaya az yapışıyorsa önce her ikisi ile uyumlu bir darbe uygulanabilir. Bu duruma bir örnek elektrolitik nikelin çinko alaşımlarına zayıf tutunmasıdır ki bu durumda her ikisine de iyi yapışan bir bakır çarpması kullanılır.
Elektrokimyasal kaplama
Elektrokimyasal çökeltme, genellikle aşağıdaki avantajlardan dolayı metallerin büyümesi ve metal oksitlerin iletilmesi için kullanılır: nanoyapının kalınlığı ve morfolojisi, elektrokimyasal parametrelerin ayarlanmasıyla hassas bir şekilde kontrol edilebilir; nispeten tekdüze ve kompakt birikintiler, şablon bazlı yapılarda sentezlenebilir; daha yüksek birikim oranları elde edilir; ve ekipman yüksek vakum veya yüksek reaksiyon sıcaklığı gibi gerekliliklerin olmaması nedeniyle ucuzdur.
Darbeli elektrokaplama
Darbeli elektrokaplama veya darbeli elektro-kaplama (PED) işlemi elektriksel potansiyelin veya akımın iki farklı değer arasında hızlı bir şekilde değişmesini ve sıfır akımla ayrılan eşit genlik, süre ve polaritede bir dizi darbe ile sonuçlanmasını içerir. Darbe genliğini ve genişliğini değiştirerek biriktirilen filmin bileşimini ve kalınlığını değiştirmek mümkündür.
Darbeli elektrokaplamanın deneysel parametreleri genellikle tepe akım/potansiyel, görev döngüsü, frekans ve etkin akım/potansiyelden oluşur. Tepe akımı/ potansiyeli elektro kaplama akımının veya potansiyelinin maksimum ayarıdır. Görev döngüsü uygulanan akım veya potansiyel ile belirli bir elektrokaplama periyodunda zamanın etkili kısmıdır. Etkin akım/ potansiyel görev döngüsü ve akım veya potansiyelin tepe değeri çarpılarak hesaplanır. Darbeli elektrokaplama elektrolizle kaplanmış filmin kalitesini iyileştirmeye ve hızlı biriktirme sırasında oluşan iç gerilimi serbest bırakmaya yardımcı olabilir. Kısa görev döngüsü ve yüksek frekansın birleşimi yüzey çatlaklarını azaltabilir. Ancak sabit etkili akımı veya potansiyeli korumak için yüksek tepe akımı/ potansiyeli ve hızlı anahtar sağlamak için yüksek performanslı güç kaynağı gerekebilir. Darbeli elektrokaplamanın başka bir yaygın problemi anot malzemesinin özellikle platin gibi yüksek maliyetli, atıl elektrot için ters elektrokaplama sırasında kaplanması ve kirlenmesidir.
Darbeli elektrokaplamayı etkileyebilecek diğer faktörler arasında sıcaklık, anottan katoda boşluk ve karıştırma yer alır. Hemen hemen tüm kimyasal reaksiyonların hızı Arrhenius yasasına göre sıcaklıkla üssel olarak arttığından bazen darbeli elektrokaplama biriktirme oranını artırmak için ısıtılmış elektro kaplama banyosunda gerçekleştirilebilir. Anot-katot aralığı anot ve katot arasındaki akım dağılımı ile ilgilidir. Küçük boşluk/ numune alanı oranı akımın eşit olmayan dağılımına neden olabilir ve plakalı numunenin yüzey topolojisini etkileyebilir. Karıştırma metal iyonlarının toplu solüsyondan elektrot yüzeyine transfer/ difüzyon oranını artırabilir. Karıştırma ayarı farklı metal elektrokaplama işlemlerine göre değişir.
Fırçalı elektrokaplama
Yakından ilişkili bir süreç, bölgesel alanların veya tüm öğelerin kaplama çözeltisine doymuş bir fırça kullanılarak kaplandığı fırçayla elektro kaplamadır. Fırça, genellikle, hem kaplama solüsyonunu tutan hem de kaplanan ürünle doğrudan teması önleyen emici bir kumaş malzeme ile sarılmış paslanmaz çelik gövde, düşük voltajlı bir doğru akım güç kaynağının anotuna ve kaplanacak ürün katoda bağlanır. Operatör, fırçayı kaplama solüsyonuna batırır ve ardından onu ürüne uygular ve kaplama malzemesinin eşit bir şekilde dağılmasını sağlamak için fırçayı sürekli hareket ettirir.
Fırçalı elektro kaplama, taşınabilirlik, herhangi bir nedenden dolayı tankla kaplanamayan öğelerin kaplanması (örneğin bina restorasyonunda çok büyük dekoratif destek kolonların kaplanması), maskeleme gereksinimlerinin az veya hiç olmaması ve kaplama solüsyonu için nispeten az hacım gereksinimleri dahil olmak üzere tankta kaplamaya göre çeşitli avantajları vardır. Tank kaplamaya kıyasla dezavantajlar, daha çok işçilik (tank kaplaması sıklıkla enaz dikkatle yapılabilir) ve bu kadar büyük bir plaka kalınlığı elde edilememeyi içerebilir.
Fırçalı elektrokaplamada sert krom
Sert krom, mukavemeti, direnci ve şık kaplaması nedeniyle sert kaplama ve elektro kaplama için kullanılan en yaygın kaplama malzemelerindendir. Ancak krom altı değerlikli durumunda çok tehlikelidir. Solunduğunda veya tüketildiğinde, havadaki Cr 6+ [JT2] akciğer kanserine bağlanmıştır ve boğaz, ağız ve burunda hasara neden olur.
Bunun nedeni, kromun altı değerlikli durumunda kanserojen ve teratojenik özelliklere sahip olması ve hücreler üzerinde mutajenik etkiye sahip olmasıdır.
Her yıl 558,000 Amerikalı teknisyen, işyerinde altı değerlikli kroma maruz kalıyor ve elektrokaplama, kaynak ve boyama endüstrilerinde çalışanlar, yüksek Cr 6+ bileşenlerine maruziyetin artması nedeniyle çok risk altındadır.
Altı değerlikli kromla bağlantılı tehlikeler nedeniyle daha güvenli, çevre dostu alternatifler bulmak, son on yıldır fırça elektrokaplama araştırmalarının ana itici gücü oldu. Geliştirilen bir alternatif, metal matrisli kompozitlerdir (MMC). MMC, yüksek sıcaklıklarda sertlik, aşınma direnci ve oksidasyon koruması dahil olmak üzere metal kaplama çözümlerine benzersiz ve üstün özellikler sağlar. Bu krom alternatifi MMC, kobalt krom karbür, nikel wolfram karbür ve nikel krom karbür içerir.
Tamburda kaplama
Bu elektrokaplama tekniği, endüstride çok sayıda küçük nesne için yaygın kullanılır. Nesneler, fıçı şeklindeki iletken olmayan bir kafese yerleştirilir ve ardından üzerlerine kaplanacak metalin asılı atomlarını içeren kimyasal banyoya daldırılır. Daha sonra tambur döndürülür ve elektrik akımları, birbirlerine dokunduklarında devreleri tamamlayan tamburdaki çeşitli parçalardan geçirilir. Sonuç, çok tekdüze ve verimli bir kaplama işlemidir ancak son ürünlerdeki son kat kaplama işleminde muhtemelen aşınmaya maruz kalacaktır. Çok süslemeli veya hassas tasarımlı ürünler için uygun değildir.
Temizlik
Moleküler yağ katmanları kaplamanın yapışmasını önleyebildiğinden başarılı elektrokaplama için temizlik çok önemlidir. ASTM B322 elektrokaplamadan önce metalleri temizlemek için standart bir kılavuzdur. Temizleme, solventle temizleme, sıcak alkali deterjanla temizleme, elektro temizleme ve asitle muamele vb. içerir.
Temizlik için en yaygın endüstriyel test, yüzeyin iyice durulandığı ve dik tutulduğu su kırma (ingilizce: waterbreak test) testidir. Yağlar gibi hidrofobik kirleticiler, suyun damlamasına ve parçalanmasına neden olarak suyun hızlı şekilde boşalmasına neden olur. Mükemmel şekilde temizlenmiş metal yüzeyler hidrofiliktir ve boncuklanmayan veya akmayan kırılmamış bir su tabakası tutar. ASTM F22, bu testin bir versiyonunu açıklar. Bu test hidrofilik kirleticileri tespit etmez ancak elektrokaplama çözeltiler su bazlı olduğundan bunların yerini kolayca alabilir. Sabun gibi yüzey aktif maddeler testin hassasiyetini azaltır ve iyice durulanması gerekir.
Etkileri
Elektrokaplama, iş parçasının kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklerini değiştirir. Kimyasal değişime bir örnek, nikel kaplamanın korozyon direncini artırmasıdır. Fiziksel değişikliğe bir örnek, dış görünüşteki bir değişikliktir. Mekanik değişikliğe bir örnek, takım endüstrisinde gerekli bir özellik olan gerilme mukavemetinde veya yüzey sertliğinde bir değişikliktir. Altta yatan bakır veya nikel kaplı devrelerde asit altının elektrokaplaması temas direncini ve yüzey sertliğini azaltır. Bakır kaplı yumuşak çelik alanlar, bu tür alanların yüzey sertleşmesi istenmiyorsa maske görevi görür. Kalay kaplı çelik, kalayın oksidasyonu nedeniyle yüzeyin matlaşmasını önlemek için krom kaplanmıştır.
Elektro kaplama veya elektriksiz kaplama, radyoaktif hipofosfit <sup id="mwpw">32</sup> P iyonları içeren nikel- fosfor konsantrelerinden hazırlanan sulu bir çözelti kullanarak bir metal parçayı radyoaktif hale getirmenin bir yolu olarak kullanılabilir.
Elektro kaplamaya alternatifler
Elektrolitik indirgeme içermeyen katı substratlar üzerinde metalik kaplamalar üretmek için bir dizi alternatif süreç vardır:
Akımsız kaplama, metal iyonları ve bunları redoks reaksiyonları ile metale indirgeyecek kimyasallar içeren bir banyo kullanır. Reaksiyon otokatalitik olmalıdır, böylece yeni metal, tüm banyoda bir defada toz olarak çökeltilmek yerine büyüyen kaplamanın üzerine çökelecektir. Elektriksiz işlemler, aşınma ve korozyon direnci için nikel-fosfor veya nikel-bor alaşımlarını, ayna yapımı için gümüşü, baskılı devre kartları için bakır ve daha fazlasını biriktirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu işlemlerin elektro kaplamaya göre önemli bir avantajı, rastgele şekle sahip yüzeyler üzerinde, deliklerin içinde bile tekdüze kalınlıkta kaplamalar üretebilmeleri ve substratın elektriksel olarak iletken olmasına gerek olmamasıdır. Diğer bir büyük fayda, güç kaynaklarına veya özellikle şekillendirilmiş anotlara ihtiyaç duymamalarıdır. Dezavantajlar arasında daha düşük biriktirme hızı, nispeten pahalı kimyasalların tüketimi ve sınırlı kaplama metali seçimi yer alır.
Daldırma kaplama işlemleri, alt metalin çözülebilir iyonlara oksitlendiği yer değiştirme reaksiyonlarından yararlanırken, kaplama metalinin iyonları indirgenir ve yerine çökeltilir. Bu işlem çok ince kaplamalarla sınırlıdır, çünkü alt tabaka tamamen kaplandıktan sonra reaksiyon durur. Yine de, baskılı devre kartlarında altın kaplamalı elektrik kontakları elde etmek için kullanılan akımsız nikel daldırma altın (ENIG) işlemi gibi bazı önemli uygulamalara sahiptir.
Püskürtme, metalin mikroskobik parçacıklarını bir vakumda substrata püskürtmek için güçlü bir elektron ışını kullanır.
Fiziksel buhar biriktirme, metali buharlaştırarak alt tabakaya aktarır.
Kimyasal buhar biriktirme, bir kimyasal reaksiyonun sonucu olarak altlık üzerinde biriken uçucu bir metal bileşiği içeren bir gaz kullanır.
Yaldız, bir yapıştırıcıyla yerinde tutulan çok ince bir altın tabakası uygulayarak metaller üzerine altın bir tabaka oluşturmanın geleneksel bir yoludur.
Tarih
İlk elektrokaplamanın Part İmparatorluğu döneminde yapılmış olması muhtemeldir. Wilhelm König, 1930'larda Irak Ulusal Müzesi 'nde asistandı. König antik Irak'tan kalan çok ince altın katmanlarla kaplanmış bir dizi çok ince gümüş objeyi gözlemlemiş ve bunların elektrolizle kaplandıklarına dair tahminler yapmıştı. 1938'de Parthian başkenti Ctesiphon yakınında bulunan olası bir Part bataryası 'na atıfta bulunarak fikrini doğruladı (MÖ 150 - MS 223) ve Sasani (MS 224-650) Pers imparatorlukları. Cihazın aslında pil olup olmadığı ve öyleyse ne için kullanıldığı araştırmacılar arasında tartışma konusu olmaya devam etmektedir.
Modern elektrokimya 1805'te İtalyan kimyager Luigi Valentino Brugnatelli tarafından icat edildi. Brugnatelli, meslektaşı Alessandro Volta'nın beş yıl önceki icadı volta pilini, ilk elektrokaplamayı kolaylaştırmak için kullandı. Brugnatelli'nin icatları Fransız Bilimler Akademisi tarafından örtbas edildi ve sonraki otuz yılda sanayide kullanılmadı. 1839'a gelindiğinde, İngiltere ve Rusya'daki bilim adamları baskı plakalarının bakır elektrokaplaması için Brugnatelli'ninkine benzer metal kaplama süreçlerini bağımsız olarak tasarladılar.
Rusya'daki Boris Jacobi, galvanoplastikleri yeniden keşfetmekle kalmadı aynı zamanda elektrotipleme ve galvanoplastik heykel geliştirdi. Galvanoplastikler, mucit Peter Bagration, bilim adamı Heinrich Lenz ve bilimkurgu yazarı Vladimir Odoyevsky gibi insanlarla birlikte teknolojinin daha da gelişmesine katkıda bulunan Rusya'da hızla moda oldu. Sankt-Peterburg'daki St. Isaac Katedralinin devasa galvanoplastik heykelleri ve Dünyanın en yüksek Ortodoks kilisesi Moskova'daki Kurtarıcı İsa Katedralinin altın kaplama kubbesi, 19. yüzyılın ortalarında Rusya'da elektrokaplama kullanımının en kötü şöhretli örneklerindendir.
Kısa süre sonra İngiltere, Birmingham'dan John Wright, potasyum siyanürün altın ve gümüş elektrokaplama için uygun bir elektrolit olduğunu keşfetti. Wright'ın ortakları George Elkington ve Henry Elkington, 1840 yılında elektro kaplama için ilk patentleri aldılar. Bu ikisi daha sonra dünyaya yayıldığı Birmingham'da elektro kaplama endüstrisini kurdu. Halen Thinktank, Birmingham Bilim Müzesi'ndeki 1844 Woolrich Elektrik Jeneratörü endüstride kullanılan en eski elektrik jeneratörüydü. Bu jeneratör Elkingtons tarafından kullanılmıştı.
Hamburg 'daki Norddeutsche Affinerie 1876'da üretime başlayan ilk modern elektro kaplama tesisiydi.
Elektrokimya bilimi geliştikçe elektrokaplama ile ilişkisi anlaşıldı ve diğer dekoratif olmayan metal elektro kaplama türleri geliştirildi. Nikel, pirinç, kalay ve çinkonun ticari elektrokaplaması 1850'lerde geliştirildi. Elkingtons'un patentlerine dayanan elektro kaplama banyoları ve ekipmanları çok sayıda büyük ölçekli nesnenin kaplamasına, özel üretim ve mühendislik uygulamalarına uyacak şekilde ölçeklendirildi.
Kaplama endüstrisi 19. yüzyılın sonlarında elektrik jeneratörlerinin gelişmesiyle büyük bir ivme kazandı. Mevcut daha yüksek akımlarla, daha iyi görünümün yanı sıra korozyon koruması ve gelişmiş aşınma özellikleri gerektiren metal makine bileşenleri, donanım ve otomotiv parçaları toplu olarak kaplanabilmektedir.
İki Dünya Savaşı ve büyüyen havacılık endüstrisi, sert krom kaplama, bronz alaşımlı kaplama, sülfamat nikel kaplama ve diğer birçok kaplama işlemi gibi süreçler dahil olmak üzere daha fazla gelişme ve iyileştirmeye ivme kazandırdı. Kaplama ekipmanı, elle çalıştırılan katran astarlı ahşap tanklardan, saatte binlerce kilogram parça kaplayabilen otomatik ekipmanlara dönüştü.
Amerikalı fizikçi Richard Feynman 'ın ilk projelerinden biri metali plastiğe elektrokaplama teknolojisi geliştirmekti. Feynman, arkadaşının orijinal fikrini başarılı bir icat haline getirerek işvereninin (ve arkadaşının) vermiş olduğu ancak başka türlü yerine getiremeyeceği ticari vaatleri tutmasına izin verdi.
Hull hücresi
Hull hücresi, elektrokaplama banyosunun durumunu kalitatif olarak kontrol etmek için kullanılan bir tür test hücresidir. Mevcut yoğunluk aralığı için optimizasyona, katkı maddesi konsantrasyonunun optimizasyonuna, kirlilik etkilerinin tanınmasına ve makro fırlatma gücü kapasitesinin gösterilmesine olanak tanır. Hull hücresi, kaplama banyosunu laboratuvar ölçeğinde kopyalar. Doğrultucuya bağlanan uygun anot kaplama çözeltisinin örneği ile doldurulur. "İş", banyonun "sağlığını" göstermek için kaplanacak olan Hull hücre test paneli ile değiştirilir.
Hull hücresi, 267 mL kaplama çözeltisi alan trapezoid bir kaptır. Bu şekil, test panelinin anoda açılı olarak yerleştirilmesine izin verir. Sonuçta kaplama, gövde hücre cetveli ile ölçülebilen farklı akım yoğunluklarında kaplanır. Çözelti hacmi, katkı maddesi konsantrasyonunun miktarsal optimizasyonuna imkan verir: 267 mL ye 1 gram ilavesi kaplama tankında oz/gal ye eşittir 0.5.
Haring-Blum hücresi
Haring Blum hücresi, kaplama banyosunun makro fırlatma gücünü belirlemek için kullanılır. Hücre, ortasında sabit bir anot bulunan iki paralel katottan oluşur. Katotlar 1:5 oranında anottan uzaktadır. Makro fırlatma gücü, belirli bir süre boyunca doğru akım geçildiğinde iki katottaki kaplama kalınlığından hesaplanır. Hücre, perspeks veya camdan imal edilmiştir.