Akımsız Nikel-Fosfor (Ni-P) Kaplama ve Isıl İşlem

Akımsız Nikel-Fosfor (Ni-P) Kaplama ve Isıl İşlem

Mahmut Sami Çapkın / Kimyager - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi - Fen Bilimleri Enstitüsü

Doç. Dr. Erdal Eren / Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi - Kimya Bölüm Başkanı


İlk kez 1946 yılında Brenner & Riddell tarafından gerçekleştirilen Akımsız Nikel Kaplama metodu korozyon ve aşınma dirençleri sebebiyle farklı sanayi türlerinde sıklıkla kullanılan bir kaplama türüdür.[1],[2] Akımsız nikel kaplama nikel iyonlarının bir indirgeyici vasıtasıyla otokatalitik olarak indirgenmesi ile üretilmektedir.[4] Çeşitli indirgeyici bileşikler kullanılmaktadır. Bunlardan en önemli dördü şöyledir; Sodyum Hipofosfit, Aminoboranlar, Sodyum Borhidrür ve Hidrazin.[2] En çok kullanılanlar ise Akımsız Nikel-Fosfor

(Ni-P) kaplamalardır. Bunlarda fosfor içeriğine göre;
*Düşük Fosforlu; 2 - 5% P.
*Orta Fosforlu; 6 - 9% P.
*Yüksek Fosforlu; 10 - 13% P. olmak üzere üçe ayrılır.[5]

Akımsız nikel kaplama, akımlı kaplamalara göre korozif saldırılara karşı daha etkili bir bariyer sağlayan bir kaplama türüdür.[5]
Akımsız kaplamalar, benzersiz fizikokimyasal ve mekanik özellikleri bulunan uygulamalardır. Akımsız kaplamaları kullanışlı kılan bu özelliklerinden bazıları şunlardır;

• Homojenlik,
• Mükemmel korozyon direnci,
• Aşınmaya ve aşındırmaya karşı direnç,
• Lehimlenebilirlik,
• Yüksek sertlik,
• Amorf ve mikrokristal katman,
• Düşük sürtünme katsayısı,
• Parlaklık,
• Özdirenç,
• Manyetik özellikler.[2]

Çoğu akımsız uygulamalar onların aşınma ve korozyon dirençleri sebebiyle kullanılırlar.[2] Fakat yukarıda bahsedilen özelliklerin en başında yazılan homojenlik akımsız nikel kaplamaların en önemli özelliklerinden biridir.



 Şekil-1- Örnek bir akımsız nikel kaplama banyosu (Kurvalf Makina)

Akımsız nikel kaplama ile malzemenin her tarafında aynı kalınlıkta kaplamayı görmek mümkündür. Akımlı nikel kaplama ile akımsız nikel kaplama arasındaki homojenite farkı Şekil-2’de görülebilmektedir.

Nikel Kaplama

Akımsız nikel kaplamalar akım kullanılmaması ve sadece kimyasal bir reaksiyonun gerçekleşmesi sebebiyle kimyasalın alt tabakaya değdiği her yer eşit kalınlıkta nikel kaplanabilir. Fakat her kaplama gibi optimum şartların sağlanması gerekmektedir.

Bunlar şu şekilde sıralanabilir;
• Nikel içeriği ; 5.0 ± 1.0 g/L
• Redüktör (İndirgeyici) ajanı ; 40 ± 3 g/L
• pH ; 4.4 – 4.8 (20°C de)
• Çalışma sıcaklığı ; 88 – 94 °C [6]

Aşağıda hipofosfit indirgeyicili akımsız nikel kaplamanın reaksiyonu verilmiştir. Görüldüğü gibi Nikel kaynağı olarak Nikel Sülfat (NiSO4) ve Fosfor kaynağı olarak da Sodyum Hipofosfit (NaH2PO2) kullanılmıştır. Reaksiyon otokatalik olarak yürümekte ve Ni2+, Hipofosfit sayesinde indirgenmektedir.

3NaH2PO2 + 3H2O + NiSO4 ---- 3NaH2PO3 + H2SO4 + 2H2 + Ni0 Enerji ve pH akımsız nikel kaplamalarda en önemli faktörlerdendir. Yapılan çalışmalar sonucunda enerjinin arttırılması yani sıcaklığın arttırılması ile kaplama hızının arttığı, ve pH ‘ın arttırılması ile de yine kaplama hızının arttığı gözlemlenmiştir.

Akımsız Nikel Kaplama uygulamaları neredeyse her sektörde uygulanabilir. Çeşitli fiziksel özellikleri; örneğin sertlik, aşınma direnci, korozyon direnci, kaplama uniformluğu bu kaplamayı çok tercih edilen bir kaplama türü yapmaktadır.[7]
En yaygın kullanım alanları; otomotiv, hava araçları ve uzay, petrol sanayi, kimya sanayi, elektrik-elektronik, yiyecek, denizcilik, tıp ve ilaç sanayi, askeri, madencilik, demiryolu ve tekstil sektörüdür. [2]

Akımsız nikel kaplamaların bütün ortamlarda mükemmel bir korozyon direncine sahip olması mümkün değildir. Bunu şu örneklerle göstermek anlaşır kılacaktır; 20°C’de ; Akımsız Nikel- Fosfor Kaplamanın Asestik Asitte korozyon hızı 0.8 μm/yıl, %25’lik Amonyakta korozyon hızı 16 μm/yıl, Nitrik Asitte korozyon hızı 25 μm/yıl, %5’lik Hidroklorik Asitte Korozyon Hızı 24 μm/yıl, %45’lik Sodyum Hidroksitte Korozyon olmadığı, pH 3.3’lük Suda da korozyon olmadığı gözlemlenmiştir [4]

Yapılan çalışmada akımsız nikel-fosfor tekniği kullanılarak iki adet 15X15x1 mm boyutlarında çelik (ASTM A 105 kalite) numuneler 50 mikrometrelik akımsız nikel kaplanmıştır.

Kullanılan kaplama banyosunun analizleri şu şekildedir;
Nikel: 5.3 g/L, Hipofosfit: 41.075 g/lt.
Saf su iletkenliği 3.69 μS olup, banyonun çalışması için ideal bir sudur.
Kaplama işlemi esnasında izlenen basamaklar Şekil-3’te görülebilmektedir.



Her iki numuneninde sertlik ölçümleri yapılarak 40 HRC olarak bulunmuştur.

Numunelerden biri 450 °C’de 1 saatlik bir ısıl işleme tabi tutulmuştur ve ısıl işlem sonrası akımsız Ni-P kaplamanın kalınlığında azalma olduğu ve yapılan ölçüm sonucu kaplama kalınlığının 17 mikrometreye düştüğü gözlemlenmiştir.

Isıl işlem sonrasında kaplama kalınlığı düşerken kaplamanın sertliğinde hayli bir artış olduğu ve yapılan ölçüm sonucunda sertliğin 64 HRC’ye çıktığı gözlemlenmiştir. Şekil-4’teki fotoğraflarda akımsız nikel kaplama tabakasının ısıl işlem öncesi ve sonrası görüntüleri görülebilmektedir.

Isıl işlem öncesi kaplamadan kaynaklı kabarık yüzeylerin varlığını, ısıl işlem sonrasında ise kabarık yüzeyin azaldığını yani yapının sıkılaştığını söyleyebiliriz. Bu da karşımıza sertlik tabakasında artış olarak karşımıza çıkmaktadır. Ölçüm sonuçları da bunu desteklemektedir.

Akımsız Nikel Kaplamanın korozyon dayanımına en önemli değişkenlerden birisi ısıl işlemdir. Nikel-Fosfor tabakası 220°C’nin üstündeki sıcaklıklara ısıtılırken fosfor oranı azalır ve nikel fosfit partikülleri oluşmaya başlar. Bu kaplamanın korozyona karşı olan direncini azaltmış olur. Partiküllerde küçük korozyon hücreleri yani çatlaklar oluşturarak kaplama tabakasının bozulmasını hızlandırmaktadır. Tabaka sertliği artarken kalınlık azalarak çatlaklar oluşur.[4]
Yapılan tuz testi ile korozyona karşı dayanım incelenmiştir. Isıl işlemli ve ısıl işlemsiz numuneler tuz testine tabii tutulmuş ve ısıl işlemsiz numunede 72 saatte kırmızı pas görülürken, ısıl işlemli numunede 24 saatte kırmızı pas görülmüştür. Sonuçlar ısıl işlemin akımsız nikel kaplamanın korozyona karşı olan direncine olumsuz yönde etki ettiğini, korozyon direncinin 3 kat düştüğünü göstermiştir. Tuz testleri sonrası iki numunenin de görünümleri şekil-5’te verilmiştir.

Sonuç olarak, akımsız nikel kaplama sonrası ısıl işlem uygulaması ile kaplama tabakasının sertliği artmaktadır. Fakat kaplama kalınlığı ve korozyona karşı olan direnci azalmaktadır.


 Isıl İşlemli Numunenin tuz testi sonrası görünümü

Isıl İşlemsiz Numunenin tuz testi sonrası görünümü