Akımsız Nikel Kaplamalar

Akımsız Nikel Kaplamalar Akımsız Nikel Kaplamalar

Prof. Dr. Mustafa Ürgen

Sinem Eraslan- İstanbul Teknik Üniversitesi

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Alkali Siyanür İçermeyen Çinko – Nikel Alaşımlı Kaplamalar

1. Giriş
Elektrolitik kaplama banyolarında elde edilen nikel kaplamalar metal yüzeylerinin korozyondan korunması ve/veya bu yüzeylere dekoratif ve mühendislik özellikleri kazandırılması amacıyla 19. yüzyıldan bu yana kullanılmaktadır.
Elektrolitik kaplamalara alternatif oluşturabilecek nitelikte olan akımsız nikel kaplamalar, nikel tuzları içeren bir çözeltiye daldırılmış ve yüzeyi "iletken ve katalitik” bir malzeme üzerinde, redükleyicilerin etkisi ile nikel iyonlarının nikel metaline redüklenmesi sonucu elde edilirler. Bu sırada açığa çıkan fosfor veya bor ile birleşen nikel
bir alaşım oluşturur. Redüklenme olayı, kendisi de katalitik etki gösteren nikel üzerinde devam eder. Bu yüzden bu kaplamalar "otokatalitik kaplamalar” olarak da isimlendirilirler [1, 2].
Akımsız nikel kaplamanın ortaya çıkışı konusunda karşımıza ilk olarak Brenner ve Riddel isimli iki araştırmacı çıkmaktadır. Bu araştırmacıların elektrolitik nikel kaplama banyolarında istenmeyen oksidasyon ürünlerini hipofosfit ile temizlenmek istemeleri sırasında ilave nikel toplandığına tanık olmaları, akımsız kaplama fikrinin ortaya ilk çıkış noktası olarak görülmektedir. Nikelin hipofosfitle redüklenebileceği daha önce başka araştırmacılar tarafından gösterilmiş olsa da akımsız kaplamaların endüstriyel uygulamalara uyarlanması Brenner ve Riddel’ in bu keşfi ve sonrasında gerçekleştirmiş oldukları araştırmalar sonucunda olmuştur.
Akımsız nikel kaplamaları özgün ve üstün kılan en önemli özelliklerinin başında, parça geometrisine bağlı olmaksızın tüm yüzeylerde eş kalınlıkta ve homojen kaplamaların elde edilmesi gelmektedir. Kaplamalar sadece iletken yüzeylerde değil aynı zamanda yalıtkan malzemeler üzerinde de uygulanabilir. Yüksek aşınma ve korozyon dirençleri, yüksek sertlik değerleri ve ısıl işlemle sertliklerinin arttırılma olanakları, yüksek elektrik iletkenlikleri ve kaygan yüzey özellikleri akımsız nikel kaplamaların diğer üstün özellikleri olarak sıralanabilir. Tüm bu özellikler akımsız kaplamaların özellikle son yıllarda kaplama endüstrisinde önemli bir yer edinmesine imkan tanımıştır ve bu konuda gerçekleştirilen çalışmalara gösterilen ilgi her geçen gün artmaya devam etmektedir [3-7].
Akımsız nikel kaplamaların alternatif kullanım konusunda devreye girebileceği bir diğer alan da sert krom kaplamalar olarak karşımıza çıkmaktadır. Akımsız kaplamaların üstün özelliklerinin sert kromun sağlamış olduğu avantajlarla yarışabilecek düzeyde olması ve krom kaplamaların çevre ve insan sağlığına verebileceği zararlı etkiler göz önünde bulundurulduğunda bu alanda akımsız kaplamaya doğru yönelmelerin olması beklenen bir durumdur ve son yıllarda
bu kanıyı haklı çıkaracak değişimler yaşanmaya başlanmıştır [8-11].
2. Akımsız Nikel Kaplamaların Genel Özellikleri
Daha önce de belirtildiği gibi akımsız nikel kaplamalar, hidrazinli banyolarla elde edilenler hariç, temelde nikel–fosfor veya nikel– bor alaşımlarıdır. Bu nedenle elektrolitik yolla elde edilen nikel kaplamalardan farklı özellikler gösterirler. Aynı zamanda kaplamanın özellikleri de elde edildikleri prosese göre de farklılık gösterir. Farklı akımsız nikel kaplama proseslerinin özellikleri Çizelge 2.1’ de yer almaktadır. Aynı zamanda Çizelge 2.2’ de akımsız nikel–fosfor katmanları ile elektrolitik nikelin kaplama özellikleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir [1, 4].


Akımsız nikel kaplamaların geniş kullanım alanlarına sahip olmasının en önemli nedenlerinden biri, birçok malzeme üzerinde sorunsuzca ve çok iyi adezyon özellikleri gösterecek şekilde uygulanabilir olmalarıdır. Çelik, dökme demir, paslanmaz çelik, alüminyum, bakır, bronz, pirinç, magnezyum, berilyum, titanyum ve yalıtkan malzemeler (seramikler ve plastikler) üzerinde akımsız kaplamalar elde edilebilir [2, 3].



3. Akımsız Nikel Kaplamaların Uygulama Alanları
Akımsız nikel kaplama uygulamaları, son 50 yıllık süreç içerisinde ticari anlamda çok önemli aşama kaydetmiştir. Kaplamanın şekle bağlı olmaksızın yalıtkan malzemeler dâhil tüm malzemeler üzerine uygulanabilmesi ve yüksek korozyon ve aşınma dirençlerine sahip olması, akımsız nikel kaplamayı endüstride belirli alanlarda rakipsiz ve birçok alanda da diğer kaplamalarla karşılaştırıldığında tercih edilir konuma getirmiştir.
Akımsız nikel kaplamanın diğer kaplama türlerine kıyasla artan bu öneminin nedenleri kısaca aşağıdaki gibi sıralanabilir:
• Akımsız nikel kaplama ile yalıtkan malzemeler spesifik ve/veya dekoratif amaçlı olarak metal veya metal alaşımı şeklinde kaplanabilir.
• Alüminyum veya çelik gibi kolay reaksiyon verebilen alt malzemelerin akımsız nikel kaplama uygulaması ile yüzey özellikleri iyileştirilebilir.
• Düşük aşınma direncine sahip, nispeten yumuşak alt malzemelere akımsız nikel kaplama uygulaması ile sert ve aşınmaya karşı dirençli yüzeyler elde edilebilir.
• Birçok durumda, sert krom kaplama yerine akımsız nikel kaplama kullanılması avantajlı olabilir. Bu durum özellikle iç kaplamalarda, kompleks şekilli parçaların kaplanmasında ve sert krom kaplamanın ardından mekanik işlemeye gereksinim duyulan durumlarda geçerlidir.
• Bazı alt malzemelerin akımsız nikel kaplama ile lehimlenebilirlik özellikleri iyileştirilebilir.
Akımsız nikel kaplamanın uygulama alanları genel olarak kaplamaların kullanıldığı endüstriyel sektörlere göre sınıflandırılır (Otomotiv, elektrik-elektronik, uçak-uzay, kimyasal uygulamalar, petrol ve gaz endüstrisi… vb.). Aynı zamanda bu sınıflandırma kaplamanın yapıldığı alt malzeme türüne göre de gerçekleştirilebilir. Plastik, çelik,
paslanmaz çelik, alüminyum ve alaşımları, bakır alaşımları gibi yaygın olarak kullanılan malzemeler bu sınıflandırmanın temelinde yer alabilirler [1, 5].

4. Akımsız Nikel Kaplama Çeşitleri
Nikel – Fosfor (Ni-P) sistemleri, akımsız kaplama uygulamalarında en yoğun olarak kullanılan sistemlerdir. Kaplama yapısında değişiklik gösteren fosfor miktarına göre kaplama özellikleri de farklılık gösterir. Nikel fosfor kaplamalar kendi içlerinde düşük (1-3%), orta (4-9%) ve yüksek (10-13%) fosforlu kaplamalar olarak sınıflandırılabilirler ve kaplama özelliklerinin çoğu yapıdaki fosfor miktarı ile doğrudan bağlantılıdır. Kaplama yapısındaki fosfor miktarı ise kaplama çözeltisinin kimyasal formülü ve kaplama proses parametreleri ile belirlenir. Akımsız Ni-P kaplamalar düşük sürtünme katsayısına sahiptir ve yapışma göstermezler. Kaplamaların sertlik
değerleri oldukça yüksektir ve ısıl işlem ile bu değerlerin artış olasılığı da mevcuttur. Ni-P sistemlerinin en önemli özelliklerinden biri de çok çeşitli ortamlarda mükemmele yakın korozyon dayanımı sağlamalarıdır [1-3].
Nikel – Bor (Ni-B) sistemlerinin, Ni-P kaplamalar kadar yoğun kullanımı mevcut değildir. Ancak özellikle son yıllarda bu konudaki çalışma ve araştırmaların artış göstermesine bağlı olarak bu kaplama özellikleri ve kullanım alanlarına olan ilgi de artmıştır. Bu kaplamaların elde edilmesi sırasında redükleyici madde olarak bor hidrür
ya da DMAB kullanılır. Kullanılan redükleyici türüne göre elde edilen kaplama içeriğindeki bor miktarı farklılık gösterir. Akımsız Ni-B kaplamaların aşınma direnci takım çeliklerinden ve sert krom kaplamalardan daha yüksektir. Aynı zamanda elektronik endüstrisinde altının yerini alabilecek niteliklere sahiptir. Kaplamanın kolonsol yapısı, adhesiv aşınma koşulları altında yağlayıcı özelliğini koruyabilmektedir. Ni-B kaplamaların en önemli özelliklerinin başında yüksek elektrik iletkenliği, düşük kontakt direnci, yüksek sertlik, geniş ergime aralığı ve mükemmel aşınma direnci gelmektedir. Ni-B kaplama uygulamasını kısıtlayan en önemli faktör Ni-P kaplamalara kıyasla daha zayıf korozyon direncine sahip olmalarıdır. Bu yüzden korozyon dayanımı öncelikli olan kaplamalarda üst katman genellikle Ni-P olarak tercih edilirken, aşınma dayanımı yüksek kaplama gerektiren uygulamalarda Ni-B bazlı akımsız kaplamalar daha fazla tercih edilir [11-13].
Akımsız nikel kaplama, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, homojen kaplama kalınlığı ve yüksek korozyon direnci gibi birçok üstün özelliğinden dolayı endüstriyel olarak çok geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Kaplama ardından uygulanan çeşitli ısıl işlemlerle sertlik değerlerinde önemli artışlar söz konusudur. Ancak çok fazla
uygulanan ısıl işlem bazı durumlarda kaplamanın özelliklerinde iyileştirici etki yerine olumsuz sonuçlar doğurabilmektedir. Zamanla bu konuda gerçekleştirilen çalışmaların artış göstermesi ile Ni-P ve Ni-B alaşımlarının içerisine üçüncü bir element katılabileceği görülmüştür. Alaşım kaplamalar adı verilen bu kaplamların genel
formülü Ni-M-P ve Ni-M-B şeklindedir. Buradaki M metali genellikle üstün spesifik özelliklere sahip olan W, Co, Mn, Re ve Mo gibi geçiş elementlerinden seçilir. Bu alanda yapılan çalışmalar sonucunda bunun çok doğru bir yaklaşım olduğu görülmüş ve üçlü alaşım kaplamalar ile Ni-P ve Ni-B kaplamalara oranla çok daha üstün spesifik özellikler elde edilebileceği birçok deney sonucunda gösterilmiştir [7,14].