KURŞUN KAPLAMA

 

SEMBOLÜ: Pb (Plumbum)

ATOM AĞIRLIĞI: 207,2

KURŞUNUN ÖZELLİKLERİ: Kurşun, oldukça hafif, mavi beyaz bir metaldir. İşlenilebilir ve yumuşaktır fakat elektriksel iletkenliği kötüdür. Özgül ağırlığı 11,35’ dir. Nitrik asit ve sıcak konsantre sülfürik asit haricinde çoğu reaktif tarafından kolay kolay zarar verilemez. Oksijenle tepkimeye girdiğinde değerliği 2 ya da 4 olabilir.

 

KURŞUNUN KAPLAMA METALİ OLARAK KULLANILIŞI: Kurşun, paslanmaz ve aşınmaz yapısından dolayı, asitten ve korozyondan etkilenebilecek diğer metaller için çok iyi bir koruyucu tabaka niteliğindedir fakat elektrik sürücü kuvvet dizisinde demirin altındadır. Bundan dolayı demir ve çelik kaplamalarında küçük delik ve çatlak gibi kusurlardan kaçınılmalıdır. Daha önemli başka bir kullanım alanı da elektronik uygulamalarında kullanılan lehimdir. Rulman yüzeylerinin kaplanmasında kullanımı önemli ve oldukça yeni bir uygulamadır. Kurşun kaplamanın en sık kullanım alanları, koruma amaçlı uygulamalar ve rulman gibi mühendislik uygulamalarıdır.

    

KURŞUNUN ELEKTROKİMYASAL ÖZELLİKLERİ: %100 katot veriminde 0,00254 cm kurşunu 9,29 dm² yüzeye kaplamak için 6,9 amper-saat enerji gereklidir. Kaplama banyolarında sadece 2 değerli kurşun kaplanabilir. 1 amper saat akımla 100% verimlilikte  3,865 gr kurşun kaplanır ve 9,29 dm² yüzey kaplayan 2 gr kurşunun kalınlığı 0,0027 cm.dir.

 

KURŞUN KAPLAMA BANYOLARI

    

     Günümüzde pratik olarak, bütün kurşun kaplamalar asit tipi banyolarda yapılır. Bunlar fluoborat banyo, fluosilikat banyo, sülfamat banyo olarak sınıflandırılabilir. Fluosilikat banyo pratikte sadece kurşun arıtmada kullanılmasına rağmen, standart kaplama uygulamalarında diğer ikisi kadar uygun değildir, çünkü daha kararsız ve silis ile kurşun flüorür  kaplama işlemini bozma eğilimindedir. Dahası, bu banyodan elde edilen kaplama diğer ikisinde elde edilen kadar iyi değildir. Sülfamat banyosu iyi sonuç verir, ama hidrolize olan eğilimi çalışma sırasında kararsızlığa sebep olur.

 

    KURŞUN FLUOBORAT BANYOSU

 

            Reçete 1

    (Genel tank kaplama için)

 

kurşun fluoborat ....................... 760 gr

metalik kurşun ......................... 414 gr

serbest borik asit .....................  71 gr

tutkal .................................  0,85 gr

serbest fluoborik asit .................  11,34 gr

su .....................................  3,785 lt

 

Çalışma Koşulları

 

     Çalışma sıcaklığı:  24 – 38ºC.

     Katot akım yoğunluğu:  0,54 – 5,4 A/dm2.

     Anot verimi:  %100.

     Anot alanının katot alanına oranı:  2’ ye 1.

     26,7ºC’ de çözeltinin bomesi:  21,5 – 22,0.

     Tanka uygulanan ortalama gerilim:  1 - 3 volt.

     Çözeltinin pH derecesi:  1.

 

 

ANOTLAR: en az %97 saflıkta kimyasal kurşun kullanın.

 

TANKLAR VE MALZEMELER: Fluoboratlar oldukça aşındırıcı olup Koroseal, kauçuk, polipropilen veya teflon kaplı ekipmanlarda tutulmalıdır. Tanklar bu malzemelerden birinden imal edilmiş olabilir.

 

               Reçete 2

      (Dolap kaplama ve kalın, yüksek hızlı tank kaplama için)

 

kurşun fluoborat ....................... 1.772 gr

serbest borik asit .....................   170 gr

     serbest fluoborik asit .................    17 gr

     Hidrokinon .............................    38 gr

     tutkal .................................     0,85 gr   

     su .....................................     3,785 lt

 

Çalışma Koşulları

 

Çalışma sıcaklığı:  24 – 38ºC.

Katot akımı yoğunluğu:  1,08 – 10,8 A/dm2

26,7ºC’ de bomesi:  38,5.

Çözeltinin pH derecesi:  1 (maksimum).

 

Dolap işi için dolabın içinden geçen gerilim 6 – 8 volt olmalıdır. Önceden tanımlandığı gibi ekipmanlar kullanın.

 

BİR FLUOBORAT BANYOSUNUN HAZIRLANMASI: Kurşun fluoborat konsantre sıvı olarak satılır. 3,785 lt. 3.515,4 gr. kurşun fluoborat, 48,2 gr. serbest fluoborik asit, 280,7 gr. serbest borik asit ihtiva eder. Örneğin bu konsantre ile 379 litrelik bir banyo hazırlamak için şu yolu izleyin:

     Reçete 1

    

Kurşun fluoborat konsantresi ...........  77,6 lt

Su ..................................... 301 lt

Kemik tutkalı ..........................  85 gr

 

Tanka 227 lt. civarında su koyun (kaliteli su kullanın, tercihen klorür ve sülfat oranı düşük olmalı). Gereken miktarda konsantre ekleyin. Ayrı bir yerde az miktarda sıcak suda tutkalı eritin ve buna ekleyin. İsterseniz şimdi gerekli miktardaki suyu ekleyebilirsiniz fakat ben her 1 lt. için minimum 15 gr. olan minimum serbest borik asit içeriği yerine daha yüksek bir değeri tercih ediyorum ve bu yüzden şimdi 5,67 kg. borik asidi minimum miktarda kullanacağınız kaynamış sıcak suyun içinde çözmenizi ve tanka eklemenizi öneririm.  Daha sonra banyoyu gereken hacme suyla tamamlayın.

    

     Reçete 2

 

     Yukarıda anlatılan şekilde hazırlayın. Sadece başlangıçta farklı olarak 181,7 lt. konsantre kullanarak başlayın.

    

     Banyo hazırlandıktan sonra,  banyonun pH derecesini,  pH test kâğıdı ve fluoborik asit kullanarak uygun değere (0,7 - 1) ayarlayın. Nadiren de olsa, anot polarize olur ve pH derecesinin arttırılması gerekirse kurşun karbonat tuzları kullanılabilir.

 

 

FLUOBORAT BANYOSUNUN KONTROLÜ

 

SICAKLIK: En iyi kaplama 24 – 38ºC aralığında elde edilir. Daha yüksek sıcaklıklar size daha hızlı kaplama işlemi yapmanızı sağlayacak daha yüksek akım yoğunlukları kullanma olanağı sağlar. Eğer ısıtma bobinlerine ihtiyaç varsa Karbate bobinleri kullanın. Dolapta kaplama yapıyorsanız, çözeltinin galonu başına daha yüksek akım yoğunluğu kullanıldığından, çözeltinin sıcaklığı belirtilen aralığın üstüne çıkma eğilimi gösterir. Bu yüzden KARBATE, tantal veya teflon kaplı paslanmazdan yapılma soğutma bobinleri kullanılmalıdır.

 

Kurşun bobinler önerilmesine rağmen, kurşunun çözeltide çözünür olarak kullanılması çok uygun değildir. Bipolar etkilerden kaçınmak için ısıtma ve soğutma bobinlerini yerleştirirken dikkatli olun.

 

pH: Test kâğıdı şeritleri tarafından kontrol edilen banyonun pH derecesinin 1’ den yukarı çıkması engellenmelidir. Bunun sebebi bu pH değerinin üstünde banyonun hidrolize olma eğilimi göstermesidir. Kurşun fluoborat şu şekilde gösterilebilir:

 

 

Pb(BF4)2

 

Bu tuz suda eritildiği zaman aşağıdaki tepkimenin meydana gelmesi olasılığı vardır:

 

Pb(BF4)2     +     H2O     =     2H(BF4)     +     PbO

Bakır oksit (çökelti)

 

Ayrıca fluoborik asidin aşağıdaki tepkimeden elde edildiği düşünülürse,

 

     4 HF       +     H3BO3        =    HBF4         +    3 H2O

 

Hidroflorik     +     Borik     =    Fluoborik   +     su

   asit               asit             asit

 

Fluoborik asit suda eridiğinde tepkime sağdan sola doğru gerçekleşme eğilimindedir. Bu şekilde elde edilmiş herhangi bir hidroflorik asit kurşun oksitle birleşip çözünmeyen kurşun florür oluşturacaktır. İlk tepkimenin soldan sağa doğru gerçekleşmesini önlemek için ortamda bir miktar serbest fluoborik asit varlığına, ikinci tepkimenin sağdan sola doğru gerçekleşmesini önlemek için ortamda bir miktar serbest borik asit mevcut olması gereklidir.

 

     Bu durum kaplama banyolarında sıkça kullanılan bir kimya prensibini ortaya koyar: KÜTLE KORUNUM YASASI

 

Bu prensibin oldukça basit açıklaması şudur: EĞER BİR REAKSİYON HER İKİ YÖNDE DE GERÇEKLEŞEBİLİYORSA, REAKSİYON, ELDE EDİLECEK ÜRÜNÜN MİKTARININ AZ OLDUĞU YÖNDE DAHA HIZLI (VEYA DAHA KOLAY) GERÇEKLEŞİR. Şimdi daha büyük diğer bir detaya değinelim.

 

1. şekle bakarsak terazinin göstergesi tepkimenin hangi yöne doğru gerçekleşme eğiliminde olduğunu gösterir. Görülüyor ki hidroflorik asit ve borik asit reaksiyonunda bir yanda bu iki asit birleşip fluoborik asit oluşturma eğilimindeyken diğer yanda fluoborik asit kendi bileşenlerine ayrışma eğilimindedir. Burada terazinin oku ile gösterilen eğilimler için bir denge noktası vardır. Bir taraftaki reaksiyon sonucunda oluşan üründe aşırılık varsa terazinin kefeleri dengesini yitirir ve reaksiyonun yönünü gösteren ok bu dengesizliği ortadan kaldıracak şekilde hareket eder. Diğer bir deyişle, aşırı miktarda borik asit bulunması, tepkimenin daha fazla fluoborik asit oluşacak yönde yürümesini sağlar.

 

 

Bu elektrokaplamada her zaman kullanılan genel bir prensiptir. Daha önceden gördüğümüz örneğe geri dönecek olursak, asitli bakır banyomuzda bakır sülfat ve sülfürik asit bulunmaktadır.

 

Bakır sülfat çözüldüğü zaman, bakır ve sülfat iyonlarını oluşturmak için iyonlaşır:

 

 

 

Bu iyonlaşma bir taraftan bakır sülfatın onu oluşturan iyonlarına ayrışmaya çalıştığı, diğer taraftan iyonların bakır sülfat oluşturmak için tekrar birleştiği bir kimyasal reaksiyon olarak düşünülebilir. İyonlaşmış bakır sülfatın içinde bulunduğu bu reaksiyon için bir denge noktası vardır ve denge iyonlaşmamış bakır sülfat olarak kalır. Bakırı kaplamak için çözeltide bakır iyonları bulunması gerekirken, bir kerede çok fazla bakır iyonu kullanımı kristal yapıdaki bakır kaplamayı sertleştireceğinden tercih edilmez. Bu yüzden sülfat içeren diğer bazı bileşikler bakır sülfat çözeltisinin içinde çözülüyorsa, örnek olarak sülfürik asit gibi (H2SO4),  asit iyonlaşır,

 

 

Çözeltide aşırı sülfat iyonu olduğundan dolayı, tepkime (1) sağdan sola yönelme eğilimi gösterir. Bakır sülfatın iyonlaşması önlenir. Bu yüzdendir ki sülfürik asidinkinden daha az bakır iyonu varken, daha iyi bakır kaplaması elde edilir. Bu kütle etki yasası uygulaması MÜŞTEREK İYON ETKİSİ olarak bilinir.

 

     Verdiğimiz bu uzun ara bilgiden sonra kurşun kaplamaya geri dönecek olursak, pH tarafından belirtildiği gibi bazik kurşun bileşiklerinin çökelmesini engellemek için yeterli miktarda serbest fluoborik asit mevcut olmalıdır.

 

METAL İÇERİĞİ: Metal içeriği tehlikeli değildir ve bir bome hidrometresi kullanılarak korunabilir. Formülde verilen değerlere yakındır. Daha kesin bilgi için analitik metotlara bakabilirsiniz:

 

KURŞUN

 

1.              Banyodan aldığınız 5 mililitre numuneyi, içinde 200 mililitre %10 luk H2SO4 çözeltisi bulunan 400 mililitrelik behere koyun.

2.              10 dakika boyunca yavaşça kaynatın. Soğutup çökeltinin dibe oturmasını bekleyin. %1 lik H2SO4 ile iki kez yıkayarak, darası alınmış gooch krozesine[1] süzün.

3.              Kurutun, gooch krozesini porselen bir krozeye yerleştirin ve yüksek ateşte 10 dakika yakın. Soğutun ve tartın.

 

Hesaplama

 

     . . . [gram] PbSO4  x 136,6  =  . . . [gram/litre] Kurşun

 

 

AKIM YOĞUNLUĞU: Reçete #1’ de 5,4 A/dm2’ ye kadar akım yoğunluğu kullanımı mümkün ise de, kalın bir kurşun kaplaması yapmak istiyorsanız, çözelti devamlı filtre edilmiyor ve karıştırma uygulanmıyor ise, pürüzsüz bir kaplama elde etmek için 0,5 ila 1 A/dm2 arasında kalmanız tavsiye edilir. Reçete #2’ de, eğer çözelti süzülüyor ve karıştırılıyor ise, kalın kaplama elde etmek için 5,4 A/dm2’ ye akım kullanabilirsiniz. Karıştırma işlemi tel ve bant kaplama işleminde olduğu gibi oldukça şiddetli yapılmalıdır.

 

KARIŞTIRMA İŞLEMİ: Eğer çözeltiyi karıştırmak isterseniz, hava kullanmak yerine katot çubuğu hareketini tercih edin. Güçlü bir karıştırma için pompa, veya tel ve bant kaplama işlemlerinde olduğu gibi yüksek hızda malzeme hareketini kullanın.

 

TUTKAL İÇERİĞİ: Tutkal içeriğinin düzenlemesi için deneyim sahibi olmak ve gözlem yapmak gereklidir. İstendiği takdirde bir deney kabında veya Hull Cell kabında kullanılacak az miktardaki çözelti ile test kaplaması yapılabilir. Eğer kurşun kaplama pürüzlü görünüyorsa, kaplama tekrar düzelene kadar az miktarda tutkal ekleyin. Daha sonra da ana kaplama tankı için ne kadar tutkal gerektiğini hesaplayın.

 

HİDROKİNON İÇERİĞİ: İnce tanecikli bir kurşun kaplama elde etmek için, 1963’ ten beri katkı maddesi olarak hidrokinon kullanılmaktadır. Hidrokinon için şimdilik basit bir analitik test yöntemi bulunmamaktadır. Bu bileşik birkaç gün sonra çözeltinin kırmızımsı bir renge dönüşmesine neden olur. Kaplamanın veya Hull Cell kabı test levhasının görsel kontrolleri bize bu katkı maddesinden ne kadar kullanılması hakkında iyi bir fikir verecektir.

 

KURŞUN SÜLFAMAT BANYOSU

 

            Reçete

 

     Kurşun sülfamat Pb(NH2SO3)2 ............. 850,5 gr

     Amonyum sülfamat ....................... 283,5 gr

     Sülfamik asit .......................... 170,1 gr

     Aloin ..................................  28,35 gr

     Betanaftol .............................   2,84 gr

     Su .....................................   3,785 lt

           

            Çalışma Koşulları

 

     Çalışma sıcaklığı: 23,5 - 49ºC.

     Çözeltinin pH’ı (aralığı): 1,3 – 2.

     Çözeltinin pH’ı (en uygun): 1,5 (elektrometrik).   

     Katotun akım yoğunluğu: 0,54 – 4,3 A/dm2.

     Katotun verimi: %99.

     Anot akım yoğunluğu: 0,54 – 5,4 A/dm2.

     Anot verimi: %100.

     Oda sıcaklığındaki bome: 30 - 33º.

     Tankın üzerinden geçen gerilim: 3 – 6 volt.

     Dolap kaplama için gerekli gerilim: 9 – 14 volt.

 

Kurşun sülfamat, patentli formu dışında kolayca elde edilen bir şey değildir ve aşağıda tanımlandığı şekilde hazırlanmalıdır:

KURŞUN SÜLFAMAT HAZIRLAMA (379 lt = 100 galon banyo için)

 

     Banyo çözeltisi hazırlamak gereken suyun yaklaşık 2/3’ ünü kaynama sıcaklığına kadar ısıtın, aynı şekilde kaynar haldeki 45,36 kg. sülfamik asidi bu suda çözerken, çözeltiyi kaynama sıcaklığında tutmaya özen gösterin. Şimdi, aşırı gazın oluşturabileceği zehir etkisine dikkat ederek 61,24 gr. bazik (saf) kurşun karbonat ekleyin. Hepsi çözülene kadar karıştırın ve ısıtın, daha sonra gerekli miktardaki amonyum sülfamatı içinde eritin. Şimdi gerekli hacme kadar su ekleyip soğumasını bekleyin. pH derecesini test edin ve gerekliyse, pH derecesini 1,5’ e getirmeye yetecek miktarda sulfamik asit ekleyin. Eğer pH derecesi 1,3’ten az ise, sabit karıştırma ile banyoya amonyum hidroksit ekleyerek pH derecesini yükseltin. Şimdi gerekli katkı kimyasallarını ekleyin.

 

     Banyoyu hazırlamak için başka bir yöntem de, gerekli kurşun konsantresine ulaşana kadar, içinde yoğunlaştırılmış amonyum sülfat çözeltisi bulunan geçirgen bir kapta saf kurşun kaplama anot ve katot kullanarak sıcak sülfamik asit-amonyum sülfamat çözeltisini elektroliz etmektir.

 

ASİTLİ KURŞUN BANYOSUNDA HATA GİDERME

--------------------------------------------------------------

       BELİRTİ                        MUHTEMEL NEDEN

--------------------------------------------------------------

Kaplama koyu, pürüzlü,                     organik kirlenme

ve iyi yapışmamış.

 

ÇÖZÜM: Her 379 lt. çözelti için 1,814 kg. aktif karbon kullanarak çözeltiyi filtre edin. Sülfamat banyosunda filtreleme için Celite ya da benzeri bir yardımcı filtre tabakası kullanılmalıdır. Fluoborik banyosunda Celite veya diğer asbest tipi diğer filtreler kullanılamaz. Çünkü yavaş yavaş eriyerek banyoyu silis ile kirletirler. Fluoborat banyosunda ön kaplama için parçalanmış selüloz ya da kâğıt hamuru kullanın.

 

Banyoda tortu oluşumu               Fluoborik banyosunda borik asit düşük veya pH 1’ in üstündedir.      Sülfamat banyosunda pH 1,3’ün altında ise   kurşun sülfat çökelmesi       muhtemeldir.

 

ÇÖZÜM: pH’ ı kontrol edin ve düzeltin.

 

Kaplama gücü zayıf, yüksek            Düşük kurşun içeriği

akım yoğunluğu bölgelerinde

kaplama süngerimsi

 

ÇÖZÜM: Hidrometre okuması ile kurşun miktarını kontrol edin ve düzeltin.

 

Pürüzlü ve delikli kaplama            Katkı maddeleri az.

 

ÇÖZÜM: Hull cell kabı ya da pilot çözelti testi ile kontrol edin ve gerekli miktarda ekleyin.

 

Koyu kaplama                          Bakır iyonu varlığı

 

ÇÖZÜM: Banyo çok hızlı bir şekilde bakırdan arındırılmalıdır. Renk değiştiyse sorun çözülmüştür. Aksi halde değişene kadar gece boyunca banyoya 0,54 A/dm2 verin.

 

KURŞUN KAPLAMA İÇİN HAZIRLIKLAR: Her iki banyoda da demir ve çelik kaplanabilmesine rağmen yapışma işlemi yeterince iyi olmadığından önerilmez. Demir ya da çelik üzerine kaplama yapılması için bakır ya da kalay önerilir. Kurşun kaplama daha yüksek sıcaklıklarda yapılacaksa, kaplama için daha iyi bir altyapı oluşturulması amacıyla temizleme sürecinin bir parçası olarak malzeme kumlanmalıdır. Kumlama işlemi, kumu malzemeden temizlemek zor olduğu için önerilmemektedir. Çelikte emilen hidrojen iyi yapışmayı önlediği için, uzun süre asitle dağlama yapılmamalıdır.

 

ALKALİ KURŞUN BANYOSU

 

     Bu banyo şekline birkaç yıl önce Almanya’da patent alınmıştır. Ama alkali kalay banyolarına benzerliğiyle bazı ilginç olasılıklar sunmasına rağmen, pek rağbet görmemiştir.

           

            Reçete

 

     Kurşun oksit (PbO)...................... 510,3 gr

     Roşel tuzu ............................. 397 gr

     Potasyum hidroksit ..................... 198,5 gr

     Jelatin ................................   1,7 gr

     Su .....................................   3,785 lt

    

     Çalışma Koşulları

 

     Çalışma sıcaklığı: 60 – 71ºC.

     Katot akım yoğunluğu: 1,08 – 2,15 A/dm2.

     Banyo gerilimi: 0,3 – 0,6 volt.

 

Bu banyo çeşidi hakkında yeterince veri mevcut değildir fakat bazı gözlemcilere göre bu banyoda parlak ve yoğun bir kaplama elde edilir. En azından kurşun kaplama için ilginç bir başlangıç noktası olarak görülebilir.

 

KURŞUN KAPLAMANIN SÖKÜLMESİ

 

Kurşun kaplamayı sökmek için aşağıdaki çözeltiler kullanılabilir.

 

Çözelti #1

 

     Hacmen %10 luk p.a. asetik asit

     Hacmen %10 luk hidrojen peroksit (100 hacim)

 

Bu çözeltiyi toprak bir kaba koyun. Malzeme bu çözeltiye batırıldığında, çözelti kurşunu demir, çelik ve bakırdan daha iyi bir şekilde eritecektir. Çözeltinin aktivitesi yavaşladığında, taze peroksit ekleyerek tekrar hızlandırılabilir.

 

Çözelti #2

 

     Kalın bir kaplamayı sökme işlemi gerçekleştirmek için aşağıdaki şekilde bir çözeltiyi akımlı kullanın.

 

     Sodyum hidroksit ....................... 90 gr/lt

     Roşel tuzu ............................. 30 gr/lt

 

Anot olarak malzemeyi, katot olarak ta çeliği kullanarak 2 ila 6 Volt arası gerilim verin. Spreyden sakının.