Akımsız Nikel Kaplama Yöntemi ve Seramik Partiküllerine

Teknik yaz›
Ayfer KILIÇARSLAN
Fatih TOPTAN
Il KERT
AKIMSIZ NKEL
KAPLAMA YÖNTEM
VE SERAMK
PARTKÜLLERNE
UYGULANMASI
Yldz Teknik Üniversitesi
Yldz Teknik Üniversitesi
Yldz Teknik Üniversitesi
Özet
Akmsz nikel kaplama, nikel atomlarnn redükleyici
ajan içeren sulu bir çözeltiden, otokatalitik kimyasal
indirgenme yöntemi ile elde edilerek malzeme yüzeyine
kaplanmas tekniidir. Bu yöntemde, elektrik enerjisinin
kullanlmamas, kaplama kalnlnn üniform olmasna
olanak salamaktadr. Yöntem, homojen kaplama
kalnl, anma ve korozyon direnci gibi üstün özellikleri
nedeniyle geni bir uygulama alanna sahiptir. Metalik
malzemelerin yan sra, iletken olmayan plastik, cam
ve seramikler üzerine de akmsz nikel kaplama
yaplabilmektedir. Son yllarda, metal matrisli seramik
takviyeli kompozit malzeme üretiminde, seramik-metal
etkileimini artrmak amacyla takviye malzemesinin
akmsz nikel kaplanmas konusundaki çalmalar
arlk kazanmtr. Bu derleme yazda akmsz nikel
kaplama tekniinin seramik partiküllerine uygulanmas
incelenmitir.
Abstract
Electroless nickel plating is a coating technique which
relies on reduction of nickel ions with an autocatalytic
chemical reduction process, in an aqueous solution
containing a reducing agent .Electroless nickel coating
process, which occurs without using current electrical
energy is provided uniform coating thickness on
subsrates. Electroless nickel coating process is widely
used for its unique properties such as uniform coating
thickness, wear and corrosion resistance. Electroless
nickel can be coated non-conductive materials, like
plastics, glasses and ceramics as well as metallic
materials. In recent years, for improving ceramic–metal
contact in production of ceramic reinforced metallic
matrix composites, experiments that electroless coating
of reinforcing material was increased in importance. This
review paper investitages the electroless nickel coating
on ceramic particles.
1.Giri
Akmsz nikel kaplama teknii, katalitik malzeme
yüzeyinde, nikel iyonlarnn bir redükleyici etkisiyle
redüklenerek nikel metaline dönümesi esasna dayanr
[1-4]. lk defa 1946 ylnda Brenner ve Riddel tarafndan
gelitirilmitir [1,2,5,6]. Akmsz nikel kaplama yöntemi
ile kullanlan redükleyici türüne bal olarak Ni-P, Ni-B
veya saf nikel kaplamalar elde edilebilmektedir [6-8].
Yöntem, metal veya metal olmayan altlklar üzerine
metalik nikel kaplamada yaygn olarak kullanlmaktadr.
Son zamanlarda partiküller, berler ve hatta tüpler de bu
yöntemle kaplanmaya balanmtr [7-11].
Akmsz nikel kaplamann, elektrolitik kaplamaya
göre en büyük avantaj üniform bir kaplama kalnl
salamas, dolaysyla düzgün olmayan yüzeylere bile
e kalnlkta ve çözelti ile temas eden her yere kolaylkla
kaplanabilmesidir [3,4,12-14]. Elektrolitik kaplamalarda,
malzeme yüzeyine dardan verilen elektrik akm, tüm
yüzeye eit verilemeyecei için, düzenli, homojen ve ayn
kalnlkta kaplama yapmak mümkün deildir [2,15,16].
ekil 1’de elektrolitik ve akmsz nikel kaplanan parçalarn
kaplama üniformluklarnn karlatrlmas ematik olarak
gösterilmitir. Akmsz nikel kaplama, homojen kaplama
kalnl ile birlikte, yalayclk, süneklik, mükemmel
anma ve korozyon direnci, iyi elektriksel ve manyetik
özellikler gibi üstünlükler de salamaktadr [5,7,12,17-
20].
(a) (b)
ekil 1. (a) Akmsz ve (b) elektrolitik nikel kaplanan parçalarn
kaplama homojenliinin karlatrlmas [20]
Akmsz nikel kaplamalar, malzemeye salad bu üstün
özellikler nedeniyle havaclk, otomotiv, makina, kimya,
elektronik, gda ve plastik gibi çok çeitli uygulama
alanlarnda kullanlmaktadrlar [21-24].
(a) (b)
ekil 2. Akmsz nikel kaplamann
(a) otomotiv uygulamalarnda diferansiyel kutularnda
(b) elektronik endüstrisinde bilgisayar hard disklerinde kullanm
[25]
33

Teknik yazı
Akmsz nikel kaplamalar, otomotiv uygulamalarnda
diferansiyel kutularnn anma ve korozyon direncini
artrmak amacyla kullanlmaktadrlar. Ayn zamanda
bu yöntemle birçok elektronik ve bilgisayar bileenleri
kaplanmaktadr[25]. ekil 2’de akmsz nikel
kaplamalarn otomotiv ve bilgisayar uygulamalarna
örnekler gösterilmitir.
2. Akmsz nikel kaplamalar
Tipik bir akmsz kaplama banyosu, metal tuzu, redükleyici
ajan, kompleks ajan ve stabilizatörden olumaktadr.
Akmsz nikel kaplama banyolarnda nikel kayna olarak
yaygn olarak kullanlan metal tuzlar; nikel klorür ve nikel
sülfatlardr. Nikel iyonunun indirgenmesi için kullanlan
redükleyiciler ise, hipofos t, borhidrür, aminoboranlar
ve hidrazindir. Bunlarn yan sra, akmsz nikel
kaplama banyolarnda, uygun kompleks oluturucular,
stabilizatörler, hzlandrclar, tamponlayclar, frenleyiciler,
pH ayarlayclar ve slatlabilirlik ajanlar kullanlmaktadr
[1,2].
2.1 Hipofos tli Banyolarda Akmsz Nikel Kaplama
(Ni-P Kaplamalar)
Ticari olarak kullanlan akmsz nikel kaplamalarn büyük
bir ksm sodyum hipofos tli banyolardan elde edilir. Bu
banyolarn en temel avantaj bor bileikleri ve hidrazin
içeren banyolara göre maliyetinin düük olmasdr [23].
2.1.1.Akmsz Ni-P Kaplama Mekanizmas
Hipofos tli banyolarda nikel iyonunun redüklenmesi
aadaki üç reaksiyondan birindeki gibi gerçekleir [1].
3NaH 2 PO 2 + 3H 2 O + NiSO 4 3NaH 2 PO 3 + H 2 SO 4 + 2H 2 + Niº (1)
- 2+ 2H PO + Ni + 2H2O 2H PO + H + 2H 2 2
2 3 2 + + Niº (2)
Ni2+ - - + + H PO + H2O Niº + H PO + 2H (3)
2 2
2 3
Reaksiyonlar, yüksek scaklklarda (60ºC T 95ºC)
katalitik aktif yüzeylerde gerçekleir [1,2]. Reaksiyonlar
sonucunda, metalik nikel ile birlikte bir miktar moleküler
hidrojen oluur. H + iyonunun olumas banyonun
asidiklemesine neden olur.
- H PO + Hads H O + OH 2 2
2 - + P (4)
- - 3H PO H2PO + H2O + 2OH 2 2
3
- + 2P (5)
Ayrca (4) ve (5) nolu eitliklerde görüldüü gibi nikel ile
34
birlikte bir miktar fosfor (P) da olumaktadr. Hipofos t
kullanlarak elde edilen kaplamalar yaklak % 3-15 P
içeriine sahip Ni-P alam eklindedir [1].
2.1.2.Asidik Hipofos t Banyolar
Asidik hipofos t banyolar, Ni kayna olarak nikel sülfat
veya nikel klorür içerirler. Ortalama nikel konsantrasyonlar
6-7 g/l, sodyum hipofos t konsantrasyonlar 20 g/l,
organik asitler ve tuzlarnn konsantrasyonlar 10 ve
40 g/l arasndadr. Bu banyolarn tercih edilen pH
deerleri, 4.6-5.0; ilem scaklklar da 85-95 ºC arasdr.
Kaplamadaki fosfor miktar pH deerine bal olarak
kontrol edilebilir. Genellikle pH yükseldikçe fosfor miktar
azalr ve kaplamann özellikleri buna bal olarak deiir
[12]. Kaplama hzlar oldukça yüksek olup, 20 -25 m/
saat arasndadr [2].
2.1.3.Alkali Hipofos t Banyolar
Alkali banyolarn en önemli dezavantaj 90ºC’n
üzerindeki scaklklarda stabilitesini kaybetmesi ve pH’
yükseltmek için kullanlan amonyan bu scaklklarda
sistemden uzaklamasdr. Dolaysyla 90 ºC’n
üzerindeki scaklklarda pH’ kontrol etmek zordur [2].
Alkali banyolar düük scaklk kaplamalar için ideal olup,
genellikle plastiklerin kaplanmas için kullanlr [1,12]. Bu
banyolarn nikel ve hipofos t konsantrasyonlar asidik
banyolarla benzerdir [1]. Ancak, asidik banyolardan fakl
olarak, nikelin kaplanma hz hipofos t konsantrasyonu
ile artar. Çok yüksek hipofos t konsantrasyonlarnda
banyonun kararll ve kaplamann homojenlii bozulur
[2].
2.2. Bor Bileikleri çeren Banyolarda Akmsz
Nikel Kaplama (Ni-B Kaplamalar)
Akmsz nikel kaplama banyolarnda en çok kullanlan bor
bileikleri, sodyum bor hidrür (NaBH 4 ) ve aminoborlardr.
Aminoborlar, sodyum bor hidrürlerden daha zayf
redükleyicilerdir [1].
2.2.1. Akmsz Ni-B Kaplama Mekanizmas
Sodyum bor hidrürlerin ideal kullanm koullar alkali
solüsyonlarda 90-95 ºC iken, amino borlar zayf asidik
banyolarda düük scaklklarda kullanlrlar [1]. Sodyum
bor hidrür, asidik ve nötral çözeltilerde kolayca hidrolize
olur ve nikel iyonlar ile birleerek nikel borür meydana
getirir (Eitlik 6, 7, 8) [1,2,23].

- - BH + 4H2O B(OH) + 4H2 4
4
(6)
- BH + H3O 4
+ + 2H O H BO + 4H 2 3 3 2
(7)
- 2+ 8BH + 4Ni +18 H2O 2Ni B + 6H BO + 25 4
2 3 3 2 8)
4Ni2+ - - - + BH + 8OH 4Niº +BO2 + 6H2O 4
(9)
pH deeri 13’ün üstünde olan alkali solüsyonlarda
borhidrür oluumu önlenir ve metalik nikel oluur (Eitlik 9).
3.Akmsz nikel kaplamalarn seramik
partiküllere uygulanmas
Akmsz nikel kaplama teknii, yalnz metalik malzemelere
deil, plastik, cam ve seramiklere de uygulanabilen bir
yöntemdir. Bu tür malzemelere akmsz nikel kaplamak
için baz ön yüzey ilemlerine gereksinim vardr. Bu
ilemlerin amac malzemenin yüzeyini katalitik hale
getirmektir. Seramik malzemelerin akmsz nikel
kaplanabilmesi için yüzeylerine paladyum, gümü gibi
katalist bir metal ile ön ilem uygulanmaldr. Katalist
metalin seramik altlk yüzeyine uygulanmasnda en
yaygn kullanlan yöntem, seramik altln, katalist metali
içeren sulu çözeltiye daldrlmas eklindedir. Katalist
metal bileiklerinin pahal olmas yöntemin maliyetini
yükseltmektedir [26].
Akmsz nikel tekniinde son gelimeler, partikül, ber ve
tüpleri kaplamaya yöneliktir [7-9]. Bu tür malzemelerin
etkili bir ekilde akmsz nikel kaplanmasnda, kaplama
öncesi uygulanan ön yüzey ilemleri önemli rol
oynamaktadr [27]. Genel olarak bu ilemler, malzeme
yüzeyinin hassaslatrlmas ve aktivasyon aamalarn
kapsamaktadr. Seramik partikül yüzeylerinin
hassaslatrmasnda genellikle SnCl 2 ve HCl çözeltileri
kullanlr [7–9,28]. Kaplanmak istenen partiküller SnCl 2
ve HCl çözeltisinde yeterli süre çalkalanr. Bu esnada
çözeltiden ayran Sn 2+ iyonlar partikül yüzeyine geçerek
tercihli bölgelere tutunurlar [7,8]. Aktivasyon aamasnda
ise PdCl 2 ve HCl çözeltileri kullanlr. Pd 2+ iyonlar, Sn 2+
iyonlarn, Sn 4+ ’ya oksitleyerek kendileri Pd º ’a dönüürler
(Eitlik 10) [29]. Bu Pd º atomlar, katalitik merkez rolünü
üstlenerek akmsz nikel kaplamann balamasn
salarlar. Akmsz kaplama srasnda oluan Ni º iyonu da
katalitik etki gösterdiinden proses otokatalitik olarak
devam eder [7,8].
PdCl + SnCl Pd 2 2 º HCl
+ SnCl (10)
4
Seramik partiküllerinin akmsz nikel kaplanmasnda
yüzey hassaslatrma ve aktivasyon aamalarndan
sonra metalizasyon aamas gelir. Yaplan ön ilemlerle
yüzeyleri katalitik hale gelen partiküller akmsz nikel
kaplanmaya hazr durumdadr. Kaplama ilemi, uygun
bileimde nikel kayna, redükleyici, kompleks oluturucu
ve stabilizatör içeren banyoda gerçekletirilir. Kaplama
esnasnda partiküllerin askda kalmasn salamak
amacyla banyo uygun bir hzda kartrlmaldr.
Tablo 1. Örnek bir akmsz nikel kaplama banyosu bileimi ve
kaplama koullar [27]
Banyo Bileimi Mol/L
NiSO 4 .6H 2 O 0,079
C 2 H 8 N 2
NaBH 4
Kaplama Koullar
0,237
0,079
pH 12-14
Scaklk 85±2
Akmsz kaplama banyosunun çalma parametreleri
de kaplamann baarl olabilmesi açsndan oldukça
önemlidir. Bunlar, scaklk, pH, kartrma hz ve kaplama
süresidir. Tablo 1’de örnek bir akmsz nikel kaplama
banyosu bileimi ve proses parametreleri gösterilmitir.
ekil 3. BC partikül yüzeyine akmsz nikel kaplanmasnn
4
ematik gösterilii [27]
Banyonun pH’, amonyak, sodyum hidroksit ve sül rik
asit gibi solüsyonlarla istenilen deere ayarlanabilir. ekil
3’te bir B 4 C partikülünün, kaplama öncesi ön ilemler
ile birlikte akmsz nikel kaplanmas ematik olarak
gösterilmitir.
35
Teknik yaz›

Teknik yazı
ekil 4. (a)Kaplanmam, (b) Akmsz Ni-P kaplanm SiC
partiküllerine ait SEM görüntüsü [30], (c) Kaplanmam, (d) Akmsz
Ni-B kaplanm B C partiküllerine ait SEM görüntüsü [8]
4
36
Literatürde seramik partiküllerin akmsz nikel kaplanmas
ile ilgili yaplan çalmalardan alnan elektron mikroskobu
görüntüleri, partiküllerin baarl bir ekilde nikel tabakas
ile kaplandn ortaya koymaktadr. ekil 4’te literatürden
alnan çalmalarda, SiC ve B 4 C partiküllerinin akmsz
nikel kaplama öncesi ve sonras elektron mikroskobu
görüntüleri yer almaktadr.
4. Sonuç
stenilen özelliklerde malzemelerin gelitirilmesi için
yaplan çalmalar kaplama ileminin önemini ortaya
koymaktadr. Özellikle akmsz nikel kaplama, metal ve
metal d altlk malzemelere uygulanabilirlik konusunda
salad avantajlar nedeniyle tercih edilmektedir. Öyle ki,
henüz yeni saylabilecek bir malzeme türü olan kompozit
malzemelerin üretiminde bile karmza çkmaktadr.
Metal matrisli kompozitlerde karlalan matristakviye
arayüzey sorunlarnn giderilmesinde takviye
malzemesinin akmsz nikel kaplanmas yönündeki
çalmalar hz kazanmtr. Literatürdeki çalmalar,
seramik partiküllerin akmsz nikel teknii ile baarl bir
ekilde kaplanabildiini ortaya koymaktadr.
Kaynaklar
1- Riedel, W., Electroless Nickel Plating, ASM International, Metals
Park Ohio, USA/Fnishing Publications Ltd., Stevenage, Hertfordshire,
England, 1991.
2- Krishnan, K.Hari, John, S., Srinivasan, K.N., Praveen, J.,
Ganesan, M., Kavimani, P.M., An Overall Aspect of Electroless Ni-P
Depositions-A Review Article, Metallurgical and Materials Transactions
A, Volume 37 A, June 2006.
3- Matik, U., Çtak, R.,Toz Metalürjisi le Üretilmi Demir Esasl
Parçalarda Asidik ve Bazik Akmsz Nikel Çözeltilerin Kaplama Kalitesine
Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 20, No 2, 239-246, 2005.
4- Matik, U., Çtak, R., (2005), Toz Metalürjisi le Üretilmi Demir Esasl
Parçalarn Akmsz Nikel Kaplanmasnda Asidik ve Bazik Çözeltilerin
Kaplama Miktarna Etkisi, Teknoloji, Cilt 8, Say 1, 51-56.
5- Agarwala R.C., Agarwala Vijaya, Electroless alloy/composite
coatings: A Review, Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August 2003,
pp. 475–493.
6- Çakr, A. Fuat, Akmsz Nikel Kaplamalar ve Uygulamalar, Yüzey
lemler, Say 2, 76-83, 1997.
7- Zhu, X., Dong H., Lu, K.,Coating Different Thickness Nickel–Boron
Nanolayers onto Boron Carbide Particles, Surface & Coatings
Technology 202 (2008) 2927–2934.

8- Zhu, X., Dong H., Lu, K.,Morphology and Composition of Nickel-
Boron Nanolayer Coating on Boron Carbide Particles, J Mater Sci
(2008) 43:4247-4256.
9- Rams, J., Urena, A., Escalera, M.D., Sanchez, M., Electroless
Nickel Coated Short Carbon Fibres in Aluminium Matrix Composites:
Part A 38 (2007) 566–575.
10- Di Giampaolo, A.R., Ordonez, J.G., Gugliemacci, Lira, J.,
Electroless Nickel-Boron Coatings on Metal Carbides, Surface and
Coatings Technology 89 (1997) 127-131.
11- K.K., Kamal, Sathiyamoorthy, D., In uence of Process Parameters
for Coating of Nickel-Phosphorous on Carbon Fibers, J. Mater.
Process. Tech. (2008), doi: 10.1016/j.jmatprotec.2008.07.006
12- Turan, P.,W-Ni-B ve W-Ni Ar Alamlarnn Karlatrmal
Sinterleme Davranlar, Yüksek Lisans Tezi, TÜ Fen Bilimleri Enstitüsü,
2002.
13- Erdener, E., Akmsz Nikel’in Fonksiyonel Kulanm Alanlar, Yüzey
lemler, Say 14, 158-161, 1999.
14- Uncuolu, N., Akmsz Nikel’in Malzeme kamesinde Kullanlmas,
Yüzey lemler, Say 2, 84-87, 1997.
15- Sisti, M., Ruf ni, A., Electroless Nickel: Technology, Properties and
Applications, Products Finishing, Gardner Publications, Inc., 2008.
16- http://www.aclassmetal.com.au/plate_nickol.htm (08.03.2009).
17- Moonir Vaghe , S.M., Saatchi, A., Ebrahimian-Hosseinabadi,
M., Deposition and Properties of Electroless Ni-P-B C Composite
4
Coatings, Surface and Coatings Technology 168 (2003) 259-262.
18- Chu, Y.H., Lin, J.F., Experimental Analysis of the Tribological
Behavior of Electroless Nickel-Coated Graphite Particles in Aluminum
Matrix Composites under Reciprocating Motion, Wear 239 (2000)
126-142.
19- Ebrahimian-Hosseinabadi, M., Azari-Dorcheh, K., Moonir Vaghe ,
S.M., Wear Behavior of Electroless Ni-P-B C Composite Coatings,
4
Wear 260 (2006) 123-127.
20- Deirmenciolu, S.D., Akmsz Nikel Kaplamann Demir Esasl T/M
Malzemelerde Anma Dayanmna Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2005.
21- www.macdermid.com/industrial/pdf/ElectrolessNickel.pdf
(08.03.2009).
22- www.jobshop.com/techinfo/papers/metal nelectronick2.shtml
(08.03.2009).
23- Yazcolu, Y., leri Teknoloji Kaplamalarnn Metalik Malzemeler
Üzerine Uygulanmas ve Fonksiyonel Özelliklerinin ncelenmesi,
Yüksek Lisans Tezi, Maramara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
2007.
24- ASM Metals Handbook, ASM International, Vol 05, (1994).
25- http://www.pfonline.com/articles/030704.html (08.03.2009).
27- United States Patent, Patent number: 4,622, 069.
Zhu, X., Lu, K., Electroless Nickel Coating of Boron Carbide Particles,
Proceeding of 2006 Materials Science & Technology International
Conference, vol. 4, 421-431.
28- Kretza, F., Ga´csia, Z., Kova´csb J., Pieczonka, T. The Electroless
Deposition of Nickel on SiC Particles for Aluminum Matrix Composites,
Surface and Coatings Technology 180 -181 (2004) 575-579.
29- United States Patent, Patent number: 4,734, 299.
30- Kang, M, Kim, J. M., Kim., J.W., Kim, Y.K., Chung, H., Yie, J. E.,
Simple and Fast Microwave-Enhanced Wet Etching of SiC Particles for
Electroless Ni-P Plating, Surface and Coatings Technology 161 (2002)
79-85.
37
Teknik yaz›