4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Korosi Korosi berasal dari bahasa latin “Corrodere” yang artinya perusakan logam atau berkarat. Definisi korosi adalah proses degradasi/deteorisasi/perusakan material yang terjadi disebabkan oleh lingkungan sekelilingnya (Nathan, 1977). Istilah korosi berlaku juga untuk material non logam, seperti eramik, plastik, karet. Sebagai contoh rusaknya cat karet karena sinar matahari atau terkena bahan kimia, mencairnya lapisan tungku pembuatan baja, serangan logam yang solid oleh logam yang cair (Fontana, 1986). Adapun definisi korosi dari pakar lain : a. Perusakan material tanpa perusakan mekanis.( Ahmad Basyir, 2010 ) b. Kebalikan dari metalurgi ekstraktif.( Vogel,1979 ) c. Proses elektrokimia dalam mencapai kesetimbangan termodinamika suatu sistem. (Kirk Othmer, 1965) Jadi korosi adalah sistem termodinamika logam dengan lingkungan (air, udara, tanah) yang berusaha mencapai keseimbangan. Sistem ini dikategorikan setimbang bila logam telah membentuk oksida atau senyawa kimia lain yang lebih stabil (berenergi paling rendah) . Adapun proses korosi yang terjadi, di samping oleh reaksi kimia biasa, maka yang lebih umum adalah proses elektro kimia. Yang dimaksud dengan lingkungannya dapat berupa udara dengan sinar matahari, embun, air tawar, air laut, air danau, air sungai dan tanah yang berupa tanah pertanian, tanah rawa, tanah kapur dan tanah berpasir/berbatu-batu . Korosi disebut juga suatu penyakit dalam dunia teknik, walaupun secara langsung tidak termasuk produk teknik. Studi dari korosi adalah sejenis usaha pengendalian kerusakan supaya serangannya serendah mungkin dan dapat melampaui nilai ekonomisnya, atau jangan ada logam jadi rongsokan sebelum waktunya. Dengan perawatan secara preventif supaya menghambat serangan korosi. Cara ini lebih baik daripada memperbaiki secara represif yang biayanya akan jauh lebih besar .
5
Korosi dapat berjalan secara cepat ataupun lambat tergantung dari material bahan, lingkungan, temperatur dan lain sebagainya. Dalam dunia teknik, material korosi yang sering disinggung adalah korosi pada logam. Ilustrasi dari proses pengkorosian pada material logam dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Proses pengkorosian logam Sumber : Fontana, Mars G., 1987. Corrosion
2.2 Laju Korosi Korosi
adalah
merupakan
suatu
reaksi
elektrokimia,
semua
yang
mempengaruhi kecepatan suatu reaksi kimia atau jumlah arus yang mengalir akan mempengaruhi laju korosi. Hukum Ohm dapat diterapkan untuk bagian elektrik dari sel korosi. Laju korosi berbanding lurus dengan sejumlah arus yang mengalir pada sel korosi elektrokimia. Jika arus dapat diukur, suatu kalkulasi yang tepat dari kehilangan metal dapat ditentukan. Ini berarti suatu pengukuran dalam ampere atau milliampere secara matematis dihitung dalam kilogram (pound) per tahun. Suatu Amp tahun adalah satu Ampere yang mengalir selama periode satu tahun. Logam yang berbeda memiliki laju korosi yang berbeda . Jika diketahui penurunan massa dari suatu material yang terkorosi maka laju korosi dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: .……..................................................................... ( 2.1 )
......….................................................................... ( 2.2 )
…...…….............................................................. ( 2.3 )
6
Konversi laju korosi kesatuan yang lain: 1 mpy = 1000 ipy 1 mpy = 0.0254 mm/tahun 1 mpy = 25.4 μm/tahun 1 mpy = 12,100 in/bulan 1 mpy = 2.90 nm/jam 1 mpy = 0.0694 d gr/m2 tahun 2.2.1 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Laju Korosi Sering di dalam proses industri, faktor-faktor yang mempengaruhi korosi terkadang diinginkan untuk melakukan perekayasaan diproses industri. Berikut ini adalah faktor-faktor lingkungan yang mempengaruhi laju korosi suatu material: 1. Suhu Kenaikan suhu akan menyebabkan bertambahnya kecepatan reaksi korosi. Hal ini terjadi karena makin tinggi suhu maka energi kinetik dari partikel-partikel yang bereaksi akan meningkat sehingga melampaui besarnya harga energi aktivasi dan akibatnya laju kecepatan reaksi (korosi) juga akan makin cepat, begitu juga sebaliknya. (Fogler, 1992) 2. Kecepatan Alir Fluida Atau Kecepatan Pengadukan Laju korosi cenderung bertambah jika laju atau kecepatan aliran fluida bertambah besar. Hal ini karena kontak antara zat pereaksi dan logam akan semakin besar sehingga ion-ion logam akan makin banyak yang lepas sehingga logam akan mengalami kerapuhan (korosi). (Kirk Othmer,1965 3. Konsentrasi Bahan Korosif Hal ini berhubungan dengan pH atau keasaman dan kebasaan suatu larutan. Larutan yang bersifat asam sangat korosif terhadap logam dimana logam yang berada didalam media larutan asam akan lebih cepat terkorosi karena merupakan reaksi anoda. Sedangkan larutan yang bersifat basa dapat menyebabkan korosi pada reaksi katodanya karena reaksi katoda selalu serentak dengan reaksi anoda. (Djaprie, 1995)
7
4. Oksigen Adanya oksigen yang terdapat di dalam udara dapat bersentuhan dengan permukaan logam yang lembab. Sehingga kemungkinan menjadi korosi lebih besar. Di dalam air (lingkungan terbuka), adanya oksigen menyebabkan korosi. (Djaprie, 1995) 5. Waktu Kontak Aksi inhibitor diharapkan dapat membuat ketahanan logam terhadap korosi lebih besar. Dengan adanya penambahan inhibitor kedalam larutan, maka akan menyebabkan laju reaksi menjadi lebih rendah, sehingga waktu kerja inhibitor untuk melindungi logam menjadi lebih lama. Kemampuan inhibitor untuk melindungi logam dari korosi akan hilang atau habis pada waktu tertentu, hal itu dikarenakan semakin lama waktunya maka inhibitor akan semakin habis terserang oleh larutan. (Uhlig , 1958) 2.3. Proses Terjadinya Korosi Korosi dapat diartikan sebagai penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya, Korosi dapat digambarkan sebagai suatu sel elektrokimia yang terdiri dari anoda, katoda elektrolit, dan konduktor ( Gambar 2.5 )
Gambar 2.2. Proses korosi logam dalam lingkungan air sebagai reaksi elektrokimia Sumber : Desiendrea 2007
8
2.3.1. Anoda Anoda adalah bagian dari permukaan logam yang terkorosi. Saat logam terkorosi, atom logam kehilangan sebagian elektronnya dan melarut sebagai ion. Karena atom mengandung muatan positif ( proton ) dan muatan negative ( electron ) yang sama, kehilangan elektonnya menyebabkan kelebihan muatan positif, sehingga menghasilkan ion positif atau kation. Reaksi elektrokimia untuk pelarutan logam adalah :
Peristiwa ini disebut oksidasi, Ion logam akan masuk ke dalam larutan, sedangkan electron tertinggal di permukaan logam. 2.3.2. Katoda Katoda adalah bagian dari permukaan logam yang tidak melarut, tetapi menjadi tempat terjadinya reaksi reduksi yang memungkinkan keberlangsunngan korosi. Elektron yang tertinggal di anoda akan bergerak sepanjang logam menuju permukaan katoda, lalu bereaksi dengan ion terlarut dan menurunkan bilangan oksidasion tersebut. Reaksi reduksi yang terjadi di lingkungan asam :
2.3.3. Elektrolit Untuk mendukung reaksi, logam ( anoda dan katoda ) harus berada dalam larutan yang memiliki daya hantar listrik. Larutan semacam ini disebut larutan elektolit. Elektrolit menghantarkan arus dari anoda ke katoda dengan menjadi media perpindahan ion – ion. Tabel 2.1. Elektrolit dan Non Elektrolit
Sumber : Buku Kimia, 2006
9
2.3.4. Pengaruh larutan asam terhadap laju korosi 1. HCL ( Asam Clorida ) Korosi pada logam antara lain dipengaruhi oleh konsentrasi ion agresif seperti ion klorida (Cl) dan ion sulfat (
) serta PH. Konsentrasi ion klorida yang
semakin tinggi akan meningkatkan kecendrungan terjadinya korosi. Ion klorida kebanyakan bertindak sebagai ion agresif karena mampu menghancurkan lapisan pasif pada permukaan logam dan mempercepat laju korosi, selain itu, adanya ion sulfat juga mempengaruhi laju korosi, namun lebih kecil pengaruhnya dibandingakan ion klorida. Ion klorida dikenal memiliki efek perusak terhadap logam. Kebanyakan ion tersebut memiliki kemampuan untuk terserap dipermukaan
logam dan
berinteferensi membentuk lapisan pasif. Pitting merupakan jenis serangan utama yang terjadi akibat ion klorida. Area kecil dimana ion Cl terserap dipermukaan logam merupakan daerah anodic menuju lapisan oksida pasif katodik yang luas. Ketika proses korosi mulai, reaksi hidrolisis ion logam dari reaksi anodic menyababkan penurunan PH,yang mana menghambat perbaikan lapisan film dan mempercepat serangan korosi. 2. H2SO4 ( Asam Sulfat ) Pengaruh larutan asam sulfat terhadap kecepatan korosi bahwa terjadi peningkatan seiring dengan meningkatnya konsentrasi dari larutan asam sulfat. Hal ini menunjukkan bahwa larutan asam sulfat merupakan media yang sangat korosif. Asam sulfat sebagai zat pengoksidator kuat mengakibatkan logam teroksidasi tidak stabil yang dapat bereaksi dengan ion hidroksil yang bermuatan negatif yang diperoleh dari reaksi dissosiasi air membentuk ferihidroksida yang dapat bereaksi kembali dengan ion logam menghasilkan endapan ferosoferioksida (Fe3O4) yang berwarna kuning kemerahan yang bersifat magnetik, yang dapat dijelaskan dengan reaksi berikut (Widharto,2004) : Fe → Fe+2 + 2 e (oksidasi) 2 H+ + 2 e → H2 (reduksi) Fe + 2 H+ → Fe+2 + H2 Selanjutnya, Fe+2 + 2 OH- → Fe(OH)2 Ferohidroksida Fe(OH)2 + 2 Fe+2 + 2H2O → Fe3O4 + 6 H+ + 2e
10
Dari reaksi diatas dapat dijelaskan bahwa semakin besar konsentrasi asam sulfat maka semakin banyak atom-atom yang terlepas dari logam sehingga kecepatan korosi semakin besar (Riegher, 1992). 3.
HNO3 ( Asam Nitrat ) Sebagai sebuah oksidator yang kuat, asam nitrat bereaksi dengan cepat, sebagian
besar bahan-bahan organik dan reaksinya dapat bersifat eksplosif. Produk akhirnya bisa bervariasi tergantung pada konsentrasi asam, suhu, serta reduktor. Reaksi dapat terjadi dengan semua logam kecuali deret logam mulia dan aloy tertentu. Karakteristik ini membuat asam nitrat menjadi agen yang umumnya digunakan dalamm uji asam. Sebagai kaidah yang umum, reaksi oksidasi utamanya terjadi dengan asam pekat dengan pembentukan nitrogen dioksida (
).
2.3.5. Konduktor Arus listrik hanya dapat mengalir dalam sirkuit yang tertutup. Oleh sebab itu, anoda dan katoda harus dihubungkan oleh konduktor untuk memberiikan jalan bagi electron untuk mengalir dari anoda ke katod. Untuk permukaan logam yang terkorosi, yang bertindak sebagai konduktor adalah logam itu sendiri. 2.4. Pencegahan Korosi Suatu logam diexpose di alam terbuka maka akan terjadi interaksi dengan lingkungan yang melibatkan pertukaran ion antara permukaan logam dengan lingkungannya tersebut. Karakteristik pertukaran ion dipacu oleh perbedaan potensial antara logam dan lingkungannya yang menyebabkan terjadi korosi pada logam tersebut. Produk korosi berupa karatan yang sifatnya rapat (dense) akan memberikan dampak positif bagi logam karena dapat memutuskan pertukaran ion sehingga korosi lanjutan akan berkurang . Konsep yang sangat mendasarkan dalam melindungi logam dari korosi adalah mengupayakan agar tidak terjadinya pertukaran ion antara logam dengan lingkungannya. Disaat tidak bisa memutuskan sama sekali pertukaran ion tersebut, maka diupayakan agar pertukaran ion berlangsung dengan laju yang lambat.
11
Berdasarkan kriteria ini maka munculah istilah “pengendalian korosi” yang sesungguhnya mengandung pengertian bahwa pertukaran ion yang terjadi dikendalikan agar tidak berlangsung secara cepat. Pertukaran ion dengan lingkungannya berdasarkan teori korosi tersebut dikenal dengan arus korosi. Sehingga besar kecilnya arus korosi sangat menentukan besar kecilnya laju korosi pada suatu logam. Pencegahan korosi dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu: 2.4.1. Pelapisan Dilakukan dengan memberikan suatu lapisan yang dapat mengurangi kontak antara logam dengan lingkungannya. Lapisan pelindung yang sering dipakai adalah bahan metalik, anorganik atau pun organik yang relatif tipis serta melapiskan logam induk dengan suatu bahan atau material pelindung. Jenis - jenis coating : • Cat • Vernis • Lapisan Logam • enamel ( paduan bubuk kaca ) 2.4.2. Paduan Logam Logam paduan atau lakur adalah kombinasi, dalam larutan atau senyawa, dua atau lebih elemen, salah satunya adalah logam, dan hasilnya memiliki sifat metalik. Logam paduan dengan dua komponen disebut paduan biner (alloy binary), 3 komponen disebut paduan ternari, 4 komponen disebut paduan quaternari. Hasilnya adalah zat metalik dengan sifat berbeda dari komponennya. Logam paduan biasanya didesain untuk memiliki sifat yang lebih menguntungkan dibanding dengan komponennya. Misalnya, baja lebih kuat dari besi, salah satu elemen utamanya dan pencampur dengan logam Ni dan Cr menjadi baja stainless (72% Fe, 19%Cr, 9%Ni) yang bertujuan untuk memperlambat laju korosi.
12
2.4.3. Katodik Proteksion Proteksi Katodik adalah perlindungan terhadap suatu logam dari serangan korosi. Proteksi katodik memanfaatkan konsep deret gavanis ( mekanisme korosi galvanis ) untuk melindumgi logam. 1. Anode terpaksa mengalirkan elektronnya via kontak metalik ke katode, maka agar tidak kelebihan muatan positip, anode terpaksa juga melepaskan proton (ion +) nya yang bermassa ke elektrolit. Ion positip tsb.(M+) bereaksi dengan ion negatip dari elektrolit (X‐) membentuk endapan yang melekat di anode sebagai karat (MX) atau mengendap dielektrolit maka anoda berkurang masaanya.
Gambar 2.3. Anoda korban
2. Karena katode menerima elektronnya dari anode, maka pada permukaan katode terjadi reaksi katodik, dimana elektron akan berada dipermukaan katode dan bereaksi dengan ion positip dari elektrolit misalnya H+ membentuk molekul H2 yang berupa gelembung gas. Dengan demikian katoda terproteksi.
Gambar 2.4. katoda Protection
13
2.5. Diagram Phase Perunggu 2.5.1 Diagram Phase Perunggu Paduan timah putih yang larut dalam tembaga hampir sama dengan seng yang larut dalam tembaga. Dalam Gambar 2.7 diperlihatkan sistem biner untuk diagram equilibrium dari dua paduan yaitu antara timah putih dengan tembaga :
Gambar 2.5. Diagram Equilibrium Sistem Biner Paduan Cu-Sn ( Sumber : Vlack, 1986)
α, β, γ,δ,η,ε,ξ dan fasa Sn. Fasa α merupakan struktur FCC (Face Cubic Centered) pada 520 ºC larut pada 15,8 % Sn dan kemampuan untuk melarut dari timah putih dengan prosentase diatas 13,5 selama terjadi proses pembekuan dimana akan terbentuk phase , pada temperatur dibawah akan terbentuk phase + (eutectoid phase) akan terjadi. Pada paduan ini phase yang terbentuk merupakan phase yang larut pada kondisi padat tetapi lebih lunak. Akan tetapi untuk phase mempunyai sifat terlalu keras dan getas. Di samping itu prosentase timah putih antara 5-15 memiliki jarak temperatur yang relatif lama yaitu diatas 400o C. Dengan proses pembekuan yang panjang, paduan ini cukup menyebabkan kenaikan kekerasan dan meningkatkan kekuatan cor.
14
Gambar 2.6. Diagram Equilibrium Sistem Biner Paduan Cu-Si ( Sumber : Vlack, 1986)
Menurut Surdia dan Chijiiwa (1982) beberapa jenis perunggu (bronze) tergantung dari unsur utama paduannya : 1) Perunggu timah (Tin Bronze), Perunggu timah (Sn), yaitu perunggu tuang dari Cu ditambah 10%, 14%, atau 20% Sn tanpa campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan untuk patung, senjata canon, dan alat-alat music seperti (lonceng, gamelan, sibal drum dll) yang harus mempunyai syarat tahan terhadap korosi dan ketangguhan (10% Sn). Selain itu pada bantalan harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat luncur (14% Sn) dan untuk bantalan-bantalan tekan dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20 % Sn ). 2) Perunggu Fosfor Mempunyai 1,5 % sampai 10 % timah putih dan selain itu fosfor (P) dalam persentase yang sangat kecil, yaitu setinggi-tingginya 0,3 % campuran ini dahulu dinamakan perunggu Fosfor. Dipakai untuk, batang-batang, kawat, plat, dan pipa. 3) Perunggu Seng(Zn) Perunggu seng ialah : perungu tembaga timah dengan tambahan seng 2 % - 7 %. Bahan itu dipakai terutama untuk bantalan-bantalan (campuran tuang).
15
4) Perunggu Alumunium (Aluminiun Bronze) Disamping komposisi elemen Cu dan Sn, masih terdapat elemen aluminium (A1) sampai 9,8%, dimana dalam produksi
kadar aluminium antara 5-11%.
Perunggu dua zat (Al dan Ni) tahan korosi terhadap bahan kimia tertentu karena itu dipakai untuk perlengkapan kimia. Perunggu Alumium memiliki sifat-sifat yang kurang baik, jadi tidak banyak dipakai kecuali di negeri-negeri yang kurang akan timah 5) Perunggu Silikon (Silikone Bronze) Mengandung 4-5% Si dan akan menambah daya tahan ( resistensi ) terhadap asam ( acid ), memungkinkan untuk dibuat rol berbentuk batangan panjang sampai diameter 1/4" - 2" in. Bersifat akan menjadi keras apa bila mengalami pengerjaan dingin (work hardenable) dan merupakan bronze yang mempunyai tahanan tarik dan kekerasan yang paling baik diantara bronze yang lain. Sifat mekanisnya setara dengan baja lunak (baja karbon rendah, mild steel) sedangkan sifat ketahanan korosinya setara dengan logam tembaga. Banyak dipakai untuk tanki, bejana tekan (pressure vessel), marine construction, dan pipa tekan hidrolik.
