BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Metode-metode Pelapisan dengan Logam
Logam pelapis diaplikasikan dengan cara mencelupkan, electroplating, penyemprotan, cementation dan pendifusian. Pemilihan proses pelapisan untuk aplikasi yang lebih spesifik tergantung pada beberapa faktor, termasuk ketahanan korosi yang diperlukan untuk antisipasi bahan yang dilapisi, jumlah bagian yang diproduksi, tingkat produksi yang diperlukan, dan pertimbangan lingkungan.(11) Berdasarkan aplikasi dari pelapisan, korosi dapat dicegah dengan salah satu atau kombinasi dua cara dari tiga cara berikut: i)
Efek Barrier dimana kontak antara media pengkorosi dan bahan logam dicegah
ii)
Perlindungan katodik dimana bahan pelapis bertindak sebagai anoda korban.
iii)
Penghambat/pasivasi, termasuk dalam perlindungan anodik.(2) Metode pelapisan yang akan digunakan pada penelitian ini adalah metode
pendeposisian electroplating dan pendifusian dengan cara pack cementation. Mengingat metode pelapisan ini tergolong sederhana dan memerlukan biaya yang relatif murah dibandingkan dengan metode pelapisan yang lain.
2.1.1 Electroplating
Electroplating dapat didefinisikan sebagai deposisi elektrolitik logam akibat reaksi reduksi pada elektroda katoda, di mana sebuah film (lapisan tipis) dari logam adalah
sebagai permukaan finishing. Dengan demikian, lapisan tipis yang dilapiskan pada permukaan logam atau logam paduan berfungsi untuk meningkatkan penampilannya, ketahanan korosi, ketahanan aus, dan meningkatkan estetika untuk perhiasan. Film tersebut harus menyesuaikan dan seragam pada permukaan logam teratur maupun tidak teratur yang harus dibersihkan sebelum elektrodeposisi. Sebaliknya, lapisan yang gaya adhesinya kurang dan deposisi yang tidak lengkap tidak akan melindungi logam dasar dan penampilannya tidak akan begitu menarik.
Benda logam atau plastik dapat dilapisi dengan logam pelapis yang berbeda dari larutan elektrolit yang merupakan larutan konduktor dengan melewatkan arus dari anoda (-) melalui larutan menuju ke katoda (+).
Dalam proses elektrokimia ini
muatan ion positif (kation) adalah pembawa muatan yang bergerak secara paralel dengan arah arus terhadap katoda.
Deposisi electroplating telah menjadi cara yang tradisional dan masih mendominasi teknik dalam pelapisan nikel. Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi dari pelapisan nikel dengan cara electroplating telah berkembang, seperti dibagian pompa, katup, kompressor, tempat penyimpanan bahan kimia dll. Dibandingkan dengan metode pelapisan yang lain, pendeposisian dengan cara electroplating lebih disukai pada suhu rendah. Sehingga perlu dihindari efek panas lain yang dapat mengakibatkan perubahan struktur, bentuk dan sifat mekanik.(2)
2.1.1.1 Unsur-Unsur Pokok Electroplating
Proses electroplating dengan metode plat ganda dilakukan didalam sel elektrolisis pada bejana yang memiliki elektroda (katoda dan anoda) seperti terlihat pada gambar 2.1 berikut ini.
Gambar 2.1. Proses Electroplating(14)
Unsur-unsur pokok dalam suatu proses electroplating dapat diuraikan sebagai berikut: 1. Sirkuit Luar Sirkuit luar terdiri dari sumber arus DC dan peralatan terkait seperti Amperemeter, Voltmeter dan alat pengatur tegangan dan arus. 2. Katoda Katoda ialah elektroda negatif yang merupakan benda kerja yang akan dilapisi. Katoda atau benda kerja dapat memiliki bentuk dan dapat terbuat dari beraneka logam, yang terpenting katoda harus memiliki kumpulan atom-atom yang terikat dimana elektron-elektronnya dapat bergerak bebas sehingga proses electroplating dapat berlangsung dengan baik dan logam dapat menempel dengan kuat pada katoda. Agar mendapatkan hasil pelapisan yang baik, maka diperlukan proses preparasi atau penyiapan sebelum dilakukan pelapisan. Logam-logam yang biasa digunakan sebagai logam dasar, yaitu baja, perak dan tembaga. 3. Larutan Pelapis Didalam larutan pelapis terdapat ion-ion logam pelapis yang sering disebut “Bath”. 4. Anoda Anoda adalah elektroda positif yang merupakan logam pelapis,
2.1.1.2 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Electroplating
Ada beberapa hal yang harus diperhatikan pada saat proses electroplating, yakni: a) Suhu Suhu sangat penting untuk menyeleksi cocoknya jalannya reaksi dan melindungi pelapisan. Keseimbangan suhu ditentukan oleh beberapa faktor seperti ketahanan, jarak anoda dan katoda, serta kuat arus yang digunakan. b) Kerapatan Arus Kerapatan arus yang baik adalah arus yang tinggi pada saat arus diperkirakan masuk, bagaimanapun nilai kerapatan arus mempengaruhi waktu plating untuk mencapai ketebalan yang diperlukan. c) Konsentrasi Ion Merupakan faktor yang berpengaruh pada struktur depoit, dengan naiknya konsentrasi logam dapat menaikkan seluruh kegiatan anion yang membantu mobilitas ion. d) Agitasi Yaitu terdiri dari dua macam; jalannya katoda dan jalannya larutan. Agitasi yang besar mungkin akan merusak dan agitasi seharusnya disalurkan dengan tujuan untuk menghindari bentuk/struktur, penampilan, dan ketebalan pelapisan yang tidak seragam. e) Throwing Power Yaitu kemampuan larutan penyalur menghasilkan lapisan dengan ketebalan merata dan sejalan dengan terus berubahnya jarak antara anoda dan permukaaan komponen selama proses pelapisan. f) Konduktivitas Konduktivitas larutan tergantung pada konsentrasi ion yang besar atau jumlah konsentrasi molekul. g) Nilai pH Derajat keasaman (pH) merupakan faktor yang penting dalam mengontrol larutan electroplating.
h) Pasivitas Gejala ini sering ditemui pada logam yang mengalami korosi, dimana hasil korosi menjadi lebih pasif. Bila hal ini terjadi pada anoda, maka ion-ion logam pelapis terus menurun sehingga akan mengganggu proses. i) Waktu Pelapisan Waktu lapisan sangat berpengaruh pada ketebalan lapisan yang diharapkan. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya, variasi waktu telah menghasilkan perbedaaan ketebalan lapisan yang sangat signifikan. Semakin lama pencelupan maka ketebalan lapisan semakin bertambah.(13)
Dalam proses electroplating, substrat atau bahan dasar logam dibuat pada katoda dalam larutan elektrolit yang mana lapisan akan diendapkan. Meskipun tujuan pokok dari pelapisan elektroplating adalah untuk memperoleh ketahanan terhadap korosi, pelapisan ini juga dapat memperindah dengan kilau logam setelah proses pemolishan.(11)
2.1.2 Pencelupan Panas (Hot Dipping)
Hot dipping dilakukan dengan mencelupkan logam yang akan dilapiskan, biasanya baja kedalam wadah yang berisi logam cair biasanya seng ada juga aluminium dan paduan seng-alumunium. Hot dipping dapat berupa proses yang berkesinambungan, seperti dalam lembaran baja galvanisasi, atau proses batch. Misalnya bagian pembuatan galvanisasi, mur, baut, dan alat pengunci.
2.1.3 Pelapisan Dengan Penyemprotan (Thermal Spraying)
Pada pelapisan logam dengan penyemprotan, sebuah gun yang digunakan secara bersamaan meleleh dan tetesan kecil dari logam mendorong ke permukaan yang akan dilapisi. Ada beberapa jenis penyemprotan termal dengan tiga variabel utama dalam setiap jenis yakni suhu nyala api, kecepatan partikel yang disemprotkan ke substrat
untuk membentuk lapisan, dan sifat dari bahan yang membentuk lapisan (bubuk, batang, kawat, atau cairan).
Pelapis termal dengan penyemprotan cenderung berpori, meskipun porositas dapat dikontrol dengan mengoptimalkan proses variabel. Lapisan ini dapat dibuat patuh pada hampir semua bagian dengan ketebalan yang diinginkan dan lapisan ini dapat diterapkan pada struktur yang sudah dibuat. Terkadang, pori-pori diisi dengan resin termoplastik untuk meningkatkan perlindungan korosi.(11)
2.1.4
Pelapisan Dengan Pack-Cementation
Cementation terdiri dari pengerjaan pengadukan dalam campuran serbuk logam dan sebuah fluks pada temperatur tinggi yang memungkinkan logam untuk berdifusi kedalam logam dasar.(11)
Pelapisan dengan metode pack cementation akan menghasilkan lapisan yang lebih kuat dibanding dengan metode electroplating. Pada metode electroplating, hanya akan terjadi ikatan adhesi antar permukaan substrat dengan logam pelapisnya, sehingga lapisan yang menempel pada substrat tidak terlalu kuat. Sedangkan pada metode pack cementation, akan terjadi proses difusi atom milik logam pelapis menuju substrat. Sehingga pelapisan permukaan yang terjadi akan sangat kuat bahkan akan terjadi proses alloying (perpaduan antara logam dasar/substrat dengan logam pelapis). Proses pack chromizing pada prinsipnya sama dengan proses cementation. Pada proses ini bahan baja yang akan dilapisi dibungkus dalam bubuk yang mengandung Kromium (Cr2O3) dan bahan garam halida seperti NH4CL, NH4Br dan NH4I. Penambahan amonium klorida dimaksudkan untuk membentuk gas aktif (Actifator) yang membantu mempercepat proses difusi atom-atom Cr ke dalam substrat.(12)
2.1.4.1 Teori Difusi dalam Atom Difusi adalah proses berpindahnya atom-atom yang terdapat dalam suatu material. Proses ini dapat terjadi dalam keadaaan gas, cair dan padat sehingga dapat terjadi pada
baja dan sistem logam lainnya. Proses difusi dalam logam umumnya atom-atom yang berdifusi berbentuk sebagai atom tunggal bukan dalam bentuk molekul. Hal ini disebabkan mobilitas jauh lebih tinggi dari malekul.
Penyebab difusi dalam atom secara sederhana adalah bahwa atom-atom dalam benda padat selalu melompat dari satu posisi dalam suatu struktur kristal ke posisi terdekatnya. Selama proses ini berlangsung, akan selalu diperlukan adanya gradien konsentrasi antara lokasi yang satu dengan yang lainnya dan juga temperatur. Mekanisme perpindahan massa berlangsung dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Pergerakan ini akan sangat bergantung pada energi penggerak yang dimiliki oleh atom-atom dan awal proses. Sedangkan temperatur akan mempercepat proses perpindahan atom-atom tersebut.
2.1.4.2 Mekanisme Pack Cementation
Dalam proses pedifusian atom-atom logam, ada tiga mekanisme perpindahan dan posisi logam yang mungkin terjadi, yakni: 1. Mekanisme Kekosongan 2. Mekanisme Interstisi 3. Mekanisme Tukar Tempat / subtitusi
Gambar 2.2. Mekanisme difusi yang mungkin terjadi di dalam logam, (a) kekosongan, (b) interstisi, (c) tukar tempat Tungku pembakar (furnace) yang digunakan dilengkapi dengan atmosfir protektif (argon). Temperatur furnace dinaikkan hingga mencapai temperatur pelapisan, yaitu temperatur dimana material pelapis akan bereaksi dengan garam
untuk membentuk uap halida metalik. Uap inilah yang akan mengenai permukaan substrat hingga akhirnya terbentuk proses pelapisan. Aplikasi metode pack cementation untuk melapiskan kromium pada suatu substrat disebut pack chromizing (Gambar 2.3). Pada proses ini, substrat dimasukkan dalam campuran serbuk aluminium, Al2O3, dan garam halida (ammonium klorida, NH4Cl) sebagai aktivator. Temperatur yang sesuai akan menyebabkan Cr bereaksi dengan NH4Cl untuk membentuk senyawa gas. Gas ini merupakan medium transfer yang membawa Cr pada permukaan substrat.
Gambar 2.3 Ilustrasi proses Pack-Cementation untuk mendifusikan. Cr pada suatu substrat Selanjutnya, gas akan terurai pada permukaan substrat tempat Cr terdeposit dan membebaskan aktivator halogen. Aktivator halogen kemudian kembali menuju pack dan bereaksi lagi dengan Cr. Dengan demikian, proses transfer terus berlangsung hingga semua kromium dalam pack terpakai atau hingga proses tersebut dihentikan melalui proses pendinginan. Proses tersebut berlangsung pada temperatur 700 hingga 1100 °C selama beberapa jam. Berikut adalah reaksi-reaksi yang berlangsung selama proses pack chromizing hingga terbentuk lapisan kromium. Proses reaksi ini terjadi dalam wadah (crucible) tertutup dan berlangsung terus seiring dengan jalannya pemanasan dan adanya ketersediaan krom. 1.
Reaksi penguraian NH4Cl NH4Cl(s) → NH3(g) + HCl(g)
2.
Reaksi pembentukan garam kromium 6HCl(g) + 2Cr (pack) → 2CrCl3(g) + 3H2(g) CrCl3 + 2Cr (pack) → 3CrCl3
3.
Reaksi peresapan kromium pada permukaan substrat (baja) a.
Displacement reaction 2CrCl3(g) + 3Fe(substrat) → 2CrFe(alloy) + FeCl2(g)
b.
Displacement reaction 3FeCl2(g) + 5Cr(pack) → 3CrFe(alloy) + 2CrCl3(g)
c.
Disproportional reaction 3CrCl(g) + 2Fe(substrat) → 2CrFe(alloy) + CrCl3(g)
d.
Discomposition reaction 2CrCl(g) + 2Fe(substrat) → 2CrFe(alloy) + Cl2(g)
e.
Reduction reaction 2CrCl(g) + H2(g)(substrat) → 2CrFe(alloy) + 2HCl(g)
Bila unsur kromium ditambahkan pada baja karbon, maka atom karbon dan atom besi berkoordinasi dengan atom kromium sehingga kadar karbon eutektoid dan temperatur eutektoid berubah. Kromium menaikkan temperatur eutektoid karena kromium berbentuk BCC (body centered cubic), sehingga merupakan penstabil ferit dalam baja. Kromium dalam baja akan larut dalam bentuk tukar tempat (subtitusion), selain itu juga akan membentuk karbida krom. Cr yang berdisfusi yaitu CrFe sebagai logam paduan. Kemampuan chromizing adalah kemampuan baja menyerap kromium. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi chromizing adalah komposisi baja karbon, waktu chromizing, aktivitas kromium, temperatur dan struktur mikro. a) Komposisi baja karbon Karbon mempunyai daya ikat yang besar dengan kromium untuk membentuk karbida. Sebaliknya pada baja karbon rendah ketebalan lapisan kromium akan lebih tipis. Diagram keseimbangan untuk besi – karbon – kromium sangat komplek karena kromium membentuk karbida. Salah satu karbidanya adalah Cr3C yang mirip dengan Fe3C, tetapi dengan adanya besi dapat menghasilkan Fe2CrC atau Cr2FeC dan ditulis (Fe,Cr)3C. Karbida lain yang lebih komplek
yaitu (Fe,Cr)7C3 yang sangat besar pengaruhnya membatasi daya larut kromium dalam Fe austenite. b) Kedalaman Difusi Untuk pemanasan pada suhu konstan , maka semakin lama waktu proses chromizing akan semakin tebal lapisannya dan kedalaman difusi semakin besar. c) Aktivitas Kromium Aktivitas kromium adalah salah satu faktor utama yang memerlukan pengontrolan selama chromizing. Sedangkan sesuai dengan hukum difusi yang berlaku, derajat penetrasi logam ditentukan oleh temperatur dan kadar kromium yang bertambah pada lapisan luar baja. Dalam pack chromising, aktivitas kromium dapat dikontrol oleh zat aktivator yaitu kadar NH4Cl yang dipertahankan pada sekitar 2-5 %. Dari reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama proses chromizing dapat diketahui bahwa bila kadar NH4CL berkurang akan mengurangi aktivitas chromium karena gas HCl yang mengikat Cr menjadi CrCl2 akan berkurang pula. Suatu aktivitas kromium yang tinggi dapat dicapai dengan menaikkan temperatur, sehingga penguraian NH4Cl akan tinggi. Pemanasan dengan volume konstan pada ruangan tertutup akan meningkatkan tekanan dalam ruang yang diakibatkan aktivitas kromium akan meningkat pula. d) Koefisien Difusi Temperatur chromizing mempunyai efek kedalaman chromizing. Temperatur chromizing yang lebih rendah menurunkan kemampuan difusi kromium. Akibat naiknya temperatur menyebabkan kedalaman lapisan kromium bertambah. Dimana kedalaman difusi akan ditentukan oleh koefisien difusi dan lamanya proses difusi. e. Temperatur Temperatur proses akan memberikan pengaruh terhadap koefisien difusi. Dengan meningkatnya temperatur pemanasan akan mingkatkan pula koefisien difusi sehingga akan memberikan efek kedalaman difusi dari atom-atom Cr. Ketebalan lapisan maupun dalamnya atom yang berdifusi akan sangat ditentukan oleh temperatur, oleh karena itu pengaruh temperatur digunakan sebagai variabel dalam penelitian ini. Temperatur chromizing yang lebih
rendah menurunkan kedalaman chromizing, karena temperatur mempengaruhi kecepatan difusi.(12)
2.2 Baja
2.2.1 Pengertian Baja
Baja pada dasarnya adalah paduan murni dari besi dan karbon dengan konsentrasi karbon yang lebih rendah. Umumnya berkisar antara 0,01 sampai 1,7%, tetapi bisa juga sampai dengan 2 %. Kandungan karbon yang menyeluruh akan membuat baja ini menjadi lembut dan tidak dapat digunakan untuk sebagian besar tujuan. Karena itu, pembuatan baja tidak lain adalah penghapusan karbon yang terkandung dalam besi dengan pembakaran. Hasilnya struktur dari logam menjadi lebih tangguh, lebih fleksibel, kuat dan lebih baik untuk diterapkan pada besi.
Selain karbon, belerang dan fosfor juga terhapus oleh oksidasi. Sedikit mangan dan silikon ditambahkan untuk meningkatkan sifat mekanik baja (jika terlalu banyak ditambahkan, akan membentuk baja paduan). Beberapa bijih besi juga ditambahkan untuk menyediakan oksigen sebagai bahan bakar pemanasan dan pengontrol impuritas yang akan dihapus dalam bentuk kerak.(3)
2.2.2 Klasifikasi dan Sifat Baja
Berdasarkan persentase karbon dan unsur-unsur paduan, logam besi dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok yakni: (a) Baja Karbon Rendah Persentase karbon dalam material ini berkisar dari 0,15% sampai 0,25%. Material ini cukup kuat dan memilki kemampuan las yang baik. Biaya produksi materi-materi ini juga rendah. Jenis baja yang banyak dijual dipasaran (baja komersial) umumnya adalah jenis baja karbon rendah.
(b) Baja Karbon Menengah Material ini mengandung karbon antara 0,3% sampai 0,6%. Kekuatan bahan material ini tinggi tetapi daya lasnya relatif kurang. (c) Baja Karbon Tinggi Material Ini mengandung karbon bervariasi dari 0,65% sampai 1,5%. Materialnya keras dan tangguh karena perlakuan panas tetapi daya lasnya buruk. Baja yang dibentuk dengan kandungan karbon hingga 1,5%, silika sampai dengan 0,5%, dan mangan hingga 1,5% dan elemen lainnya disebut baja karbon biasa. (d) Besi cor Kandungan karbon dalam zat-zat besi ini bervariasi antara 2% sampai 4%. Biaya produksi zat ini sangat rendah dan ini digunakan sebagai paduan besi cor.(9)
2.3 Nikel
2.3.1 Sifat-Sifat Nikel
Nikel (Ni), besi (Fe), dan kobalt (Co) adalah logam yang termasuk dalam kelompok transisi dari seri ke-empat pada tabel periodik unsur. Ni temasuk dalam grup VIIIB dengan nomor atom 28 dengan sifat-sifat sebagai berikut: 1. Struktur Kristal. Struktur normal dari nikel seluruh rentang waktu sampai mencapai titik leleh adalah FCC (Face Center Cubic), panjang kisi dalam bentuk FCC secara konstan adalah 0,35167 nm (20°C) 2. Massa Jenis. Massa jenis nikel pada suhu 25°C adalah 8,902 g/cm3. Massa jenis nikel pada titik didihnya adalah 7,9 g/cm3. 3. Sifat Termal. Suhu mencair dan mendidihnya nikel adalah pada suhu 1453°C dan 2730°C. Koefisien suhu ekspansi bernilai 13,3 µm/m.K pada suhu 0 sampai 100°C. Konduktivitas suhu bernilai 82,9 W/m.K pada suhu 100°C. 4. Sifat Mekanik. Nilai kekerasan yang terendah pada anil nikel dengan kemurnian yang tinggi adalah 64 HV (35 HRB). Perlakuan pendinginan dan impuritas meningatkan kekerasan.(4)
2.3.2 Keuntungan dan Kelemahan Pelapisan Nikel
Elektrodeposisi nikel adalah salah satu proses penyepuhan logam yang paling umum, kebanyakan dari produksi nikel digunakan untuk pelapisan. Satu kelebihan dari nikel adalah kecenderungan untuk pasivasi yakni menyediakan ketahanan korosi dalam sejumlah media, khususnya di air, alkali, asam organik dan mineral. Keuntungan pelapisan nikel: 1. Nikel memiliki ketahanan aus yang relatif baik, yang dapat ditingkatkan dengan paduan atau dengan pendeposisian logam yang lebih keras atau paduannya pada permukaan lapisan tipis. 2. Kekerasan yang relatif tinggi. Pendeposisian Ni secara elektrokimia, lebih keras dari kebanyakan bahan logam. 3. Daktilitas yang baik, terutama ketika diendapkan dari larutan sulfamate. 4. Properti anti-difusi yang sangat baik. Nikel secara luas digunakan sebagai lapisan penghalang pendifusian bahan substrat untuk masuk (cth emas) atau sebaliknya. 5. Konduktivitas listrik yang relatif baik. 6. Nikel menunjukkan ketahanan korosi yang baik pada media konvensional, pada lingkungan kelembapan yang tinggi atau lingkungan alkali atau asam organik. 7. Deposit nikel mudah untuk disolder dengan alat solder konvensional. Nikel tidak ikut berdifusi pada solder. 8. Pelapisan nikel hitam memperlihatkan properti penyerapan cahaya yang baik dan pelepasan panas yang efisien. 9. Kehalusan, kecerahan, dan pendifusian yang merata dapat diperoleh tanpa polishing. Kelemahan pelapisan nikel: 1. Setelah nikel dideposisikan pada besi, sifat mekanik dari substrat lebih memburuk, khususnya pada saat pendeposisian kecerahan, salah satu alasannya adalah hidrogenasi. 2. Nikel tidak stabil dalam media sulfur-berisi, pada amonia, dalam atmosfer klor lembab.
3. Nikel tidak memberikan lapisan pelindung kepada baja. Pelapisan yang tidak kontiunitas dapat menyebabkan dan mempercepat korosi dari baja. 4. Nikel adalah logam magnetik, oleh sebab itu nikel tidak dapat digunakan pada bahan yang tidak memiliki sifat magnet. 5. Deposit nikel mungkin sering mengelupas dari logam dasar. Deposisi Nikel sangat sensitif terhadap pengotor dalam elektrolit.(5)
2.3.3 Nikel dan Paduannya
Nikel dan paduannya sangat penting dalam industri modern karena kemampuan untuk menahan berbagai kondisi yang berat yakni yang melibatkan lingkungan korosif, suhu yang tinggi, dan kombinasi dari dua keadaan ini. Ada beberapa alasan untuk memilih kemampuan ini yakni, nikel murni adalah ulet dan tangguh karena memiliki struktur FCC (face centered cubic) sampai dengan titik leleh (1453°C). Oleh karena itu, nikel dan paduan nikel mudah dibuat dengan konvensional dan menawarkan transisi perilaku ulet-getas pada perilaku logam dan paduannya, termasuk baja. Pemakaian logam dapat dilihat melalui gambar 2.4. Nikel memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi dalam suasana normal, dalam asam non-oxidizing, dan korosi oleh alkali. Sehingga nikel baik dikembangkan pada paduan khusus untuk memanfaatkan sifat unik unsur paduan tertentu.(4)
Gambar 2.4 Paduan elemen yang digunakan dalam Nikel-Paduan. Tinggi blok menunjukkan jumlah yang mungkin hadir. Elemen menguntungkan ditandai dengan arsir silang dan elemen berbahaya ditandai dengan garis horizontal.(4)
2.4 Kobalt
2.4.1 Karakteristik Kobalt
Kobalt diklasifikasikan sebagai bahan strategis dan penting karena aplikasi yang bertahan didalam perindustrian. Kobalt digunakan pada pembuatan superalloy tahan panas, tahan korosi , paduan tahan aus, dan alat baja berkecepatan tinggi.
Kobalt (Co) dengan nomor atom 27, berada diantara Fe dan Ni pada tabel periodik unsur. Kobal memiliki massa jenis 8,85 g/cm3 yang nilainya hampir mirip dengan nikel (8,902 g/cm3). 1. Sifat termal. Titik lebur pada suhu 1493°C, titik didih pada suhu 3100°C. koefisien ekspansi termal 13,8 µm/m.K pada suhu kamar. Konduktivitas termal: 69,04 W/m°K. 2. Struktur Kristal. Pada suhu 417°C kobal memiliki struktur hexagonal closepacked (hcp). Pada suhu 417°C sampai 1493°C (titik lebur), kobalt mempunyai struktur FCC (Face Centered Cubic). 3. Sifat mekanik. Pada suhu kamar, kekerasan dari logam ini berada antara 140 sampai 250 HV. Untuk anil sampel yang memiliki kemurnian yang tinggi, nilai kekerasan berada pada nilai 140 sampai 160 HV. (4)
2.5 Krom
2.5.1 Sifat-Sifat Krom
Krom atau chromium (Cr) adalah logam non-ferro yang dalam tabel periodik unsur termasuk dalam group IVB, dan lebih mulia dari besi. Logam dengan nomor atom 24 ini memiliki berat atom 52,01 amu dengan struktur atom BCC (Body Centered Cubic), berat jenis bernilai 7,91 gr/cm3. Titik cair bernilai 1920°C, titik didih bernilai 2260°C dengan koefisien muai panas 6,20 in/°C. Daya hantar panas adalah 38,5 Cal/m jam dengan reflektivitas cukup baik.
Sifat lain yang sangat menonjol adalah mudah teroksidasi dengan udara membentuk lapisan kromium oksida Cr2O3 pada permukaan . Lapisan tersebut bersifat kaku, tahan korosi, tidak berubah warna terhadap pengaruh cuaca, tetapi larut dalam asam klorida, sedikit larut dalam asam sulfat dan tidak larut dalam asam nitrat.
2.5.2 Keuntungan dan Kelemahan Pendeposisian Krom
Keuntungan Pendeposisian Krom: 1. Lapisan Cr memiliki kekerasan yang tinggi (mencapai 11000 MPa), lebih besar daripada kebanyakan logam dan memberikan peningkatan ketahanan aus pada permukan yang dilapisi. Kekerasan dapat dipertahankan sampai pada suhu 350°C, masih bisa beroperasi pada suhu 480°C. 2. Krom mempertahankan ketahanan korosi pada suhu tinggi. 3. Kromium menunjukkan ikatan adhesi yang baik dengan baja, nikel dan tembaga. 4. Koefisien gesekan relatif kecil, khususnya ketika menggunakan pelumas. 5. Memungkinkan pendeposisian lapisan yang sangat tipis dan tebal (sampai 0,5 mm). 6. Kromium memliki kecerahan yang bagus dan penampilan yang baik. 7. Kromium hitam memiliki koefisien absorbsi yang sangat tinggi (97%),
deposisi yang stabil dalam ruang vakum.
Kekurangan Pendeposisian Krom: 1. Daktilitas yang rendah dan kemungkinan keretakan. 2. Menimbulkan korosi pada larutan HF dan HCl. 3. Tekanan internal yang agak tinggi seperti kerapuhan, hidrogenasi, dan keretakan. 4. Ketahanan solder dan kemampuan las yang rendah juga konduktivitas yang kurang. 5. Efesiensi arus dari endapan kromium sangat rendah.(5)
2.6 Paduan Intermetalik Fe-Ni-Co-Cr
Nikel-kobalt adalah paduan yang menarik untuk sifat mekaniknya dan untuk potensi sifat magnetiknya yang keras. Paduan peningkatan kekerasan nikel dan kesesuaian bahan digunakan dalam electroforming. Dengan mikrostruktur yang tepat, lapisan tipis Ni-Co ditandai oleh kekuatan koersif yang relatif tinggi.
Paduan diendapkan dari larutan yang mengandung 150 g/ l Ni dan Co sulfat (atau 200 g /l masing-masing dari sulfamates) bersama dengan asam borat (30 g/l) dan kalium klorida atau magnesium (15 g/l). Menggunakan aditif anti-pit (0,1-1 g/l natrium lauril sulfat). Larutan sulfat beroperasi pada pH 4-5 dan 40-60°C, sedangkan kondisi optimal untuk sulfamate-satu adalah pH 2-4 dan 20-25°C. Kerapatan arus dalam kedua kondisi ini adalah 10-25 mA /cm2. Komposisi paduan dapat bervariasi dengan variasi rasio konsentrasi Ni / Co dalam larutan.(5)
Alasan pemilihan paduan intermetalik NiCoCr ini dapat dilihat pada peta ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi dibawah ini:
Gambar 2.5 Ketahanan relatif oksidasi dan korosi pada sistem pelapisan suhu tinggi(10)
Lapisan yang dipilih adalah lapisan NiCoCr sesuai dengan peta, lapisan ini berada diantara ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi yang tinggi. Karena penelitian ini merupakan penelitian awal, lapisan yang dibuat hanya terdiri dari tiga lapisan pelindung.
2.7 Karakteristik Pengujian Material
2.7.1 Ketebalan
Michael Faraday menemukan hubungan antara produk suatu endapan dari ion logam dengan jumlah arus untuk mengendapkannya. Hubungan ini dapat diungkapkan dalam Hukum Faraday sebagai berikut: 1. Jumlah bahan yang terdekomposisi saat berlangsung elektrolisa berbanding lurus dengan kuat arus dan waktu pengaliran dalam larutan elektrolit. 2. Jumlah arus yang sama akan membebaskan jumlah ekivalen yang sama dari berbagai unsur. Pernyataan ini dapat dirumuskan: W=
e.I .t ( gram ) 96500
(2.1)
Dengan: W : Massa endapan pelapis (gram) I: Arus (ampere) t : Waktu (detik) e: berat ekivalen kimianya (massa atom dibagi dengan valensinya) Dari rumus tersebut, volume endapan diperoleh dengan perhitungan: volume =
massa endapan ( gram ) densitas
W
3 = ρ (cm )
(2.2)
Densitas (ρ) adalah kerapatan logam pelapis (gr/cm3), W adalah massa endapan (gram). Dengan mengukur langsung permukaan benda kerja, maka ketebalan dapat ditentukan: (1)
Ketebalan lapisan yang terbentuk dapat pula dicari dengan cara mate-matis, yakni dengan formula sebagai berikut: Menurut Lowenheim(13), T=
(2.3)
Dengan : T
= Tebal lapisan yang terbentuk (cm)
W
= m2-m1 = Massa lapisan yang terbentuk (gr)
ρ
= Massa jenis pelapis (gr/cm3)
A
= Luas permukaan setelah dilapisi (cm2)
2.7.2 Korosi
Korosi didefenisikan dengan cara-cara yang berbeda, tetapi penafsirannya biasanya adalah serangan perusakan terhadap bahan logam melalui reaksi kimia atau elektrokimia dengan lingkungannya. Korosi pada bahan logam dapat digolongkan pada tiga bagian, yakni: 1. Korosi basah, yang mana lingkungan korosif adalah air dengan jenis terlarut. Cairannya adalah larutan elektrolit dan jenis prosesnya adalah secara elektrokimia. 2. Korosi dalam cairan lain seperti paduan garam dan logam cair. 3. Korosi kering, yang mana lingkungan korosif adalah udara kering. Korosi kering juga sering disebut dengan korosi kimiawi dan contoh yang paling dikenal adalah korosi pada temperatur tinggi.(2)
2.7.2.1 Korosi dalam Lingkungan Berair
Skematik korosi logam dalam larutan berair yang mengandung oksigen dapat dilihat dalam gambar 2.6. Proses korosi terdiri dari sebuah reaksi anodik dan reaksi katodik. Dalam reaksi anodik (oksidasi) logam menjadi terlarut dan berpindah ke persamaan sebagai M2+. Reaksi katodik pada contoh adalah reaksi reduksi oksigen. Oksidasi adalah penambahan elektron dari suatu atom atau sekelompok atom, menghasilkan peningkatan valensi dan reduksi adalah penambahan elektron ke suatu atom atau sekelompok atom yang menghasilkan penurunan valensi.
Gambar 2.6 Korosi basah dari sebuah logam M pada sebuah larutan elektrolit yang mengandung oksigen(2) Elektron dibebaskan oleh reaksi anodik ke daerah katodik yang memerlukan elektron dalam reaksinya. Kondisi yang diperlukan oleh suau proses korosi adalah larutan elektrolit yang bereaksi dengan logam. Rangkaian listrik tertutup oleh konduksi ion melalui larutan elektrolit. Sesuai dengan kondisi kelarutan, maka disebut korosi basah dan mekanismenya secara elektrokimia.(2)
Korosi logam dalam lingkungan berair hampir selalu merupakan proses elektrokimia. Hal ini terjadi ketika dua atau lebih reaksi elektrokimia berlangsung pada permukaan logam. akibatnya, beberapa elemen logam atau paduan logam berubah dari logam menjadi non-logam. Hasil korosi dapat berupa larutan atau padatan.
Jika pada suhu ruang, lingkungan yang dipakai untuk mengkorosi logam adalah Hydrochloric asam HCl maka akan terbentuk gelembung-gelembung hidrogen. Lingkungan ini adalah lingkungan korosi yang kuat, larutan asam HCl adalah sebagai oksidator dan laju korosi logam meningkat sangat cepat. Pada umumnya, reaksi yang terjadi pada permukaan logam besi karena lingkungan asam dapat dilihat pada reaksi berikut ini. Fe
→ Fe2+ + 2e-
2HCl
→ H2+ + 2Cl-
2H+ + 2e-
→ H2 ↑
Fe + 2HCl → Fe2+ + H2↑ + 2Cl-
2.7.2.2 Perhitungan Laju Korosi
Untuk menghitung laju korosi dari logam atau paduannya dengan mengacu pada ASTM G-31, yaitu berdasarkan metode perendaman (Immersion). Perhitungan laju korosi dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:
Laju Korosi =
(2.4)
Dengan : K = Konstanta pada persamaan korosi berdasarkan satuan (Tabel 2.1) Konstanta pada penelitian menggunakan satuan mm/y bernilai 8,76 x 104 T = Waktu perendaman (jam) A = Luas permukaan (cm2) W = massa yang hilang (gr) D = Densitas (gr/cm3) Tabel 2.1 Konstanta Laju Korosi Satuan Laju Korosi
Konstanta Laju Korosi
mils per year (mpy)
3,45 x 106
inches per year (ipy)
3,45 x 103
inches per month (ipm)
2,87 x 102
millimeters per year (mm/y)
8,76 x 104
micrometers per year (µm/y)
8,76 x 107
picometers per second (pm/s)
2,78 x 106
grams per square meter per hour (g/m2.h) milligrams per square decimeter per day (mdd) micrograms per square meter per second (µg/m2.s)
1,00 x 104 x D 2,40 x 106 x D 2,78 x 106 x D
Untuk menangani masalah media kimia yang menyerang secara menyeluruh, logam diklasifikasikan dalam tiga kelompok berdasarkan laju korosi dan aplikasi yang diharapkan. Pengelompokannya adalah sebagai berikut: 1. Laju korosi <0,15 mm/y (<0,005 ipy), logam dalam kategori mempunyai ketahanan korosi baik cocok digunakan secara luas untuk bagian-bagian kritis,
seperti contoh gagang pompa, komponen mesin, pegas, sudu turbin, dan dudukan katup. 2. Laju korosi 0,15 sampai 1,5 mm/y (0,005 sampai 0,05 ipy), logam dalam kelompok ini baik digunakan jika laju korosi yang tinggi dapat ditoleransi, seperti contoh untuk tanki, pipa, bagian katup, dan kepala baut. 3. Laju korosi >1,5 mm/y (>0,05 ipy), tidak dapat digunakan.(11)
2.7.3 Pengujian Kekerasan Vickers
Pada umumnya kekerasan menyatakan ketahanan terhadap deformasi dan untuk logam dengan sifat tersebut merupakan ukuran ketahanannya terhadap deformasi plastik atau deformasi permanen.
Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarnya sudut antara permukaan-permukaan piramid yang saling berhadapan adalah 136°. Sudut ini dipilih karena nilai tersebut mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antara diameter lekukan dan diameter bola penumbuk. Karena bentuk penumbuknya pyramid seperti terlihat pada gambar 2.7, maka pengujian ini sering dinamakan uji kekerasan piramida intan. Angka kekerasan piramida intan (DPH), atau angka kekerasan Vickers (VHN atau VPH), didefenisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan.
Gambar 2.7 Uji Kekerasan Vickers
Pada prakteknya, luas permukaan dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. VHN dapat ditentukan dari persamaan berikut : VHN =
2 P sin( θ / 2 ) 1,854 P = d2 d2
(2.5)
Dengan : VHN = Angka kekerasan Vickers (MPa) P
= Beban yang diterapkan ( 200 kgf)
D
= Panjang diagonal rata-rata (mm)
Ө
= Sudut antara permukaan intan yang berlawanan (1360)
Uji kekerasan Vickers banyak dilakukan pada pekerjaan penelitian, karena metode tersebut memberikan hasil berupa skala kekerasan yang kontinu untuk suatu beban tertentu dan digunakan pada logam yang sangat lunak (VHN=5) hingga logam yang sangat keras (VHN 1500).(7)
2.7.3.1 Keuntungan dan Kerugian Kekerasan Vickers
Keuntungan pengukuran kekerasan menurut Vickers adalah : 1. Dengan benda-penekan yang sama kekerasan dapat ditentukan tidak hanya untuk bahan lunak akan tetapi juga untuk bahan keras. 2. Dengan bekas-tekanan yang kecil bahan percobaan merusak lebih sedikit. 3. Pengukuran kekerasan adalah teliti. 4. Kekerasan benda kerja yang amat tipis atau lapisan permukaan yang tipis dapat diukur dengan memilih gaya kecil. Kerugian pengukuran kekerasan menurut Vickers adalah : 1. Dengan bekas-tekanan yang kecil kekerasan rata-rata bahan yang tidak homogen tidak dapat ditentukan misalnya; besi tuang. 2. Penentuan kekerasan membutuhkan banyak waktu, oleh karena penekanan piramida dan pengukuran diagonal bekas tekanan adalah dua pelaksanaan yang terpisah.
2.7.4 Analisis Mikrostruktur
Untuk menentukan karakter dari struktural suatu material, diperlukan pendekatan yang umum diambil, yakni meneliti material dengan berkas radiasi atau partikel dengan energi tinggi. Scanning Electron Microscope (SEM) dikembangkan untuk mempelajari secara langsung struktur permukaan, mikrostruktur, dan morfologi bahan. Alat SEM yang digunakan pada penelitian ini dilengkapi dengan EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). EDS dihasilkan dari Sinar-X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar-X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung.
Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan resolusi tinggi. Analisa SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar elektron dihasilkan dari filamen yang dipanaskan, disebut electron gun. Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun terkondensasi dilensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objekstif. Scanning coil yang diberi energi menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas dipermukaan Cathoda Ray Tube (CRT) sebagai topografi gambar. Pada sistem ini berkas elektron dikonsentrasikan pada specimen, bayangannya diperbesar dengan lensa objektif dan diproyeksikan pada layar.
Cuplikan yang akan dianalisis dalam kolom SEM perlu dipersiapkan dahulu, walaupun telah ada jenis SEM yang tidak memerlukan pelapisan (coating) cuplikan. Terdapat tiga tahap persiapan cuplikan, antaralain: 1. Plat dipotong dengan menggunakan gergaji intan. Seluruh kandungan air, larutan dan semua benda yang dapat menguap apabila divakum, dibersihkan. 2. Cuplikan dikeringkan pada suhu 60°C minimal selama 1 jam. 3. Cuplikan non logam harus dilapisi dengan emas tipis atau logam lainnya, seperti Pt. Cuplikan logam dapat langsung dimasukkan dalam ruang cuplikan.
Sistem penyinaran dan lensa pada SEM sama dengan mikroskop cahaya biasa. Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat konduktif agar dapat memantulkan berkas elektron dan mengalirkannya ke ground. Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan emas atau Pt. Pada pembentukan lapisan konduktif, specimen yang akan dilapisi diletakkan pada tempat sampel disekeliling anoda. Ruang dalam tabung kaca dibuat memliki suhu rendah dengan memasang tutup kaca rapat dan gas yang ada didalam tabung dipompa keluar. Antara katoda dan anoda dipasang tegangan 1,2 kV sehingga terjadi ionisasi udara yang bertekanan rendah. Elektron bergerak menuju anoda dan ion positif dengan energi yang tinggi bergerak menumbuk katoda emas. Hal ini menyebabkan partikel emas menghambur dan mengendap dipermukaan spesimen.(6)
