PROTEKSI KOROSI DENGAN METODE PENGUBAHAN MATERIAL, PERANCANGAN, DAN PENGUBAHAN MEDIUM KOROSIF
2. Mahasiswa dapat menjelaskan dan memahami proteksi korosi dengan bahan anorganik melalui proses anodisasi, kromatisasai,dan fofatasi
7.1. Coating Organik (cat)
7.3.1. Anodisasi Aluminium
Anodisasi adalah proses pembentukan lapisan tipis (film) oksida pada permukaan benda kerja. Lapisan ini bertujuan untuk memberikan perlindungan terhadap logam aluminium dari reaksi korosi. Proses anodisasi ini merupakan proses elektrolisis dengan aluminium ditempatkan sebagai anoda. produk proses anodisasi ini mempunyai peranan penting dalam industri manufaktur, seperti industri pesawat terbang, industri mesin dan masih banyak lagi industri yang memerlukan proses anodisasi.
Mekanisme Pembentukan Oksida
Tahapan reaksi ion dengan oksigen yang dibawa dalam bentuk ion (OH- atau O2) pada antar muka sehingga membentuk lapisan aluminium oksida yang menempel pada permukaan anoda.
Tahapan terakhir merupakan peristiwa pelarutan kembali sebagian oksida tersebut oleh asam sehingga membentuk lapisan akhir yang terlapisi.
Secara skematis tahapan reaksi diatas dapat dijabarkan sebagai berikut:
OH- pelarutan
Al Al3+ Al2O3 lapisan Al2O3 akhir
O2
Reaksi elektrodik, apabila proses anodisasi menggunakan larutan elektrolit H2SO4 yaitu: H2SO4 = 2H+ + SO4
2-Pada katoda (Pb, Al, anoda tak larut):
2H+ + 2e = H2 E°= 0,0 Volt 2H2O + 2e + O2 = 4OH- E°= 0,4 Volt Pada anoda Al:
2H2O = O2 + 4H+ + 4e Al = Al3+ + 3e E°= 1,66 Volt Reaksi pembentukan oksida:
2Al3+ + 3OH- = Al2O3 + 3H+ G° = -33,985 kkal Reaksi total:
2Al + O2 + H2O = Al2O3 + H2G° = -320,080 kkal
H° = -260,536 kkal
Proses anodisasi aluminium menggunakan elektrolit yang melarutkan oksida logam, sehingga akan terbentuk suatu lapisan oksida yang hamper tidak berpori dan sangat tipis. Lapisan oksida semacam ini disebut lapisan penghalang arus. Apabila lapisan penghalang ini sudah terbentuk, maka lapisan ini akan semakin menebal dan mengakibatkan aliran arus listrik terbentuk, tetapi bila lapisan oksidanya banyak porinya, maka hal tersebut tidak akan terjadi. Lapisan oksida yang banyak porinya, ketebalannya hanya perpuluhan mikrommeter, yaitu dapat mencapai 0,17 mm.
Kerapatan porositas bervariasi tergantung pada kondisi anodisasi, tetapi porositas terbesar mempunyai jarak 6-80.109 pori/cm2, diameter pori sekitar 100-300 A°. Komposisi film terutama adalah Al2O3, meskipun telah sealing dalam air mendidih komposisinya menjadi 70% Al2O3, 17% H2O, 13% sisa anodisasi seperti sulfat atau kromat. Untuk proteksi, ketebalan film dibutuhkan 5-25m. Teori struktur film oksida bergantung pada observasi percobaan
ketebalan film oksida hanya dapat terbentuk dalam elektrolit tertentu total porositas film digambarkan kembali sekitar 45% dari volum film film awal adalah rapat, tetapi menjadi kurang rapat pada pertumbuhan film
ketebalan film pada awalnya bertambah sesuai dengan jumlah secara teori, kemudian turun dengan waktu akibat efisiensi arus turun dan tegangan naik
Secara skematis, lapisan oksida di permukaan logam aluminium dapat ditunjukkan seperti Gambar 7.2. berikut.
Gambar 7.2. Lapisan oksida dari aluminium
Pembentukan aluminium oksida pada permukaan anoda aluminium akan semakin besar, bila arus dan waktu proses cukup lama, secara kuantitatif massa lapisan iksida yang terbentuk dapat dirumuskan:
m= Mr.Al2O3.i .t nF
dengan: I = rapat arus
n = jumlah mol electron yang terlibat t = waktu dalam detik
Mr = masa rumus relatif F = bilangan Faraday
Gambar 7.3. Diagram Proses Anodisasi Peralatan Proses Anodisasi
Peralatan yang digunakan dalam proses anodisasi meliputu hal berikut: Rectifier merupakan sumber arus listrik searah (DC).
Pencucian lemak
Pembilasan (Rinsing)
Pengetsaan (Etching) asam dan alkali
Pembilasan (Rinsing)
Brightener Dip (Pembersihan secara kimia)
Pembilasan (Rinsing) Proses Anodisasi Pembilasan Pewarnaan Sealing Pengemasan
Katoda dan anoda, katoda berfungsi sebagai penghantar listrik dan tidak larut selama proses. Katoda yang dapat digunakan adalah Pb dan Grafit, SS, baja dan Al tergantung elektrolit.
Rak merupakan tempat prosuk hasil anodisasi, biasanya dari Al, paduan Al, Ti dan Ti yang dilapisi Al.
Bak (tangki) merupakan tempat larutan elektrolit, larutan pencuci.
Secara sederhana peralatan proses anodisasi dapat ditunjukkan seperti Gambar 7.4. berikut.
Gambar 7.4. Peralatan Proses Anodisasi
Proses Persiapan Benda Kerja
Persiapan benda kerja dapat dilakukan dengan metode berikut. a. Pembersihan Lemak untuk Logam Aluminium
Surface active agent : soap, soapless-soap, T (20-80°C), t seperlunya Proses asam sulfat : asam sulfat (5-20%), T (60-80°), t (30-180 detik)
Electronic degreasing : NaOH (1-2%), suhu kamar, t (30 detik), rapat arus (4-8 A/dm+), kemudian lakukan netralisasi dengan HNO3 10-15%.
Alkali : NaOH (5-20%), T (40-80°C), t (15-60 detik), kemudian netralisasi dengan HNO3 10-15%.
Garam-alkali : soda ash [Na2CO3 (10%), Na2SiO3 (2%), NaCN (2%)] atau [Na2CO3 (5%), Na2HPO4 (15%), T (30-80°C), t (30-180 detik)
b. Proses Pengetsaan b.1. Etsa dengan asam
(20-b2. Etsa dengan alkali
Natrium hidroksida : NaOH (10-25%), T (50-90°C), t (20-120 detik), kemudian dinetralisasi dengan HNO3 15-50%.
Soda kaustik-pospat : NaOH (3-8%), Na3PO4 (5-10%), T (55-80°C), t seperlunya. Kaustik kromat : NaOH (7,50%), natrium silicon fluoride (2%), NaCrO4 (0,50%),
T (50-70°C), t (1-10 menit). Larutan Elektrolit untuk Proses Anodisasi
Larutan elektrolit untuk proses anodisasi dapat menggunakan larutan berikut ini.
Larutan kromat (banyak dipakai untuk menganodisasi alat pesawat terbang dan lapisan oksidanya lebih tahan korosi dibandingkan dengan proses asam sulfat).
Larutan kromat-sulfat : CrO3 (50,25 -100,50 gpl), NaCl (0,20 gpl), asam sulfat (0,50 gpl), Kondisi operasi: T (35°C), rapat arus (0,1-0,54 A/dm2), t (1-10 menit), V (40 volt).
Larutan asam kromat : CrO3 (100 gpl), Kondisi operasi: T (35°C), rapat arus (0,1-1,8 A/dm2), t (30 menit), V (40 volt), agitasi udara.
Larutan asam sulfat : asam sulfat (15-18%), Kondisi operasi: T (20-28°C), rapat arus (0,2-1,4 A/dm2), t (10-30 menit), V (14-24 volt), agitasi udara. Produk oksidanya lebih transparan dan keras.
Nikel-sulfat: asam sulfat (200 gpl), Ni-sulfat (10 gpl). Kondisi operasi: T (20°C), rapat arus (1,2 A/dm2), t (20 menit).
Asam fosfat : asam orthofosfat (108,7 gpl). Kondisi operasi: T (20-28°C), rapat arus (1,2-1,5 A/dm2), t (10-40 menit).
Pengerasan Lapisan Oksida
Lapisan oksida yang terbentuk di permukaan logam aluminium dapat dilakukan pengerasan dengan metoda berikut ini.
a. Dengan air panas
Pengerasan lapisan oksida pada aluminium yang telah mengalami proses anodisasi dilakukan dengan air panas. Aluminium oksida akan bereaksi dengan air membentuk bochmat.
Al2O3 + H2O = 2AlOOH
Reaksi ini akan berjalan baik pada pH 5,5- 6,5. Agar pH air dapat dikontrol, perlu ditambahkan natrium asetat dan asam asetat.
b. Dengan uap air panas
Pengerasan lapisan oksida dapat juga dilakukan dengan uap air panas. Dengan cara ini terbentuk selaput bochmat pada lapisan oksidanya. Cara pengerasan lapisan oksida dengan uap air panas dapat menghindari terlarutnya kembali sebagian zat pewarna.
c. Dengan zat lain
Pengerasan lapisan oksida dapat juga dilakukan dengan larutan elektrolit seperti natrium asetat, bikromat, silikat, dan sebagainya.
Pewarnaan hasil proses anodisasi bertujuan untuk dekoratif, sehingga permukaan logam menjadi lebih indah dan menarik. Zat warna dapat diserapkan ke dalam pori-pori lapisan oksida. Hal ini dimaksudkan supaya lebih tahan lama dan tidak mudah hilang akibat sinar matahari. Zat wana yang digunakan dapat berupa zat warna organik maupun anorganik. a. Zat warna organik
Setelah proses anodisasi dan dicuci dengan air, lapisan oksidasi pada permukaan aluminium dapat diberi warna dengan mencelupkan ke dalam larutan zat warna organik pada temperatur ±65°C.
Pelarut zat warna ini tidak harus air tetapi dapat juga pelarut organik seperti alcohol, benzene, dst. Kadar zat warna dan pH larutan disesuaikan dengan jenis zat yang diinginkan.
b. Zat warna anorganik
Beberapa zat warna anorganik dapat diserap ke dalam pori-pori oleh larutan lainnya. Karena itu, ada dua tahap dalam proses pewarna ini.
Tahap 1 : menyerapkan zat warna organik dalam pori-pori lapisan oksida.
Tahap 2 : mengendapkan zat organik dalam pori-pori dengan larutan pengendapnya. Contoh: tahap 1 dalam larutan kalium ferrosianida, tahap 2 dalam larutan ferri nitrat, makan akan diperoleh endapan ferri-ferro sianida yang berwarna biru.
c. Pengendapan logam
Pewarnaan dapat juga dilakukan dengan menggunakan garam logam. Garam-garam ini diserapkan ke dalam pori-pori lapisan oksida. Logam garam tersebut diendapkan secara elektrolitik. Logam-logam yang dapat diendapkan dengan cara ini adalah nikel, kobalt, timah, besi, tembaga, dst. Logam aluminium yang dikerjakan secara ini akan lebih tahan terhadap panas dan keadaan.
Tabel 7.2 Zat Warna Organik
Bahan Pewarna Kode BP Kont. (gpl) pH Tebal Lap. (m)
Golden orange Orange Brass Yellow Gold Copper Red Violet Blue Green Olive Brown Bronze Black Deep Black 2RL GL NGW MO 2RLW RLW CLW 4LW GLW 2RW LLW LLW MLW 5 6 0,20 0,30 5 6 1,5 5,5 8 5 3 10 10 4 - 5,5 5 – 8 5 – 8 5,5 – 6,5 5,5 – 6,5 4 – 8,5 3,3 – 4 3 – 4,5 4,5 – 5,5 5,5 – 6 5,5 – 6 3,5 – 4,5 3,5 – 4,5 6 – 7 6 – 7 8 4 – 6 9 – 10 7 – 8 7 – 8 7 – 8 10 – 12 9 – 10 9 – 10 15 – 20 15 – 20 7.3.2. Kromatisasi
permukaan pelarutan. Larutan kromatisasi biasanya berisi suatu anion aktivasi seperti klorida dan sulfat. Proses ini adalah sesuai untuk logam Al, Cu, Zn, Mg, Ag yang ketebalan filmnya mulai 0,1 sampai 10-3 mm dapat dikembangkan atau tanpa lapisan pasif. Hal ini tidak tahan terhadap korosi, tetapi dapat digunakan sebagai pretreatment finishing organic.
Aluminium
Proses pasivasi Aluminium melibatkan pelarutan logam dan mengacu pada diagram Paurbaix Gambar 7.1. Hal tersebut dapat menjadi jelas bahwa kromatisasi kemungkinan melalui kedua elektrolit asam dan alkali, meskipun lapisan tipis (film) pasif harus didasarkan pada bohmit. Secara normal, film pasif berpori, tetapi kedua larutan kromat dan fosfat, film dapat terbentuk tidak berpori dengan pemanasan sampai temperatur diatas 70°C bayerit dihidrat menjadi bohmit.
Film dengan ketebalan 1-2 m dapat tumbuh selama waktu 15-30 menit dengan penambahan NaOH. Suhu operasi dapat ditutunkan (misalnya untuk 65°C untuk 3,5 gpl atau 35°C untuk 7,0 gpl). Penggunaan silikat dan fosfat memperkecil porositas dan bertindak sebagai pengaktif yang efektif, dengan penambahan natrium hidrofosfat (Na2HPO4).
PH operasi adalah kritik karena secara awal membentuk hidroksida dan mengendap pada permukaan logam sebagai bayerit.
Al + 3H2O = Al (OH)3 + 3/2 H2 Al(OH)3 = Al2O3.3H2O
Kelebihan ion hidroksil akan bereaksi dengan hidroksida membentuk ion kompleks aluminat. Al(OH)3 + OH- = Al(OH)6
3-Pelarutan Al dapat dipercepat dengan penambahan oksidator yang terpolarisasi secara efektif, tetapi hydrogen diperlukan untuk mengendapkan basa kromat.
3/2 H2 + CrO42- = CrO.OH + 2 OH -atau
3/2 H2 + CrO42- + H2O = Cr(OH)3 + 2OH
-Film yang dihasilakn merupakan 75% bohmit dan 25% basa kromat.
Larutan asam seperti tipe kromat-fluorida atau kromat-fosfat menghasilkan film tipis, transparan dengan ketebalan 0,1-1,0 m, sedangkan dengan ketebalan 1-5 m berwarna hijau gelap. Secara umum, larutan kromat-fluorida dapat diaplikasikan dengan pencelupan atau penyemprotan dengan warna film diatur oleh waktu dan temperatur operasi, yang juga mempengaruhi ketebalan lapisan (Gambar 7.5). Komposisi larutan tidak kritik, tetapi kelebihan activator dalam larutan, seperti fluoride dapat terjadi pembentukan tepung film meskipun dapat menghibisi kromatisasi. Pengaruh fluoride adalah untuk memungkinkan aluminium larutan awal bila dioksidasi, oksidator masuk ke dalam pembentukan kembali Al2O3.
Dalam larutan alkali, pembentukan film kromat tergantung pada pmbebasan gas hydrogen, maka tahap pertama harus ada pelarutan aluminium. Film tidak keras atau tahan aus, tetapi memberikan ikatan adesif yang bagus untuk coating cat dan pernis. Film lebih tebal dapat dicapai dengan penambahan konsentrasi ion hidroksil dan kromat, tetapi untuk larutan yang mengandung fosfat menyebabkan AlPO4 yang dapat memperbaiki sifatnya.
Gambar 7.5. Variasi berat dan warna coating dengan waktu dan temperatur untuk perlakuan Al dalam larutan kromat-fluorida
Magnesium
Seperti dalam kasus Al, kromatisasi mentsbilkan fim oksida pada permukaan magnesium dan telah diterapkan untuk tuang dan dibuat paduan. Pembersihan permukaan adalah cukup penting. Pembersihandan kromatisasi tuang menghasilkan pengukuran kerak yang signifikan, yang dapat dikurangi dengan penerapan coating cat.
Larutan dikromat (misalnya Na2Cr2O7 75 gpl dan SeO2 30 gpl) adalah paling baik, tetapi harus digunakan dalam kondisi panas selama 1 menit. Sehingga untuk tuang, larutan dingin adalah lebih baik, dan didasarkan pada asam nitrat (misal : HNO3 25 mL/L, CrO3 280 gpl, dan HF 8 mL/L). Untuk ketahanan korosi dalam air laut, larutan dasar klorida dapat digunakan (NaCl 20-120 gpl, NaNO3 10 gpl dan pH <1).
Seng dan Kadmium
Perlakuan kromat dapat diaplikasikan untuk pengendapan secara listrik dan tuang pada seng untuk mencegah pengusaman menjadi abu-abu di industri atmosfer dan mengurangi pembentukan oksida di lingkungan laut. Dalam kasus cadmium, yang dapat menempatkan kembali seng seperti coating untuk aplikasi dekoratif, perawatan kilapan, penampakan daya tarik. Secara umum, keperluan memperoleh sifat adesif yang baik untuk vernis dan coat tidak penting karena perlakuan fosfatasi adalah lebih baik.
Perlakuan terbaik adalah proses “Cronak” yang didasarkan pada kromat (Na2Cr2O7 200 gpl dan H2SO4 5-6 ml/L) yang menghasilkan film kuning coklat setelah perlakuan 1-10 detik. Larutan asam tipe ini digunakan pada pH 1-4, maka laju pelarutan seng turun dan laju
2. Kenaikan pH berikut beberapa pengendapan hidroksida menyebabkan ion kromat menjadi lebih stabil
2HCr2O7- + 3H2 = 2Cr(OH)3 + OH -2HCr2O7- + H2O = 2CrO4 + 3H+
3. Film krom basa kromat terbentuk di permukaan logam 2 Cr(OH)3 + CrO42- + 2H+ = Cr(OH)3.CrOH.CrO4 + 2H2O
Gambar 7.6. Pengambilan logam dan berat coating bertambah selama kromatisasi seng sebagai fungsi pH
Serangan awal permukaan seng digambarkan kembali dalam suatu lapisan kira-kira dua lapisan, maka secara jelas proses tidak dapat diterapkan untuk pengendapan secara listrik karena lapisan sangat tipis. Mekanisme tersebut menjelaskan hasil pengamatan bahwa ada sedikit atau tidak ada seng klorida di permukaan film, hal ini menunjukkan perbedaan karakter dari film kromat pada aluminium, meskipun mereka dapat mengandung hidrat air cukup besar. Perlakuan kromat menghasilkan film kunign, tetapi hasil film yang tidak berwarna lebih menguntungkan. Penggunaan larutan asam komat (CrO3 5-15 gpl dan H2SO4 3-5 gpl) memungkinkan film transparan untuk menghasilakn film yang seperti pelangi, tetapi film seperti ini adalah untuk dekoratif daripada protektif.