Tingkah Laku Kakisan Aloi Al-Zn Dan Al-Zn-Mg Dengan Unsur Pengaktif Sn Di Dalam Air Laut Tropika
3. Hasil dan Pembahasan
Morfologi Permukaan Aloi Sebelum Ujian
Penelitian dengan mikroskopi konfokal imbasan laser ke atas sampel aloi tuangan yang digilap berkilat bagi mengkaji bentuk serta taburan mendakan yang mungkin wujud di dalam aloi tersebut. Rajah 1 menunjukkan mikrograf yang diperoleh daripada sampel aloi tuangan sebelum ujian. Rajah berkenaan menunujukkan sampel aloi yang mengandungi Sn mempunyai mendakan hitam yang lebih banyak serta tertabur lebih sekata berbanding dengan sampel tanpa Sn.
Maklumat mikroskopi konfokal imbasan laser mendapati diameter mendakan hitam bagi aloi Al-5.5Zn dan aloi Al-5.5Zn-2Mg dengan kehadiran 2% Sn adalah diantara 15-25 µm manakala aloi tanpa Sn pula terdapat sedikit mendakan hitam dengan saiz diantara 2-10 µm. Mikrograf yang ditunjukkan dalam Rajah 1 di atas juga sepadan dengan keputusan yang telah dilaporkan oleh penyelidik lain (Yuan et al. 2000; Guillaumin & Mankowski,1998). Stanum mempunyai kelarutan pepejal yang amat rendah dalam logam aluminium sama ada pada suhu rendah maupun suhu tinggi (kira- kira 0.1%bt pada suhu 627 oC). Sehubungan dengan itu, ia akan tersingkir ke sempadan butiran, di celah-celah struktur dendrit atau membentuk sebatian antaralogam semasa proses solidifikasi. Kewujudan fasa sekunder telah disahkan dengan analisis pembelauan sinar-X (XRD) dimana sebatian antaralogam Mg2Sn wujud di dalam aloi Al-5.5Zn-2Mg-2Sn sebagaimana yang ditunjukkan pada Rajah 2. Walau bagaimanapun tiada sebatian antaralogam dapat dikesan dalam aloi Al- 5.5Zn-2Sn sebaliknya dipercayai mendakan hitam yang dilihat adalah fasa β-Sn Jadual 1: Komposisi kimia bagi aloi Al-5.5Zn dan Al-5.5Zn-2Mg
Kandungan (%bt.) Aloi Zn Mg Sn Fe Al Al-5.5Zn 5.47 - - 0.03 Baki. Al-5.5Zn-2Sn 5.48 - 1.72 0.03 Baki. Al-5.5Zn-2Mg 5.58 1.82 - 0.03 Baki Al-5.5Zn-2Mg-2Sn 5.52 1.79 1.95 0.03 Baki
Abdul Razak Daud, Mahdi Che Isa, Muhamad Daud, Mohd Yazid Ahmad
Proceeding of The 6th ITB-UKM Joint Seminar on Chemistry
36
sepertimana ditunjukkan oleh puncak pembelauan pada Rajah 2. Maklumat mengenai mikrostruktur dan data XRD itu jelas
menunjukkan kehadiran Sn mempengaruhi struktur permukaan aloi aluminium. Kecacatan pada permukaan akan menyebabkan
(a) (b)
(c) (d)
Rajah 1 Mikrograf daripada mikroskop konfokal imbasan laser bagi permukaan aloi Al-5.5Zn sebelum ujian (a) 0% Sn, (b) 2% Sn dan aloi Al-5.5Zn-2Mg (c) 0% Sn (d) 2% Sn
th
permukaan aloi menjadi lebih aktif dan mudah mengkakis.
Pengukuran Elektrokimia
Cara yang sering digunakan bagi mengawasi tingkah laku kakisan bagi logam atau aloi ialah dengan cara merekod bacaan keupayaan litar terbuka terhadap masa rendaman. Rajah 3 dan 4 masing-masing menunjukkan kesan komposisi aloi keatas keupayaan litar terbuka merujuk kepada elektrod kalomel tepu (EKT) terhadap masa rendaman bagi Al-5.5Zn dan Al- 5.5Zn-2Mg apabila direndam di dalam air laut selama 15 jam. Nilai purata keupayaan litar terbuka ditunjukkan di dalam Jadual 2. Pada permulaan rendaman, nilainya menokok kearah positif mengikut masa dan menjadi stabil selepas 5 jam rendaman. Keputusan ini menunjukkan fenomena fana (transient) pada
peringkat awal 5 jam rendaman sebelum stabil yakni mengalami perubahan keupayaan yang kecil sekitar 20-50 mVolt pada jam berikutnya. Keupayaan litar terbuka yang dicerap pada semua keadaan adalah akibat daripada tindak balas anodik dan katodik yang berlaku pada permukaan aloi. Penambahan Sn terhadap aloi Al-5.5Zn menyebabkan berlaku anjakan keupayaan kakisan ke arah positif disebabkan oleh sifat Sn yang lebih katodik berbanding Al dan Zn. Manakala penambahan 2%Mg kepada Al-5.5Zn menjadikan aloi tersebut lebih elektronegatif kerana Mg merupakan logam yang aktif.
Rintangan kakisan bagi aloi aluminium di dalam medium akueus boleh dinilai berdasarkan rintangan pengutuban yang ditunjukkan oleh keupayaan litar terbukanya.
Rajah 3 Perubahan keupayaan litar terbuka mengikut masa rendaman di dalam air laut tropika pada suhu 27 ºC bagi (a) Al tulen, (b) Al-5.5Zn-2Sn (c) Al-5.5Zn.
Rajah 4 Perubahan keupayaan litar terbuka mengikut masa rendaman di dalam air laut tropika pada suhu 27 ºC bagi (a) Al tulen, (b) Al-5.5Zn-2Mg, (c) Al-5.5Zn-2Mg-2Sn
-1.70 -1.60 -1.50 -1.40 -1.30 -1.20 -1.10 -1.00
0.0E+00 1.0E+04 2.0E+04 3.0E+04 4.0E+04 5.0E+04 6.0E+04 7.0E+04
Masa (S) Keu pay aan (V V s EKT) Al tulin Al-5.5Zn-2Sn Al-5.5Zn (a) (b) (c) (a) (b) (c) -1.80 -1.70 -1.60 -1.50 -1.40 -1.30 -1.20 -1.10 -1.00
0.0E+00 1.0E+04 2.0E+04 3.0E+04 4.0E+04 5.0E+04 6.0E+04 7.0E+04
Masa (S) Keu payaa n ( V Vs EKT) Al tulin Al-5.5Zn-2Mg Al-5.5Zn-2Mg-2Sn (a) (b) (c) (a) (b) (c)
Abdul Razak Daud, Mahdi Che Isa, Muhamad Daud, Mohd Yazid Ahmad
Proceeding of The 6th ITB-UKM Joint Seminar on Chemistry
38
Rintangan pengutuban bergantung kepada keadaan permukaan aloi misalnya lapisan oksida atau hidroksida yang terbentuk pada permukaan aloi akan menyebabkan berlaku penambahan rintangan pengutuban. Sekiranya wujud lapisan oksida pelindung yang kuat dan homogen pada permukaan aloi maka sifat rintangan kakisan aloi berkenaan akan menjadi sangat tinggi. Ringkasnya, rintangan elektrik pada permukaan logam atau aloi merupakan parameter penting yang menentukan sifat rintangan kakisan logam atau aloi berkenaan. Lapisan oksida terbentuk dengan cepat pada permukaan aloi aluminium apabila terdedah kepada oksigen. Apabila kecacatan seperti rekahan, lompang atau lubang terbentuk didalam lapisan oksida, permukaan aktif aloi akan terdedah kepada medium. Spektroskopi impedans elektrokimia boleh digunakan untuk meneliti rintangan elektrik lapisan permukaan pada logam atau aloi.
Bagi sistem elektrokimia akueus, rintangan pengutuban Rp dinyatakan sebagai:
Rp = |Zω→0 | - |Zω→∞| (1)
|Zω→∞| ialah modulus impedans yang merujuk kepada rintangan elektrolit, manakala |Zω →0| adalah modulus impedans permukaan logam. Rajah 5, 6 dan 7 masing-masing menunjukkan plot Nyquist bagi Al tulen, aloi Al-5.5Zn dan Al-5.5Zn-2Mg selepas rendaman selama 1 hingga 8 jam. Keputusan jelas menunjukkan aloi-aloi aluminium yang dikaji mempunyai lapisan permukaan yang berbeza disegi sifat rintangan maupun kapasitannya. Logam Al tulen dan aloi Al-5.5Zn menunjukkan nilai rintangan dan kapasitan yang hampir sama untuk masa rendaman 1 jam. Namun selepas 8 jam rendaman, ternyata aloi Al-5.5Zn memberikan modulus impedans yang lebih rendah, menandakan kehadiran Zn di dalamnya berupaya merubah tingkah laku elektrokimianya. Namun apabila Al-5.5Zn dialoikan pula dengan Mg modulus impedansnya kembali meningkat. Dipercayai kehadiran logam Mg akan mengakibatkan terbentuknya lapisan pasif Mg(OH)2 mengikut persamaan dibawah:
Mg → Mg2+ + 2e- (2) 2H2O + O 2 + 4e- → 4OH- (3)
Tindak balas separa bagi persamaan di atas memberikan tindak balas keseluruhan:
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 (4)
Pembentukan lapisan ini mengurangkan aktiviti elektrokimia dipermukaan aloi kerana rintangan elektriknya bertambah. Keputusan spektroskopi impedans elektrokimia didapati bersetuju dengan nilai keupayaan litar terbuka bagi aloi pada Jadual 2 dimana kehadiran Mg pada aloi Al-5.5Zn menyebabkan keupayaan litar terbukanya menjadi lebih positif.
Aloi tanpa Sn jelas menunjukkan rintangan dan kapasitan yang jauh lebih tinggi disegi magnitudnya berbanding aloi aluminium yang mengandungi Sn (Rajah 5 dan 6). Pertambahan masa rendaman menunjukkan berlaku pengecilan kepada lengkung separuh bulatan bagi data impedans. Bagi aloi yang mengandungi Sn pula lengkung spektroskopi impedans elektrokimia masing-masing mempunyai gegelung aruhan pada frekuensi rendah dan memberi nilai impedans atau rintangan dan kapsitan yang lebih rendah (Rajah 5(b) dan Rajah 6(b)). Wujudnya gegelung aruhan mempunyai kaitan dengan proses jerapan dan santaian spesis Sn2+ yang terhasil oleh aktiviti elektrokimia pada permukaan aloi. Impedans pada bahagian frekuensi rendah merujuk kepada proses pemindahan cas atau elektron yang menyebabkan berlaku peningkatan atau penurunan rintangan. Peningkatan nilai modulus impedans akan menghasilkan lengkung separuh bulatan yang lebih besar dan sebaliknya menjadi lebih kecil jika impedans berkurang. Oleh itu Sn jelas bertindak sebagai pengaktif aloi berkenaan yakni membantu pelarutan unsur-unsur dari aloi ke dalam medium.
Apabila aloi Al yang mempunyai lapisan pelindung oksida terdedah kepada elektrolit agresif, nilai impedans ditentukan oleh
Jadual 2: Bacaan purata nilai keupayaan litar terbuka bagi aloi yang diuji.
Sampel Purata Keupayaan Litar Terbuka, V(EKT) Al tulen -1.23 ± 0.04 Al-5.5 Zn -1.50 ± 0.05 Al-5.5Zn-2Sn -1.33 ± 0.08 Al-5.5 Zn-2Mg -1.40 ± 0.02 Al-5.5Zn-2Mg-2Sn -1.62 ± 0.09
th
rintangan dan kapasitan lapisan tersebut. Kehadiran Sn dalam bentuk Mg2Sn bagi aloi Al-Zn-Mg-Sn atau β-Sn bagi aloi Al-Zn-Sn akan menyebabkan lapisan oksida yang terbentuk pada permukaan aloi mempunyai kecacatan dan tidak homogen. Kecacatan pada lapisan oksida menyebabkan rintangan elektrik pada lokasi berkenaan menjadi rendah oleh
yang demikian ia akan meyediakan ruang untuk inisiasi kakisan. Peranan sebatian antaralogam dalam mengaktifkan aloi Al-Mg-Zn turut dilaporkan oleh Barbucci et al. (1998).
Daripada plot Tapel seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8 menunjuk kehadiran unsur- unsur aloian, Zn, Mg dan Sn menyebabkan aloi mempunyai keupayaan kakisan yang lebih 0.E+ 00 1.E+ 03 2.E+ 03 3.E+ 03 4.E+ 03 5.E+ 03 6.E+ 03 7.E+ 03 8.E+ 03
0.E +00 2.E +03 4.E +03 6.E +03 8.E +03 1.E +04 1.E + 04 1.E +04 2.E +04 Z nyata (ohm .cm2) Z k ha yal a n ( ohm .c m 2)
1 jam 8 jam 2 jam 4 jam 6 jam -7.E+02 -5.E+02 -3.E+02 -1.E+02 1.E+02 3.E+02 5.E+02 7.E+02 9.E+02 1.E+03
0.E+00 5.E+02 1.E+03 2.E+03 2.E+03 Z nyata (ohm.cm2) Z kha yalan ( ohm.c m2)
8 jam 6 jam 1 jam 2 jam 4 jam
(a) (b)
Rajah 5 Plot Nyquist bagi perubahan impedans pada keupayaan litar terbuka dengan masa rendaman bagi aloi (a) Al-5.5Zn (b) Al-5.5Zn-2Sn
0.E+00 1.E+03 2.E+03 3.E+03 4.E+03 5.E+03 6.E+03 7.E+03 8.E+03 9.E+03 1.E+04
0.E+00 2.E+03 4.E+03 6.E+03 8.E+03 1.E+04 1.E+04 Z nyata (ohm.cm2) Z kh ayal an ( ohm .c m 2)
8 jam 4 jam 6 jam 1 jam 2 jam -2.E+02 0.E+00 2.E+02 4.E+02 6.E+02 8.E+02 1.E+03 1.E+03 1.E+03 2.E+03 2.E+03
0.0E+00 1.0E+03 2.0E+03 3.0E+03 4.0E+03 5.0E+03 Z nyata (ohm.cm2)
6 jam 4 jam 1 jam 8 jam 2 jam
(a) (b)
Rajah 6 Plot Nyquist bagi perubahan impedans pada keupayaan litar terbuka dengan masa rendaman bagi aloi (a) Al-5.5Zn-2Mg (b) Al-5.5Zn-2Mg-2Sn
-7.E+02 3.E+02 1.E+03 2.E+03 3.E+03 4.E+03 5.E+03 6.E+03
0.0E+00 5.0E+03 1.0E+04 1.5E+04 Z nyata (ohm.cm2)
Z kha
yalan (ohm.cm2)
2 jam 8 jam 4 jam 6 jam 1 jam
Rajah 7 Plot Nyquist bagi perubahan impedans pada keupayaan litar terbuka dengan masa rendaman bagi logam Al tulen
Abdul Razak Daud, Mahdi Che Isa, Muhamad Daud, Mohd Yazid Ahmad
Proceeding of The 6th ITB-UKM Joint Seminar on Chemistry
40
negatif bermakna aloi-aloi ini bersifat lebih anodik berbanding dengan Al tulen. Kehadiran Sn pula menampakkan peningkatan kadar kakisan yang ketara berbanding dengan Al tulen dan masing-masing aloi Al-5.5Zn dan Al- 5.5-2Mg (Jadual 3). Kadar kakisan aloi-aloi ini jelas menyokong keputusan yang diperolehi daripada kajian spektroskopi impedans elektrokimia iaitu aloi yang mempunyai rintangan dan kapasitan yang tinggi memberikan nilai kadar kakisan yang rendah. Keputusan ini seterusnya mengesahkan yang Sn memain peranan sebagai pengaktif aloi aluminium terutamanya aloi aluminium yang mengandungi magnesium.
4. Kesimpulan
Kajian tingkah laku kakisan aloi Al-Zn dan Al- Zn-Mg di dalam air laut tropika telah memperlihatkan yang unsur aloian Sn dapat bertindak sebagai unsur pengaktif aluminium dengan berkesan. Kewujudan Sn dalam aloi Al- Zn dan Al-Zn-Mg dalam bentuk Mg2Sn atau β-
Sn telah menyebabkan lapisan oksida pelindung yang terbentuk pada permukaan aloi mempunyai kecacatan dan tidak homogen. Kecacatan lapisan oksida pelindung menurunkan rintangan permukaan aloi dan menyebabkan aloi menjadi aktif dan kadar kakisannya meningkat. Peranan Sn sebagai unsur pengaktif aloi aluminium menjadi lebih ketara dengan kehadiran Mg di dalam aloi tersebut.
5. Ucapan Terimakasih
Para penulis merakamkan penghargaan kepada Kerajaan Malaysia di atas sokongan kewangan melalui geran penyelidikan, IRPA 09-02-02- 0118-EA295. Penghargaan juga kepada Institut Penyelidikan Sains dan Teknologi Pertahanan (STRIDE), Kementerian Pertahanan Malaysia di atas kemudahan peralatan pemyelidikan yang dibekalkan.
6. Rujukan
ASTM E 536-98. (1998). ASTM Standards test methods for chemical analysis of zinc and zinc Jadual 3 Keupayaan dan kadar kakisan bagi Al tulen dan aloi Al di dalam air laut yang
diperolehi daripada plot Tafel.
Aloi Ekakis mV(EKT) Ikakis (µA.cm-2) Kadar Kakisan (µm/tahun) Al tulen -1200 1.2 0.13x102 Al-5.5 Zn -1660 23.2 2.65 x102 Al-5.5Zn-2Sn -1290 36.3 4.15 x102 Al-5.5 Zn-2Mg -1370 129.0 14.79 x102 Al-5.5Zn-2Mg-2Sn -1620 162.0 18.53 x102 -2.00 -1.80 -1.60 -1.40 -1.20 -1.00 -0.80 -0.60
1.0E-10 1.0E-08 1.0E-06 1.0E-04 1.0E-02 1.0E+00 Ketumpatan arus (A/cm2)
K eupay aan ( V vs E K T ) Al tulin 0% Sn 2% Sn -2.00 -1.80 -1.60 -1.40 -1.20 -1.00 -0.80 -0.60
1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 Ketumpatan arus (A/cm2)
Keupay aan (V v s EK T ) Al tulin 0% Sn 2% Sn (a) (b)
Rajah 8 Plot Tafel bagi Al tulen dan aloi Al di dalam air laut tropika, pH 8.2, suhu 27 ºC (a) Al-5.5Zn (b) Al-5.5Zn-2Mg Al tulen 0% Sn 2% Sn
Al tulen 2% Sn 0% Sn
th
alloys. Designation E-1998, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, USA.
Barbucci, P., Cabot, L., Bruzzone, G., Cerisola, G., (1998). Role of intermetallics in the activation of
Al-Mg-Zn alloys. J. of Alloys & Comp., 268, 295-
301.
Breslin C. B., Friery, L. P., Carrol, W. M., (1993). Influence of impurity elements on electrochemical activity of aluminium activated by indium.
Corrosion, 49(11), 895-902.
Guillaumin V., Mankowski. G., (1998). Localized corrosion of 2024 T351 aluminium in chloride
media. Corr. Sci.,41, 421-438.
Lin, J. C., Shih, H. C., (1987). Improvement of the current efficiency of Al-Zn-In anode by heat
treatment. J. of Electrochem. Soc., 134(4), 817-823.
Salinas, D. R., Garcia, S. G., Bessone, J. B., (1999). Influence of alloying elements and microstructure on aluminium sacrificial anode performance: case of
Al-Zn. J. of Applied Electrochemistry, 29, 1063-
1071.
Yuan G. C., Li Z. J., Lou Y. X., Zhang, X. M., (2000). Study on crystallization and microstructure
for new series of Al-Sn-Si alloys. Mat. Sci. Eng.,
Abdul Razak Daud, Dahyunir Dahlan, Shahidan Radiman
Proceeding of The 6th ITB-UKM Joint Seminar on Chemistry
42
Proceeding of The 6th ITB-UKM Joint Seminar on Chemistry