PERILAKU OKSIDASI BAJA AISI 1020 PADA TEMPERATUR 700 °C DALAM LINGKUNGAN NaCl

ABSTRACT

OXIDATION BEHAVIOR OF STEEL AISI 1020 AT A TEMPERATURE 700 °C ON AN ENVIRONMENT NaCl

By

RAGIL KURNIAWAN

AISI 1020 Steel is a low carbon steel which are produced in the form of pipes and piping systems are widely used for petroleum, pipe heat exchangers, and steam pipes in the boiler. However, when working at high temperatures and corrosive environments containing gases such as chlorine and sulfur, the corrosion resistance of the steel decreases. For it is necessary to study the corrosion resistance of steel AISI 1020 with a deposit of NaCl at temperatures of 700 ° C for 64 hours. Weight gain over time is used to determine the kinetics of the corrosion rate. The mechanism of oxidation /corrosion study with the results of corrosion on the specimen by using OM, SEM/EDS, and X-RD.

The results showed that in the process oxicloridation NaCl deposits resulting from chlorine attack chloridation metal produces and facilitates iron chloride to form iron oxide. Chlorine attack may accelerate the corrosion rate of oxidation of one order higher than the normal air oxidation. In this study the oxide scale was also not formed directly on the metal surface, but as a dome-shaped structure. Characteristic for this oxidation process is the formation of iron oxide whisker growing on the top of the dome oxide.

ABSTRAK

PERILAKU OKSIDASI BAJA AISI 1020 PADA TEMPERATUR 700 °C DALAM LINGKUNGAN NaCl

Oleh

RAGIL KURNIAWAN

Baja AISI 1020 adalah baja karbon rendah yang banyak diproduksi dalam bentuk pipa dan banyak digunakan untuk sistem perpipaan minyak bumi, pipa heat exchanger, dan pipa uap pada boiler. Namun, bila bekerja pada temperatur tinggi dan lingkungan yang mengandung gas korosi seperti klor dan sulfur maka ketahanan korosi baja tersebut menurun. Untuk itu perlu dilakukan penelitian ketahanan korosi baja AISI 1020 dengan deposit NaCl pada temperatur 700 °C selama 64 jam. Penambahan berat terhadap waktu digunakan untuk menentukan kinetika laju korosi. Mekanisme oksidasi/korosi dipelajari melalui hasil korosi pada spesimen dengan menggunakan metode OM, SEM/EDS, dan X-RD.

Hasil penelitian menunjukkan dalam proses oksikloridasi yang berasal dari deposit NaCl mengakibatkan klor menyerang logam dan menghasilkan kloridasi kemudian memfasilitasi besi klorida untuk membentuk besi oksida. Serangan klor tersebut dapat mempercepat laju korosi oksidasi satu order lebih tinggi dibandingkan oksidasi dengan udara biasa. Dalam penelitian ini juga kerak oksida tidak terbentuk secara langsung pada permukaan logam, tetapi sebagai struktur berbentuk kubah. Karakteristik untuk proses oksidasi ini adalah pembentukan whisker oksida besi yang tumbuh pada bagian atas kubah oksida.

PERILAKU OKSIDASI BAJA AISI 1020 PADA TEMPERATUR 700 °C DALAM LINGKUNGAN NaCl

Oleh

RAGIL KURNIAWAN

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK

Pada

JurusanTeknikMesin

FakultasTeknikUniversitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

Judul Skripsi : PERILAKU OKSIDASI BAJA AISI 1020 PADA TEMPERATUR 700 °C DALAM LINGKUNGAN NaCl

Nama Mahasiswa : Ragil Kurniawan Nomor Pokok Mahasiswa : 0715021074 Jurusan : Teknik Mesin Fakultas : Teknik

MENYETUJUI 1. Komisi Pembimbing

Dr. Mohammad Badaruddin NIP. 197212111998031002

Drs. Sugiyanto, M.T. NIP. 195704111986101001

2. Ketua Jurusan Teknik Mesin

MENGESAHKAN

1. Tim Penguji

Ketua : Dr. Mohammad Badaruddin ...

Penguji Utama : Zulhanif, S.T., M.T. ...

2. DekanFakultasTeknik Universitas Lampung

Dr.Ir. Lusmeilia Afriani, D.E.A. NIP. 196505101993032008

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Kotabumi pada tanggal 28 Mei 1988, sebagai anak bungsu dari empat bersaudara, dari pasangan Temu Sarwono dan A. Siswanti.

Pendidikan Sekolah Dasar Negeri 2 Kota Alam Lampung Utara diselesaikan pada tahun 2000, Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama Negeri 1 Kotabumi Lampung Utara diselesaikan pada tahun 2003, Sekolah Menengah Umum Negeri 3 Kotabumi diselesaikan pada tahun 2006, Lembaga Pengembangan Software Komputer (LPSK) diselesaikan pada tahun 2007 dan pada tahun 2007 penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB).

MOTTO

“Dan Allah mengeluarkan kamu dari perut ibumu dalam keadaan tidak

mengetahui sesuatupun, dan Dia memberi kamu pendengaran,

penglihatan dan hati, agar kamu bersyukur”

(QS. An Nahl : 78)

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila

kamu telah selesai dari suatu urusan, kerjakanlah urusan yang lain dan

hanya kepada allah hendaknya kamu berharap”

(QS. Al insyirah : 6-8)

“Melangkah dengan tegap disaat kita

tertatih untuk berdiri, itu lebih

bernilai ketika kita melangkah dengan biasa”

(Penulis)

PERSEMBAHAN

Dengan kerendahan hati meraih Ridho Illahi Robbi

Kupersembahkan karya kecilku ini untuk Orang-Orang

Yang Aku Sayangi

Ibunda dan Ayahandaku

Atas segala pengorbanan yang tak terbalaskan, doa, kesabaran,

keikhlasan, cinta dan kasih sayangnya

Kedua Ayunda dan Kakandaku

Sumber inspirasi, semangat dan kebanggaan dalam hidupku

My Heart Nda Eka

Semoga engkaulah yang Allah SWT janjikan semenjak aku masih

hanya sebuah “catatan” di lauhul mahfudz

Sahabat Mesin 07’

Yang turut memberikan dukungan moril untuk terus ada disampingku

ketika harapan mulai redup

SANWACANA

Assalamu’alaikum Wr. Wb.

Dengan mengucapkan lafas hamdalah penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, taufik, dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam tidak lupa penulis panjatkan kepada junjungan nabi besar Muhammad SAW yang telah membimbing dan mengantarkan kita menuju zaman yang lebih baik seperti sekarang, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Perilaku Oksidasi Baja AISI 1020 Pada Temperatur 7000c Dalam Lingkungan NaCl”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Dalam pelaksanaan dan penyusunan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dan sumbangan pikiran dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Ir. Lusmeilia Afriani, D.E.A selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung.

xi

3. Bapak Dr. Mohammad Badaruddin selaku Pembimbing Utama Tugas Akhir atas kesediaan dan keikhlasannya untuk memberikan dukungan, bimbingan, saran, dan kritik dalam proses penyelesaian skripsi ini.

4. Bapak Drs. Sugiyanto, M.T. selaku Pembimbing Pendamping atas kesediaan dan keikhlasannya untuk memberikan bimbingan, motivasi dan saran untuk penyelesaian skripsi ini.

5. Bapak Zulhanif, S.T., M.T. selaku dosen Pembahas yang telah memberikan masukan dalam penulisan laporan ini.

6. Ibu Ir. Arinal Hamni, M.T., selaku dosen Pembimbing Akademik.

7. Seluruh Dosen Pengajar Jurusan Teknik Mesin yang banyak memberikan ilmu selama penulis melaksanakan studi, baik berupa materi perkuliahan maupun tauladan dan motivasi sehingga dapat kami jadikan bekal untuk terjun ke tengah-tengah masyarakat.

8. Bapak, ibu serta kakak-kakakku yang terus menerus tiada hentinya memberikan kasih sayang serta doa dan dorongan selalu, dengan ikhlas mensupport dan mendukung penulis baik materi maupun non materi yang merupakan kekuatan yang tiada batas dari arti cinta yang luhur.

9. Tulang rusukku insyaallah Nda Eka Mayasari Amd. Keb. terima kasih untuk support, perhatian, dan kesabarannya yang telah diberikan kepada penulis.

10.Teman seperjuangan Bakung K. Nces yang telah bersama-sama jatuh bangun dalam menyelesaikan skripsi ini.

xii

Komti, Reza Adhan serta angkatan 2007 lainnya yang tidak bisa disebutkan satu persatu, terimakasih atas persahabatannya dan juga bantuannya salam “SOLIDARITY FOREVER”.

12.Semua pihak yang tidak mungkin penulis sebutkan namanya satu persatu, yang telah ikut serta membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

Penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalam penulisan laporan Tugas Akhir ini untuk mencapai suatu kelengkapan dan kesempurnaan. Penulis juga mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak. Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis berharap laporan ini memberi manfaat, baik kepada penulis khususnya maupun kepada pembaca pada umumnya.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Bandar Lampung, 15 Januari 2013 Penulis

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xv

DAFTAR TABEL ... xvii

DAFTAR SIMBOL ... xviii

I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Sistematika Penulisan ... 3

II. KAJIAN PUSTAKA 2.1 Baja... 5

2.2 Korosi ... 6

2.3 Oksidasi ... 9

2.4 Oksidasi Pada Temperatur Tinggi ... 12

2.5 Kinetika Oksidasi ... 14

xiv

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian ... 22

3.2 Tempat Penelitian ... 22

3.3 Prosedur Kerja Penelitian ... 22

3.4 Proses Pengujian Oksidasi ... 24

3.5 Metode Penambahan Berat ... 25

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 26

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Oksidasi Baja AISI 1020 Pada Temperatur 700 °C dalam Lingkungan NaCl ... 27

4.2 Karakterisasi Spesimen Hasil Oksidasi ... 32

V. SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 45

Saran ... 46

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1 Komposisi baja karbon rendah untuk baja AISI 1020 ... 6

3.1 Jumlah benda uji yang akan digunakan dalam proses oksidasi ... 23

3.2 Jumlah spesimen yang digunakan untuk observasi pengujian. ... 23

4.1 Nilai weight gain baja AISI1020 dioksidasi pada 700 C ... 29

4.2 Laju kinetika baja AISI 1020 yang dioksidasi pada temperatur 700 C selama periode 164 jam dalam lingkungan udara, dan NaCl ... 31

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1 Mekanisme Pertumbuhan Oksida ... 7

2.2 Lapisan Oksida Berpori ... 11

2.3 Lapisan Oksida Tidak Berpori ... 11

2.4 Berbagai Bentuk Perilaku Oksidasi Pada Logam ... 15

3.1 Diagram Alir Penelitian ... 26

4.1 (a) Plot weight gain terhadap waktu oksidasi (b) Plot parabolik weight gain terhadap akar kuadrat waktu oksidasi pada baja AISI 1020 di lingkungan NaCl ... 30

4.2 Foto makro permukaan spesimen baja AISI 1020 setelah dioksidasi pada temperatur 700 C dalam lingkungan NaCl ... 33

4.3 Mikroskop optik penampang permukaan baja AISI 1020 yang dioksidasi pada 700 C selama periode waktu 164 jam dalam lingkungan NaCl 34 4.4 SEM penampang permukaan baja AISI 1020 yang dioksidasi dalam lingkungan NaCl 30%NaCl pada 700 C selama 9 jam ... 39

xvi

4.6 SEM Morfologi penampang permukaan dan pemetaan EDS analisis elemen C, O, S, Mn, Fe pada baja AISI 1020 setelah diekpos dalam 30%NaCl pada 700 C selama 49 jam ... 43 4.7 (a) dan (b) adalahSEM surface topografi baja AISI 1020 yang diekspos

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Baja AISI 1020 adalah baja karbon rendah yang memiliki harga jual murah dibandingkan baja karbon sedang, baja karbon tinggi, dan baja paduan. Material ini digunakan sebagai bahan kontruksi umum. Baja AISI 1020 mempunyai keuletan tinggi dan mudah dibentuk, tetapi kekerasannya rendah[1]. Produk baja ini biasanya berbentuk pipa dengan permukaan halus (seamless steel) dan digunakan dalam sistem boiler dalam suhu ≥ 300 °C, dan tenaga pembangkit pada pipa uap panas.

2

2003, menyampaikan bahwa induksi NaCl dalam proses oksidasi akan mempercepat korosi, serta kandungan klorida dalam spesimen akan menghambat pembentukan lapisan yang kompax [4].

Dengan penelitian yang sudah ada, maka untuk menunjang kemampuan material baja AISI 1020 penting dilakukan penelitian terhadap perilaku baja AISI 1020 yang mengandung klorida (Cl-) pada temperatur 700 °C. Karena pada temperatur tinggi ketahanan korosi baja akan menurun yang disebabkan oleh proses oksidasi akibat interaksi dengan lingkungan yang mengandung klor, dalam hal ini NaCl digunakan sebagai media yang mengandung klorida.

Dengan penguraian di atas maka penulis tertarik untuk meneliti tentang “PERILAKU OKSIDASI BAJA AISI 1020 PADA TEMPERATUR 700 °C DALAM LINGKUNGAN NaCl”.

1.2Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah a. Menentukan laju oksidasi (kp) baja AISI 1020 pada temperatur 700 °C

dalam lingkungan NaCl.

3

1.3Batasan Masalah

Berdasarkan latar belakang dan perumusan masalah yang ada agar proses yang dilakukan dapat berjalan sesuai dengan apa yang diharapkan, maka peneliti membatasi masalah penelitiannya sebagai berikut :

a. Dimensi spesimen baja karbon AISI 1020 memiliki panjang 20 mm, lebar 10 mm, dan tebal 2 mm.

b. Melarutkan NaCl dengan larutan aquades yang mengandung konsentrasi 10%, 20%, dan 30% NaCl.

c. Larutan disemprotkan pada seluruh permukaan spesimen yang diletakan di atas hot plate pada temparatur 200 °C.

d. Korosi oksidasi dilakukan dalam furnace pada temperatur 700 °C

dengan variasi waktu oksidasi adalah 1 jam, 4 jam, 9 jam, 25 jam, 49 jam, dan 64 jam.

e. Pengujian OM, SEM/EDS, X-RD untuk mengetahui karakterisasi permukaan baja AISI 1020 setelah dioksidasi pada lingkungan NaCl pada temperatur 700 °C.

f. Menimbang berat spesimen sebelum dilapisi NaCl (W0), dan

menimbang kembali berat spesimen pre-coated setelah dioksidasi (W01)

dengan waktu tertentu untuk mengetahui berat spesimen (ΔW).

1.4Sistematika Penulisan

4

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini menguraikan latar belakang penelitian tugas akhir, tujuan penelitian tugas akhir, batasan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II KAJIAN PUSTAKA

Pada bab ini menguraikan kajian pustaka yang dijadikan sebagai landasan teori untuk mendukung penelitian ini.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini menjelaskan metode tentang langkah-langkah, alat dan bahan yang dilakukan untuk mencapai hasil yang diharapkan dalam penelitian ini.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini menguraikan hasil dan membahas yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan.

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini menyimpulkan dari hasil dan pembahasan sekaligus memberikan saran yang dapat menyempurnakan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

Berisikan literatur-literatur atau referensi yang diperoleh penulis untuk mendukung penyusunan tugas akhir ini.

LAMPIRAN

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Baja

Baja merupakan paduan yang terdiri dari unsur utama besi (Fe) dan karbon (C), serta unsur-unsur lain, seperti : Mn, Si, Ni, Cr, V dan lain sebagainya yang tersusun dalam prosentase yang sangat kecil. Dan unsur-unsur tersebut akan berpengaruh terhadap mutu dari baja tersebut. Menurut komposisi kimianya baja dapat di bagi dua kelompok besar, yaitu: baja karbon dan baja paduan. Baja karbon bukan berarti baja yang sama sekali tidak mengandung unsur lain, selain besi dan karbon. Baja karbon mengandung sejumlah unsur lain tetapi masih dalam batas–batas tertentu yang tidak berpengaruh terhadap sifatnya. Unsur–unsur ini biasanya merupakan ikatan yang berasal dari proses pembuatan besi atau baja seperti mangan, dan beberapa unsur pengotoran seperti belerang, oksigen, nitrogen,dan lain-lain yang biasanya ditekan sampai kadar yang sangat kecil [5].

Baja karbon rendah adalah salah satu jenis baja karbon, di mana prosentase unsur karbonnya di bawah atau sama dengan 0,25%. Baja karbon rendah juga memiliki ciri khusus antara lain :

6

b. metode penguatannya dengan “Cold Working” struktur mikronya terdiri ferit dan perlit.

c. relatif lunak, ulet dan tangguh. d. mampu lasnya baik, dan e. harga murah.

Tabel 2.1. Komposisi baja karbon rendah untuk baja AISI 1020 [5]. No. Komposisi Kadar No. Komposisi kadar

Korosi adalah perusakan logam karena adanya reaksi kimia atau elektro kimia antara logam dengan lingkungannya. Adapun lingkungan yang dimaksud adalah dapat berupa larutan asam, air dan uap yang masing-masing mempunyai daya hantar listrik yang berbeda-beda. Perusakan logam yang dimaksud adalah berkurangnya nilai logam baik dari segi ekonomis, maupun teknis [6].

7

kimia secara murni yang terjadi tanpa adanya elektrolit atau bisa dikatakan tidak melibatkan air dengan segala bentuknya. Korosi kimia biasanya terjadi pada kondisi temperatur tinggi atau dalam keadaan kering yang melibatkan logam (M) dengan oksigen, nitrogen, sulfida. Proses oksidasinya adalah sebagai berikut :

M M 2+ 2e- ½O

2 + 2e¯ O2

M +½O

2 MO

Pertumbuhan Oksida :

1. Awal proses oksida adalah pembentukan oksida dimana terjadi penarikan oksigen ke permukaan logam.

2. Reaksi antara oksigen dengan logam. 3. Oksidasi terbentuk di permukaan logam

4. Proses berikutnya adalah pertumbuhan oksida yang telah terbentuk.

8

1. Oksidasi

Reaksi yang paling penting pada korosi temperatur tinggi, membentuk lapisan oksida yang dapat menahan serangan dari peristiwa korosi yang lain bila jumlah oksigen dilingkungannya cukup (jumlah oksigen dalam lingkungan disebut oksigen potensial). Tetapi harus terkontrol dan oksidasinya terbentuk dari senyawa dengan unsur-unsur yang menguntungkan.

2. Karburasi dan metal dusting

Terjadi dalam lingkungan yang mengandung CO, CH4 dan gas hidrokarbon

lainnya. Penguraian C kepermukaan logam mengakibatkan penggetasan dan degradasi sifat mekanik lainnya.

3. Nitridasi

Terjadi pada lingkungan yang mengandung ammonia, terutama pada potensial oksigen yang rendah. Penyerapan nitrogen yang berlebihan akan membentuk presipitat nitrida di batas butir dan menyebabkan penggetasan. 4. Korosi oleh Halogen

Senyawa halida akibat penyerapan halogen oleh logam, dapat bersifat mudah menguap atau mencair pada temperatur rendah. Kenyataan ini mengakibatkan perusakan yang sangat parah.

5. Sulfidasi

Terjadi dalam lingkungan yang mengandung bahan bakar atau hasil pembakaran yang mengandung sulfur. Dengan oksigen membentuk SO2 dan

SO3 yang bersifat pengoksidasi yang kurang agresif dibandingkan H2S yang

9

dan K yang akan membentuk uap yang kemudian akan mengendap kepermukaan logam pada temperatur yang lebih rendah dan merusak permukaan.

6. Korosi deposit abu dan garam

Deposit dapat mengakibatkan turunnya aktifitas oksigen dan menaikkan aktifitas sulfur, sehingga merusak lapisan pasif dan mempersulit pembentukannya kembali. Deposit biasanya mengandung S, Cl, Zn, Pb dan K.

7. Korosi karena logam cair

Terjadi pada proses yang mempergunakan logam cair, misalnya heat treatment dan refining process. Korosi terjadi dalam bentuk pelarutan logam

dan oksidanya akan semakin hebat dengan adanya uap air dan oksigen [7].

2.3 Oksidasi

2.3.1 Pengertian Oksidasi

Oksidasi adalah peristiwa yang biasa terjadi jika metal bersentuhan dengan oksigen. Dalam reaksi kimia dimana oksigen tertambahkan pada unsur lain disebut oksidasi dan unsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebut unsur pengoksidasi. Setiap reaksi di mana oksigen dilepaskan dari suatu senyawa merupakan reaksi reduksi dan unsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebut unsur pereduksi.

10

reaksi redoks melibatkan oksigen. Akan tetapi semua reaksi redoks melibatkan transfer elektron dari materi yang bereaksi. Jika satu materi kehilangan elektron, materi ini disebut teroksidasi. Jika satu materi memperoleh elektron, materi ini disebut tereduksi.

Dalam reaksi redoks, satu reagen teroksidasi yang berarti menjadi reagen pereduksi dan reagen lawannya terreduksi yang berarti menjadi reagen pengoksidasi. Kecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigen didorong oleh penurunan energi bebas yang mengikuti pembentukan oksidanya. Lapisan oksida di permukaan metal bisa berpori (dalam kasus natrium, kalium, magnesium) bisa pula rapat tidak berpori (dalam kasus besi, tembaga, nikel).

2.3.2 Penebalan Lapisan Oksida

Pada umumnya lapisan oksida yang terjadi di permukaan metal cenderung menebal. Berikut ini beberapa mekanisme yang mungkin terjadi, antara lain:

11

Gambar 2.2. Lapisan oksida berpori.

b. Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisa berdifusi menembus lapisan oksida menuju bidang batas oksida-udara, dan di perbatasan oksida-udara ini metal bereaksi dengan oksigen dan menambah tebal lapisan oksida yang telah ada. Proses oksidasi berlanjut di permukaan. Dalam hal ini elektron bergerak dengan arah yang sama agar pertukaran elektron dalam reaksi ini bisa terjadi.

Gambar 2.3. Lapisan oksida tidak berpori

12

ion oksigen bergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi biasa terjadi di dalam lapisan oksida.

Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupun ion oksigen, memerlukan koefisien difusi yang cukup tinggi. Sementara itu gerakan elektron menembus lapisan oksida memerlukan konduktivitas listrik oksida yang cukup tinggi pula. Oleh karena itu jika lapisan oksida memiliki konduktivitas listrik rendah, laju penambahan ketebalan lapisan juga rendah karena terlalu sedikitnya elektron yang bermigrasi dari metal menuju perbatasan oksida-udara yang diperlukan untuk pertukaran elektron dalam reaksi.

Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ion metal ke arah perbatasan oksida-udara akan lebih lambat dari migrasi elektron. Penumpukan ion metal akan terjadi di bagian dalam lapisan oksida dan penumpukan ion ini akan menghalangi difusi ion metal lebih lanjut. Koefisien difusi yang rendah dan konduktivitas listrik yang rendah dapat membuat lapisan oksida bersifat protektif, menghalangi proses oksidasi lebih lanjut [8].

2.4. Oksidasi Pada Temperatur Tinggi

13

Lapisan proteksi tergantung jenis oksida dengan suatu karakteristik, dinyatakan dengan Pilling-Bedworth ratio (PB ratio) (Trethewey, 1991 dalam Bernadrus, 2004) yaitu :

.... (2.1)

Harga PB tergantung pada jenis material, oksida dengan PB >1 merupakan oksida dengan karakter pelindung oksidasi yang baik, lapisan proteksi yang terbentuk dapat sangat tipis dan retak atau hilang sehingga tidak memberikan proteksi. Akibat retak mikro/makro, oksigen akan masuk melewati lapisan oksida dan mengoksidasi metal. Lapisan oksida yang tebal dan daya lekat tinggi akan melindungi metal dari oksidasi berikutnya. Laju oksidasi dalam logam pada temperatur tinggi dipengaruhi oleh sifat dan karakter oksida dan pertumbuhan lapisan oksida yang terbentuk. Pada umumnya laju oksidasi bergantung pada 3 faktor penting yaitu difusi reaktan melalui lapisan oksida, laju pemasokan oksigen ke permukaan luar oksida, dan nisbah volume molar oksida terhadap logam.

14

2.5 Kinetika Oksidasi

Perubahan energi bebas menunjukkan kemungkinan produk reaksi stabil, tetapi tidak meramalkan laju pembentukan produk. Selama oksidasi, molekul oksigen pertama yang diabsorpsi permukaan logam berdisosiasi menjadi komponen atom sebelum membentuk ikatan kimia dengan atom permukaan logam, proses ini disebut kemisorpsi. Setelah terbentuk beberapa lapisan adsorpsi, oksida bernukleasi secara epitaksial pada butir logam induk di lokasi yang diutamakan, seperti dislokasi dan atom pengotor. Setiap daerah nukleasi tumbuh, merasuk satu dengan lainnya sehingga terbentuk lapisan tipis oksida di seluruh permukaan. Oleh karena itu oksida biasanya terdiri dari agregat butir-individu atau kristal, dan menampakkan gejala seperti rekristalisasi, pertumbuhan butir, creep mencakup cacat kisi mirip dengan yang terjadi pada logam.

Apabila lapisan oksida yang mula-mula terbentuk bersifat berpori, oksigen dapat tembus dan terjadi reaksi pada antar muka oksida-logam. Namun, umumnya lapisan tipis tidak berpori dan oksida selanjutnya mencakup difusi melalui lapisan oksida. Apabila terjadi oksida di permukaan oksida oksigen maka ion logam dan elektron harus berdifusi dalam logam yang berada di bawahnya. Apabila reaksi oksidasi terjadi di antarmuka logam-oksida, ion oksigen harus berdifusi melalui oksida dan elektron berpindah dengan arah berlawanan untuk menuntaskan reaksi.

15

pada temperatur yang dikendalikan dengan teliti. Teknik metalografi yang paling sering diterapkan adalah elipsometri, yang bergantung pada perubahan di bidang polarisasi berkas cahaya-terpolarisasi yang dipantulkan oleh permukaan oksida sudut rotasi bergantung tebal oksida. Selain itu juga digunakan interferometri, tetapi kini lebih sering dipakai replika dan lapisan tipis di mikroskop transmisi elektron dan mikroskopik scanning elektron. Laju penebalan oksidasi bergantung pada temperatur dan meterial.

Gambar 2.4. Berbagai bentuk perilaku oksidasi pada logam

Selama tahap awal pertumbuhan pada temperatur rendah, karena atom oksigen mendapatkan elektron dari atom permukaan logam, terbentuk medan listrik yang kuat pada lapisan tipis oksida, medan ini menarik atom logam melalui oksida. Pada rentang temperatur yang rendah ini (untuk Fe di bawah 200 oC) ketebalan bertambah secara logaritmik dengan waktu (x ∞ Ln t), dan laju oksidasi turun dengan berkurangnya kekuatan medan.

Pada temperatur intermediat (antara 50o-1000 °C untuk Fe) oksidasi berkembang terhadap waktu mengikuti hukum parabola (x2∞ t) untuk hampir

16

semua logam. Di daerah ini pertumbuhan merupakan proses aktivasi-termal dan ion-ion melalui lapisan oksida dengan gerakan termal, dan kecepatannya bermigrasi bergantung pada jenis cacat struktur dalam kisi oksida. Tegangan yang besar, baik tekan maupun tarik, seringkali dialami lapisan oksida pelindung retak dan lepas. Pengelupasan berulang yang terjadi pada skala kecil menghalangi pertumbuhan parabolik yang lebih luas dan oksidasi memiliki laju linear bahkan lebih cepat. Tegangan dalam lapisan oksida berkaitan dengan rasio Pilling-Bedworth (P-B), yaitu rasio volume molekuler oksida terhadap volume atomik logam yang membentuk oksida. Apabila rasio lebih kecil dari satu seperti untuk Mg, Na, K, oksida yang terbentuk mungkin tidak memberikan perlindungan yang memadai terhadap oksidasi selanjutnya, sejak tahap awal dan dengan kondisi seperti ini yang lazim dijumpai pada logam-logam alkali, diikuti hubungan oksidasi linear (x ∞ t). Namun, apabila rasio P-S jauh lebih besar dari satu, seperti pada logam transisi, oksida terlalu tebal dan pengelupasan juga cenderung terjadi.

Pada temperatur tinggi, lapisan bertambah tebal sesuai hukum laju parabolik (x2 ∞ t). Cacat titik berdifusi melalui oksida karena terdapat gradien konsentrasi yang konstan. Cacat ditiadakan pada salah satu antar muka dan terjadi pembentukan lokasi kisi yang baru. Khususnya seng oksida bertambah tebal karena difusi interstisi seng yang terbentuk di antarmuka logam oksida melalui oksida menuju antarmuka oksida logam dan di sini menghilang karena reaksi:

17

Konsentrasi interstisi seng pada antar muka logam/oksida dipertahankan oleh reaksi:

Zn(logam)→ Znj++ +2e (2.3)

Dengan pembentukan kekosongan dalam kisi seng. Migrasi cacat interstisi bermuatan terjadi bersamaan dengan imigrasi elektron, dan untuk lapisan oksida yang tebal, wajar untuk mengasumsi bahwa konsentrasi kedua spesies yang bermigrasi adalah konstan pada kedua permukaan oksida, yaitu permukaan oksida/gas dan aksida logam, konsentrasi dikendalikan oleh kesetimbangan termodinamika setempat, jadi melintasi oksida terdapat perbedaan konsentrasi konstan Δc dan laju transportasi melalui satuan luas

DΔc/x, di mana D adalah koefisien difusi dan ΔW adalah tebal lapisan. Maka

laju pertumbuhan:

Dx/dt = DΔc/x (2.4)

Dan penebalan lapisan bertambah secara parabolik sesuai hubungan

ΔW 2 = kpt (2.5)

ΔW = W1– W0 (2.6)

Dimana : kp = dikenal sebagai konstanta parabolic W0 = sebagai berat awal spesimen

W1= sebagai berat akhir spesimen

18

yang berdifusi pada antarmuka dan ketebalan lapisan oksida. Pada rentang temperatur tertentu berbagai oksida bertambah tebal sesuai hukum parabolik.

Pada temperatur rendah dan untuk lapisan oksida yang tipis, berlaku hukum logaritmik. Apabila tebal kerak bertambah mengikuti hukum parabolik, resultan tegangan yang terjadi pada antar muka bertambah dan akhirnya lapisan oksida mengalami kegagalan-perpatahan sejajar dengan antar muka atau mengalami perpatahan geser atau pematahan tarik melalui lapisan. Di daerah ini laju oksidasi meningkat sehingga terjadi peningkatan yang kemudian berkurang lagi akibat perpatahan lokal di kerak oksida. Laju oksidasi yang bersifat parabolik berubah menjadi rata dan laju oksidasi mengikuti hukum linear. Perubahan seperti ini disebut paralinear dan biasanya dijumpai pada oksidasi titanium setelah oksida mencapai ketebalan kritis [10].

2.6 Peranan Konsentrasi Larutan NaCl terhadap Proses Korosi di Lingkungan NaCl

19

molekul NaCl yang sudah berikatan dalam jumlah yang seragam dan tak dapat dibedakan.

NaCl didalam air ditarik oleh molekul-molekul air sehingga menjadi ion Na+ dan Cl-. Air memiliki daya meng-ion terhadap molekul NaCl. Oleh karena itu, maka natrium klorida dalam air membentuk larutan yang dapat menghantar listrik.

NaCl Na+ + Cl-

Ion-ion yang terbentuk dari peristiwa terurainya Na+ dan Cl- ini disebut disosiasi elektrolis. Ion-ion yang terbentuk mampu bergerak bebas dalam larutan dan dimungkinkan ion-ion inilah yang menghantarkan listrik.

20

Ion klorida selain akan mencegah proses pasifasi juga akan mencegah proses pengendapan lapisan oksida pelindung dengan membentuk zat cair kompleks yang mengandung ion ferrit. Dengan demikian, jika suatu logam berada pada lingkungan yang mengandung klorida, akan menyebabkan terjadinya proses depasifasi (tidak berlangsungnya proses pasifasi pada logam yang terkorosi), sehingga akan menimbulkan proses korosi pada logam terus berlanjut [11].

Larutan natrium klorida adalah larutan yang terbentuk dengan suatu proses awal melarutnya garam natrium klorida dalam bentuk padat ke dalam pelarut air. Jika garam ini dilarutkan ke dalam air, maka akan terurai menjadi ion-ion natrium dan klorida yang dapat bergerak dalam larutan dan menghantarkan listrik. Jika logam dalam lingkungan seperti ini, maka ion klorida akan yang telah terurai tadi akan terabsorbsi ke permukaan logam dan menghentikan proses pasifasi serta mencegah terjadinya pengendapan lapisan oksida pelindung. Sementara itu, natrium yang juga telah terurai sebagian juga akan mengendap di dalam larutan, sebagian terus bergerak menghantar listrik dan ada sebagian yang menguap dan tidak terlalu berpengaruh terhadap berlangsungnya proses korosi.

21

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1Metode Penelitian

Dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian oksidasi baja AISI 1020 pada temperatur 700 °C dalam lingkungan NaCl. Pengujian dilakukan untuk melihat pertambahan berat terhadap waktu lamanya korosi, dan menganalisa produk oksidasi yang dilakukan dengan metode X-RD, SEM/EDS, dan OM.

3.2Tempat Penelitian

Pembuatan, pengujian serta observasi spesimen dalam penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Material Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung, Laboratorium Metalurgi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung, Laboratorium Teknik UIN Syarif Hidayatullah Jakarta dan Laboratorium Metalurgi LIPI Serpong.

3.3Prosedur Kerja Penelitian

23

3.3.1 Persiapan Benda Uji/Spesimen

Tabel 3.1. Jumlah benda uji yang akan digunakan dalam proses oksidasi :

Tabel 3.2. Jumlah spesimen yang digunakan untuk observasi pengujian.

Waktu

Pemotongan spesimen uji ini dilakukan dengan menggunakan mesin gerinda tangan. Dengan membuat ukuran spesimen 10 × 20 × 2 mm3.

3.3.3 Proses Penghalusan

24

3.3.4 Cleaning

Yang dimaksud dengan cleaning yaitu pembersihan permukaan spesimen yang bertujuan untuk menghilangkan kotoran agar membentuk struktur permukaan spesimen yang baik. Proses cleaning ini menggunakan aqudes. Hal ini dilakukan agar benda kerja (spesimen) bebas dari lemak atau minyak.

3.4 Proses Pengujian Oksidasi

Proses pengujian ini akan diuji pada lingkungan NaCl dengan mendepositkan 10%, 20%, dan 30% NaCl. Kedua sisi permukaan spesimen disemprotkan 10 kali pengulangan larutan NaCl dengan waktu 30 detik dari tiap penyemprotan pada masing-masing sisi permukaan dimana spesimen diletakkan diatas hot plate bertemperatur 200 °C. Kemudian pengujian oksidasi dilakukan dengan temperatur 700 °C dengan periode waktu yang digunakan 1, 4, 9, 25, 49, dan 64 jam.

Cara membuat larutan NaCl dengan konsentrasi 10%, 20%, 30% adalah sebagai berikut :

(3.1) Untuk menghitung jumlah deposit (mg/cm2) pada permukaan spesimen menggunakan persamaan:

25

3.5 Metode Penambahan Berat

Spesimen baja AISI 1020 siap uji ditimbang sebelum disemprotkan NaCl kemudian spesimen ditimbang kembali setelah dilakukan pengujian oksidasi dengan periode waktu 1-64 jam. Untuk mendapatkan perbandingan antara weight gain per satuan luas (A) dengan menggunakan persamaan :

(3.3)

ΔW = W01 – W0 (3.4)

Dimana :

 W0 = berat spesimen awal sebelum di pre-coated (mg)  W01 = berat spesimen pre-coated setelah dioksidasi (mg)

Sedangkan untuk menghitung luas penampang (A) dapat menggunakan persamaan di bawah ini :

A = 2(p.l) + 2(p.t) + 2(l.t) (3.5)

Dimana : p = Panjang spesimen (cm)

l = Lebar spesimen (cm)

26

3.6 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian Persiapan spesimen baja AISI 1020

Mulai

Pre-coated deposit 10%, 20%, 30% NaCl

Penimbangan berat spesimen

Pengujian oksidasi

Pengambilan data weight gain

SEM/EDS OM X-RD

Simpulan dan Saran Pembahasan Data dan Analisa Sampel

Selesai

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

SIMPULAN

Hasil pembahasan dari serangkaian pengujian dan observasi yang telah dilakukan dalam penelitian ini, beberapa hal yang dapat disimpulkan, sebagai berikut :

1. Laju oksidasi baja AISI 1020 yang dioksidasi pada temperatur 700 °C dalam

lingkungan yang mengandung klorida menunjukan bahwa keberadaan klorida yang berasal dari deposit NaCl, akan meningkatkan laju korosi sampai satu order lebih tinggi.

2. Karakteristik untuk proses oksidasi aktif dalam atmosfer yang terjadi adalah pembentukan whisker oksida besi yang tumbuh pada bagian atas kubah oksida.

3. Fasa-fasa yang terbentuk pada permukaan baja AISI 1020 setelah dioksidasi pada temperatur 700 °C dalam lingkungan NaCl adalah lapisan hematite (Fe2O3) yang terbentuk lebih tipis dibandingkan dengan lapisan magnetite

(Fe3O4) dan lapisan wustite (FeO), dimana lapisan wustite (FeO) terbentuk

46

Saran

Untuk kesempurnaan hasil penelitian lanjutan disarankan sebagai berikut :

DAFTAR PUSTAKA

[1] Sutianto, Ramadhan. 2011. Baja Karbon Rendah. Melalui : http://ramadhansutianto007.blogspot.com/, diakses 5 Maret 2012.

[2] Gadang Priyotomo, ST, M.Si. 2007. Karakterisasi Perbandingan Material Baja Karbon Rendah Dan Baja Nirkarat Di Lingkungan 5% Klorida Dengan Uji Kabut Garam. Puslit Metalurgi –LIPI. Tangerang. Melalui : http://gadang-e-bookformaterialscience.blogspot.com/2007/11/makalah-ilmiah-ku-korosi-material-baja.html. Diakses pada 13 maret 2012.

[3] Wang, Chaur-jeng., Chang, Yeong-Chung. 2002. NaCl-induced hot corrosion of Fe–Mn–Al–C alloys. National Taiwan University of Science and Technology. Taiwan.

[4] Pan, Jenq-yih., Wang, Chaur-jeng. 2003. Corrosion Of Carbon Steel With Nacl Coating In An Atmosphere Produced By Burning Emulsified Diesel Oil. National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan.

[5] Rupajati, Pathya. 2010. Pengaruh Variasi Konsentrasi Larutan Nacl terhadap Ketahanan Korosi Hasil Elektroplating Zn Pada Coldrolled Steel Aisi 1020. ITS. Surabaya. Melalui : http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-14189-2706100039-Presentation.pdf. diakses 17 Februari 2012.

[6] Fontana, M.G., (1986), Corrosion Engineering, Edition, Mc Graw-Hill Book Company, New York.

[10] Pinem, M. Daud. 2005. Korosi dan Rekayasa Permukaan. Politeknik Negeri Medan, Medan. Diakses pada 7 Februari 2012.

[11] , Teknik Material Dan Metalurgi FTI-ITS. http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-7202-2702100027 bab2. pdf , diakses 13 Februari 2012.

[12] Hariyati, P., Prof. Dr. Ir. Sulistijono, DEA.,Ramadhan Mavindra. 2011. Studi Eksperimen Laju Korosi Plat Body Automobiles Pada Larutan NaCl 5% (Air Laut) Dengan Cyclic Methode SAE J2334. ITS, Surabaya. Melalui : http://www.material.chula.ac.th/Journal/v20-3/31-36%20 RUJISOMNAPA,%20J.pdf , diakses 20 Februari 2012.

[13] Speight J. G.,2002, LANGE’S HANDBOOK OF CHEMISTRY, 16ed. MCGRAW-HILL,pp.18-56.

[14] Wijaya, Hanief Ari. 2012. Korosi Oksidasi Pada Temperatur 700o C Baja Aisi 1020 Yang Dilapisi Aluminium Dengan Metode Celup Panas (Hot Dipping). Universitas Lampung, Lampung.

[15] Hiramatsu N. Y. Uematsu, T. Tanaka, M. Kinugasa, 1989, Effects Of Alloying Elements On Nacl-Induced Hot Corrosion Of Stainless Steels, Materials Science and Engineering A, Vol. 120–121, pp. 319-328. [16] Knacke O., Kubaschewski O., Hesselmann K., 1991, in Thermochemical

Properties of Inorganic Substance, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg. [17] A. Rahmel, J. Tobolski, Corr. Sci. 5 (1965) 333. Dalam Wang, Chaur-jeng.,

 Foto Spesimen Yang Telah Dioksidasi Dalam Lingkungan NaCl

(a) (b)

(c)

 Foto Alat dan Proses Penanganan Spesimen

(a) (b)

(a). Proses Penyemprotan Spesimen dan (b) Kondisi Spesimen di Permukaan

Hot Plate Sebelum Dioksidasi

(a) (b)

(a) (b)

(a). Spesimen setelah dioksidasi dan (b) Proses Penimbangan Setelah Proses Oksidasi