RANCANG BANGUN DAN ANALISIS ALAT PELAPISAN MENGGUNAKAN TEKNIK ELEKTROPLATING

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS ALAT PELAPISAN TEMBAGA

MENGGUNAKAN

TEKNIK

ELEKTROPLATING

Budi Suhendro(l), Tri Laela DS

(1)

Suyamto(2)

(I)Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir (STTN) (2)Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PT APB)

Badan Tenaga Nuklir Nasional

11.Babarsari P.O.Box 6101 YKBB Yogyakarta 55281

ABSTRAK

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS ALAT PELAPISAN TEMBAGA MENGGUNAKAN TEKNIK ELEKTROPLATING. Elektroplating merupakan salah satu proses finishing yang digunakan untuk menanggulangi terjadinya korosi permukaan logam karena proses oksidasi. Logam yang dilapisi adalah Aluminium karena jumlahnya yang melimpah dan paling banyak digunakan. Elef..1rolit yang digunakan adalah CuSO4yang diencerkan dengan air dengan perbandingan

1

kg dilarutkan ke dalam air

12

liter.

Anoda dari plat tembaga dengan ukuran

6

x 30 em, katoda digunakan sebagai barrel dengan daya tampung 6 benda kerja. Pelaksanaan pelapisan dilakukan dengan variasi arus yang diatur dengan resistor 0; 2,7, 5,6,

dan

15 0.

Variasi tegangan dilakukan dengan mengubah step trafo

12, 18,

dan

25

V, waktu pelapisan

divariasi

15;

30;,

45

dan 60 men it. Alat yang dibuat memiliki waktu pakai selama

5

jam pelapisan tanpa henti. Dari percobaan diketahui bahwa dengan variasi arus dihasilkan deposit yang paling banyak dibandingkan dengan varisasi tegangan, sedangkan dengan waktu yang lebih lama akan dihasilkan deposit yang lebih banyak tergantung ketersediaan dari ionCu2+ di dalam larutan.

Kata kunci : Elektroplating, variasi arus, tegangan, waktu

ABSTRACT

DESIGN NAD ANALYSISN OF COPPER METAL COATING TOOL USING ELECTROPLATING TECHNIC. Electroplating is a finishing process used to cope with the occurrence of slllface corrosion due to oxidation processes. Alumunim is a subject to be coated because they are readily available and most widely used. Electrolytes used were

1

kg of CUS04 dissolved into

12

liters of water. Anodes made of the copper plate with a size of

6

x 30 em, the cathode is used as a barrel with capacity

6

workpieces. The implementation of the coating is done by adjusting electricity current using 0,

2.7

ohms,

5.6

ohms and 15 ohms variable resistors. Voltage variations is peiformed by changing the tap voltage transformer of 12, 18, 25 volt. Duration of electroplating proces is carried out by changing the coating time of

15;

30;

45

and 60 minutes. The device that have been made has a life time of

5

hours coating continously without stop. From the experiment it is known that by current variation obtined the most widely deposits compared with varisasi voltage, whereas with

a

longer time will be got more deposit depending on the availability of Cu 2+ions in solution.

Key word : Electroplating, current, voltage, time variations

1. PENDAHULUAN

Pada pemakaian logam sering timbul masalah seperti korosi, kurang menarik, kurang kuat dan sebagainya. Tetapi yang paling menonjol adalah masalah korosi. Hal ini terjadi karena adanya proses oksidasi antara logam yang digunakan baik di lingkungan yang lembab, panas dan air asin. Bila korosi timbul dapat menjadikan kekuatan logam yang dipakai melemah. Untuk itu banyak dilakukan

finishing terutama untuk logam-logam yang mudah mengalami korosi. Salah satu teknik finishing dan teknik penanggulangan korosi adalah dengan teknik elektroplating. Diharapkan dengan dipakainya teknik elektroplating kekuatan dan ketahanan material terhadap korosi akan bertambah. Manfaat lain dari teknik elektroplating adalah masalah estetika dan harga jual dari logam yang telah di lapis akan menjadi lebih baik. Dalam percobaan urn yang sering dilakukan, pelapisan logam dilakukan dengan

sangat sederhana salah satunya dengan menggunakan sumber tegangan dari baterai dan dirasa kurang efektif karena umur pakai yang terIalu singkat, tegangannya tidak dapat diatur dan dayanya terbatas. Dengan demikian pemakaian sumber tegangan bolak-balik dari PLN untuk catu daya elektroplating sangat diperlukan karena akan lebih efektif. Salah satu tujuan dari "Rancang Bangun dan Analisis Alat Pelapisan Tembaga Menggunakan Teknik Elektroplating" adalah untuk mengetahui hubungan antara hasil pelapisan dengan tegangan, arus dan waktu pelapisan yang diberikan.

Peralatan yang dirancang menggunakan catu daya arus bolak-balik (Ae) kemudian DC, larutan pelapis yang digunakan adalah Tembaga SuI fat (CUS04) teknis, dan pengujian dilakukan dengan memvariasikan tegangan, arus, dan waktu.

2. DASAR TEORI

SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 Pelapisan secara listrik atau elektroplating adalah elektrodeposisi pelapisan (coating) logam melekat ke elektroda untuk menjaga substrat dengan memberikan sifat dan dimensi berbeda dari pada logam basisnya [I]. Pada sistem elektrokimia cairan elektrolit bila diberi tegangan akan terjadi elektrolisa dan ion-ion akan bergerak menuju elektrode. Kation akan menuju katoda sedangkan anion menuju anoda. Hukum yang berkaitan dengan massa yang terbnetuk dalam elektroplating adalah[I,~] :

1. Hukum Faraday I

Pada hukum Faraday tersebut dijelaskan bahwa massa zat yang terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding dengan kuat arus/arus listrik yang mengalir pad a elektrolisis tersebut [~J. Secara matematis dapat ditulis sebagai Persamaan (1).

A

q

eit

m=_r_=_

(1)

nF

F

udara

~

"" ...•• Katocta ""001. a..,.utan IEJttetrolit

Gambar I. Skema pelapisan secara elektroplating

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Keberhasilan Keandalan Elektroplating [4J

Banyak faktor yang mempengaruhi keandalan elektroplating antara lain adalah suhu larutan saat proses, arus yang mengalir pada elektrode, konsentrasi larutan, agitasi, nilai pH larutan, pasivitas, dan lamanya pelapisan.

Suhu larutan pada saat pelapisan berIangsung harus dijaga stabil agar pelapisan dapat lebih sempuma karena bila suhu naik terIalu tinggi akan menyebabkan naiknya konduktititas dan difusitas larutan elektrolit. Akibatnya adalah tahanan elektrolit akan mengecil sehingga kemampuan untuk mereduksi ion-ion logam berkurang. Besamay suhu larutan saat proses ditentukan oleh beberapa faktor antara lain jarak anoda dan katoda dan arus yang digunakan.

Kerapatan arus ke elektroda sangat mempengaruhi lama pelapisan sampai ketebalan tertentu. Arus listrik diperIukan untuk mendapatkan atom-atom logam pada tiap satuan luas permukaan benda kerja yang akan dilapis.

Konsentrasi ion di dalam larutan mempengaruhi mobilitas ion dan konduktivitas larutan juga.

Agitasi adalah proses pengadukan yang dimaksudkan untuk menghindari bentuk struktur dan ketebalan lapisan yang tidak seragam. Di samping itu juga bertujuan untuk pengisian kembali ion-ion logam yang berkurang di dekat katoda atau benda kerja, mencegah terjadinya gelembung udara pada bagian permukaan benda kerja.

Nilai pH diperIukan untuk mengontrol larutan elektroplating.agar kemampuan larutan elektrolit dalam menghasilkan lapisan tetap baik.

Pasivitas merupakan lapisan pasif pengotor pada logam seperti korosi dan minyak yang menempel pada logam dan bila terdapat pada anoda, ion-ion logam pelapis terus menu run sehingga akan mengganggu proses pelapisan.

Waktu pelapisan sangat mempengaruhi ketebalan lapisan yang diinginkan, semakin lama waktu pelapisan akan dihasilkan lapisan yang semakin tebal [4,5].

ok ~

slahiliser

~

SDM TEKNOLOGl NUKLlR VII

YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176

Bahan Pelapis Dalam Proses Elektroplating

Tembaga banyak digunakan untuk pelapisan karena dapat menutup permukaan bahan yang dilapis dengan baik dan mempunyai daya tembus yang tinggi. Namun pelapisan dengan tembaga pada umumnya masih belum memuaskan sehingga diperlukan pelapisan lanjut menggunakan bahan nikel, kemudian dilakukan pelapisan akhir menggunakan khrom. [4].

I

lransfonnalor

rl

penyearah

3.

PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI

PENGUJIAN

3.1 Pembuatanan alat

Perlatan pada penelitian ini terdiri dari 3 bagian yaitu bagian eatu daya, beban pelapisan dan alat penunjang. Catu daya yang digunakan ditunjukkan pada blok diagram Gambar 2, sedangkan rangkaian ditujukkan pada Gambar 3 dan 4

variabel

resistor

71512

cr-..

I';H{IF C ..=IOtJnF

Gambar 3. Catu daya dengan stabiliser IC 7812

0••••

Gambar 3. Catu daya dengan stabiliser dari transistor

Catu daya pada Gambar 3 menggunakan stabiliser IC 7812 untuk meneatu rangkaian pewaktu (timer) dan motor penggerak agitator (barrel), sedangkan pada Gambar 4 digunakan stabiliser transistor untuk meneatu beban pelapisan yang memerlukan arus besar yaitu 0 sampai dengan 10 amper.

Variabel resistor digunakan untuk mengatur arus yang masuk ke beban yang dalam enelitian ini ditentukan 4 buah yaitu Ro (0

%

watt), RJ (2,7.Q /1 0 watt), R~ (5,6.Q /20 watt) dan ~ (150/20 watt. Beban pelapisan berupa plat anoda dan katoda yang diletakkan di dalam bak penampung larutan elektrolit dengan volume total dari bak pelapisan terse but adalah 41 liter dan alat penunjang yang terdiri dari pengaduk, pewaktu, pemanas, dan

alat ukur. Dalam raneangan ini bahan anoda dari tembaga karena mempunyai konduktivitas yang baik dengan ukuran 30 x 6 em. Sebagai katoda dibuat dari aluminium (AI) karena beberapa pertimbangan antara lain karena sebagi penghantar listrik dan panas yang baik, ringan, tidak bersifat magnetik, mudah dibentuk, banyak dipakai untuk berbagai keperluan, tahan korosi, banyak terdapat di pasaran, harganya murah dan sebagainya. Katoda AI dibuat dengan ukuran 2 x 7 em sebanyak 5 buah diikat pada barrel atau pen gad uk. Sebagai bahan pelapis digunakan larutan a5am sui fat yang dieneerkan dengan konsentrasi 1 kg dalam 12 liter air (CuS045H~O), dan bak pelapisan berikut pengaduknya (barrel) ditunjukkan pada Gambar 5.

SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA,16NOVEMBER2011

ISSN 1978-0176

(a) (b)

Gambar 5. (a) Bak pelapis dan (b) Barrel Alat penunjang antara lain terdiri dari

pewaktu (timer), pemanas (heater) serta alat ukur tegangan dan arus. Untuk pewaktu digunakan

Omron H3BA-8 dan untuk pembatas suhu digunakan termostat KSD 302 250V /1 OA, lihat Gambar 6.

(a) (b)

Gambar 6. (a) Pewaktu Omron H3BA-8, (b) Termostat KSD 302 250V/10A 3.2 Metode Percobaan

Dalam penelitian ini, setelah perangkat keras selesai dibuat dilakukan langkah-Iangkah percobaan sebagai berikut :

1. Persiapan bahan yang akan dilapis meliputi pemotongan bahan AI yang akan dilapis, pemolesan, penimbangan bahan dan pembersian secara kimiawi dengan dicelum ke dalam asam nitrat

2. Proses elektroplating menggunakan asam sui fat yang telah diencerkan kemudian, dilakukan pencatuan daya ke elektode dengan mevariasi arus, tegangan dan waktu.

a. Variasi arus dilakukan dengan mengubah nilai resistor pada tegangan tetap sebesar 18 V dan waktu pelapisan 30 menit.

b. Variasi tegangan dilakukan dengan mengubah tap tegangan keluaran trafo dari 12, 18, 25, dan 32 V dan waktu pelapisan tetap yaitu 30 menit. c. Variasi waktu pelapisan dilakukan

dengan waktu pelapisan 15, 30, 45, dan

d. udara pada bagian permukaan benda kerja, dan menghindari penumpukan 60 menit pada tegangan dan arus tetap yaitu 18 V dan 2,5 amper.

Pada setiap kali satu percobaan pelapisan selesai, harus diberi jeda waktu sebelum dilakukan percobaan berikutnya. Hal III I

bertujuan untuk memberikan kesempatan kepada ion-ion Cu2+ menempel kepada benda uji, agar terjadi pengisian kembali ion-ion logam yang berkurang di dekat bendua kerja, mencegah terjadinya gelembung udara pada bagian permukaan benda kerja, dan menghindari penumpukan ion-ion logam dalam larutan.ion-ion logam dalam larutan sehingga konsentrasi ion dapat tersebar secara merata. 3. Tahap akhir yaitu pencucian, pengeringan. dan

penimbangan bahan

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Peralatan yang dibuat dapat dioperasikan dengan baik, hasil pengujian meliputi 3 hal yaitu pengujian dengan variasi arus, tegangan, dan waktu. Pada setiap percabaan percobaan Jeda waktu

1. Hasil pelapisan logam dengan variasi arus Pada percobaan ini tegangan sumber dari trafo tetap yaitu 12 volt, waktu pelapisan 30 menit, larutan diaduk selama 10 detik. Pengubahan arus ke beban dilakukan dengan memberikan perrubahan tahanan variabel 0; 2,7; 5,6 dan 15 O. Hasilnya ditunjukkan pad a Tabel 1.

Tabel 1. Hasil pelapisan logam dengan variasi arus Massa hasil pelapisan (gram)

234

0.4544 0.4065 0.4249 0.5105 0.4287 0.3959 0.3407 0.3177 0.3866 0.3580 0.4189 0.3934 SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176

pelapisan yang diberikan bertujuan untuk memberikan kesempatan kepada ion-ion Cu2+ untuk menempel kepada benda uji dan pemutaran digunakan untuk pengisian kembali ion-ion logam yang berkurang didekat benda kerja, mencegah terjadinya gelembung Arus (amper) 3,8 2,2 1,4 0,5 1 0.4418 0.4680 0.2914 0.4284 5 0.4225 0.3082 0.4517 0.2851 Rata-rata (gram) 0,43002 0,42226 0,35762 0,37676 2. Hasil pelapisan logam dengan variasi

tegangan input

Perubahan tegangan input ke beban dilakukan dengan mengubah tegangan sumber.

Hambatan depan dipasang 2,7

0,

sedangkan waktu pelapisan dan pengadukan sarna dengan percobaan sebelumnya yaitu waktu memvariasi arus. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2: Tabel 2. Hasil pelapisan logam dengan variasi tegangan input

Tegangan Massa hasil pelapisan (gram) Rata-rata

trafo 1 2 3 4 5 (gram)

12 V 0.2429 0.2115 0.0807 0.0712 0.1225 0.14576 18 V 0.1919 0.1221 0.1311 0.1625 0.1043 0.14238 25 V 0.0919 0.0850 0.0542 0.0761 0.0588 0.0732

1. Hasil pelapisan logam dengan van as1

waktu

Pada percobaan ini dipasang resistor 0 ohm, arus ke elektrode 2.5 A, tegangan sumber 18 V dan

tegangan ujung beban rata-rata 2,65 V. Sedangkan waktu pengadukan sarna dengan percobaan sebelumnya. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel3. Hasil pelapisan logam dengan variasi waktu Waktu (menit)

Massa hasil pelapisan (gram) Rata-rata (gram) 1 2345 15 0.1040 0.1140 0.1139 0.1024 0.11440.10974 30 0.1341 0.1272 0.0223 0.4590 0.23420.19536 45 0.3919 0.3521 0.1943 0.4091 0.48740.36696 60 0.5346 0.3594 0.1904 0.1647 0.33490.3168 Pembahasan

Alat yang telah dibuat memiliki kemampuan maksimal menghasilkan arus sebesar 5 A, bak pelapisan logam mempunyai volume 41 teliter tetapi hanya diisi kurang lebih 18 liter. Daya resistor minimal yang diperlukan agar tidak over heat adalah

P

= 12

R

sehingga nilai daya resistor minimal yang harus digunakan untuk mengatur arus agar tidak terjadi over heat adalah seperti yang ditunjukkan pada Tabel4.

Tabel 4. Daya resistor yang digunakan

RxCohm) Arus Daya resistor (amper) (watt) 0 3,8 0 2,7 2,2 13,086 5,6 1,410.976 15 0,5 3.75

Hasil pelapisan yang ditunjukkan pad a Tabel 1 bila digambarkan dalam bentuk grafik adalah seperti pada Gambar 4.

Gambar 4.Hubungan antara massa deposit pelapisan dan arus

Arus tamper)

SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 Pad a proses pelapisan dengan variabel waktu dihasilkan grafik kenaikan massa deposit seperti yang ditunjukkan pada grafik Gambar 5.

E

0,45 :: 0,43

~

~ OA1 .~ 0,39

1

.t: 0,37 8. 0,35

"

." :Ji 0,33 ~ a 0,75 1,5 2,25 3,75 0,45

!

..

~ 0.3 'g-o; ;; 0,15

l

"

"

~ °

E 12 27 42

waktu pelapisan (menit)

57

Gambar 4 di atas menunjukkan bahwa bila arus yang digunakan semakin besar maka massa pelapisan yang terbentuk juga akan semakin banyak.

Pada Gambar 5 ditunjukkan grafik hasil deposit dengan variasi tegangan input. Pada proses tersebut terjadi penurunan deposit yang sangat drastis pada tegangan 18 V. Hal ini terjadi karena konsentrasi Cu2+ dalam larutan habis dan setelah itu diikuti penurunan arus secara drastis sampai 0,11 A.

0,2 E

~

::c 0,15 Bi _'0.Qj'"c.

.~

0,1 c.

"

."'"'" 0,05 '" '" E 10 15202530

tegangan input Ivoltl

Gambar 6. Hubungan massa deposit pelapisan dan tegangan input dengan waktu pelapisan selama 30

menit

Gambar 5. Hubungan antara massa deposit pelapisan dan waktu pad a tegangan rata-rata

2,65 V dan arus 2,5 A

Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa dengan proses pelapisan yang lebih lama juga akan dihasilkan massa deposit yang lebih banyak. Berat deposit pelapisan secara percobaan atau praktek tersebut di atas dapat dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan memasukkan nilai i dan t pada persamaan (1) dimana Ar = 63,5; n = 2 dan F =

96.500. Selisih massa deposit antara praktek dan teoritis total untuk 5 buah sampel ditunjukkan pada Tabel7.

Variasi

Arus

Tegangan

Waktu

Tabel 7. Perbedaan hasil pelapisan total secaJ'a teoritis dan percobaan Massa

Massa Selisih

Tegangan WaktuTeganganArus percobaa

trafo (volt)

beban (volt)(amper) (detik) rumus _massa (gram) n (gram) (gram) 12 1,9 3,8 1800 2.25052.15010.1004 7,3 2,2 18001.30302.11130.8084 8,77 1,4 1800 0.82911.78810.9590 11,2 0,5 1800 0.29611.88381.5877 12 7,832 18001.18450.72880.4557 18 11,05 2,75 1800 1.59900.71190.8872 25 13,5 3,55 1500 1.75200.36601.3860 18 2,6 2.5 900 0.74030.54870.1916 2,67 1800 1.48060.97680.5038 2,7 2700 2.22090.38611.8348 2,77 3600 2.96111.58401.3771 ._~~

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176

Pad a umumnya proses elektroplating dilakukan dengan catu tegangan konstan dan arusnya yang divariasi, karena secara teknis memvariasi arus lebih mudah dilakukan yaitu dengan menambahkan tahanan. Pad a Tabel 7 terlihat bahwa dengan perubahan arus yang kecil dihasilkan deposit yang lebih banyak dibanding dengan perubahan tegangan yang cukup besar. Dilihat dari selisih massa an tara perhitungan dengan percobaan yang semakin besar untuk varisai arus yang semakin kecil menunjukkan bahwa ion Cu2+ dalam larutan CuS04 sudah hampir habis dan tergantikan oleh pengotor. Waktu efektif pemakaian alat pelapisan yang dibuat berdasarkan hasil pengujian adalah selama 5 jam yang ditandai dengan tidak adanya lagi arus yang mengalir ke elektrode setelah waktu tersebut terlampaui karena .

s.

KESIMPULAN

1. Hasil pelapisan pada Tabel 3, dalam waktu 30 menit dihasilkan massa maksimal 0,43002 gram pada arus 3,8 A. Tegangan akan membantu proses pelapisan ketika arus mulai menu run dibuktikan dengan arus 0,5 A dan tegangan beban 11,02 V atau pada daya 5,5 W dihasilkan deposit 0,37676 gram

2. Semakin lama waktu pelapisan akan dihasilkan deposit pelapisan semakin banyak asalkan masih cukup tersedia ion Cu2+ dalam larutan. Hal ini dibuktikan dengan pelapisan menggunakan arus 2,5 A dengan waktu 15 menit dihasilkan massa rata-rata dari 0,10974 gram, sedangkan dengan waktu 45 menit dihasilkan deposit 0,36696 gram.

3. Alat yang telah dibuat dapat dipakai untuk melapis dalam waktu 5 jam secara terus menerus.

6. DAFTAR PUSTAKA

1. Hartono, Anton J., dan Kaneko,Tomijiro, 1995,

Mengenal Pelapisan Logam, Yogyakarta

2. Hiskia, Ahmad, 1992, Elektrokimia dan Kinetika Kimia, Citra Aditya Bakti, Bandung 3. http://id.wikipedia.org/wiki/Elektroplating

diakses 13 Juli 2011 jam 22.13 WIB

4. Santosa, Bambang dan Syamsa, Martijanti, 2007, Pengaruh Parameter Proses Pelapisan Nikel Terhadap Ketebalan Lapisan, Jumal teknik mesin vol. 9, No.1, Universitas Jenderal Achmad Yani.

5. Suarsana, I Ktut, 2008, Pengaruh Waktu Pelapisan Nikel Pada Tembaga Dalam Pelepisan Khrom Dekoratif Terhadap Tingkat Kecerahan Dan Ketebalan Lapisan, Jumal ilmiah teknik mesin cakram vol. 2, No.1, UNUD.

6. Prayitno, Dwi, 2005, Perbedaan Berat Hasil Pelapisan Nikel Akibat Penggunaan Lapisan Dasar Cu Dan Tanpa Lapisan Dasar Cu Dengan Variasi Waktu Pada Bahan Baja Karbon Rendah, Skripsi Pendidikan Teknik mesin/Sl, UNNES.

7.

www.chem-is-try.org/tabelyeriodik/alumunium! : diakses 15 Juli 2011 jam 07:06 WIB

8. gabunganteknik. wordpress.com!2008/04/13/alu minium! : diakses 15 Juli 2011 jam 07:06 WIB 9. httpllen.wikipedia.org/wiki/copper%28II%29_

Sulfate: diakses 15 Juli 2011 jam 07:10 WIB 10. http://id.wikipedia.org/wiki/Tembaga : diakses