PENGARUH WAKTU ELEKTROPLATING NIKEL-CHROM TERHADAP KEKERASAN BAJA STAINLESS STEEL AISI 304

(1)

A-360

PENGARUH WAKTU ELEKTROPLATING NIKEL-CHROM TERHADAP KEKERASAN BAJA STAINLESS STEEL AISI 304

Nani Mulyaningsih

¹

, Priyo Tri Iswanto

²

, Soekrisno

²

1

Mahasiswa Pasca Sarjana Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta

2

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta Email: nani_mulyaningsih@yahoo.com

ABSTRACT

Stainless steel 304 is widely available in the industrial sector, as well as easy to set up, there are many on the market, it is also cheaper, but lower corrosion resistance compared to stainless steel 316L. Selection of stainless steel 304 in the case is intended to offset stainles steel316L. So that needed a process to improve the life of stainless steel 304, one way is by electroplating Ni-Cr.The objective of this reseach is to find out the influence of time in the process of electroplating Ni-Cr on hardness of stainless steel AISI 304(SS 304). Stainless steel SS 304 was coated withnickel (Ni) and chromium (Cr) variated withtime (10 mnt A, 30 mnt, 50 mnt,60 mnt,70 mnt,80 mnt,90 mnt). Micro Vickers indentation was used for measuring surfacehardness with load of 10 grams.

The highest value of surface hardness are obtained on specimens of stainless steel AISI 304 –Ni-Cr with the time 60 mnt . Increasing timecan improve surface hardness of the specimen. However, the optimumtime is 60 mnt , if time is increased again it decreased the surface hardness of the specimen. The following hardness comparison of results of specimens before and after electroplating:SS 304 (Raw material) =141(VHN) ,minimum results after electroplating SS 304-Ni 15’-Cr 10’= 144(VHN) (2%); and maximum results SS 304-Ni 15’-Cr 60’= 172 (VHN)(22%).

Keywords: electroplating, stainless steel AISI 304, time,hardness.

ABSTRAK

Stainless steel 304 banyak terdapat di sektor industri, karena disamping mudah dibentuk, banyak terdapat di pasaran , juga harganya lebih murah, tetapi kekerasannya lebih rendahjika dibandingkan denganstainless steel 316L. Pemilihan stainless steel 304 dalam dalam hal ini bertujuan untuk mengimbangi stainless steel 316L, yang mana pada aplikasi medis digunakan sebagai plat penyambung tulang.Sehingga diperlukan suatu proses untuk meningkatkan umur stainless steel 304, salah caranya yaitu dengan elektroplating Ni-Cr.Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi waktu yang digunakan pada proses elektroplating Ni-Cr terhadap kekerasan stainless steel AISI 304. Stainless steel AISI 304 dilakukan proses elektroplatingmenggunakan pelapis nikel (Ni) dan krom (Cr) dengan variasi waktu (10 menit,30 menit ,50 menit,60 menit,70 menit,80 menit, 90 menit). Pengujian kekerasan permukaan menggunakan indentasi mikro Vickers denganpembebanan 10 gram.Nilai tertinggi kekerasan permukaan didapat pada spesimen stainless steel AISI 304 –Ni-Cr dengan waktu 60 menit.. Peningkatan waktu pada proses elektroplating Ni- Crdapat meningkatkan kekerasan permukaan spesimen. Namundemikian peningkatan waktu tersebut mempunyai nilai optimum pada waktu 60 menit, apabila waktudinaikkan lagi dapat menurunkan kekerasan permukaanspesimen.

Berikut perbandingan nilai kekerasan specimen sebelum dan sesudah dielektroplating : SS 304 (Raw Material)

=141(VHN) ; Hasil minimum setelahelektroplating SS 304-Ni 15’-Cr 10’= 144 (VHN)(2%) dan maksimum pada saat SS 304-Ni 15’-Cr 60’= 172 (VHN)(22%).

Kata kunci: elektroplating, stainless steel AISI 304, waktu, kekerasan

PENDAHULUAN

Secara umum stainless steel banyak digunakan di sektor industri karena memberikan banyak keuntungan seperti penampakan, kekuatan, resistansi terhadap korosi yang baik dan biaya perawatan yang murah. Pada aplikasi medis, stainless steel,terutamastainless steel 316L banyak digunakan untuk plat penyambung tulang.

Dalam penelitian ini material yang akan dipilih adalah baja stainless steel AISI 304. Pemilihan

stainless steel 304 dalam dalam hal ini bertujuan untuk mengimbangi stainless steel 316L. Stainless

(2)

A-361

steel 304 harganya jauh lebih murah, banyak terdapat dipasaran,tetapi kekerasan dan ketahanan korosinya lebih rendahjika dibandingkan denganstainless steel 316L. Selain itu baja stainless steel AISI 304 secara alami juga sudah mengandung unsur Ni dan Cr , sehingga penambahan atom Ni dan Cr diharapkan tidak mempengaruhi penerimaan tubuh terhadap benda asing. Didalam aplikasinya terutama untuk keperluan medis, material tersebutselalu berada di lingkungan yang korosif (cairan tubuh) sehingga lama-kelamaan bisa mengurangi umur pakai.

Oleh karena itu, perlu dilakukan suatu perlakuan permukaan agar diperoleh peningkatan kekerasan yang lebih baik lagi pada baja stainless steel AISI 304, salah satu caranya yaitu dengan elektroplating. Elektroplating merupakan cara pelapisan permukaan substrat yang berlangsung dalam larutan elektrolit. Substrat berfungsi sebagai katoda.sedangkan anoda merupakan sumber yang nantinya berfungsi sebagai bahan pelapis terhadap substrat. Arus listrik searah (DC) dialirkan ke anoda dan katoda. Adanya pelapisan diharapkan akan dapat menahan laju mobilitas dislokasi di permukaan bahan, sehingga akan memperkuat sifat kekerasan, dan ketahanan korosi. Kelebihan dari teknik elektroplating antara lain karena elektroplating dapat dilakukan pada suhu kamar sehingga tidak menimbulkan distorsi atau perubahan struktur pada substrat.

Dalam operasi pelapisan, kondisi operasi perlu diperhatikan karena akan menentukan berhasil tidaknya proses pelapisan serta mutu yang diinginkan, dalam kaitannya dengan tebal lapisan yang terbentuk pada substrat (SS 304), salah satu yang mempengaruhi yaitu waktu pelapisan Ni-Cr, telah diteliti sebelumnya. Hasil penelitian tersebut menunjukkan tebal lapisan tertinggi dicapai pada waktu pelapisan Ni = 15 menit dengan arus 0,42 Amp, pelapisan Cr = 15 menit dengan arus 4,5 Amp dan specimen yang digunakan berbentuk plat strip dengan panjang 100 mm, lebar 30 mm, dan tebal 0,7 mm. Elektroplating kali ini dimaksudkan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh kuat arus dan waktu elektroplating Nikel-Chrom pada stainless steel 304 dengan waktu elektroplating Nikel konstan

= 15 menit dengan arus konstan = 0.1 Amp, kemudian dilanjutkan dengan elektroplating Chrom arus konstan = 0.3 Amp dan waktu elektroplating bervariasi 10, 30, 50, 60, 70, 80, 90 menit. Spesimen yang digunakan adalah logam stainless steel 304 berbentuk bar dengan diameter 14 mm dan tebal 4 mm. Semua proses elektroplating dilakukan dengan konsentrasi larutan tetap.

Untuk mengimbangi stainless steel 316L. Stainless steel 304 banyak terdapat di sektor industri, karena disamping mudah dibentuk, banyak terdapat di pasaran , juga harganya lebih murah, tetapi ketahanan korosinya lebih rendahjika dibandingkan denganstainless steel 316L. Selain itu baja stainless steel 304 secara alami juga sudah mengandung unsur Ni dan Cr, sehingga penambahan atom Ni dan Cr diharapkan tidak mempengaruhi penerimaan tubuh terhadap benda asing. Proses elektroplating Ni-Cr merupakan salah satu proses perlakuan permukaan yang dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan kekerasan dari logam induk (substrate) serta melindungi logam dari korosi, dimana biaya yang diperlukan pada proses pelapisan ini relatif murah. Dalam penelitian ini proses elektroplating Ni-Crdilakukan pada stainless steel AISI 304 .

Permasalahan yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah seberapa besar pengaruh dari waktu selama proses elektroplating Ni-Cr pada stainless steel AISI 304 terhadap sifat dari hasil pelapisan dengan melakukan pengujian kekerasan.

METODE

Pelapisan Nikel

Pelapisan nikel digunakan sebagai lapisan antara untuk pelapisan krom. Proses pelapisan yang terjadi dalam media larutan elektrolit dengan bantuan listrik arus searah yang dihubungkan pada logam nikel sebagai anoda dan stainless steel 304 sebagai katoda. Anoda akan terurai ke dalam larutan elektrolit yang mengandung ion-ion nikel. Dengan adanya beda tegangan, ion nikel tersebut terbawa dan menempel pada katoda. Larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan Chloride-sulfate dengan komposisi larutan sebagai berikut; Nickel Sulfate (NiSO

4

) = 200 gram/liter, Nickel Chloride (NiCl

2

) = 175 gram/liter, Boric Acid (H

3

BO

3

) = 40 gram/liter,Brightener I (HBF

4

)= 3 ml/liter, Brightener M (SO

3

NH

2

) = 2 ml/liter.

Dalam proses elektrolisa nikel terjadi reaksi pada katoda, yaitu proses reduksi dari ion nikel

dengan bantuan elektron-elektron yang berasal dari sumber arus searah. Reaksi reduksi yang terjadi

pada katoda sebagai berikut:

(3)

A-362 Ni

²⁺

+ 2e

^-

→ Ni

2H

⁺

+ 2e

^-

→ H

2

Reaksi yang terjadi pada anoda sebagai berikut:

Ni → Ni

²⁺

+ 2e

^-

4OH

^-

+ O

2

→ 2H

2

O + 4e

^-

2Cl

^-

→ Cl

2

+ 2e

^-

Pelapisan Krom

Pelapisan krom digunakan untuk memperoleh lapisan logam keras, tahan korosi, serta mempunyai penampilan mengkilap. Larutan elektrolit yang dipakai pada pelapisan krom adalah larutan chromic acid (H

2

CrO

3

). Anoda yang dipakai pada pelapisan krom yaitu logam timbal (Pb) dan katoda yang dipakai yaitu stainless steel 304 yang telah dilapisi nikel. Anoda dan katoda dimasukkan ke dalam larutan elektrolit dan diberi arus listrik searah, dengan anoda dihubungkan ke kutub positif dan anoda dihubungkan ke kutub negatif sehingga terjadi beda potensial antara anoda dan katoda.

Pada proses tersebut logam timbal tidak terurai (unsoluble anode) ke dalam larutan elektrolit sehingga fungsi dari anoda hanya sebagai penghantar arus listrik saja. Melalui larutan elektrolit ion-ion krom akan akan terbawa dan menempelpada permukaan katoda. Komposisi larutan chromic acid sebagai berikut; Chromic Acid (H2CrO3) = 250 gram/liter dan catalyst (H

2

O

3

) = 2,5 gram/liter

Reaksi pada anoda sebagai berikut:

- Pengeluaran oksigen 2H

2

O → O

2

+ 4H

⁺

+4e

^-

- Oksidasi ion kromat

2Cr

⁺

+ 6H

2

O → 2CrO

3

+ 12 H

⁺

+ 6e

^-

- Produksi timbal dioksida

Pb + H

2

O → 2PbO

2

+ 4H

⁺

+ 4e

^-

Reaksi pada anoda PbO2 harus terbentuk karena apabila tidak terbentuk akan terjadi timbal kromat yang menghambat pengaturan konsentrasi Cr+ di bak larutan. Oksidasi Cr pada anoda membantu produksi Cr+ tersebut pada katoda serta menjaga kestabilan Cr+ di bak larutan.

Reaksi pada katoda sebagai berikut:

- Pengeluaran hidrogen 2H

⁺

+ 2e

^-

→ H

2

- Pembentukan Cr Cr

2

O

7-2

+ 14H

⁺

+ 6e

^-

→ 2Cr

³⁺

+ 7H

2

O

Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan bahan bertujuan untuk menentukan ketahanan suatu bahanterhadap deformasi plastis apabila bahan tersebut diberi beban dari luar.Pengujiankekerasan bahan pada penelitian ini menggunakan metode indentasi mikro Vickers, dimanapada permukaan material diberi beban sebesar 10 gram.Indentor berbentuk piramida intandengan sudut antara pemukaan berlawanan 136

⁰

. Nilai kekerasan Vickers dapat dinyatakan dengan rumus (ASM Metals Hand Book Vol. 8):

854

2

,

1 d

VHN  P

(1) dimana:

P = beban terpasang (gram)

d = diagonal bekas injakan penetrator (  m ₎

Spesimen yang digunakan adalah logam stainless steel 304 berbentuk lingkaran diameter 14

mm dan tebal 4 mm. Sebelum dilakukan proses chromate coating, permukaan spesimen dihaluskan

sampai mengkilap menggunakan amplas ukuran 600 sampai dengan 2000 mesh dan dipoles

menggunakan autosol agar diperoleh hasil pelapisan yang maksimal.

(4)

A-363

Gambar 1. Alat uji kekerasan merk Buchler Micromet 2100 Series

Pengujian kekerasan menggunakan alat dengan merk Buchler Micromet 2100 series, beban indentor 10 gram dengan waktu pembebanan 10 detik. Pengujian inidilakukan di Laboratorium Teknik Bahan Jurusan Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada.

Proses Elektroplating Ni-Cr

Proses elektroplating Ni-Cradalah proses perlakuan permukaan dimana pada proses ini permukaan dari logam SS 304 akan dikonversi dalam bentuk lapisan tipis Ni-Cr setelah dicelupkan ke dalam larutan kimia yang telah diberi aliran arus listrik DC. Arus listrik DC akan dialirkan pada larutan ini sehingga ion-ion dari larutan akan menempel pada permukaan substrate.

Gambar 2. Skema alat proses elektroplating

Alat yang digunakan pada proses electroplating adalah rectifier sebagai sumber tegangan DC, bak perendaman sebagai tempat larutan elektrolit, pompa sirkulasi untuk mensirkulasikan larutan elektrolit agar proses electroplating berlangsung dengan optimal, kawat tembaga diameter 0,3 mm untuk pemegang spesimen dan stop watch untuk menghitung waktu selama proses electroplating berlangsung.

Spesimen yang digunakan adalah stainless steel 304 yang banyak terdapat dipasaran berbentuk bardengan diameter 14 mm. Proses pembentukan spesimen yaitu menggunakan mesin bubut sehingga diperoleh spesimen berbentuk lingkaran dengan diameter 14 mm dan tebal 4 mm.

Permukaan spesimen kemudian diperhalus menggunakan diamplas dengan ukuran 320, 1000,

1500 dan 2000 mesh. Untuk hasil yang lebih sempurna dilakukan proses polishing menggunakan

(5)

A-364

autosol metal polish dan digosok menggunakan kain halus sehingga diperoleh permukaan spesimen yang halus dan mengkilap. Untuk membersihkan permukaan spesimen dapat dilakukan pencucian menggunakan alat ultrasonic cleaner dengan merendam spesimen ke dalam cairan alkohol selama 30 menit, kemudian dikeringkan dengan hair dryer dan dibungkus menggunakan tissue disimpan ke dalam wadah kedap udara agar terhindar dari proses oksidasi. Spesimen yang telah siap selanjutnya dilakukan proses elektroplatingNi-Cr dan pengujian. Pengujian yang dilakukan adalah uji kekerasan.

Dari hasil pengujian diperoleh data perbandingan antara logam yang belum dengan yang sudah dilakukan proses electroplating Ni-Cr.

Gambar 3. Dimensi spesimen PEMBAHASAN

Komposisi kimia stainless steel 304 sesuai dengan data produk yang dikeluarkan PT. Tira Austenite Tbk disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi kimia stainless steel 304 (Weight %)

C Mn P S Si Cr Ni

0.08 2.0 0.045 0.030 1.0 18.0 11.0

Dari hasil uji kekerasan dapat diketahui bahwa spesimen sebelum dilapisi permukaannya mempunyai nilai diagonal bekas injakan lebih tinggi dibandingkan dengan spesimen yang sudah dilapisi permukaannya.

Tabel 2. Perbandingan nilai kekerasan spesimen sebelum dan sesudah dilapisi

Spesimen P (kg) D (mm) Kekerasan (VHN) Kenaikan

SS 304 (raw material) 0.01 0.011613 141 -

SS 304-Ni 15’ 0.01 0.011567 142 1%

SS 304-Ni 15’-Cr 10’ 0.01 0.011479 144 2%

SS 304-Ni 15’-Cr 30’ 0.01 0.010864 157 11%

SS 304-Ni 15’-Cr 50’ 0.01 0.010654 164 16%

SS 304-Ni 15’-Cr 60’ 0.01 0.010413 172 22%

SS 304-Ni 15’-Cr 70’ 0.01 0.010888 158 12%

SS 304-Ni 15’-Cr 80’ 0.01 0.011058 152 7%

Pengujian kekerasan bahan bertujuan untuk menentukan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis apabila bahan tersebut diberi beban dari luar. Dari data hasil pengujian kekerasan permukaan spesimen dapat ditunjukkan dalam bentuk grafik untuk membandingkan kekerasan permukaan spesimen sebelum dilapisi dan sesudah dilapisipermukaannya. Tabel 2.memperlihatkan nilai kekerasan permukaan SS 304 sebesar 141VHN0,01.Setelah dilapisi Ni,meningkat secara signifikan sebesar 142 VHN0,01. Hal ini disebabkan karena lapisan nikel mempunyai fungsi untuk meningkatkan kekerasan lapisan permukaan disamping untuk meningkatkan lapisan Cr dapat merekat erat.

14 mm 4mm

(6)

A-365

Grafik 1: Perbandingan kekerasan sebelum dan sesudah elektroplating

Pada proses elektroplating dengan variasi waktu menyebabkan perbedaan nilai kekerasan permukaan pada spesimen. Nilai kekerasan permukaan spesimen SS 304 cenderung meningkat setelah dilapisi permukannya. Hasil uji kekerasan mempunyai nilai optimum pada spesimen SS 304-Ni-Cr dengan waktu 60 menit sebesar 172 VHN0,01. Hal ini menunjukkan bahwa pada waktu elektroplating Cr 60 menit memberikan konduktivitas arus terbaik dan mobilitas ion-ion krom menuju katoda untuk membentuk endapan menjadi optimum.Semakin lama waktu pelapisan maka semakin cepat ion-ion krom menempel pada permukaan spesimen, sehingga lapisan krom lebih padat yang menyebabkan kerapatan permukaan pada spesimen meningkat. Waktu pelapisan mempunyai nilai yang optimal pada waktu 60 menit dan apabila dinaikkan lagi dapat menurunkan nilai kekerasan permukaan spesimen.

Hal ini disebabkan karena ion-ion krom yang menempel pada permukaan spesimen mempunyai sifat jenuh, sehingga dapat merusak ikatan lapisan spesimen yang mengakibatkan penurunan kekerasan permukaan spesimen.

KESIMPULAN

Waktu optimum proses elektroplating Nikel-Chrom pada spesimen Stainless Steel 304 terjadi pada waktu 60 menit. Proseselektroplating dapat meningkatkan kekerasan permukaan pada waktu 60 menit. Nilai kekerasan permukaan spesimen Stainless Steel 304 sebesar 141 VHN0,01 setelah dielektroplating mengalami peningkatan menjadi 172VHN0,01(22%).

DAFTAR PUSTAKA

Adnyani, I.A.S., Triadi, A. A. A., 2009, “Pengaruh Kuat Dan Distribusi Arus Terhadap Ketebalan Dan Kekerasan Lapisan Krom Pada Stoneware Dan Earthenware”.

ASM Metals HandBook Volume 8, 2000, Mechanical Testing and Evaluation.ASM, 1987, “Metals Handbooks Corrosion”, Vol 13, Ninth Edition, ASM International Park, Ohio.

Bhatt, H., 2009, “Trivalent Chromium Conversion Coating for Corrosion Protection of Aluminum Surface”.

Buchheit, R. G., Hurley, B., Zhang, W., 2002, “Characterization of Chromate Conversion Coating Formation and Breakdown Using Electrode Arrays”.

Buchheit, R. G., Bode, M. D., Stoner, G. E., 1993, “Corrosion-Resistant, Chromate-FreeTalc Coatings for Aluminum”.

Callister, W.D., 2001. “Material Science and Engineering an Introduction” Sixth Edition, John Wiley

& Sons,Inc

Fontana, M.G., 1986, “Corrosion Engineering”, Third Edition, New York, Mc Graw Hill Book Company.

Jones, D.A., 1991, “Principles and Prevention of Corrosion”, Mc Milman Publishing Company, New York.

Fontana, M.G., 1987”Corrosion Engineering”, Third Edition, McGraw Hill BookCompany, New York.

Hadir , K, 2008, “Pengaruh Waktu dan Temperatur Proses Elektroplating Nikel pada Logam Besi”.

(7)