A-312
PENGARUH KONSENTRASI ELEKTROLIT DAN WAKTU ANODISASI TERHADAP KETAHANAN AUS DAN KEKERASAN PADA LAPISAN OKSIDA PADUAN
ALUMINIUM ADC12
Bambang Wahyu Sidharta1, R. Soekrisno2, Priyo Tri Iswanto2
1
Mahasiswa Pasca Sarjana Teknik Mesin, 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 E-mail : bwahyusidharta@yahoo.co.id
ABSTRAK
Paduan aluminium ADC12 digunakan dalam pembuatan komponen otomotif, diantaranya piston, dimana komponen ini merupakan komponen yang bergerak, yang tentunya harus memenuhi sifat fisis dan mekanis tertentu seperti ketahanan aus dan kekerasan. Untuk memperbaiki sifat fisis dan mekanis seperti ketahanan aus dan kekerasan pada paduan aluminium, maka dilakukan proses anodizing, dimana proses ini akan meningkatkan kekerasan paduan aluminium sehingga ketahanan aus dari logam ini juga akan meningkat. Peningkatan kekerasan serta keausan pada paduan aluminium ini terjadi karena adanya lapisan oksida aluminium yang terbentuk pada proses anodizing. Proses anodizing paduan aluminium dilakukan pada konsentrasi elektrolit yang berbeda, yaitu 15%, 20% dan 25% asam sulfat H2SO4 dengan penambahan 6% asam oksalat H2C2O4 pada
setiap konsentrasi asam sulfat. Lamanya proses anodising untuk setiap konsentrasi elektrolit sebesar 3, 5 dan 7 menit, sedangkan tegangan listrik (voltase) yang digunakan adalah 24 volt. Dari penelitian ini didapatkan hasil yang cukup signifikan, dimana laju keausan yang optimal dihasilkan dari proses anodising dengan elektrolit 15% vol. H2SO4 + 6% wt. H2C2O4 dengan waktu proses 7 menit yaitu sebesar 7,15 x 10
-5
mm2/kg , dengan kekerasan VHN 189.
Kata kunci: ADC12, anodizing, laju keausan, waktu anodizing PENDAHULUAN
Dalam pembuatan berbagai bentuk komponen mesin saat ini sudah bukan merupakan suatu hal yang sulit, namun untuk menyempurnakan performa dari suatu material khususnya kekerasan permukaan, diperlukan proses yang sesuai sehingga diperoleh komponen yang tahan aus atau tahan lama. Dalam perbaikan performa material, khususnya aluminium dan paduannya, anodizing adalah salah satu proses yang banyak digunakan untuk mencapai tujuan tersebut. Dengan proses ini, pada permukaan aluminium yang mengalami oksidasi terbentuk oksida aluminium yang keras, sehingga kekerasan yang lebih tinggi ini akan meningkatkan ketahanan aus komponen tersebut. Kekerasan permukaan hasil anodizing ini jauh lebih tinggi bila dibandingkan dengan aluminium tanpa proses anodizing. Hasil yang lebih baik ini, didapatkan karena terbentuknya lapisan oksida pada permukaan aluminium selama proses anodizing. Untuk mendapatkan hasil yang terbaik itu, proses ini dilakukan pada waktu yang tertentu, yaitu: 3, 5, dan 7 menit.
Dengan penggunaan elektrolit campuran antara H2SO4 (asam sulfat)dan H2C2O4 (asam oksalat) dengan konsentrasi tertentu serta tegangan listrik 24 volt, diharapkan proses ini menghasilkan sifat fisik dan mekanis pada aluminium paduan yang optimal. Untuk mencapai hasil yang diharapkan, perlu dilakukan penelitian pada proses anodizing sehingga hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai acuan oleh dunia industri di Indonesia dalam membuat produk dengan kualitas yang lebih baik.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh konsentrasi larutan elektrolit serta waktu proses anodisasi terhadap kekerasan, keausan serta ketebalan lapisan oksida, sehingga didapatkan hasil yang optimal dari proses anodizing pada aluminium paduan, selain itu juga dapat digunakan sebagai acuan oleh industri khususnya industri kecil dan menengah di negara ini, sehingga produk yang dihasilkan lebih berkualitas dan dapat berkompetisi dipasaran.
Araoyinbo, dkk. (2010) meneliti pembentukan pori-pori berukuran nano akibat efek voltage melalui proses anodisasi elektrokimia pada aluminium murni. Larutan elektrolit yang digunakan adalah asam fosfat, dengan platinum sebagai katoda dan lembaran aluminium sebagai anoda. Proses anodisasi dilakukan pada temperatur ambient dengan voltase dari 20V hingga 80V. Dengan penambahan voltase didapatkan ukuran pori alumina dari sekitar 40 nm hingga 300 nm. Dengan
A-313
meningkatkan voltase juga kuat arus, maka rapat arus (current density) akan meningkat secara signifikan begitu pula dengan proses pembentukan pori. Diameter pori tergantung dari voltase dan rapat arus yang digunakan. Karakterisasi morfologi dan komposisi fasa menggunakan scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD) dan grafik voltage waktu.
Araoyinbo, dkk. (2009) meneliti pembentukan pori berukuran nano pada aluminium pada temperatur 300C – 380C, menggunakan teknik anodisasi satu langkah dimana teknik ini tidak perlu menghilangkan lapisan oksida yang telah ada sebelumnya. Dengan menggunakan elektrolit asam fosfat 20% (konsentrasi larutan lebih tinggi daripada konsentrasi anodisasi normal yaitu 5 – 10%) dan potensial sel 60 volt. Sebagai katoda digunakan platina sedangkan anoda menggunakan aluminium. Hasil yang didapatkan memperlihatkan pori yang terbentuk pada temperatur kamar, dengan diameter pori antara 80 – 120 nm.
Wahyuadi, dkk. (2006) meneliti pengaruh dari besarnya konsentrasi elektrolit anodisasi terhadap kekerasan dan ketebalan lapisan oksida yang dihasilkan setelah proses anodisasi pada paduan aluminium silikon. Dikemukakan bahwa dengan meningkatnya penambahan hingga 7% oksalat pada elektrolit asam sulfat 20% wt akan menurunkan kekerasan lapisan oksida rata-rata, sedangkan dengan penambahan selanjutnya akan meningkatkan kekerasan mikro. Penambahan variabel bebas oksalat pada elektrolit asam sulfat sebesar 3% wt, 5% wt, 7% wt, 10% wt dan 15% wt.
Li, dkk. (1998) , menemukan bahwa ukuran domain adalah fungsi linier dari waktu dan meningkat dengan adanya peningkatan temperatur. Kerapatan pori pada awalnya tinggi, tetapi akan berkurang dengan waktu anodisasi, dimana pori-pori dengan kedalaman lebih dalam jumlah lebih banyak. Pori-pori berukuran kecil terbentuk pada oksida dalam udara atau ternukleasi setelah electropolishing. Pertumbuhan pori akan dimulai ketika medan elektrik meningkat pada bagian bawah pori dan asam diserap oksida secara lokal.
Riastuti, (1996) meneliti pembentukan lapisan oksida pada superpure aluminium dan paduan aluminium-lithium 8090 menggunakan elektrolit 30 g/l asam kromat pada tegangan 50V dan 22V (DEF-151 standard). Pengamatan hasil pengujian menggunakan mikroskop optik, scanning electron
microscopy dan transmission electron microscopy untuk mengetahui ketebalan lapisan, morfologi
lapisan dan untuk menentukan lubang cacat yang terbentuk karena adanya elemen paduan. Ketebalan lapisan yang terbentuk pada paduan 8090 aluminium-lithium dalam proses anodisasi 50V dan 22V, lebih tebal dibandingkan dengan superpure aluminium. Ketebalan lapisan pada paduan 8090 terjadi karena besarnya arus yang mengalir yang berhubungan dengan cacat (flaws). Dengan pengamatan mikroskop elektron, morfologi lapisan anodik yang terbentuk pada superpure aluminium mempunyai bentuk seperti bulu (feather-like); sedangkan morfologi lapisan anodik yang terbentuk pada paduan 8090 aluminium-lithium mempunyai bentuk seperti butiran jagung (popcorn-like) pada permukaannya ketika awal proses, dimana kepadatan populasi cavities akan meningkat sebagai hasil proses anodisasi. Pada permukaan lapisan oksida yang terbentuk dalam proses anodizing ini, terdapat jutaan sel per cm2, dimana ukurannya merupakan fungsi dari tegangan proses anodizing (Lowenheim, 1978). Ukuran pori dipengaruhi oleh banyak faktor seperti jenis elektrolit, temperatur serta hubungan antara tegangan dan arus yang dipakai. Struktur dari lapisan oksida yang terbentuk pada anodizing yang menggunakan asam fosfat, asam sulfat, asam kromat dan asam oksalat sebagai elektrolitnya, hanya berbeda pada ukuran pori dan selnya.
METODE
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah aluminium paduan ADC12 yang diambil dari piston produk bukan original equipment manufacturer. Material ini kemudian dipotong-potong menjadi spesimen dengan ukuran p x l x t = 20 x 20 x 4 mm. Pada spesimen ini kemudian dilakukan pengujian komposisi, pengujian kekerasan serta pengujian keausan untuk mengetahui nilai kekerasan serta keausan pada spesimen sebelum dilakukan proses anodisasi. Nilai kekerasan serta keausan diperlukan sebagai nilai pembanding dalam penelitian ini.
Dalam penelitian ini, spesimen dianodisasi menggunakan elektrolit asam sulfat (H2SO4) dengan konsentrasi 15, 20 dan 25% vol. serta penambahan 6% asam oksalat (H2C2O4) untuk setiap konsentrasi asam sulfat, dengan waktu anodisasi 3, 5 dan 7 menit. Setelah dianodisasi, pada spesimen
A-314
dilakukan pengujian kekerasan, keausan dan ketebalan lapisan oksida, untuk mengetahui hasil proses anodisasi. Dari data yang didapat dan dikumpulkan kemudian diolah dan diambil suatu kesimpulan akan hasil penelitian ini. Dalam penelitian ini, alat yang digunakan adalah Rectifier, Spectrometer, Alat uji micro hardness, Alat uji keausan
PEMBAHASAN Uji Komposisi
Dari hasil uji komposisi bahan piston OEM (Original Equipment Manufacturer) didapat hasil seperti tertera pada tabel 1.
Tabel 1. Hasil uji komposisi bahan piston OEM
Si Cu Mg Zn Mn Fe Ni Sn
2,5 1,38 <0,05 0,0316 0,0238 0,740 0,0295 <0,05
Hasil uji komposisi pada tabel 1 tidak berbeda jauh dengan komposisi standar ADC12 seperti pada tabel 2.
Tabel 2. Komposisi kimia paduan aluminium ADC12 (JIS H 5302)
Si Cu Mg Max. Zn Max. Mn Max. Fe Max. Ni Max. Sn Max. 9,6 – 12,0 1,5 – 3,5 0,3 1,0 0,5 0,9 0,5 0,2 Uji Kekerasan
Pengujian kekerasan bahan bertujuan untuk menentukan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis apabila bahan tersebut diberi beban dari luar. Pengujian kekerasan bahan pada penelitian ini menggunakan metode indentasi mikro Vickers, dimana pada permukaan material diberi beban sebesar 10 gram. Indentor berbentuk piramida intan dengan sudut antara permukaan berlawanan 136o. Nilai kekerasan Vickers dapat dinyatakan dengan rumus (ASM Metals Handbook vol. 8):
2
854
,
1
d
P
VHN
(1) dimana:P = beban terpasang (gram)
d = diagonal bekas injakan penetrator (
m
)Hasil dari pengujian kekerasan mikro Vickers seperti pada tabel 3, serta grafik 1, yang menggambarkan grafik VHN terhadap waktu anodisasi serta elektrolit yang dipakai dalam proses anodisasi.
A-315
Tabel 3. Hasil uji kekerasan mikro Vickers
Uji Keausan
Dalam penelitian ini, pengujian keausan dilakukan dengan cara menggesekkan piringan berputar terhadap spesimen. Spesimen untuk uji keausan berbentuk pelat dengan ukuran 20 x 20 x 4 mm. Pengujian keausan dilakukan dengan mesin uji Ogoshi High Speed Universal Wear Testing Machine tipe OAT-U. Pengujian keausan mengacu pada metode Reiken Ogoshi dengan lebar piringan pengaus 3 mm, jari-jari pengaus 14,4 mm, beban tekan pada pengaus 2,21 kg, jarak tempuh selama proses pengausan 100 mm, dengan waktu pengausan 5 detik. Lebar keausan pada permukaan spesimen diukur dengan bantuan mikroskop optik.
Laju keausan dinyatakan dengan jumlah kehilangan/pengurangan material (massa, volume atau ketebalan) tiap satuan panjang luncuran atau satuan waktu (Malau dan Khasani, 2008). Prinsip pengausan spesimen dengan disk on block dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Prinsip pengausan disk on block
Keausan dapat juga diungkapkan dengan keausan spesifik. Keausan spesifik dihitung berdasarkan lebar keausan benda uji yang termakan oleh pengaus yang berputar. Keausan spesifik (Ws dalam mm2/kg) dinyatakan dengan
0 0 2
8
r
P
I
b
B
W
s
(2) dengan:B = lebar disk (piringan) pengaus (mm) b = lebar keausan pada benda uji (mm) r = radius piringan pengaus (mm)
Deskripsi VHN
1 2 3 4 5 Rata-rata
Material tanpa anodisasi 136 128 112 102 97 115 15% H2SO4 + 6% H2C2O4
Waktu anodisasi (menit)
3 117 119 117 115 119 117 5 117 119 129 108 121 119 7 223 177 207 179 160 189 20% H2SO4 + 6% H2C2O4 3 172 182 167 149 171 168 5 112 109 105 102 103 106 7 164 164 155 133 149 153 25% H2SO4 + 6% H2C2O4 3 162 165 171 161 182 168 5 139 180 197 176 203 179 7 141 164 182 151 193 166
A-316 P0 = beban tekan pada saat pengausan (kg)
l0 = jarak tempuh dari proses pengausan (mm).
Dengan menggunakan persamaan (2), didapatkan keausan spesifik (Ws) untuk setiap proses anodizing dengan menggunakan elektrolit yang berbeda (tabel 4).
Tabel 4. Hasil Uji Keausan
Pada grafik 2 digambarkan keausan spesifik (Ws) terhadap waktu anodizing untuk elektrolit yang berbeda yaitu masing-masing 15% H2SO4 + 6% H2C2O4 , 20% H2SO4 + 6% H2C2O4 dan 25% H2SO4 + 6% H2C2O4.
Grafik 2. Keausan spesifik terhadap waktu anodizing untuk tiga jenis elektrolit KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dan pembahasan dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Untuk proses anodisasi menggunakan elektrolit campuran asam sulfat (H2SO4) dan asam oksalat
(H2C2O4), maka konsentrasi yang sesuai agar mencapai nilai kekerasan dan keausan yang optimal adalah 15% H2SO4 + 6% H2C2O4.
2. Proses anodizing dari paduan aluminium ADC12 ternyata dapat meningkatkan kekerasan material dari VHN 115 menjadi VHN 189 dengan waktu anodisasi 7 menit, menggunakan elektrolit 15% H2SO4 + 6% H2C2O4.
3. Nilai keausan yang optimal didapatkan dari proses anodisasi menggunakan campuran elektrolit 15% H2SO4 + 6% H2C2O4, dengan waktu proses anodisasi 7 menit, dimana nilai keausan spesifik (Ws) adalah 7,15 x 10-5 mm2/kg.
Deskripsi Ws (mm2/kg)
Material tanpa anodisasi 3,04 x 10-4 15% H2SO4 + 6% H2C2O4
Waktu anodisasi (menit)
3 3,49 x 10-4 5 8,60 x 10-5 7 7,15 x10-5 20% H2SO4 + 6% H2C2O4 3 1,75 x 10-4 5 3,32 x 10-4 7 1,37 x 10-4 25% H2SO4 + 6% H2C2O4 3 4,18 x 10-4 5 2,36 x 10-4 7 4,06 x 10-4
A-317 DAFTAR PUSTAKA
Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation GmbH, 2003, Aluminium Handbook 2, Forming, Casting, Surface Treatment, Recycling and Ecology, Dusseldorf.
Araoyinbo , A.O., Fauzi, M.N.A., Sreekantan, S., and Aziz, A., 2009, One-Step Anodization of Aluminum at Room Temperature, Sains Malaysiana.
Araoyinbo , A.O., 2010, Voltage Effect on Electrochemical Anodization of Aluminum at Ambient Temperature, International Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME), vol. 5. ASM, ASM Handbook vol. 2, 1980, Heat Treating, Cleaning and Finishing, 8th edition, ASM
International Park, Ohio.
ASM, ASM Handbook vol. 8, 2000, Mechanical Testing and Evaluation, 9th edition, ASM International Park, Ohio.
Li , F., Zhang, L., and Metzger, R.M., 1998, On the Growth of Highly Ordered Pores in Anodized Aluminum Oxide, Chem. Mater.
Lowenheim , F.A., 1978, Electroplating, McGraw-Hill Book Company, New York.
Malau, V., dan Khasani, 2008, Karakterisasi Laju Keausan dan Kekerasan Dari Pack Carburising Pada Baja Karbon AISI 1020, Media Teknik No.3 Tahun XXX Edisi Agustus.
Riastuti , R., 1996, Anodizing of superpure aluminium and 8090 aluminium lithium alloy in chromic acid. In Proceedings of the 4th International Aerospace Corrosion Control Symposium, Jakarta. Sheasby, P.G., and Pinner, R., 2001, The Surface Treatment and Finishing of Aluminum and Its
Alloys, Volume 1, Sixth Edition, ASM International & Finishing Publications Ltd., UK.
Wahyuadi, J., Rustandi, A., dan Prakarsa, G., 2006, Studi Pengaruh Larutan Pewarnaan Potasium Ferrosianida dan Ferric Sulfat Terhadap Hasil Pewarnaan Lapisan Oksida Hasil Anodisasi Aluminium Tipe AC8A.
