CHAPTER 5 : CORROSION AND NON-FERROUS METAL
5.1 CORROSION (Kakisan)
Di akhir unit ini anda dapat :
Menjelaskan maksud kakisan.
Menerangkan jenis kakisan pengoksidaan terus. Menerangkan jenis kakisan elektrokimia. Menerangkan kaedah pencegahan kakisan. 5.1.1 Pengenalan
Dalam unit 3 sebelum ini, kita telah membincangkan tentang logam ferus yang antaranya mempunyai sifat rintangan kepada kakisan yang kurang baik. Apakah yang anda faham tentang rintangan kepada kakisan? Apakah kesannya kepada logam terutamanya logam ferus?
Untuk itu, unit ini akan membincangkan dengan lebih lanjut tentang kakisan dan cara-cara untuk mengatasinya.
Kakisan adalah satu proses penurunan logam daripada keadaan yang boleh digunakan kepada keadaan yang tidak boleh digunakan. Ini terjadi apabila logam itu mengalami kerosakkan, perubahan rupa dan bahannya berkurangan setelah berlakunya tindakbalas kimia. Dalam istilah harian, logam yang mengalami kakisan dikatakan telah berkarat seperti Gambarajah 5.1 yang ditunjukkan di bawah.
Kakisan boleh dikelaskan kepada dua bentuk yang utama iaitu : a. Kakisan Pengoksidaan Terus
b. Kakisan Galvanik/Eletrokimia.
Gambarajah 5.1 : Gambar foto logam yang mengalami kakisan
5.1.2 Kakisan Pengoksidaan Terus
Kakisan jenis ini dikenali juga sebagai kakisan kering. Kebanyakan logam mengalami kakisan kering disebabkan tindakbalas kimia dengan gas oksigen di dalam atmosfera. Apabila logam-logam itu bertindakbalas dengan oksigen, satu lapisan oksida terbentuk di atas permukaannya. Jikalau lapisan ini tidak dibuang, lama kelamaan ianya akan
mengkakis kesemua logam tersebut. Sesetengah logam seperti zink akan membentuk lapisan oksida apabila terkakis, tetapi lapisan zink oksida adalah tinggi ketumpatannya dan secara tidak langsung ia mencegah kakisan zink yang lain yang berada di bawah lapisan zink oksida tersebut.
Logam seperti besi tidak boleh terkakis dengan tindakan udara sahaja, tetapi melalui kombinasi udara dan lembapan. Lapisan bahan kakisan yang di atas besi adalah poros dan berkecai-kecai dan satu lapisan karat lain akan terbentuk di bawah lapisan karat yang pertama menyebabkan lapisan pertama mengelupas. Proses kakisan besi akan berterusan selagi permukaan besi tersebut tidak dilindungi. Pada besi juga jika ianya dipanaskan bersama dengan gas oksigen di dalam relau, maka akan terjadi satu tindakbalas kimia yang mana hasil dari proses ini sisik-sisik hitam akan wujud pada logam tersebut : 2Fe + O2 --- 2FeO
5.1.3 Kakisan Eletrokimia
Kakisan ini yang juga dikenali sebagai kakisan basah berlaku pada suhu biasa (suhu bilik) dalam suasana kehadiran lembapan atau elektrolit. Kebanyakkan logam terkakis melalui kakisan jenis ini. Kakisan ini melibatkan kedudukkan sesuatu logam di dalam siri elektrokimia, yang menyebabkan kerosakkan logam secara perlahan tetapi berkesan. Dalam proses ini logam akan berubah menjadi ion atau sebatian kimia dan dengan bantuan eletrolit, ia menjadi satu larutan yang mengalirkan arus elektrik iaitu ion +ve dan -ve. Kakisan ini adalah disebabkan oleh perpindahan ion +ve dan ion -ve di antara dua logam yang berlainan potensi. Jadual 5.1 di bawah menunjukkan siri eletrokimia mengikut susunan potensi elektrodnya.
Jadual 5.1 : Siri-siri elektrokimia mengikut susunan potensi elektrod
Jenis Logam Potensi Elektrod
Emas +1.50 Lebih Katodik Platinum +0.86
Perak +0.80 Kuprum +0.52 Hidrogen (bahan rujukan) 0.00 Besi -0.05 Plumbum -0.13 Timah -0.14 Nikel -0.25 Kadmium -0.40 Kromium -0.74 Zink -0.76 Aluminium -1.66
Jadual di atas menunjukkan logam mana yang lebih anodik dan katodik secara relatif. Sebagai contoh, logam nikel dengan aluminium, nikel adalah katodik dan aluminium adalah anodik, di antara logam emas dan kuprum, emas adalah katodik dan kuprum adalah anodik, di antara kuprum dan plumbum, kuprum adalah katodik dan plumbum adalah anodik, begitulah seterusnya.
Contohnya ialah apabila zink disambung dengan kuprum dan direndam di dalam bahan eletrolit seperti air garam, asid atau alkali. Dalam proses ini logam akan berubah menjadi ion atau sebatian kimia dan dengan bantuan eletrolit, ia menjadi satu larutan yang mengalirkan arus elektrik iaitu ion +ve dan -ve. Kakisan ini adalah disebabkan oleh perpindahan ion +ve dan ion -ve di antara dua logam yang berlainan potensi. Apabila terdapat dua jenis logam di dalam eletrolit maka bahan yang lebih anodik akan terhakis melalui proses eletrokimia.
Gambarajah 5.2 : Kakisan elektrokimia
Kakisan eletrokimia juga berlaku terhadap bahan yang sama apabila terdapatnya titik air daripada yang berada di bawah bahagian tengah titik air tersebut. Permukaan besi perbezaan tumpuan oksigen. Contohnya ialah jika terdapat setitik air di atas permukaan besi maka tumpuan oksijen adalah lebih pada permukaan besi di bawah bahagian tepi yang kurang tumpuan oksigen adalah anodik dan besi yang mempunyai lebih tumpuan oksigen adalah katodik. Oleh kerana terdapat bahagian anodik dan katodik, maka bahagian tengah permukaan besi mengalami kakisan. Titik air di dalam proses kakisan ini bertindak sebagai bahan eletrolit.
Di antara aloi-aloi logam terdapat juga kakisan eletrokimia, contohnya ialah aloi loyang iaitu aloi kuprum dengan zink. Di dalam aloi ini kuprum adalah katodik dan zink adalah anodik, lama kelamaan zink di dalam loyang akan terkakis disebabkan kakisan eletrokimia. Bahan eletrolit di dalam kakisan jenis ini kelembapan atmosfera yang membentuk suatu lapisan di atas permukaan loyang. Loyang yang mengalami kakisan zink akhirnya menjadi rapuh dan lemah.
5.1.4 Jenis-jenis Kakisan (Types of Corrosion)
Kakisan boleh dikelaskan mengikut keadaan logam yang telah menjadi kakis seperti berikut: a. Kakisan Tumpuan
Kakisan ini berlaku pada satu-satu tempat atau lubang pada permukaan logam. Ini akan menyebabkan logam akan menjadi lemah pada tempat tersebut. Bahagian kecil yang lemah ini akan menjadi anodik, manakala bahagian yang besar akan menjadi katodik. Rajah 5.3 menunjukkan keratan rentas bentuk kakisan tumpuan.
katod katod
elektrolit
anod
Gambarajah 5.3 : Kakisan Tumpuan
b. Kakisan Antara Bijian
Kakisan ini terjadi disepanjang sempadan bijian yang sensitif kepada kakisan.Pada amnya, ia berlaku disebabkan oleh potensi yang berbeza diantara atom pada satu sempadan dengan sempadan yang bersebelahan dan akan mewujudkan sempadan anod dan katod. Kakisan ini selalunya bermula pada permukaan logam dan akan melarat cepat kedalam disebabkan oleh struktur dalaman yang tidak elok.
Gambarajah 5.4 : Kakisan Antara Bijian
c. Kakisan Celahan
Biasanya terjadi pada bahagian yang retak atau dicelah pertemuan dua permukaan yang terpasang. Kakisan ini boleh terjadi pada celahan permukaan logam yang sama atau berbeza.
Gambarajah 5.5 : Kakisan Celahan
d. Kakisan Tegasan
Jenis kakisan tegasan melibatkan logam yang sejenis tetapi mempunyai kawasan-kawasan tegasan yang berlainan di dalam barangan tersebut. Bahagian-bahagian barangan yang tinggi nilai tegasannya adalah anodik dan bahagian lain adalah katodik. Apabila barangan ini terdedah kepada bahan elektrolit maka bahagian yang tinggi tegasannya akan terhakis yang disebabkan oleh perbezaan kawasan tegasan. Kakisan jenis ini dapat dielakkan melalui rekabentuk baik dan sesuai yang boleh mengelakkan daripada terdapatnya perbezaan kawasan tegasan yang ketara.
5.1.5 PENCEGAHAN KAKISAN (REMEDIAL ACTION) 1.Pemilihan Bahan (Material Selection)
Pemilihan bahan adalah peringkat yang paling awal dan mudah dalam mencegah kakisan. Untuk tujuan ini, kedudukan bahan dalam siri elektrokimia perlu diambil perhatian. Selain daripada kos yang rendah, faktor rintangan kepada kakisan yang tinggi perlu diambil kira dalam memilih bahan.
2. Rekabentuk (Design)
Kakisan boleh dielak dengan memilih rekabentuk yang sesuai. Rekabentuk mestilah mengambil kira faktor-faktor berikut :-
Elakkan daripada menggunakan bahan yang berlainan untuk mencegah daripada berlakunya kakisan galvani. Walaubagaimanapun, jika terpaksa menggunakan bahan yang sama, pilih logam yang mempunyai potensi yang terhampir dalam siri elektrokimia.
Pepenjuru yang tajam perlu dielakkan pada komponen kerana ini akan menyebabkan berlakunya tegasan.
Gantikan kaedah sambungan rivet dengan sambungan kimpalan. 3. Salutan Logam (Metal Coating)
Penyalutan sesuatu barangan dengan logam yang tertentu juga boleh menghalang kesan kakisan. Penyalutan dibuat melalui beberapa proses seperti celupan ke dalam logam panas, penyemburan logam dan penyaduran elektroplat. Jenis-jenis bahan penyadur yang selalu digunakan ialah emas, perak, kromium, kuprum, cadmium, timah dan zink. Walaupun sesetengah daripada logam salutan yang digunakan adalah lebih katodik tetapi tindakbalas kimianya adalah tidak aktif dan setengahnya pula boleh membentuk lapisan oksida.
Salutan logam boleh dikelaskan kepada 2 iaitu : i.Salutan Nobel
Dalam penyalutan nobel, salutan adalah bersifat nobel terhadap logam asas. Salutan jenis ini tidak akan melindungi logam asas jika terdapat lubang-lubang pada salutan. Ini adalah kerana logam asas akan menjadi anod. Contoh salutan jenis ini ialah Cu, Ni, Cr.
ii.Salutan Korban
Manakala pada salutan korban pula, logam asas dilindungi dengan mengorbankan logam salutan yang bertindak sebagai anod. Tidak seperti salutan nobel, kaedah ini masih melindungi logam asas walaupun terdapat lubang padanya. Contoh salutan kaedah ini ialah penyaduran atap yang diperbuat daripada keluli dengan lapisan zink. Zink bertindak sebagai lapisan penghalang unsur-unsur kakisan daripada terkena atap keluli.
4. Salutan Bahan Bukan Logam
Menyalut logam dengan bahan bukan logam juga dapat menghalangnya daripada terkakis. Ianya bertidak melindungi permukaan logam dari bersentuh dengan oksigen ataupun memberikan perlindungan asas dengan salutan bahan yang stabil yang tidak mudah ditembusi oleh kelembapan. Ianya terdiri dari bahan organik dan bukan organik. Contoh salutan organik ialah cat, tar, minyak dan varnis. Manakala salutan tak organik ialah enamel.
Plastik serta minyak ialah di antara dua bahan bukan logam yang utama digunakan sebagai bahan penyalut. Proses ini dibuat secara celupan panas ataupun melalui semburan bahan perintang kakisan tersebut.
5. Lapisan Oksida
Lapisan oksida seperti lapisan oksida zink dan aluminium adalah diantara bahan-bahan perintang kakisan. Lapisan jenis oksida ini adalah tinggi ketumpatannya dan dengan ini dapat menghalang oksigen serta air daripada menghakisnya. Lapisan oksida selalunya terdapat pada barangan yang sememangnya di buat daripada zink, aluminium dan plumbum. Lapisan oksida juga dapat digunakan sebagai satu bahan saduran ke atas barangan logam.
Contohnya ialah penyaduran zink digunakan untuk keluli di dalam pembuatan bumbung, di mana zink akan membentuk satu lapisan oksida.
6. Perlindungan Katodik (Cathode Protection)
Perlindungan ini bermaksud bahan yang perlu dilindungi dari kakisan ditukar menjadi katod oleh kerana logam anod yang mengalami kakisan. Contohnya pada badan kapal selalunya diperbuat dari keluli dan propelarnya di buat daripada gangsa. Keluli adalah anodik manakala propelarnya adalah katodik dan kedua-duanya berada di dalam air laut yang merupakan suatu bahan eletrolit. Badan kapal akan terhakis disebabkan sifat anodiknya, jadi untuk mengatasi masalah ini satu bahan yang lebih anodik daripada gangsa dan keluli digunakan sebagai perintang kakisan iaitu logam zink. Kepingan zink diletakkan kepada badan kapal supaya semasa proses kakisan eletrokimia berlaku hanya zink sahaja yang terkakis disebabkan ianya adalah yang paling anodik. Kepingan zink ini perlu digantikan dari masa kesemasa kerana kehausan disebabkan kakisan seperti gambarajah 6.6.
Gambarajah 6.6 : Perlindungan katodik
7. Pengaloian (Alloying)
Logam-logam juga dapat di buat supaya tahan kakisan dengan mengaloikannya dengan logam-logam yang lain. Keluli selalunya dialoikan dengan logam-logam kromium dan mangnese untuk mendapatkan keluli tahan karat.
5.2 : NON-FERROUS METAL (Logam Bukan Ferus)
Kali ini mari kita melihat pula berkenaan Logam Bukan Ferus. Logam bukan ferus merupakan logam yang lain daripada logam besi dan keluli. Terdapat 38 jenis logam yang lain yang diketahui manusia dan dicatatkan di dalam Jadual Perkalaan Unsur.
Di antara logam-logam lain yang sering digunakan di dalam bidang kejuruteraan adalah seperti Aluminium, Perak, Kuprum, Plumbum, Timah, Nikel, Zink, Kromium, Emas, Molydenum, Magnesium, Kobalt, Manganese dan lain-lain lagi.
Kita akan membincangkan ciri-ciri dan penggunaan 3 (tiga) logam bukan ferus sebagaimana Silibus JF302 iaitu : 1. Aluminium 2. Kuprum 3. Zink 5.2.1 Aluminium
Aluminium merupakan logam yang banyak sekali di mukabumi ini, iaitu di dalam bentuk bijih aluminium jenis Bauksit. Aluminium adalah sejenis logam yang ringan, berwarna putih kelabu dan mempunyai permukaan yang berkilat apabila digilap ataupun dimesin. Aluminium di dalam bentuk tulinnya jarang digunakan di dalam bidang kejuruteraan kerana kekuatan dan kekerasannya adalah rendah. Kebanyakan aluminium tulin digunakan untuk membuat pembalut, pembalik cahaya, barangan perhiasan serta salutan untuk menahan kakisan.
Sifat-sifat utama Aluminium tulin :
a) Kekuatan tegangan : 100 N/mm2 b) Kekuatan mampatan : 100 N/mm2
c) Kekerasan : 40 (NKB) Nombor Kekerasan Brinell d) Kemuluran : 30% pemanjangan
e) Suhu lebur : 660o C f) Ketumpatan : 2.6 g/cm3
g) Lapisan Aluminium Oksida yang terbentuk di atas Aluminium
memberikannya satu daya ketahanan terhadap kakisan atmosfera dan air. h) Pengalir haba dan elektrik yang baik.
i) Pembalik haba dan cahaya yang baik.
Aluminium tulin 5.2.1.1 Aloi Aluminium
Kebanyakan aluminium yang digunakan adalah didalam bentuk aloinya. Aloi aluminium adalah keras dan kuat semacam keluli, tetapi dengan satu kelebihan iaitu ianya 3 kali lebih ringan daripada keluli. Di antara aloi aluminium yang ada ialah seperti yang berikut :-
1. Aloi Aluminium-Magnesium
Ia mengandungi campuran logam-logam yang berikut iaitu Cu-0.14%, Si-0.5%, Fe-0.7%, Cr-0.5% dan Mg-5.0%. Kekuatan aloi ini adalah 3 kali ganda lebih kuat daripada Aluminium tulin dan mempunyai kekerasan 80 NKB. Aloi jenis ini selalu digunakan untuk membuat badan kapal dan ianya disambung menggunakan rivet ataupun kimpalan TIG.
2. Aloi Aluminium-Manganese
Ia mengandungi 1.5% manganese yang menambahkan kekuatan tegangan 200 N/mm2 tanpa
kehilangan sifat kemulurannya. Aloi ini senang dikerja sejuk serta dikerja panas dan dengan ini ianya mudah digunakan untuk membuat membuat berbagai-bagai jenis bentuk barangan. Aloi jenis ini banyak digunakan untuk membuat bumbung rumah, berbagai-bagai jenis bekas takungan dan juga untuk membuat badan bas dan lori.
3. Duralmin
Ia adalah aloi aluminium yang mengandungi 4% Kuprum. Aloi ini adalah kuat dan mempunyai kekuatan tegangan sebanyak 400 N/mm2 selepas ianya melalui proses rawatan haba. Duralmin
mempunyai kekuatan seperti keluli tetapi ianya lebih ringan. Kegunaannya ialah di dalam pembuatan badan kapalterbang, dawai, rivet, kepingan logam dan juga bekas acuanan.
4. Aloi Aluminium-Silikon
Ia mengandungi 10% hingga 13% silikon. Kekuatan tegangannya ialah 230 N/mm2. Aloi jenis ini mempunyai daya ketahanan kakisan terhadap air garam dan atmosfera. Aloi ini selalu digunakan didalam proses tuangan untuk membuat blok injin kapal dan injin kereta, kotak giar, aci dan kotak engkol.
5. Aloi Aluminium-Kuprum Jenis Tuangan
Ia mempunyai kandungan kuprum diantara 1.5% - 4.0%. Aloi ini apabila diberi rawatan haba akan mempunyai kekuatan tegangan sebanyak 650 N/mm2. Oleh kerana kekuatan aloi ini tinggi ianya banyak digunakan untuk membuat blok injin kelajuan tinggi untuk kereta dan kapalterbang.
5.2.2 Kuprum
Kuprum merupakan logam yang banyak digunakan di dalam bidang kejuruteraan terutamanya dibidang industri elektrik. Kuprum mempunyai warna merah- coklat apabila terdapat lapisan oksid di permukaannya tetapi apabila digilap warnanya ialah merah-keemasan.
Sifat-sifat utama kuprum
a) Kekuatan tegangan : 215 N/mm2 b) Kekuatan mampatan : 300 N/mm2 c) Kekerasan : 80 NKB ( jenis tuangan ) 90 NKB ( kerja sejuk )
66 NKB (kerja sejuk dan disepuh lindap ) d) Kemuluran dari segi pemanjangan 25% (jenis tuangan ) 55% ( sepuh-lindap )
3% (kerja sejuk ) e) Suhu lebur : 1083 oC
f) Ketumpatan : 8.9 g/cm3
g) Ketahanan daripada kakisan atmosfera dan air. h) Pengalir elektrik yang amat baik.
Kuprum tulin
Kegunaan utama kuprum ialah untuk membuat kabel, peralatan untuk televesyen dan radio, suis, paip air, bahan pateri, bekas memasak, bahagian-bahagian kapal dan lain-lain lagi.
5.2.2.1 Aloi Kuprum
Kuprum jarang sekali digunakan di dalam bentuk aloi. Diantara aloi kuprum yang boleh didapati ialah gangsa dan loyang tetapi kuprum merupakan bahan aloi yang utama untuk logam-logam yang lain.
1. Gangsa
Ia merupakan aloi antara kuprum dan timah tetapi bahan yang utamanya ialah kuprum. Gangsa adalah kuat, keras mempunyai ketahanan kakisan yang tinggi dan mempunyai pekali geseran yang rendah. Terdapat berbagai jenis gangsa seperti yang berikut :-
2. Gangsa Phosphor Tempaan
Ia mempunyai kandungan 3.0%-8.5% Tin, 0.1%- 0.3% Phosphor, dan selebihnya ialah kuprum. Mempunyai kekuatan tegangan sebanyak 350 N/mm2 dan boleh ditingkatkan lagi melalui sepuh-lindap ke 700 N/mm2. Gangsa ini digunakan untuk sebagai bahan galas, kipas-turbin, bahagian-bahagian alatan elektrik dan giar.
3. Gangsa Phosphor Tuangan
Ia mengandungi 9% -13% Sn, 0.3%-1.0% P. Gangsa ini mudah mengalir semasa dileburkan dan dengan ini ianya sesuai untuk proses tuangan. Kekuatannya ialah sehingga 300 N/mm2.
Aloi ini selalu digunakan untuk bearing, skru, acuan pam dan injap.
Ia mengandungi diantara 5%-11% aluminium serta sedikit besi dan nikal. Aloi jenis ini mempunyai kemuluran yang tinggi serta kekuatan tegangan sebanyak 650 N/mm2. Ianya juga mempunyai sifat kalis kakisan kimia dan air garam. Aloi jenis ini dapat beroperasi pada suhu yang tinggi serta mempunyai sifat ketahanan kakisan yang tinggi.
5. Loyang
Ia adalah campuran kuprum dangan zink dalam nisbah-nisbah yang tertentu. Contohnya ialah loyang 65/35 menunjukkan kandungan kuprumnya ialah 63% dan zink 35% dan dikelaskan sebagai loyang biasa. Aloi jenis ini selalu digunakan di dalam proses penarikan, proses penekanan dan untuk kerja sejuk. Lain-lain loyang yang didapati adalah seperti yang berikut :- 6. Loyang 62/37
Ia adalah sesuai untuk proses tuangan dan kerja panas. Aloi ini adalah rapuh apabila dikerja sejuk tetapi iannya boleh dibentuk secara tuangan acuan, tempaan, penggelekan panas dan proses ekstrusi.
7. Loyang 70/30
Jenis ini sangat mulur dan boleh ditarik sehingga 70% pemanjangan. Kekuatan tegangannya ialah 600 N/mm2 di dalam keadaan keras dan 320N/mm2 setelah dikerja sejuk dan disepuh lindapkan. Kekerasannya ialah 60 NKB di dalam keadaan sepuh lindap dan 130 NKB apabila ianya telah melalui proses penarikan. Loyang jenis ini banyak digunakan untuk membuat dawai, paip dan rod. Ianya juga banyak di gunakan di dalam proses penarikan untuk membuat kelongsong peluru dan dengan itu ianya dinamakan loyang kelongsong.
8. Loyang 60/40
Mengandungi 60% kuprum dan 40% zink dan dikenali sebagai logam Muntz. Loyang ini sesuai untuk kerja panas seperti hentakan dan tempaan panas. Kekuatan tegangannya ialah 450 N/mm2 dan mempunyai nilai kemuluran yang rendah serta susah sedikit untuk dimesin. 1% timah ditambah ke dalam loyang ini untuk membuatnya lebih kalis kakisan.
5.2.3 Zink
Zink merupakan satu logam yang banyak digunakan sebagai bahan penyadur untuk keluli supaya ianya kalis kakisan. Warna zink ialah putih-keperakan apabila digilap.
Kegunaan zink kebanyakannya ialah untuk penyaduran lapisan kalis kakisan untuk barangan keluli seperti rantai besi, bumbung rumah, alatan dapur dan tangki air. Zink juga digunakan di dalam bateri kereta, bahan penampal gigi bahan asas untuk membuat cat. Aloi utama yang dihasilkan dengan zink ialah loyang.
Zink tulin
Bumbung Zink
Sifat-sifat utama Zink
a) Kekuatan tegangan : 60 N/mm2 b) Kekerasan : 80 NKB ( aloi zink ) c) Suhu lebur : 420 C
