Budi Suhendro dkk 611 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
RANCANG BANGUN DAN ANALISIS ALAT PELAPISAN TEMBAGA
MENGGUNAKAN TEKNIK ELEKTROPLATING.
Budi Suhendro
(1), Tri Laela DS
(1)Suyamto
(2)(1)Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir (STTN) (2)Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PT APB)
Badan Tenaga Nuklir Nasional
Jl. 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. Elektrolit yang digunakan adalah CuSO4 yang diencerkan dengan air dengan perbandingan 1 kg dilarutkan ke dalam air 12 liter.
Anoda dari plat tembaga dengan ukuran 6 x 30 cm, 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 Ω. Variasi tegangan dilakukan dengan mengubah step trafo 12, 18, dan 25 V, waktu pelapisan divariasi 15; 30;, 45 dan 60 menit. 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 ion Cu2+ 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 surface 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 CuSO4 dissolved into 12 liters of water. Anodes made of the
copper plate with a size of 6 x 30 cm, 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 performed 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 um yang sering dilakukan, pelapisan logam dilakukan dengan
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 612 Budi Suhendro dkk sangat sederhana salah satunya dengan
menggunakan sumber tegangan dari baterai dan dirasa kurang efektif karena umur pakai yang terlalu 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 (AC) kemudian DC, larutan pelapis yang digunakan adalah Tembaga Sulfat (CuSO4) teknis, dan pengujian dilakukan dengan
memvariasikan tegangan, arus, dan waktu. 2. DASAR TEORI
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 [1]. 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[1, 2] :
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 pada elektrolisis tersebut [2]. Secara matematis dapat ditulis sebagai Persamaan (1).
F
eit
nF
q
A
m
r
(1)Gambar 1. Skema pelapisan secara elektroplating
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Keberhasilan Keandalan Elektroplating [4]
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 berlangsung harus dijaga stabil agar pelapisan dapat lebih sempurna karena bila suhu naik terlalu tinggi akan menyebabkan naiknya konduktifitas dan difusitas larutan elektrolit. Akibatnya adalah tahanan elektrolit akan mengecil sehingga kemampuan untuk mereduksi ion-ion logam berkurang. Besarnay 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 diperlukan 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 diperlukan 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 menurun 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].
Budi Suhendro dkk 613 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 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].
3. PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENGUJIAN
3.1 Pembuatanan alat
Perlatan pada penelitian ini terdiri dari 3 bagian yaitu bagian catu daya, beban pelapisan dan alat penunjang. Catu daya yang digunakan ditunjukkan pada blok diagram Gambar 2, sedangkan rangkaian ditujukkan pada Gambar 3 dan 4
Gambar 2.Blok diagram catu daya
Gambar 3. Catu daya dengan stabiliser IC 7812
Gambar 3. Catu daya dengan stabiliser dari transistor
Catu daya pada Gambar 3 menggunakan stabiliser IC 7812 untuk mencatu rangkaian pewaktu (timer) dan motor penggerak agitator (barrel), sedangkan pada Gambar 4 digunakan stabiliser transistor untuk mencatu 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 R0 (0 Ω/0 watt), R1 (2,7 Ω
/10 watt), R2 (5,6 Ω /20 watt) dan R4 (15 Ω/20 watt.
Beban pelapisan berupa plat anoda dan katoda yang diletakkan di dalam bak penampung larutan elektrolit dengan volume total dari bak pelapisan tersebut adalah 41 liter dan alat penunjang yang terdiri dari pengaduk, pewaktu, pemanas, dan
alat ukur. Dalam rancangan ini bahan anoda dari tembaga karena mempunyai konduktivitas yang baik dengan ukuran 30 x 6 cm. Sebagai katoda dibuat dari aluminium (Al) 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 Al dibuat dengan ukuran 2 x 7 cm sebanyak 5 buah diikat pada barrel atau pengaduk. Sebagai bahan pelapis digunakan larutan asam sulfat yang diencerkan dengan konsentrasi 1 kg dalam 12 liter air (CuSO45H2O), dan bak pelapisan berikut
pengaduknya (barrel) ditunjukkan pada Gambar 5.
transformator
penyearah
stabiliser
variabel
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 614 Budi Suhendro dkk
(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/10A, 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-langkah percobaan sebagai berikut :
1. Persiapan bahan yang akan dilapis meliputi pemotongan bahan Al yang akan dilapis, pemolesan, penimbangan bahan dan pembersian secara kimiawi dengan dicelum ke dalam asam nitrat
2. Proses elektroplating menggunakan asam sulfat 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 ini 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
Budi Suhendro dkk 615 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 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
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 Ω. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pelapisan logam dengan variasi arus Arus
(amper)
Massa hasil pelapisan (gram) Rata-rata (gram) 1 2 3 4 5 3,8 2,2 1,4 0,5 0.4418 0.4680 0.2914 0.4284 0.4544 0.5105 0.3407 0.3580 0.4065 0.4287 0.3177 0.4189 0.4249 0.3959 0.3866 0.3934 0.4225 0.3082 0.4517 0.2851 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 Ω, sedangkan waktu pelapisan dan pengadukan sama dengan percobaan sebelumnya yaitu waktu memvariasi arus. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2: Tabel 2. Hasil pelapisan logam dengan variasi tegangan input
Tegangan trafo
Massa hasil pelapisan (gram) Rata-rata (gram) 1 2 3 4 5 12 V 18 V 25 V 0.2429 0.1919 0.0919 0.2115 0.1221 0.0850 0.0807 0.1311 0.0542 0.0712 0.1625 0.0761 0.1225 0.1043 0.0588 0.14576 0.14238 0.0732
1. Hasil pelapisan logam dengan variasi 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 sama 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 2 3 4 5 15 30 45 60 0.1040 0.1341 0.3919 0.5346 0.1140 0.1272 0.3521 0.3594 0.1139 0.0223 0.1943 0.1904 0.1024 0.4590 0.4091 0.1647 0.1144 0.2342 0.4874 0.3349 0.10974 0.19536 0.36696 0.3168 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
R
I
P
2 sehingga nilai daya resistor minimal yang harus digunakan untuk mengatur arus agar tidak terjadi over heat adalah seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.Tabel 4. Daya resistor yang digunakan
Rx(ohm) Arus (amper) Daya resistor (watt) 0 2,7 5,6 15 3,8 2,2 1,4 0,5 0 13,086 10.976 3.75
Hasil pelapisan yang ditunjukkan pada Tabel 1 bila digambarkan dalam bentuk grafik adalah seperti pada Gambar 4.
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 616 Budi Suhendro dkk Gambar 4.Hubungan antara massa deposit pelapisan
dan arus
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.
Gambar 6. Hubungan massa deposit pelapisan dan tegangan input dengan waktu pelapisan selama 30
menit
Pada proses pelapisan dengan variabel waktu dihasilkan grafik kenaikan massa deposit seperti yang ditunjukkan pada grafik Gambar 5.
Gambar 5. Hubungan antara massa deposit pelapisan dan waktu pada 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 Tabel 7.
Tabel 7. Perbedaan hasil pelapisan total secara teoritis dan percobaan
Variasi trafo (volt) Tegangan beban (volt) Tegangan (amper) Arus Waktu (detik)
Massa rumus (gram) Massa percobaa n (gram) Selisih massa (gram) Arus 12 1,9 7,3 8,77 11,2 3,8 2,2 1,4 0,5 1800 1800 1800 1800 2.2505 1.3030 0.8291 0.2961 2.1501 2.1113 1.7881 1.8838 0.1004 0.8084 0.9590 1.5877 Tegangan 12 18 25 7,83 11,05 13,5 2 2,75 3,55 1800 1800 1500 1.1845 1.5990 1.7520 0.7288 0.7119 0.3660 0.4557 0.8872 1.3860 Waktu 18 2,6 2,67 2,7 2,77 2.5 900 1800 2700 3600 0.7403 1.4806 2.2209 2.9611 0.5487 0.9768 1.8348 1.5840 0.1916 0.5038 0.3861 1.3771
Budi Suhendro dkk 617 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Pada umumnya proses elektroplating dilakukan
dengan catu tegangan konstan dan arusnya yang divariasi, karena secara teknis memvariasi arus lebih mudah dilakukan yaitu dengan menambahkan tahanan. Pada 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 antara perhitungan dengan percobaan yang semakin besar untuk varisai arus yang semakin kecil menunjukkan bahwa ion Cu2+ dalam larutan CuSO4 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 .
5. 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 menurun 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, Jurnal 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, Jurnal 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/S1, UNNES.
7.
www.chem-is-try.org/tabel_periodik/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. http//en.wikipedia.org/wiki/copper%28II%29_
Sulfate : diakses 15 Juli 2011 jam 07:10 WIB 10. http://id.wikipedia.org/wiki/Tembaga : diakses
