8
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Pustaka
Pada penelitian ini bertujuan untuk mempelajari tentang pelapisan logam komposit yang dapat memperlambat laju korosi serta biaya yang sangat sedikit. Laju korosi dapat dikurangi dengan menggunakan beberapa cara seperti pemilihan bahan, perubahan lingkungan ataupun penambahan lapisan logam. Coating dapat diproduksi dengan beberapa metode yang berbeda.
Elektrodeposisi atau elektroplating tetap menjadi teknik yang banyak di gunakan untuk menghasilkan material baru, biaya yang rendah, mudah, dapat bekerja pada suhu yang rendah dan kemudahan dalam perawatan. Baja paduan sudah banyak digunakan dalam bahan pipa industri, pembuatan kapal, kondensor, dan alat penukar panas. Dalam industri minyak lepas pantai diperlukan sifat penting logam yaitu, katahanan korosi yang tinggi dan kekerasan karena akibat paparan garam yang tinggi di lingkungan laut. (Casey R Thurber, 2015).
Ghosh S.K, (2007) melakukan penelitian Elektroplatting multilayer pelapis Ni/Cu dengan ketebalan sublayer Ni bervariasi mulai dari 1.8, 4.5, 7.2, dan 11 nm, dan menjaga ketebalan sublayer Cu agar tetap sama pada ketebalan 1.97 nm. Pada penelitian ini disimpulkan bahwa variasi Ni 1.8 nm dan Cu 1.97 nm mempunyai ketebalan 3.77nm dengan tingkat
9
kekerasan 318 HV. Ni 4.5 nm dan Cu 1.97 nm memiliki ketebalan 6.47 nm dengan tingkat kekerasan 353 HV. Ni 7.2 nm dan Cu 1.97 nm memiliki ketebalan 9.17 nm dengan tingkat kekerasan 390 HV. Sedang Ni 11 nm dan Cu 1.97 nm memiliki ketebalan 12.7 nm dengan tingkat kekerasan 340 HV. Dengan tingkat keausan yang dimiliki pada Ni 1.8 nm dan Cu 1.97 nm memiliki tingkat keausan sebesar -0.3 mm, Ni 4.5 nm dan Cu 1.97 nm dengan tingkat keausan -0.1 mm, Ni 7.2 nm memiliki tingkat keausan sebesar -0.2 mm dan Ni 11 nm dan Cu 1.97 nm memiliki tingkat keausan sebesar 0.8 mm.
Sembada, H.R., (2008), dalam penelitian tentang pembuatan dies dengan metode elektroplating tembaga nikel dan khrom dengan variasi waktu pencelupan 2400 s, 3000 s, 3600 s dan rapat arus 7 Ampere pada polimer dengan menggunakan metode penggrafitan. Grafit dioleskan secara tipis membentuk lapisan film pada permukaan polimer, sebelum dilakukan elektroplating. Dari percobaan variasi waktu pencelupan tersebut diketahui semakin lama waktu pencelupan maka berat, tebal dan kekeraan lapisan yang dihasilkan semakin besar. Pada waktu pencelupan 2400 s dengan rapat arus 7 ampere memiliki berat, tebal, kekerasan lapisan tembaga 9.99 gram, 83.32 µm, 82.5 kgf/mm. Untuk nikel 2.13 gram, 15.39 µm, dan khrom 1.5 gram, 15.39 µm dan kekerasan Khrom 212.67 kgf/mm waktu pencelupan 3000 s dengan rapat arus 7 ampere dengan berat, tebal, kekerasan lapisan Tembaga 10.29 gram, 85.83 µm, 96.76667 kgf/mm Nikel 3.42 gram, 24.1 µm, Khrom 2.59 gram, 24.1 µm,
10
dan Kekeraan , dan waktu pencelupan 3600 s dengan rapat arus 7 ampere berat, tebal, kekerasan lapisan Tembaga 32.94 gram, 274.5 µm, 163.0667 kgf/mm , Nikel 42.39 gram, 276.5 µm dan Khrom 15.37 gram, 145 µm dan Kekeraan Khrom 361.80 kgf/mm.
2.2 Landasan Teori
2.2.1 Pengertian Elektroplating
Elektroplating yaitu proses pelapisan logam dengan logam lain didalam suatu larutan elektrolit dengan pembiasan arus listrik. Konsep yang digunakan dalam proses elektroplating adalah konsep reaksi reduksi dan oksidasi dengan menggunakan sel elektrolisa. Dalam sel elektrolisa arus yang akan dialirkan akan menimbulkan reaksi reduksi dan oksidasi dengan mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Proses pelapisan terjadi jika suatu benda yang akan dilapisi berfungsi sebagai katoda dan benda pelapis sebagai anoda dicelupkan kedalam larutan elektrolit dengan konsentrasi tertentu, kemudian arus dialirkan kedalam larutan tersebut maka ion-ion pada anoda akan terurai kedalam larutan dan akan melapisi benda yang akan berfungsi sebagai katoda. Banyaknya ion yang diuraikan tergantung dari besarnya arus yang dialirkan. Semakin besar arus yang dialirkan semakin banyak ion yang diuraikan begitu pula sebaliknya (Limaye P.K, 2007)
11
Gambar 2.1 Rangkaian Elektroplating (Limaye P.K, 2007)
Hasil yang diperoleh dalam proses elektroplating dipengaruhi oleh banyak variabel diantaranya larutan yang digunakan, suhu larutan, durasi tegangan antara dua elektroda, keadaan elektroda yang digunakan serta bersih tidaknya benda yang akan dilapisi dan sebagainya.
Tujuan dari elektroplating itu sendiri selain untuk meningkatkan nilai deduktif juga berfungsi sebagai proteksi terhadap korosi dan untuk menghasilkan benda atau logam yang mempunyai karakteristik fisik dan mekanik tertentu.
1. Reaksi Elektrokimia
Reaksi elektrokimia yaitu reaksi yang menghasilkan transfer, bentuk energi listrik menjadi energi kimia atau sebaliknya. Melalui saling interaksi antara arus listrik dan reaksi reduksi-oksidasi. Dalam proses elektroplating pemberian arus listrik akan menimbulkan reaksi reduksi-oksidasi, dengan kata lain energi listrik diubah menjadi energi kimia. 2. Reaksi reduksi (-) Elektrolit Anoda (Oxidation) (+) (-) Electrolyte Energy Katoda (Reduction) Anoda (Oxidation) e- Power e -Supply
12
Jika sel elektrolit digunakan nikel sebagai anoda dan benda yang akan dilapisi sebagai sebagai katoda. Keduanya dicelupkan kedalam bak yang berisi larutan chloride-sulfate dengan konsentrasi tertentu, kemudian arus dialirkan kedalam larutan tersebut maka benda katoda akan terlapis dengan nikel. Dalam hal ini dianoda logam nikel dan dikatoda Ni2+ direduksi. Atom-atom nikel (Ni) akan terjadi reaksi kimia menjadi Ni2+ dianoda dan Ni2+ direduksi menjadi atom-atom Ni dan logam Ni akan menempel pada katoda sehingga benda tersebut telah terlapisi dengan nikel.
Proses pelapisan dapat terjadi karena elektron yang terlepas dari atom-atom nikel meninggalkan anoda yang kemudian masuk kedalam larutan sebagai ion-ion nikel.
Gambar 2.2 Proses Reduksi Larutan Elektrolit Ni (Limaye P.K, 2007)
ION
Larutan Elektrolit Tangki Plating
Katoda Anoda
13
Pada proses electroplating terhadap baja karbon yang akan dilapisi tembaga, maka elektrolit yang digunakan adala elektrolit tembaga (CuSO4 ) dengan tembaga (Cu) sebagai katoda. Pada katoda
dan anoda saat proses electroplating terjadi perubahan potensial karena adanya aliran listrik, sehingga anoda tembaga akan terurai kedalam media larutan elektrolit yang mengandung ion-ion tembaga, yang akhirnya akan menempel pada katoda.
Sebagai penjelasannya adalah reaksi pada katoda yaitu ion Cu2+ bergerak ke katoda menjadi Cu, logam ini menempel pada katoda. Sedangkan reaksi pada anoda yaitu ion SO42- bergerak ke anoda
menjadi SO4 dan melepaskan elektronnya. Karena Cu reaktif maka
bereaksi dengan SO4 membentuk CuSO4 kembali. Jadi berat anoda
berkurang dan beratnya sama dengan Cu yang mengendap pada katoda. Dapat disimpulkan bahwa konsentrasi Cu2+ dan SO42- dalam
larutan tetap selama masih ada anoda. Sehingga seolah-olah Cu pada anoda pindah ke katoda.
14
Reaksi kimia yang terjadi pada proses electroplating seperti yang terlihat pada gambar 2.2 dan 2.3 dapat dijelaskan sebagai berikut:
Pada Katoda Pada Anoda
Pembentukan lapisan Nikel Ni2+ (aq) + 2e- → Ni (s) Pembentukan gas Hidrogen 2H+ (aq) + 2e- → H2 (g)
Reduksi oksigen terlarut ½ O2 (g) + 2H + → H2O (l)
Pembentukan gas oksigen
2H2O (l) →4H+ (aq) + O2 (g) + 4e
-Oksidasi gas Hidrogen H2 (g) →2H+(aq) + 2e
-Pada katoda Pada Anoda
Cu2+ + 2e → Cu CuSO4 → Cu 2+ SO42-
3. Hukum Faraday
Hukum Faraday merupakan salah satu hukum yang berhubungan dengan proses elektroplating yang menyatakan bahwa adanya arus yang mengalir dalam larutan elektrolit maka terjadilah gerakan ion dan penetralan ion. Hubungan antara jumlah arus listrik dan jumlah logam yang dibebaskan ke dalam larutan tersebut dinyatakan oleh Hukum Faraday (1791-1867) dalam hukumnya yang berbunyi :
o Jumlah logam yang terbentuk pada elektroda suatu sel, sebanding dengan arus yang mengalir.
o Jumlah logam yang dihasilkan oleh arus listrik yang sama di dalam sel yang berbeda sebanding dengan berat ekuivalen logam tersebut
15
o Bila efisiensi arus 100% maka berat logam yang diendapkan adalah berbanding lurus dengan arus yang mengalir melalui larutan dan sebanding berat ekuvalen logam dan waktu elektroplating.
Secara sistematis hukum faraday dinyatakan dalam persamaan :
m =
...
(2.1)Dimana :
m = Massa zat yang dihasilkan (gram)
t = Waktu (detik)
e = Berat ekuivalen (gram) I = Kuat arus (A)
Kemudian dihitung luas permukaan dari spesimen tersebut
dengan rumus luas lingkaran :
As
=
.
r
2...
(2.2)As = luas permukaan (cm2)
= 3.14
r = Jari-jari lingkaran (cm)
Setelah menghitung massa zat yang dihasilkan dan luas permukaan dapat dihitung tebal dari lapisan tersebut dengan rumus.
...
(2.3)Dimana:
16
As = Luas Permukaan (cm2)
= Ketebalan yang dihasilkan (µm)
δ = massa jenis
2.2.2 Unsur-unsur pokok Elektroplating 1. Sirkuit luar
Sirkuit luar terdiri sumber arus DC dan peralatan terkait seperti amperemeter, voltmeter, alat pengatur tegangan dan arus.
2. Katoda
Katoda ialah elektroda negative yang merupakan benda kerja yang akan dilapisi. Katoda atau benda kerja dapat memiliki bentuk dan dapat terbuat dari beraneka logam, yang terpenting katoda harus memiliki kumparan atom-atom yang terikat dimana elektron-elektronnya dapat bergerak bebas sehingga proses pelapisan dapat berlangsung dengan baik dan logam dapat menempel baik pada katoda.
3. Larutan pelapis (elektrolit)
Didalam larutan pelapis terdapat ion-ion logam pelapis yang sering disebut “Bath”.
4. Anoda
Anoda adalah terminal positif, dihubungkan dengan kutub positif dari sumber arus listrik. Anoda dalam larutan elektrolit ada yang larut dan ada yang tidak. Anoda yang tidak larut berfungsi sebagai
17
penghantar arus listrik saja, sedangkan anoda yang larut berfungsi selain penghantar arus listrik juga sebagai bahan baku pelapis. 2.2.3 Proses Elektroplating
Pada prinsipnya pelapisan logam dengan cara Elektroplating merupakan rangkaian dari arus listrik, anoda, katoda (benda kerja) dan larutan elektrolit. Rangkaian diatas disusun sedemikian rupa sehingga membentuk suatu sistem elektroplating dengan rangkaian sebagai berikut:
Anoda dihubungkan pada kutup positif dari sumber arus listrik.
Katoda dihubungkan pada kutup negative dari sumber arus listrik.
Anoda dan katoda direndam dalam larutan elektrolit
Bila arus listrik (potensial) searah dialirkan antara kedua elektroda anoda dan katoda dalam larutan elektrolit, maka muatan ion positif ditarik oleh elektroda katoda. Sementara ion bermuatan negative berpindah kearah elektroda bermuatan positif. Ion-ion tersebut dinetralisir oleh kedua elektroda dan larutan elektrolit yang hasilnya diendapkan pada elektroda katoda.
2.2.4 Pengertian Baja karbon
Baja karbon adalah baja yang sifat-sifatnya dipengaruhi oleh kadar karbonnya. Oleh karena itu, pada umumnya sebagian besar baja hanya mengandung karbon dengan sedikit unsur paduan lainnya. Berdasarkan kandungan karbon, baja karbon dibagi menjadi tiga macam yaitu:
18 a. Baja karbon rendah (Low carbon steel)
Baja karbon rendah adalah baja yang mengandung kadar karbon kurang dari 0,25% C. Baja karbon rendah merupakan baja yang paling murah diproduksi diantara semua karbon, mudah dilas, serta keuletan dan ketangguhannya sangat tinggi tetapi kekerasannya rendah dan tahan aus. Sehingga pada penggunaannya, baja jenis ini dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen bodi mobil, struktur bangunan, pipa gedung, jembatan, pagar, dan lain-lain. b. Baja karbon sedang (Medium carbon steel)
Baja karbon sedang adalah baja yang mengandung kadar karbon 0.25%C – 0.5%C. Baja karbon sedang memiliki kelebihan jika dibandingkan dengan baja karbon rendah yaitu kekerasannya lebih tinggi dari pada baja karbon rendah, kekuatan tarik dan batas regang yang tinggi, tidak mudah dibentuk oleh mesin, lebih sulit dilakukan untuk pengelasan, dan dapat dikeraskan (quenching) dengan baik. Baja karbon sedang banyak digunakan untuk poros, rel kereta api, roda gigi, pegas, baut, komponen mesin yang membutuhkan kekuatan tinggi, dan lain-lain.
c. Baja karbon tinggi (High Carbon Steel)
Baja karbon tinggi adalah baja yang mengandung kadar karbon 0,5% C - 1,7% C. Memiliki tahan panas yang tinggi, kekerasan tinggi, namun keuletannya lebih rendah. Baja karbon tinggi mempunyai kekutan tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk material tools.
19
Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat baja dan kabel baja. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung di dalam baja maka baja karbon ini banyak digunakan dalam pembuatan pegas dan alat-alat perkakas seperti palu, gergaji atau pahat potong. Selain itu, baja jenis ini banyak digunakan untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, pisau cukur, mata gergaji, dan sebagainya.
Pada penelitian ini bahan yang digunakan untuk dilapisi adalah baja karbon ST 40 . Baja ST 40 termasuk baja karbon rendah dengan kandungan karbon kurang dari 0,3 %. ST 40 ini menunjukan bahwa baja ini dengan kekakuan tarik ≤ 40 kg / . (diawali dengan ST dan diikuti bilangan yang menunjukan kekuatan tarik minimumnya dalam kg/ ). Baja ST 40 ini secara teori mempunyai nilai kekerasan yang lebih rendah dibandingkan dengan besi cor.
2.2.5 Bahan Pelapis Logam a) Nikel
Nikel adalah unsur kimia metalik dalam table periodik yang memiliki simbol Ni, merupakan logam yang mempunyai sifat hantaran arus dan panas yang baik. Nikel digunakan sebagai pelapis dasar karena dapat menutup permukaan bahan yang dilapisi dengan baik. Nikel yang memiliki simbol Ni pada table periodik ini terletak pada periode 4 Golongan VIII-B, dengan nomor atom 28 dan massa atom 58.71. Nikel memiliki massa jenis 8.902 g/ , titik lebur 1455 ºC, dan titik didih 2827 ºC. Nikel mempunyai sifat tahan karat, dalam keadaan murni nikel bersifat lembek, tetapi jika
20
dipadukan dengan besi, krom dan logam lainnya, dapat membentuk baja tahan karat yang keras (Anonymous B, 2012).
Unsur nikel berhubungan dengan batuan basa yang disebut norit. Nikel ditemukan dalam mineral pentlandit dalam bentuk lempeng-lempeng halus dan butiran kecil bersama pyrhotin dan kalkoporit. Nikel biasanya terdapat pada tanah yang terletak diatas batuan basa. Nikel pertama kalinya ditemukan oleh A.F. Cronstedt pada tahun 1751, merupakan logam berwarna putih keperak-perakan yang berkilat, keras dan mulur, tergolong dalam logam peralihan. Sifat tidak berubah bila terkena udara, tahan terhadap oksidasi dan kemampuan mempertahankan sifat aslinya dibawah suhu yang ekstrim. Karena itu nikel lazim digunakan dalam berbagai aplikasi komersial dan industri. Nikel juga sangat penting dalam pembentukan logam campuran terutama baja tidak berkarat (stainlesssteel) (Ghanie,2011).
b). Tembaga
Tembaga (Cu) merupakan logam yang banyak sekali digunakan, karena mempunyai sifat hantaran arus dan panas yang baik. Tembaga adalah logam kemerahan dengan struktur berpusat muka kristal kubik. Logam ini memantulkan cahaya merah dan jingga dan menyerap frekuensi lain dalam spektrum. Titik lebur (melting point) adalah C, Titik didih adalah C. Logam ini lunak, ulet, dan konduktor yang sangat baik dari panas dan listrik. Logam ini lebih lunak dari seng dan
21
dapat dipoles agar menjadi cerah. Tembaga ditemukan dalam kelompok tabel periodik, bersama dengan perak dan emas. Tembaga memiliki ketahanan kimia terhadap asam. Dalam udara lembab perlahan-lahan membentuk selaput permukaan kehijauan disebut patina lapisan ini melindungi logam dari serangan lebih lanjut. Kebanyakan tembaga digunakan untuk peralatan listrik (60%), konstruksi, seperti atap dan pemipaan (20%), mesin industri, seperti penukar panas (15%) dan paduan (5%). Paduan tembaga + timah putih + seng + timbel adalah perunggu, yang cukup kuat untuk membuat senjata meriam dan pistol, kuningan adalah (paduan tembaga+seng), tembaga dan nikel yang dikenal sebagai cupronickel, logam yang lebih disukai untuk membuat uang koin. Tembaga sangat ideal untuk jaringan kabel listrik karena mudah bekerja, dapat ditarik menjadi kawat halus dan memiliki konduktivitas listrik tinggi. Sifat-sifat tembaga adalah sebagai berikut :
1. Titik leleh : C, titik didih : C. Berat jenis tembaga sekitar 8.92 gr/cm3.
2. Dapat ditempa, dibengkokan dan merupakan penghantar panas dan listrik.
3. Logam berwarna kemerah-merahan dan berkilauan.
2.2.6 Pengujian Foto Mikro
Pada pengujian pengamatan foto mikro ini dilakukan dengan memperbesar tampilan permukaan spesimen hingga 40x. Pengamatan ini bekerja dengan cara menyinari permukaan spesimen yang telah
22
diapasang pada dudukan spesimen lalu akan memantulkan sinar kembali kearah lensa mikroskop elektron dengan warna gelap terang yang berbeda pada tiap bagian permukaan spesimen. Selanjutnya dapat diambil gambar pada bagian yang diinginkan dari tampilan yang tampak pada layar. Pada pengujian ini standart uji yang digunakan dalam pengujian ini adalah standart persiapan sebelum uji struktur mikro (ASTM E3) dan pelaksanaan uji struktur mikro. ASTM E3 (Standart practice for
preparation of metallographic spesimens) berisi tentang persiapan
sebelum pelaksanaan foto mikro seperti pemilihan permukaan pada spesimen, pembuatan ukuran dan juga tahapan pemotongan pada spesimen, pembersihan dan penghalusan permukaan spesimen, pelapisan spesimen (resin), proses penggerindaan, dan polishing (ASTM E3).
2.2.7 Pengujian kekerasan mikro vickers
Pada tahun 1925, Smith dan Sandland dari Inggris mengembangkan tes kekerasan dengan metode lekukan menggunakan indentor segi empat berbentuk piramida yang terbuat dari berlian, seperti pada Gambar 2.4. Tes ini dikembangkan karena tes Brinell, yang menggunakan indentor bola baja, tidak bisa menguji baja keras. Mereka memilih bentuk piramida dengan sudut 136° dengan menggunakan diagonal yang berhadapan untuk mendapatkan nilai kekerasan yang memungkinkan hasilnya mendekati nilai kekerasan Brinell untuk spesimen yang sama. Oleh karena alasan itu uji vickers mudah untuk
23
diadopsi dan cepat diterima. Tidak seperti tes rockwell, uji vickers memiliki kelebihan karena menggunakan satu skala kekerasan untuk menguji semua bahan.
Gambar 2.4 Skema indentor piramida berlian uji Vickers dan hasil lekukannya (ASTM E384)
Pada uji vickers gaya diberikan dengan perlahan, tanpa tubrukan dan ditahan selama lima sampai dengan lima belas detik. Sesuai dengan standar ASTM E384, gaya yang diberikan berkisar 10 – 1000 gf.
2.2.8 Pengujian keausan
Pengujian keausan dapat dilakukan dengan berbagai macam metode dan teknik, yang semuanya bertujuan untuk mensimulasikan kondisi keausan aktual. Salah satunya adalah metode Ogoshi dimana benda uji memperoleh beban gesek dari cincin yang berputar (revolving disc).
Pembebanan gesek ini akan menghasilkan kontak antar permukaan yang berulang-ulang yang pada akhirnya akan mengambil sebagian material pada permukaan benda uji. Besarnya jejak permukaan
24
dari material tergesek itulah yang dijadikan dasar penentuan tingkat keausan pada material. Semakin besar dan dalam jejak keausan maka semakin tinggi volume material yang terkelupas daribenda uji. Ilustrasi skematis dari kontak permukaan antara revolving disc dan benda uji diberikan oleh gambar berikut ini.
Gambar 2.5 Pengujian keausan dengan metode ogoshi (Tokyo testing machine MFG. CO. LTD)
Dengan B adalah tebal revolving disc (mm), r jari-jari disc (mm), b lebar celah material yang terabrasi (mm) maka dapat diturunkan besarnya volume material yang terabrasi :
………..………..….(2.5) Dimana :
Ws : Keausan spesifik
B : Tebal revolving disc (mm) bo : Panjang sayatan (mm) r : Jari-jari disc (mm)
25 Po : Gaya tekan (kg)
Lo : Jarak tempuh (mm)
Sebagaimana telah diketahui material jenis apapun akan mengalami keausan dengan mekanisme yang beragam, yaitu keausan adhesive, keausan abrasive, keausan fatik, dan keausan oksidasi. (Ogoshi, Tokyo Testing Machine MFG. CO. LTD)
