PROSES PELAPISAN KROMIUM PADA PELAT BAJA KARBON RENDAH ABSTRAK

Transkripsi

1 PROSES PELAPISAN KROMIUM PADA PELAT BAJA KARBON RENDAH Meilinda Nurbanasari., ST.,MT 1), Dr. Aditianto Ramelan 2), Amos PHH, ST 3) 1) Dosen Tetap Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Nasional, Bandung 2) Dosen Tetap Program Studi Ilmu danteknik Material, Institut Teknologi, Bandung 3) Alumni Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Nasional, Bandung ABSTRAK Hard Chromium plating menempati posisi penting pada industri, dikarenakan beberapa kelebihan yang dimilikinya, antara lain, memiliki kekerasan tinggi ( VHN untuk tampilan bright dan terendah VHN untuk tampilan dull), ketahanan terhadap korosi dan ketahanan yang tinggi terhadap aus sehingga dapat meningkatkan umur pakai komponen. Kelebihan-kelebihan tersebut dapat diperoleh bergantung pada kualitas pelapisan dimana kualitas tersebut sangat dipengaruhi oleh parameter antara lain seperti temperatur, waktu, rapat arus dan konsentrasi larutan. Penelitian ini menitik beratkan pada pengaruh rapat arus (variasi rapat arus adalah 50, 60, 70, 80 A/dm 2 ) terhadap kualitas permukaan lapisan yang dihasilkan, meliputi berat lapisan yang dihasilkan, kekerasan, ketebalan dan efisiensi katodik. Pelat baja yang digunakan memiliki ketebalan 1 mm yang berperan sebagai katoda dengan ukuran 10x20 mm, dan Pb sebagai anoda. Larutan elektrolit yang digunakan mengandung CrO 3, H 2 SO 4, Na 2 SiF 6 dan aqua DM. Proses pelapisan dilakukan dalam gelas kimia dengan temperatur 55 o C larutan dan menggunakan bantuan rectifier dan magnetic stirrer. Hasil pengujian menunjukkan lapisan dengan kekerasan maksimal yang diperoleh adalah 431 VHN pada temperature 55 o C dan rapat arus sebesar 60A/dm 2, lapisan dengan efisiensi katodik paling tinggi (20,99%) diperoleh pada temperatur 55 o C dan rapat arus sebesar 80A//dm 2 dan efisiensi arus katodik dan ketebalan lapisan naik seiring dengan naiknya rapat arus pelapisan. Kata kunci: Hard chromium plating, efisiensi katodik PENDAHULUAN Hard chromium plating merupakan sebuah nama yang diadopsi oleh industri untuk proses pelapisan menggunakan chromium dengan tujuan lebih kearah engineering dibanding dengan dekoratif. Kata hard atau keras, menunjukkan karakter utama hasil lapisan dengan proses ini. Proses ini diperlukan untuk benda yang pemakaiannya memerlukan ketahanan aus dan korosi yang baik, contohnya pada produk seperti poros, ring piston, cylinder liner, brake piston, tools, hydrolic rods. Hard chromium plating berbeda dengan pengertian pelapisan khrom yang dikenal secara umum dimasyarakat atau yang lebih dikenal dengan decorative chromium plating. Adapun perbedaannya 5) adalah: Hard chromium plating ditujukan untuk meningkatkan umur pakai alat dengan menyediakan lapisan krom yang tahan terhadap galling (pengelupasan), pemakaian abrasif, korosi, dan gesekan yang tinggi. Sedangkan decorative chromium plating ditujukan untuk memperbaiki kualitas tampilan dan ketahan korosi Hard chromium plating memiliki tebal lapisan antara 2,5 sampai 500 mikron dan untuk beberapa aplikasi dapat lebih tebal lagi. Sedangkan decorative chrome plating memiliki ketebalan sampai 1,3 mikron. Dengan berbagai pengecualian, hard chromium plating dilapiskan langsung terhadap logam dasarnya, sedangkan decorative chromium plating dilapiskan pada lapisan undercoat seperti tembaga atau nikel. Beberapa reaksi kimia yang terjadi pada elektroda proses hard chromium plating: a) Pada katoda: Deposisi khromium (Cr 2 O 7 ) H e - 2 Cr + 7 H 2 O Evolusi hidrogen 2 H e - H 2 Pembentukan Cr (III) (Cr 2 O 7 ) H e - 2 Cr H 2 O ISBN: MB/BT- 99

2 b) Pada anoda Evolusi oksigen 2 H 2 O O H e - Oksidasi ion khrome 2 Cr H 2 O 2 CrO H e - Produksi lead dioxide pada anoda Pb + 2H 2 O PbO H e - Porsi penggunaan daya tiap reaksi kimia pada katoda adalah sebagai berikut: Evolusi hidrogen % Deposisi khromium % Pembentukan Cr (III) 0 5 % Sedangkan pada anoda, penggunan daya yang tertinggi adalah pada proses evolusi hidrogen. Namun demikian kedua reaksi lainnya sangatlah penting. Reoksidasi Cr(III) pada anoda membantu menyeimbangkan produksi di katoda dan menjaga kadar Cr 3+ pada jumlah yang cukup. Kemudian pembentukan lapisan lead oxide dapat mencegah terbentuknya lead chromate yang menyebabkan anoda tidak menjalankan fungsinya mengatur kadar Cr 3+ di wadah (bath). Selain lead oxide, dapat juga digunakan lead peroxide dengan menggunakan larutan H 2 SO 4. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Diagram reaksi pada katoda dan anoda 3). Dekomposisi Hidrida Chromium Deposisi chromium menurut Snavely 4) disebabkan oleh pembentukan hidrida chromium yang tidak stabil selama proses pelapisan. Hidrida dapat didepositkan dalam bentuk kristal HCP dan kristal FCC. Pada struktur kristal HCP, hidrida berupa Cr 2 H atau CH, sedangkan pada FCC berupa CrH atau CrH 2. Pada temperatur kamar reaksi dapat terjadi secara spontan, dan setelah pelapisan selesai masih dijumpai kisi tidak stabil HCP. Hidrida Cr 2 H dan CrH 2 berbentuk struktur HCP terdekomposisi menjadi chromium berstruktur BCC dan hidrogen bebas. Cr 2 H (HCP) Cr 2 (BCC) + H + 2CrH 2 (HCP) Cr 2 (BCC) + 2H + Sedangkan CrH dan CrH 2 dalam bentuk struktur FCC terdekomposisi menjadi BCC mengikuti reaksi sebagai berikut: 2CrH (FCC) Cr 2 (BCC) + 2H + 2CrH 2 (FCC) Cr 2 (BCC) + 4H + Hidrogen bebas ini dapat berikatan dengan atom hidrogen lain menghasilkan hydrogen embrittlement. Karenanya hasil pelapisan menyebabkan timbulnya retak. Disamping itu, dekomposisi hidrida chromium berstruktur HCP dan FCC menjadi chromium BCC diikuti dengan penyusutan volume lebih dari 15 %. Teori tentang penyusutan volume ini dijelaskan oleh Arkarov 5. Menurutnya retak yang terjadi berhubungan dengan kisi kristal chromium saat pelapisan. Pembentukan ini didahului dengan konsentrasi atom logam dalam samatoid (grup atom kecil tanpa kisi kristal), pada saat mengkristal timbul perubahan volume ( ρ Cr (HCP) = 6,08 g/cm 3 dan ρ Cr (BCC) = 7,21 g/cm 3 ). Perubahan volume ini menyebabkan tegangan dalam dan penetrasi atom hidrogen bebas, kemudian pada akhirnya mengarah pada terjadinya retak. ISBN: MB/BT- 100

3 METODOLOGI PENELITIAN Tahapan pengerjaan penelitian dapat dilihat pada bagan berikut: Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: 1. Katoda (baja) 2. Anoda (Pb) 3. Termometer 4. Rectifier 5. Magnetic stirrer 6. Larutanleketrolit 7. Pemanas dan pemutar magnet 8. Gelas kimia Gambar 2. Susunan alat dalam pengujian Preparasi Spesimen Spesimen yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah pelat baja yang akan dilapis (katoda) dan timbal yang menjadi anoda. Baja (katoda) a) Pelat baja yang akan dilapisi berukuran setebal 1 mm dengn ukuran 10 mm x 20 mm, b) Pembersihan menggunakan ampelas berukuran grid 600 sampai 1000, untuk menghaluskan permukaan, membersihkan pelat dan mengikis permukaan yang tidak rata. c) Pembersihan pelat dengan air bersih, kemudian dikeringkan d) Penimbangan pelat baja dengan menggunakan timbangan digital (4 digit) e) bagian permukaan pelat yang tidak dilapis, ditutup dengan plester isolasi f) Anodic etching, menggunakan larutan H 2 SO gr/l pada temp. kamar selama 30 detik g) Pembersihan dengan air untuk menghilangkan sisa larutan H 2 SO 4 Timbal (anoda) a) Pelat timah hitam (timbal) setebal 1 mm berukuran 30 mm x 30 mm. b) Pembersihan menggunakan ampelas berukuran grid 600 sampai 800. c) Pembersihan menggunakan air bersih, kemudian dikeringkan. Proses Pelapisan Pada proses electroplating, susunan alat seperti pada Gambar 2. Logam yang akan dilapis dihubungkan pada kutub negatif pada rectifier (katoda), dan Pb pada kutub positifnya (anoda). Pemanasan dilakukan oleh pemanas listrik sebesar 55 o C dengan rapat arus divariasikan : 50, 60, 70, 80 A/dm 2, dan pengadukan menggunakan sebuah motor listrik yang dibuat dengan pengaduknya dari kayu dan menggunakan adaptor dengan variasi tegangan sehingga dapat diatur kecepatannya. Larutan yang digunakan adalah mixed catalyst dengan komposisi: CrO 3 = 250 g/l; H 2 SO 4 = 1g/l; Na 2 SiF 6 = 5 g/l dan Agqua DM. ISBN: MB/BT- 101

4 Perhitungan Efisiensi Arus Pelapisan Setelah proses pelapisan selesai, spesimen dicuci, dikeringkan, kemudian ditimbang untuk mengetahui efisiensi arus katodik. Perhitungannya diawali dengan penentuan massa endapan jika seluruh arus (100%) digunakan untuk proses pelapisan. Berdasar pada hukum Faraday 6) : I t M m (1) n F Dimana: m = massa terendap (g) I = arus yang digunakan (A) M = berat molekul CrO 3 = 100 t = waktu pelapisan (detik) F = konstanta Faraday = n = jumlah elektron yang terlibat pada reaksi elektro kimia = 6 Efisiensi arus pelapisan =..(2) Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan lapisan hard chromium plating dilakukan menggunakan alat uji keras microvickers, dengan beban 200 gf. Pengukuran kekerasan dilakukan pada penampang melintangnya. Pengukuran Ketebalan Ketebalan lapisan chromium diukur menggunakan mikroskop optik. Spesimen di mounting dan bagian penampang spesimen diampelas hingga terlihat logam dasar (baja) dan pelapisnya (Cr). Kemudian dari gambar yang diperoleh dapat diukur tebal lapisan khromiumnya dengan menggunakan grid yang ada dengan bantuan software OMNINET Boehler. SEM dan EDS SEM (Scanning Electron Microscope) merupakan mikroskop yang menggunakan berkas elektron untuk memindai permukaan speaimen sehingga didapat citra topografi dengan perbesaran maksimum hingga kali. SEM yang digunakan terintegrasi dengan EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) dan digunakan untuk mendeteksi adanya kandungan unsur. DATA DAN ANALISA Data Material Bahan Dasar Untuk mengetahui komposisi kimia dari pelat baja yang digunakan sebagai base metal, dilakukan analisa spectrometer. Hasil yang diperoleh adalah C = 0,05051 % dan Fe = 99,5927 %. Dari pengujian kekerasan baja base metal memiliki kekerasan 143,6 VHN. Hasil OES di atas diperkuat dengan hasil analisis struktur mikro (gambar 3) yang dilakukan di laboratorium logam, ITB. Gambar 3. Struktur mikro base metal yang dilapis (1000x) ISBN: MB/BT- 102

5 Ketebalan (um) Kekerasan (VHN) Tabel I: Data Hasil PElapisan, Massa Lapisan dan Efisiensi Katodik dan Kekerasan Hubungan Antara Parameter yang Berpengaruh Dari data hasil pelapisan, diperoleh beberapa hubungan sebagai berikut : Ketebalan VS Rapat Arus Kekerasan VS Rapat Arus Rapat Arus (A/dm2) Rapat Arus (A/dm2) Gambar 4: hubungan ketebalan & rapat arus. Gambar 5: hubungan kekerasan & rapat arus Gambar 4 menunjukkan ketebalan lapisan yang terjadi naik seiring dengan kenaikan rapat arus yang terjadi dan ketebalan yang terendah pada rapat arus 40 A/dm 2. Standard deviasi yang terjadi pada setiap variasi rapat arus cukup kecil, dan menunjukkan ketebalan lapisan cukup merata, kecuali pada rapat arus 80 A/dm 2. Hal ini terjadi karena rapat arus, temperatur yang terjadi tidak dapat dijaga konstan karena semakin tinggi arus, panas yang terjadi akibat proses pelapisan semakin tinggi. Hal ini semakin sulit ketika jumlah larutan yang digunakan sedikit. Dari gambar 5 dapat disimpulkan bahwa kekerasan lapisan maksimal terjadi pada rapat arus tertentu (60 A/dm 2 ), kemudian turun. Gambar 6: Hubungan massa lapisan & rapat arus Gambar 7:.Hubungan efisiensi katodik & rapat arus Dari gambar 6 terlihat bahwa massa endapan naik seiring dengan kenaikan rapat arus. Namun pada rapat arus 80 A/dm 2 massa lapisan turun. Hal ini juga disebabkan oleh temperatur lapisan yang tidak dapat dijaga stabil. Dari gambar 7 didapat pengaruh kenaikan rapat arus dengan efisiensi katodik adalah berbanding lurus. Hal ini dapat kita ketahui langsung dari rumus hokum Faraday (persamaan 1). Efisiensi katodik yang paling tinggi terjadi pada rapat arus 80 A/dm 2. ISBN: MB/BT- 103

6 Metalografi Permukaan Metalografi permukaan dilakukan dengan SEM dan EDS. Berikut adalah Hasil gambar SEM : Gambar 8. SEM hard chrom plating Pada permukaan spesimen Dari gambar 8 terlihat butiran hasil deposisi yang berbentuk bulat (ukuran ± 10 m) adalah hasil lapisan dari chromium. Dari gambar tersebut juga terlihat belum terbentuknya crack pada hasil lapisan, dimana bila ada crack yang terbentuk hasil lapisan akan semakin keras. Lapisan chromium yang terbentuk ini terjadi akibat adanya ikatan adhesi antara chromium dan base metal. Kesimpulan Berdasarkan analisa data yang diperoleh dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa : 1. Lapisan dengan kekerasan maksimal adalah 431 VHN pada temperatur 55 o C dan rapat arus sebesar 60 A/dm Lapisan dengan efisiensi katodik paling tinggi (20,99%) diperoleh pada temperatur 55 o C dan rapat arus sebesar 80 A/dm Efisiensi arus katodik dan ketebalan lapisan naik seiring dengan naiknya rapat arus pelapisan 4. Dari Tabel 1 terlihat bahwa ketebalan pada spesimen 5 hasilnya sangat scattered hal ini disebabkan oleh ketidak homogenan temepratur pada rapat arus 80 A/dm 2. Saran 1. Melakukan pelapisan pada jumlah larutan yang lebih banyak atau tersirkulasi dengan baik untuk menghindari kenaikan temperatur yang tidak terkendali 2. Meneliti pengaruh jenis dan bentuk base metal terhadap distribusi kekerasan dan ketebalan dari lapisan. DAFTAR PUSTAKA 1. ASM handbook Volume 5, Surface Engineering 9 th Ed, Material Park OH, Callister, W.D., Materials Science and Engineering: An Introduction 4 th Edition, John Wiley & Sons, Inc., Rakhmat Himawan, Pengaruh Konsentrasi CrO 3 dalam Larutan, Waktu Pelapisan dan Jenis Anoda terhadap Kualitas Hard Chromium Plating pada Pelat Baja Tugas Sarjana Program Studi Teknik Material, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Andrie Astiandi, Pengaruh Temperatur dan Rapat ArusTerhadap Kualitas Lapisan Hard Chromium Plating pada Ring Piston Besi Cor Kelabu Tugas Sarjana Bidang Teknik Produksi dan Metalurgi, Departemen Teknik Mesin, ITB, Popov, K.I., Djokie, S.S., Grgur, B.N., Fundamental Aspects of Electrometallurgy Kluwer Academic, New York, ISBN: MB/BT- 104

7 ISBN: MB/BT- 105