BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Baja Baja merupakan paduanyang terdiri dari besi karbon dan unsur lainnya. Baja dapat dibentuk melalui pengecoran, pencanaiaan atau penempaan. Karbon merupakan salah satu unsur terpenting karena dapat meningkatkankekerasan dan kekuatan baja. Baja merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam teknik, dalam bentuk pelat, lembaran, pipa, batang, profil dan sebagainya berdasarkan unsur paduannya klasifikasi baja mengikuti SAE (Society of Automotive Engineers) dan AISI (American Iron and Steel Instate) Klasifikasi Baja Baja pada dasarnya adalah paduan besi-karbon. Selain terdiri dari besi dan karbon baja biasanya juga mengandung sejumlah unsur lain. Sebagian berasal dari pengotoran bijih besi, yang biasanya kadarnya akan di tekan serendah mungkin, sebagian lagi dari unsur yang digunakan pada proses pembuatan besi/baja. Disamping itu seringkali juga sejumlah unsur paduan sengaja ditambahkan ke dalam baja untuk memperoleh sifat tertentu. Mengingat hal ini maka dapat di bayangkan bahwa jenis baja akan sangat banyak. 8

2 9 Menurut komposisi kimianya baja dapat dibagi menjadi dua kelompok besar yaitu baja karbon dan baja paduan. Baja karbon bukan hanya mengandung besi dan karbon, tetapi juga mengandung sejumlah unsur lain dalam batas-batas tertentu yang tidak banyak berpengaruh terhadap sifatnya Baja Karbon Baja karbon merupakansalah satu jenis baja paduan yang terdiri atas unsur besi (Fe) dan karbon(c). Dimana besi merupakan unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Dalam proses pembuatan baja akan di temukan pula penambahan kandungan unsur kimia lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), mangan (Mn) dan unsur kimia lainnya sesuai dengan sifat baja yang diinginkan. Baja karbon memiliki kandungan unsur karbon dalam besi sebesar 0,2% hingga 2,14%, dimana kandungan karbon tersebut berfungsi sebagai unsur pengeras dalam struktur baja. Dalam pengaplikasiannya baja karbon sering digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan alat-alat perkakas, komponen mesin, struktur bangunan, dan lain sebagainya. Baja karbon dapat di klasifikasikan berdasarkan jumlah presentase komposisi kimia karbon dalam baja yakni sebagai berikut: 1. Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel) Baja karbon rendah merupakan baja dengan kandungan unsur karbon dalam struktur baja kurang dari 0,3% C. Baja karbon rendah ini memiliki ketangguhan dan keuletan tinggi akan tetapi memiliki sifat kekerasan dan ketahanan aus yang rendah. Pada umunnya baja jenis ini digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen struktur bangunan, pipa gedung, jembatan, bodi mobil, dan lain-lainnya

3 10 2. Baja Karbon Sedang (Medium Carbon steel) Baja karbon sedang merupakan baja karbon dengan presentase kandungan karbon pada besi sebesar 0,3% C -0,59% C. Baja karbon ini memiliki kelebihan bila dibandingkan dengan baja karbon rendah, baja karbon sedang memiliki sifat mekanis yang lebih kuat dengan tingkat kekerasan yang lebih tinggi dari pada baja karbon rendah. Besarnya kandungan karbon yang terdapat dalam besi memungkinkan baja untuk dapat dikeraskan dengan memberikan perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon sedang biasanya digunakan untuk pembuatan poros, rel kereta api, roda gigi, baut, pegas, dan komponen mesin lainnya. 3. Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) Baja karbon tinggi adalah baja karbon yang memiliki kandungan karbon sebesar 0,6% C 1,4% C. Baja karbon tinggi memiliki sifat tahan panas, kekerasan serta kekuatan tarik yang sangat tinggi akan tetapi memiliki keuletan yang lebih rendah sehingga baja karbon ini menjadi lebih getas. Baja karbon tinggi ini di perlakuan panas untuk meningkatkan sifat kekerasannya, hal ini dikarenakan baja karbon tinggi memiliki jumlah martensit yang cukup tinggi sehingga tidak akan memberikan hasil yang optimal pada saat dilakukan proses pengerasan permukaan. Dalam pengaplikasiannya baja karbon tinggi banyak digunakan dalam pembuatan alat-alat perkakas seperti palu, gergaji, pembuatan kikir, pisau cukur, dan sebagainya.

4 11 Tabel 2.1 Faktor dalam air ledeng yang dapat mempengaruhi sifat sifat baja Faktor dalam air Pengaruh pada besi dan baja ledeng Kehantaran listrik Kehantaran yang tinggi memungkinkan anoda dan listrik katoda tetap bekerja kendati terpisah jauh, jadi peluang terkena korosi meningkat dan serangan total mungkin jauh lebih parah dibanding struktur yang sama di air ledeng. Oksigen Korosi pada baja sebagian besar di kendalikan secara katodik. Oksigen, dengan mempolarisasikan katoda, mempermudah serangan jadi kandungan oksigen yang tinggi akan meningkatkan korosi. Kecepatan Laju korosi meningkatkan, khususnya bila ada aliran tolakan. Air ledeng yang bergolak mungkin : (1) Menghancurkan lapisan penghalang karat (2) Mengundang lebih banyak oksigen, selain itu benturan-benturan mempercepat penetrasi, sedangkan peronggaan memperbanyak bagian permukaan baja yang tersingkap korosi berlanjut. Temperatur Peningkatan temperatur sekitar cenderung mempercepat serangan. Air ledeng yang menjadi panas mungkin mengendapkan lapisan kerak yang protektif dengan, atau sebagian oksigennya, manapun yang terjadi sangat

5 12 cenderung berkurang. Tegangan Tegangan yang berulangan beraturan kadang-kadang mempercepat kegagalan pada struktur baja yang terkorosi. Tegangan tarik yang mendekati titik luluh juga mempercepat kegagalan dalam situasi khusus. Slit dan sediment tersuspensi Erosi pada permukaan baja oleh bahan-bahan yang tersuspensi dalam air ledeng sangat meningkatkan kecenderungan terkorosi. Pembentukan selaput Lapisan karat dan kerak mineral akan mengganggu difusi okssigen ke permukaan katoda sehinngga memperlambat serangan. 2.2 Korosi Korosi merupakan suatu proses perusakan logam melalui reaksi kimia yang disebut elektrokimia. Korosi terjadi sebagai akibat interaksi antara logam dengan sekelilingnya. Kerusakan akibat korosi sangat besar terlihatdi indonesia karena keadaan alam indonesia yang khas, lingkungan udara yang lembab, curah hujan yang tinggi serta polusi industri. Korosi pada logam disebabkan karena adanya elekrolit-elektrolit yang bersentuhan dengan permukaan logam. Elektolit tersebut biasanya berbentuk larutan garam, asam atau alkali.

6 13 Berdasarkan hal ini, maka korosi yang terjadi disebut tipe korosi basah. Sedangkan korosi yang dihasilkan dari reaksi kimia antara logam dan gas yang bukan elektrolit di klasifikasikan sebagai tipe korosi kering. 2.3 Jenis jenis korosi 1. Korosi merata (uniform corrosion) Yaitu korosi yang terjadi pada permukaan logam akibat pengikisan permukaan logam secara merata sehingga ketebalan logam berkurang sebagai akibat permukaan terkonversi oleh produk karat yang biasanya terjadi pada peralatan-peralatan terbuka, misalnya permukaan pipa. Gambar 2.1 korosi merata 2. Korosi celah (crevice corrosion) Yaitu korosi yang terjadi pada permukaan logam secara lokal. Biasanya terjadi pada logam pasif akibat dari kerusakan lapisan oksida pelindung dari logam. Korosi terjadi akibat dari adanya konsentrasi senyawa korosif pada bagian permukaan logam.

7 14 Gambar 2.2 korosi celah 3. Korosi sumuran (pitting corrosion) Yaitu korosi berbentuk lubang-lubang pada permukaan logam karena hancurnya film dari proteksi logam disebabkan oleh laju korosi yang berbeda antara satu tempat dengan tempat lainnya pada permukaan logam tersebut. Kerusakan dimulai akibat komposisi tidak homogen. Gambar 2.3 korosi sumuran 4. Korosi retak-tegangan (stress corrosion cracking) Yaitu korosi berbentuk retakan-retakan yang tidak mudah dilihat, terbentuk dipermukaan logam dan berusaha merembet kedalam. Ini terjadi pada logam-logam

8 yang banyak mendapatkan tekanan. Hal ini disebabkan kombinasi dari tegangan tarik dan lingkungan yang bersifat korosif sehingga struktur logam melemah. 15 Gambar 2.4 Korosi retak-tegangan 5. Korosi selektif (selective corrosion) Yaitu terjadi akibat terlarutnya suatu unsur yang bersifat lebih anodik dari suatu paduan, misalnya dezinfication yang melepaskan Zn dari paduan tembaga. Gambar 2.5 korosi selektif 6. Korosi erosi (erosion corrosion) Yaitu korosi yang terjadi akibat aliran fluida yang cepat dan bersifat korosif pada permukaan logam.

9 16 Gambar 2.6 korosi erosi 7. Korosi mikroba (microbiological corrosion) Yaitu korosi yang terjadi diakibatkan oleh adanya mikroba atau bakteri (micrrobiallyinduced korosi / MIC) Gambar 2.7 korosi mikroba 2.4 Mekanisme Korosi Hampir semua logam mengalami korosi yang meliputi perpindahan atau serangan elektron dalam larutan. Semua reaksi korosi dalam air melibatkan reaksi anodik, potensial yang menyertai kelebihan elektron selalu berkurang pada laju korosi. Ini merupakan dasar dari laju korosi pada pipa, tangki baja air panas, dan lain-lain.

10 17 Semua reaksi korosi larutan merupakan reaksi elektrokimia.banyak reaksi korosi melibatkan air dan juga fasa uap kondensat, reaksi korosi kering tanpa melibatkan perpindahan elektron dalam zat padat pada keadaan elktrolit dan dianggap sebagai elktrokimia. Reaksi anodik untuk logam rusak M M n+ + ne - Sebagai contoh : Fe Fe e - Reduksi dari oksigen terlarut selalu diamati dalam larutan netral dan asam. Reaksi reduksi oksidasi : O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH dan O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Pada kegiatan semua reaksi reduksi, air akan di reduksi 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH - Dari reaksi diatas diasumsikan peruraian air menjadi H + dan air mengurangi OH - dari kedua sisi reaksi. Laju korosi akan bertambah cepat jika dipengaruhi oleh peningkatan temperatur, adanya beda potensial antara dua logam, adanya perlakuan panas pada logam dan jika ada tegangan atau adanya stress pada logam.

11 Termodinamika korosi Termodinamika adalah suatu paham ilmu yang mempelajari keadaan keseimbangan yang terjadi terhadap sistem dan akibat dari pengaruh luar pada sistem kesetimbangan. Hukum termodinamika adalah suatu hukum empirik dimana material menerima panas ataupun energi dalam bentuk yang lain. Pada sistem elektrokimia atau korosi, termodinamika dapat digunakan untuk mengetahui apakah suatu reaksi terjadi secara spontan ataupun tidak. Apabila logam tersebut beraksi, dapat diketahui bagaimana reaksi yang terjadi, kemana arah reaksi tersebut. Diagram yang menggambarkan hubungan antara ph dengan Potensial, untuk mengetahui aspek termodinamika suatu reaksi elektrokimia atau reaksi korosi biasa disebut dengan Diagram pourbaix. Diagram ini disusun berdasarkan kesetimbangan termodinamika antara logam dengan air dan dapat menunjukan kesetabilan dari beberapa fasa secara termodinamika. Diagram ini sangat berguna untuk memprediksikan reaksi dan produk korosi dari suatu material pada lingkungan dengan derajat kesamaan tertentu. Namun diagram ini tidak dapat digunakan untuk penentuan laju korosi dari sebuah material. Berdasarkan termodinamikanya, keadaan suatu logam terbagi menjadi 3 didalam suatu diagram pourbaix. 1. Imune Adalah daerah dimana logam berada dalam keadaan aman terkindungi dari korosi 2. Passive Adalah daerah dimana logam akan membentuk suatu lapisan pasif pada permukaannya dan terlindung dari peristiwa korosi

12 19 3. Corrosion Adalah daerah dimana logam akan mengalami peristiwa korosi Gambar 2.8 diagram Pourbaix 2.6 Laju Korosi Laju korosi di definisikan sebagai banyaknya logam yang dilepas tiap satuan waktu pada permukaan tertentu. Laju korosi umumnya dinyatakan dengan satuan mils per year (mpy). Satu mils adalah setara dengan 0,001 inchi. Laju korosi dapat dirumuskan sebagai berikut : Mpy = 534w DAT...(2.1) Dimana : W = Berat yang hilang (mg) D = Densitasdari sampel uji yang digunakan (g/cm 3 ) A = Luas area dari sampel uji yang digunakan (cm 2 ) T = Waktu (jam)

13 Faktor-faktor yang mempengaruhi laju korosi Ada beberapa faktor yang mempengaruhi laju korosi yaitu: 1. Jenis logam dan struktur makroskopis logam a. Semakin inert suatu logam, maka semakin tahan logam tersebut terhadap korosi. b. Tidak homogennya susunan dari suatu logam, maka akan menimbulkan sel korosi pada logam itu sendiri. 2. Komposisi dan konsentrasi larutan elektrolit 1) Konduktivitas Naiknya konduktivitas suatu larutan, maka daya hantar listrik larutan tersebut akan semakin baik, akibatnya laju korosi lebih cepat terjadi. Adanya ion klorida (CL - ) dalam larutan elektrolit akan meningkatkan konduktivitas larutan tersebut, sehingga aliran arus korosi akan lebih meningkat. 2) ph Kenaikan laju korosi pada logam besi terjadi pada ph dibawah 4 dan diatas 12, hal ini disebabkan kerena lapisan pelindung pada besi tidak terbentuk. 3) Gas terlarut Oksigen terlarut akan meningkatkan reaksi katoda sehingga logam akan semakin teroksidasi (terkorosi). Laju korosi dipengaruhi oleh bermacammacam kondisi fisik yang terdapat dalam suatu sistem seperti :

14 21 1) Temperatur Temperatur yang tinggi akan mempengaruhi laju korosi. Pada sistem tertutup laju korosi akan terus bertambah, sedangkan pada sistem terbuka kenaikan temperatur akan mengakibatkan penurunan kelarutan gas O 2, dan akan menurunkan laju korosi pada titik tertentu. 2) Tekanan Kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan gas terlarut, dengan konsekuensi akan menaikan laju korosi pada sistem. 3) Kenaikan air fluida Adanya kecepatan air fluida yang berbeda-beda akan menentukan jenis korosi yang dapat terjadi. Korosi yang sering di timbulkan akibat faktor ini adalah korosi erosi. 2.7 Pencegahan Korosi lain : Beberapa tindakan yang dapat di lakukan untuk mencegah terjadinya korosi antara 1. Proteksi Anodik Proteksi anodik dapat dilakukan dengan cara menambah atau menaikkan potensial logam tersebut, hal tersebut dapat dilakukan dengan menambahkan bahan kimia yang disebut inhibitor.inhibitor yang pada umumnya dapat dipakai untuk menurunkan laju korosi pada baja adalah garam nitrit, garam nitrat dan garam karbonat.inhibitor tersebut akan

15 membentuk lapisan pasif pada permukaan logam,sehingga logam akan menjadi terproteksi secara anodik Proteksi Katodik Proteksi katodik dapat dilakukan dengan cara mengeleminasikan pasangan logam pada saat merancang. Pemilihan logam harus sesuai dengan deret Galvanik untuk melindungi logam yang satu.prinsipnya proteksi katodik dilakukan dimana syaratnya logam yang melindungi harus memiliki harga potensialnya lebih rendah dari logam yang dilindungi. 2.8 Inhibitor Inhibitor adalah suatu zat kimia yang dapat menghambat atau memperlambat suatu reaksi kimia. Bekerja secara khusus, inhibitor korosi merupakan suatu zat kimia yang mana bila ditambahkan kedalam suatu lingkungan tertentu dan dapat menurunkan laju korosi dari logam terhadap lingkungan sekitar. Penambahan inhibitor dilakukan dengan jumlah sedikit, baik secara kontinu maupun periodik menurut suatu selang waktu tertentu dan laju korosi akan menurun secara drastis atau memberikan efek yang cepat dan baik. Adapun mekanisme kerjanya dapat di bedakan sebagai berikut : 1) Inhibitor teradsorpsi pada permukaan logam, dan membentuk suatu lapisan tipis dengan ketebalan beberapa molekul inhibitor. Lapisan ini tidak dapat dilihat oleh mata biasa, namun dapat menghambat penyerangan lingkungan terhadap logamnya. 2) Melalui pengaruh lingkungan (misal ph) menyebabkan inhibitor dapat mengendap dan selanjutnya teradsorpsi pada permukaan logam serta melindunginya terhadap

16 23 korosi. Endapan yang terjadi cukup banyak, sehingga lapisan yang terjadi dapat teramati oleh mata. 3) Inhibitor lebih dulu menkorosi logamnya, dan menghasilkan suatu zat kimia yang kemudian melalui peristiwa adsorpsi dari produk korosi tersebut membentuk suatu lapisan pasif pada permukaan logam. 4) Inhibitor menghilangkan kontituen yang agresif dari lingkungannya. Terdapat beberapa jenis inhibitor yaitu: 1. Passivating inhibitor atau inhibitor pemasif 2. Catodic inhibitor atau inhibitor katodik 3. Organic inhibitor atau inhibitor organis 4. Precipitate inducing inhibitor atau inhibitor penyebab pengendapan 5. Vapor phase inhibitor atau inhibitor berbentuk uap Passivating inhibitor Passivating inhibitor adalah jenis inhibitor yang paling efektif dari seluruh jenis inhibitor lainnya karena dapat melumpuhkan pengkaratan hampir secara menyeluruh namun jenis inhibitor ini disebut sebagai inhibitor yang sangat berbahaya, karena dalam kondisi tertentu justru akan mempercepat pengkaratan. Terdapat dua jenis passivating inhibitor yakni anion yangmengaksidasi seperti misalnya kromat, nitrit dan nitrat yang dapat memasifkan baja jika tidak terdapat oksigen dan ion yang tidak mengoksidasi (non oxidizing ions) seperti misalnya fosfat, tungstat dan molibdat yang memerlukan keberadaan oksigen untuk memasifkan baja. Adapun mekanisme pelambatan karat melalui proses pasifasi baja adalah sebagai berikut:

17 24 Misalnya Natrium Karbonat (Na 2 CO 3 ), proses proteksi Natrium Karbonat pada permukaan baja terhadap serangan karat adalah melalui terbentuknya formasi kombinasi antara adsorpsi (pengumpulan gas atau cairan di permukaan) dengan formasi oksida. Adsorpsi membantu penetralisasi anoda sehingga memiliki potensial yang cukup untuk membentuk selapis tipis oksida ferric yang terhidrasi dan melindungi baja. Karena film oksidasi tersebut tidak tampak pada permukaan baja. Peralatan yang dilapisi Natrium Karbonat tampak mengkilat walaupun berada dalam lingkungan yang agresif. Film oksida merupakan campuran antara oksida ferrik dan kromik akan selalu terpelihara ketebalan dan keberadaannya karena adanya proses adsorpsi dan oksidasi dengan sedikit kehilangan metal selama senyawa Natrium Karbonat selalu berada di dalam larutan. Passivating inhibitor juga merupakan unsur pemercepat proses pengaratan kalau dalam keadaan konsentrasi rendah, karena pada hakikatnya merupakan lapisan yang konduktif dan bersifat katodik terhadap baja, sehingga praktis baja yang pasif keseluruhannya terdiri dari daerah yang katodik. Apabila lapisan passif rusak akibat goresan atau larut, dan apabila unsur karbonat tidak banyak untuk memperbaiki film yang rusak tersebut, maka bagian baja yang terbuka karena filmnya rusak tersebut menjadi suatu bagian anodik yang kecil ditenah-tengah bagian katodik yang sangat besar atau luas, sehingga akan terjadi proses pengkaratan pada bagian yang anodik dengan sangat cepat dan menghasilkan pitting atau sumuran Cathodic inhibitor Pelambatan karat (inhibition) dengan mempolarisasikan reaksi katodik, dapat dilaksanakan dengan beberapa cara dan beberapa contoh telah dikemukakan. Tiga kategori

18 utama tentang inhibitor yang mempengaruhi reaksi katodik adalah racun katoda, endapan katoda dan scavengers (pemulung) 25 a) Racun Katoda Adalah suatu zat yang mengganggu reaksi dan diberi nomor 1 atau 2, misalnya pembentukan atau hidrogen menjadi gas hidrogen pada permukaan metal yang berkarat. Laju reaksi katoda diperlambat, karena reaksi katodik dan anodik harus berlanjut pada laju yang sama, seluruh proses pengkaratan menjadi lambat pula. Beberapa racun katoda seperti asam sulfida dan selenida teradsopsi pada permukaan metal, senyawa lain seperti arsenik bismut dan antimon teredusir pada katoda untuk mengendap menjadi lapisan dari metal-metal tersebut. Sulfida dan selenida pada umumnya tidak merupakan inhibitor karena zat tersebut tidak mudah larut dalam larutan asam, bahan tersebut mengendapkan banyak ion logamlogam dan beracun. b) Endapan Katoda Inhibitor tipe endapan katoda yang paling banyak dipakai adalah senyawa karbonat dengan kalsium dan magnesium. Hal ini disebabkan persenyawaan ini terjadi dalam air alami dan inhibitasi dengan senyawa tersebut biasanya diperlukan pengaturan ph saja. c) Pemulung Oksigen (Oxygen Scavenger) Pengkaratan baja dalam air dengan ph diatas 6,0 biasanya disebabkan oleh adanya zat asam yang larut dalam air tersebut yang mendepolarisasi reaksi katoda. Air netral yang mengandung sedikit garam yang berequilibirum dengan udara pada 21 C akan mengandung sekitar 8 ppm zat asam yang larut didalam air. Konsentrasi zat asam ini akan menurun dengan naiknya konsentrasi garam dan naiknya suhu. Sedangkan untuk menyebabkan kenaikan laju

19 pengkaratan yang serius pada sistem yang dinamis hanya diperlukan penambahan 0,1 ppm zat asam larut Inhibitor Organik Senyawa organik banyak yang bersifat menghambat proses pengkaratan yang tidak dapat digolongkan sebagai besifat katodik atau anodik. Secara umum dapat dikatakan bahwa zat ini mempengaruhi seluruh permukaan metal yang sedang berkarat apabila diberikan dalam konsentrasi secukupnya, kemudian kedua daerah katodik dan anodik dihambat namun dalam tingkat yang berbeda, tergantung pada potensial metal terkait, susunan kimiawi dari molekul zat inhibitor, dan ukuran molekulnya Inhibitor Penyebab Pengendapan (Precipitate Inducing Inhibitor) Inhibitor penyebab pengendapan adalah sejenis senyawa pembentuk film yang menutupi keseluruhan permukaan metal sehingga secara tidak langsung mengganggu daerah katoda dan anoda sekaligus. Jenis yang paling umum dari inhibitor ini adalah silikat dan fosfat Inhibitor Bentuk Uap (Vapor Phase Inhibitor) Inhibitor bentuk uap (VPI) adalah senyawa yang dialirkan di dalam sistem tertutup ke bagian berkarat denan penguapan dari asalnya. Di dalam ketel uap, dasar senyawa yang mudah menguap (Volatif) seperti morpholine atau ethyline dinamine dicampur dengan uap air untuk mencegah karat di dalam tube kondenser dengan menetralisir karbon dioksida yang bersifat asam.

20 Efisiensi Inhibitor Efisiensi inhibitor menunjukan presentase penurunan laju korosi akibat penambahan inhibitor. Persamaannya adalah sebagai berikut : Efisiensi inhibitor = xa xb XA x 100%...(2.2) Dimana : X A = Laju korosi pada wadah tanpa inhibitor X B = Laju korosi pada wadah dengan penambahan inhibitor