Pelapisan NiCo/Cr dengan Gabungan Teknik Elektroplating dan Pack-Cementation untuk Meningkatkan Ketahanan Korosi dan Kekerasan Baja Karbon Rendah (Fredina Destyorini) Akreditasi LIPI Nomor: 377/E/2013 Tanggal 16 April 2013 Pelapisan NiCo/Cr dengan Gabungan Teknik Elektroplating dan Pack-Cementation untuk Meningkatkan Ketahanan Korosi dan Kekerasan Baja Karbon Rendah FREDINA DESTYORINI, ENI SUGIARTI, DAN KEMAS A. ZAINI THOSIN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan PUSPIPTEK Serpong-Tangerang Selatan E-mail: fredina_destyorini@yahoo.com Diterima: 2 April 2013 Revisi: 3 Mei 2013 Disetujui: 15 Mei 2013 ABSTRAK: Korosi merupakan masalah yang banyak dihadapi dalam penggunaan material logam di berbagai bidang industri. Salah satu upaya untuk melindungi logam dari serangan korosi yaitu dengan melapisi permukaan logam dengan material yang memiliki ketahanan korosi yang tinggi contohnya paduan logam NiCo/Cr. Pada penelitian ini telah dilakukan pelapisan paduan NiCo/Cr pada permukaan baja karbon menggunakan metode elektroplating dan pack-cementation. Elektroplating NiCo menggunakan bahan dasar NiSO 4 dan CoSO 4 sebagai penghasil ion Ni 2+ dan Co 2+ untuk membentuk lapisan NiCo pada permukaan substrat, sedangkan pack-cementation Cr menggunakan bahan dasar berupa serbuk Cr yang dideposisikan pada permukaan substrat dengan proses difusi. Berdasarkan hasil pengamatan mikrostruktur menggunakan SEM terlihat bahwa terbentuk lapisan NiCo dengan tebal ±47 µm dan lapisan tipis Cr. Lapisan NiCo/Cr tebukti dapat meningkatkan nilai kekerasan substrat baja enam kali lipat dari 118,75 VHN menjadi 696,4 VHN, sedangkan hasil pengujian korosi dalam media asam klorida 10% (ASTM G-31), menunjukkan bahwa lapisan NiCo/Cr berhasil menurunkan laju korosi baja karbon dari 7,5 mm/year menjadi 0,67 mm/year. Substrat yang telah dilapisi NiCo/Cr tidak mengalami kerusakan dalam lingkungan HCl, sedangkan substrat tanpa lapisan NiCo/Cr mengalami kerusakan dan pengikisan akibat korosi dengan HCl. KATA KUNCI: korosi, elektoplating, pack-cementation, baja, pelapisan. ABSTRACT: Corrosion is a problem that many faced in the use of metallic materials in various industrial fields. Coat the metal surface with a material that has a high corrosion resistance alloys eg NiCo/Cr is an effort to protect the metal from corrosion attack. This research has been conducted NiCo/Cr alloy coating on the surface of carbon steel used electroplating method and pack-cementation. Based on the results of corrosion test in 10% hydrochloric acid media (ASTM G-31), NiCo/Cr layer could reduce the corrosion rate of carbon steel from 7.5 mm / year to 0.67 mm / year. The result of microstructure analysis using SEM also showed that the substrate was coated by NiCo/Cr no damage in the environment HCl reaction. Whereas the un-coated substrates were damage and erosion due to corrosion by HCl. KEYWORDS: corrosion, electoplating, pack-cementation, steel, coating. 1. PENDAHULUAN Carbon steel atau baja karbon merupakan salah satu jenis logam yang banyak diaplikasikan pada dunia industri terkait dengan penanganan asam, basa, ataupun garam. Namun jenis logam ini memiliki keterbatasan dalam hal ketahanan korosi. Asam klorida adalah salah satu jenis asam yang sangat agresif dan korosif [1]. Untuk bagian yang terpapar dalam lingkungan korosif biasanya digunakan material paduan logam berbasis nikel yang memiliki ketahanan korosi tinggi. Namun material ini masih termasuk material yang jarang dan mahal karena di Indonesia sendiri masih belum mampu memproduksi material paduan logam berbasis nikel ini. Di dunia industri, harga material merupakan salah satu faktor yang cukup dipertimbangkan dalam pemilihan material untuk menekan biaya produksi. Oleh karena itu diperlukan upaya untuk memperbaiki performa kerja dari carbon steel agar ketahanan korosinya lebih baik dan dapat diaplikasikan lebih optimal dan luas lagi. Salah satu cara untuk meningkatkan ketahanan korosi dari carbon steel yaitu dengan memberikan lapisan proteksi pada permukaan carbon steel dengan paduan logam yang memiliki ketahanan tinggi terhadap lingkungan korosif. Dengan langkah tersebut diharapkan biaya yang dikeluarkan untuk memproduksi material carbon steel yang lebih tahan terhadap korosi tidak terlalu tinggi. Paduan logam berbasis Nikel umumnya banyak dipakai sebagai material coating, yaitu paduan Nikel-Cobalt-Chrome yang telah diketahui sebelumnya memiliki banyak kelebihan diantaranya sifat mekanik yang baik dan dapat meningkatkan thermal stability [2-5]. Teknik 51
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013:51-58 ISSN: 0125-9121 pelapisan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu gabungan teknik elektroplating dan packcementation yang merupakan salah satu teknik pelapisan yang relatif mudah dikerjakan, sederhana dan ekonomis, namun cukup potensial. Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk meningkatkan ketahanan korosi dan waktu pakai material carbon steel dengan cara pelapisan Ni-Co-Cr menggunakan gabungan teknik elektroplating dan pack-cementation sehingga memungkinkan untuk diaplikasikan dengan kondisi lingkungan yang lebih agresif. 2. METODOLOGI PENELITIAN 2.1. Persiapan substrat Substrat yang digunakan pada penelitian ini yaitu baja karbon rendah. Substrat dipotong membentuk plat berukuran (15x12x3) mm 3, kemudian plat diberi lubang di bagian atas dengan diameter 1,5 mm untuk mengaitkan kawat nikel untuk keperluan proses elektroplating. Sebelum proses pelapisan, substrat digosok dengan emery paper grade 150, 400, dan 800 di bawah air mengalir, dilanjutkan dengan agitasi ultrasonic dalam larutan aceton untuk membersihkan permukaan sampel. Langkah selanjutnya yaitu penimbangan dan pengukuran dimensi substrat untuk mengetahui massa dan luasan awal. 2.2. Pelapisan Ni-Co Proses pelapisan paduan Ni-Co dilakukan dengan teknik elektroplating di dalam larutan elektrolit dengan komposisi kimia sebagai berikut: 33 g/l NiSO 4.7H 2 O; 1,65 g/l CoSO 4.6H 2 O; 4,5 g/l NiCl 2.6H 2 O; 4 g/l H 3 BO 3. Semua reagent dilarutkan dengan aquades dan ph diatur pada range 3.6 3.8. Eksperimental set-up untuk proses elektroplating terdiri dari larutan elektrolit dalam beaker glass, substrat baja karbon sebagai katoda dan nikel sebagai anoda. Anoda terpasang pada kedua sisi dinding beaker glass, sedangkan katoda berada di antaranya. Sebelum proses deposisi Ni- Co, katoda di-coating dengan larutan Ni-strike selama 30 detik. Temperatur elektrolit dipertahankan pada temperatur 50 C dengan thermostatic bath, dan proses agitasi di lakukan dengan magnetik strirrer. Waktu deposisi Ni-Co berlangsung selama 120 menit dengan rapat arus 20 ma/cm 2 konstan. 2.3. Sintering Setelah proses elektroplating katoda dicuci dengan aquades, dikeringkan, dan ditimbang. Proses elektroplating Ni-Co dilengkapi dengan tahap heat treatment pada temperatur 800 o C dan ditahan selama 5 jam untuk memaksimalkan ikatan antara lapisan Ni-Co dengan substrat. 2.4. Pack-cementation Cr Deposisi Cr pada substrat yang telah dilapisi Ni-Co dilakukan dengan teknik packcementation. Substrat dibenamkan didalam pack mixture pada wadah alumina crucible. Pack mixture terdiri dari campuran 30 wt% serbuk Cr, 10 wt% NH 4 Cl dan 60 wt% serbuk Al 2 O 3 sebagai inert filler. Pack cementation dilakukan dengan proses pemanasan pada temperatur 800 o C selama 5 jam dalam lingkungan inert(argon gas). 2.5. Uji Kekerasan Pengujian kekerasan pada penelitian ini dilakukan dengan uji kekerasan Vickers. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarnya sudut antara permukaan-permukaan piramida yang saling berhadapan adalah 136 0. Beban indentor yang digunakan sebesar 200 gf dan lama indentasi selama 15 detik. Angka kekerasan Vickers(VHN) adalah: 52
Pelapisan NiCo/Cr dengan Gabungan Teknik Elektroplating dan Pack-Cementation untuk Meningkatkan Ketahanan Korosi dan Kekerasan Baja Karbon Rendah (Fredina Destyorini) 2F sin / 2 1,854F VHN (1) 2 2 d d dimana F, d, dan berturut-turut adalah beban indentor (kg), panjang diagonal rata-rata (mm), dan sudut antara permukaan intan yang berlawanan (136 0 ). 2.6. Uji korosi Substrat yang telah dilapisi paduan NiCoCr diuji ketahanan korosinya. Pengujian korosi dilakukan dengan metode imersi sesuai ASTM G31-72. Larutan korosi yang digunakan yaitu asam klorida (HCl) 10%. Sampel ditimbang massa awal dan diukur dimensinya (panjang, lebar, dan tebal), kemudian direndam dalam larutan HCl selama 24 jam, setelah itu dicuci dengan aquades dan ditimbang massa akhirnya untuk menghitung massa yang hilang selama proses korosi. Besarnya massa yang hilang (W) dapat dihitung dengan persamaan 2 [6], W massa awal (W 1) massa akhir (W 2 ) (2) sedangkan laju korosi sampel logam tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan 3 [6] : 4 8,76 x 10 xw Laju Korosi mm/year (3) A x T x D dengan D, A, T, dan W berturut-turut adalah densitas (gram/cm 3 ), luas permukaan (cm 2 ), durasi uji korosi (jam), dan massa yang hilang selama uji korosi (gram). 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Desain lapisan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1 yaitu mendeposisikan NiCo layer diatas permukaan substrat carbon steel kemudian Cr layer sebagai layer berikutnya. Pendeposisian lapisan NiCo/Cr ini dimaksudkan untuk dapat mengisolasi seluruh permukaan substrat dari kontak dengan lingkungan sekitar sehingga reaksi substrat dengan lingkungan dapat dihambat. Cr layer NiCo layer Substrat Fe Gambar 1. Desain lapisan Fe/NiCo/Cr. Pengamatan SEM tampang lintang dan profil konsentrasi unsur sistem lapisan Fe/NiCo/Cr dapat dilihat pada Gambar 2a dan 2b. Pada gambar tersebut terlihat gradasi warna pada masingmasing layer yang menempel merata pada permukaan substrat. Komposisi kimia masing-masing layer tersebut dapat diketahui dengan pengujian SEM-EDS dengan teknik line analysis sepanjang 78,5 µm. Layer pertama dari bawah merupakan substrat Fe, sedangkan layer berikutnya dengan warna lebih terang di atas substrat Fe merupakan layer Ni-Co dengan konsentrasi Co 1%, kemudian layer paling atas merupakan layer dengan unsur dominan Cr. Hal ini sesuai dengan tahapan pelapisan yang dilakukan yaitu melapisi substrat carbon steel dengan Ni-Co terlebih dahulu baru kemudian chrom pack-cementation. Ketebalan NiCo yang terdeposisi dengan teknik elektroplating 53
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013:51-58 ISSN: 0125-9121 selama 120 menit yaitu sekitar ± 48 µm, sedangkan layer krom berhasil dideposisikan dengan teknik pack-cementation selama 5 jam membentuk lapisan setebal ± 2,3 µm. NiCo layer Cr Substrat Fe (a) 78,5 µm 1 2 Fe Ni Cr Co (b) Gambar 2. (a) SEM cross section, dan (b) profil konsentrasi Fe, Ni, Co, Cr sistem lapisan Fe/NiCo/Cr. 54
Pelapisan NiCo/Cr dengan Gabungan Teknik Elektroplating dan Pack-Cementation untuk Meningkatkan Ketahanan Korosi dan Kekerasan Baja Karbon Rendah (Fredina Destyorini) Distribusi masing-masing unsur juga dapat teramati dengan EDS (Gambar 2b), pada garis pengamatan sepanjang 78,5 µm terdapat zona interdifusi. Zona 1 merupakan zona dimana difusi Fe dan Ni, pada zona 1 ditemukan konsentrasi unsur Fe yang nampak bergerak dari substrat Fe menuju lapisan NiCo dan begitu pula unsur Ni yang bergerak dari lapisan NiCo ke arah substrat Fe. Proses difusi ini juga dapat diamati dari adanya pola pada warna abu-abu terang menyerupai gelombang yang bergerak ke arah bawah. Proses heat treatment yang dilakukan pada sampel Fe/NiCo pada temperatur 800 o C mempercepat proses difusi yang terjadi. Proses difusi juga teramati pada zona 2, hal ini dapat dibuktikan dengan ditemukannya konsentrasi unsur Ni yang bergerak menuju ke lapisan Cr. Proses pack-cementation unsur Cr yang dilakukan pada temperatur 800 o C dapat menyebabkan pergerakan unsur-unsur dalam sampel sehingga memperkuat ikatan antar lapisan dan substrat, dalam hal ini teramati pada zona 2 unsur Ni yang bergerak masuk ke dalam lapisan Cr. Proses difusi inilah yang dapat memperkuat daya lekat lapisan pada permukaan substrat. Berdasarkan hasil pengujian kekerasan dengan menggunakan vicker hardness tester pelapisan lapisan NiCoCr pada permukaan baja (Fe) dapat memperbaiki sifat mekaniknya yaitu nilai kekerasan substrat baja. Kekerasan substrat baja tanpa lapisan terukur sebesar 118,75 VHN sedangkan substrat dengan lapisan NiCoCr nilai kekerasan meningkat enam kali lipat menjadi 696,4 VHN. Gambar 3. Nilai Kekerasan baja sebelum dan setelah dilapisi NiCoCr. Efek lapisan NiCo/Cr dalam memperbaiki ketahanan korosi pada material carbon steel dapat dilihat pada hasil uji korosi dalam larutan HCl 10% selama 24 jam. Uji korosi dalam larutan HCl 10% dilakukan pada material carbon steel yang telah terlapisi NiCo/Cr dan tanpa lapisan NiCo/Cr. Reaksi korosi pada logam mengakibatkan terjadinya pengikisan logam karena bereaksi dengan lingkungannya, sehingga terjadi pengurangan berat logam selama proses korosi berlangsung. Besarnya berat yang hilang dari material uji dapat dilihat pada Gambar 4. Pada hasil tersebut terlihat bahwa carbon steel yang tidak terlapisi NiCo/Cr mengalami pengurangan berat dengan cepat. Pada jam ke-24 spesimen menjadi semakin tipis dengan berat yang hilang mencapai 16,16 mg/cm 2 atau sebanyak ±0,67 mg/cm 2 berat hilang setiap jamnya dengan laju korosi sebesar 7,5 mm/year, sedangkan carbon steel yang telah terlapisi NiCo/Cr mengalami pengurangan berat secara perlahan. Pada akhir tes korosi selama 24 jam berat yang hilang pada sampel terlapisi NiCo/Cr hanya berkisar 1,44 mg/cm 2, dan laju korosi sebesar 0,67 mm/year. Dan kondisi sampel terlihat masih bagus dan cenderung utuh. Dari data tersebut terbukti bahwa lapisan NiCo/Cr mampu meningkatkan ketahanan korosi dari carbon steel sebanyak 11 kali dengan membentuk area protektif menyelubungi permukaan carbon steel sehingga substrat tidak langsung berinteraksi dengan lingkungannya. 55
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013:51-58 ISSN: 0125-9121 Fe Fe/NiCo/ Gambar 4. Massa yang hilang (mass loss) yang terjadi pada material Fe tanpa dan dengan lapisan NiCo/Cr akibat korosi dalam larutan HCl 10% selama 24 jam. Kemampuan unsur Co dan Ni dalam mengendalikan laju korosi juga telah dibuktikan oleh Nishimura,et al [7] pada eksperimen mereka menggunakan baja yang mengandung 1-3% Co atau Ni, material ini diuji korosi dalam lingkungan yang kaya ion klorida. Analisis unsur yang mereka lakukan pada deposit hasil korosi steel menunjukkan bahwa Co ditemukan dalam bentuk oksida trivalent dalam FeOOH. Oksida ini berperan sebagai penghambat permeabilitas ion Cl sehingga memperlambat terjadinya reaksi anodik pada logam. Sedangkan Ni ditemukan dalam bentuk oksida bivalen dalam spinel oxide yang dapat menambah densitas lapisan bagian dalam dari karat sehingga ion-ion Cl dari lingkungan korosif lebih sulit untuk menembus logam. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa kehadiran unsur Ni dan Co mampu menghambat terjadinya reaksi anodik pada logam sehingga massa logam yang hilang/larut lebih sedikit. Efek penambahan krom juga telah dilaporkan oleh Hayes et al [8], bahwa penambahan krom pada paduan berbasis nikel dapat menurunkan laju korosi dalam 1M NaCl dengan ph 3, 8, dan 11. Didalam lingkungan korosif krom membentuk lapisan pasif yang mengandung kromium oxide jenis Cr 2 O 3 yang dapat memproteksi permukaan sampel dari lingkungannya. Hal ini yang membuat penambahan krom diperlukan untuk meningkatkan ketahanan korosi suatu material. Karat Substrat Karat Cu layer (a) 56
Pelapisan NiCo/Cr dengan Gabungan Teknik Elektroplating dan Pack-Cementation untuk Meningkatkan Ketahanan Korosi dan Kekerasan Baja Karbon Rendah (Fredina Destyorini) Coating layer Substrat (b) Gambar 5. Struktur mikroskopi penampang lintang dari (a) carbon steel tanpa lapisan NiCo/Cr, dan (b) carbon steel dengan lapisan NiCo/Cr setelah uji korosi dalam HCl. Struktur mikroskopi penampang lintang dari carbon steel tanpa lapisan NiCo/Cr dan dengan lapisan NiCo/Cr setelah uji korosi ditunjukkan pada Gambar 5a dan 5b. Pada Gambar 5a terlihat bahwa spesimen carbon steel mengalami kerusakan dan banyak pengikisan hampir di seluruh permukaannya. Hanya sebagian kecil dari substrat yang masih utuh dan belum terkorosi oleh serangan HCl. Pada gambar tersebut juga masih terlihat adanya karat sebagai produk dari reaksi korosi. Reaksi korosi yang terjadi pada material carbon steel selama proses perendaman dalam HCl dapat digambarkan dengan persamaan sebagai berikut, 2HCl 2H + +2Cl - (4a) Fe Fe 2+ + 2e (reaksi anoda) (4b) 2H + + 2e H 2(g) (reaksi katoda) (4c) Fe 2+ +2Cl - FeCl 2 (4d) Sedangkan pada Gambar 5b merupakan tampak lintang carbon steel terlapisi NiCo/Cr setelah korosi, terlihat bahwa substrat Fe masih utuh dan belum terkikis oleh serangan HCl. Hal ini membuktikan bahwa lapisan NiCo/Cr berperan baik sebagai lapisan protektif yang melindungi permukaan substrat dari lingkungannya. 4. KESIMPULAN Kegiatan penelitian ini berhasil mendeposisikan lapisan NiCo dengan tebal ±47 µm dan lapisan tipis Cr di atas permukaan baja karbon rendah. Lapisan NiCo/Cr dideposisikan dengan gabungan teknik elektroplating dan pack-cementation. Lapisan ini terbukti dapat meningkatkan kekerasan dari substrat baja dan bersifat protektif, dapat menurunkan laju korosi baja karbon dalam lingkungan korosif HCl pekat dari 7,5 mm/year menjadi 0,67 mm/year, sehingga ketahanan korosi dan performa baja karbon rendah meningkat. DAFTAR PUSTAKA [1] E. A. Noor and A. H. Al-Moubaraki, Corrosion Behavior of Mild Steel in Hydrochloric Acid Solutions. International Journal of Electrochemical Sciences, Volume 3, Page: 806 818. 2008. [2] Liping Wang, Yan Gao, Qunji Xue, Huiwen Liu, Tao Xu. Microstucture and tribological properties of electrodeposited Ni-Co alloy deposits. Applied Surface Science, Volume 242, Page : 326-332. 2005. 57
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013:51-58 ISSN: 0125-9121 [3] Nasser Al-Aqeeli. The corrosion behavior of electrodeposited and laser irradiated Ni-Co nanostructured alloy. Advanced Mater Science, Volume 27, Page : 75-82. 2011. [4] L.M. Chang, M.Z. An, S.Y. Shi. Corrosion behavior of electrodeposited Ni-Co alloy coatings under the presence of NaCl deposit at 800 o C. Materials Chemisty and Physics, Volume 94, Page : 125-130. 2005. [5] R.G.I. Leferink, H. Barten, and W.M.M. Huijbregts. Chromium Diffusion Coatings on Low- Alloyed Steels Under Sulphidizing Conditions. VGB Kraftwerkstechnik, Volume 73, No. 3. 1993. [6] Anonyme, ASTM G31-72, Annual Book of ASTM Standards. 1999. [7] T. Nishimura, H. Katayama, K. Noda, and T. Kodama. Effect of Co and Ni on the corrosion behavior of low alloy steels in wet/dry environments. Corrosion Science, Vol. 42, Page: 1611-1621. 2000. [8] J. R. Hayes, J. Gray, A. W. Szmodis, and C. A. Orme. Influence of Chromium and Molybdenum on the Corrosion of Nickel Based Alloys. Journal of the Electrochemical society. UCRL-JRNL-214554. 2005. 58