BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pelapisan Logam Pelapisan logam adalah suatu cara yang dilakukan untuk memberikan sifat tertentu pada suatu permukaan benda kerja, dimana diharapkan benda tersebut akan mengalami perbaikan baik dalam hal struktur mikro maupun ketahanannya, dan tidak menutup kemungkinan pula terjadi perbaikan terhadap sifat fisiknya. Pelapisan logam merupakan bagian akhir dari proses produksi dari suatu produk. Proses tersebut dilakukan setelah benda kerja mencapai bentuk akhir atau setelah proses pengerjaan mesin serta penghalusan terhadap permukaan benda kerja yang dilakukan. Dengan demikian, proses pelapisan termasuk dalam kategori pekerjaan finishing atau sering juga disebut tahap penyelesaian dari suatu produksi benda kerja. 2.1.1 Macam-Macam Pelapisan Logam 2.1.1.1 Pelapisan Dekoratif Pelapisan dekoratif bertujuan untuk menambah keindahan tampak luar suatu benda atau produk. Sekarang ini pelapisan dengan bahan krom sedang digemari karena warnanya yang cemerlang, tidak mudah terkorosi dan tahan lama. Produk yang dihasilkan banyak digunakan sebagai aksesoris pada kendaraan bermotor baik yang beroda 2 maupun pada kendaraan beroda 4. Dengan kata lain pelapisan ini hanya untuk mendapatkan bentuk luar yang baik saja. Logam-logam yang umum digunakan untuk pelapisan dekoratif adalah emas, perak, nikel dan krom. 2.1.1.2 Pelapisan Protektif Pelapisan protektif adalah pelapisan yang bertujuan untuk melindungi logam yang dilapisi dari serangan korosi karena logam pelapis tersebut akan memutus interaksi dengan lingkungan sehingga terhindar dari proses oksidasi.
2.1.1.3 Pelapisan Untuk Sifat Khusus Permukaan Pelapisan ini bertujuan untuk mendapatkan sifat khusus permukaan seperti sifat keras, sifat tahan aus dan sifat tahan suhu tinggi atau gabungan dari beberapa tujuan diatas secara bersama-sama. Misalnya dengan melapisi bantalan dengan logam nikel agar bantalan lebih keras dan tidak mudah aus akibat gesekan pada saat berputar. 2.1.2 Pelapisan Logam Ditinjau Dari Sifat Elektrokimia Bahan Pelapis 2.1.2.1 Pelapisan Anodik Pelapisan anodik merupakan pelapisan dimana potensial listrik logam pelapis lebih anodik terhadap substrat. Contohnya pelapisan pada baja yang memiliki potensial listrik -0,04 Volt yang dilapisi dengan logam Seng yang memiliki potensial listrik -0,0762 Volt. Logam seng bersifat lebih anodik terhadap baja sehingga logam Seng akan mengorbankan dirinya dalam bentuk korosi sehingga logam yang lebih katodik terhindar dari reaksi korosi. Pelapisan ini termasuk dalam jenis pelapisan protektif. Keunggulan dari pelapisan ini adalah sifat logam pelapis yang bersifat melindungi logam yang dilapisi sehingga walaupun terjadi cacat pada permukaan pelapis karena sebab seperti tergores, retak, terkelupas dan lain-lain sehingga terjadi eksposure terhadap lingkungan sekitarnya, sampai batas tertentu tetap terproteksi oleh logam pelapis. 2.1.2.2 Pelapisan Katodik Pelapisan katodik merupakan pelapisan dimana potensial listrik logam pelapis lebih katodik terhadap substrat. Contohnya pelapisan pada tembaga yang memiliki potensial listrik +0,34 Volt yang dilapisi dengan logam Emas yang memiliki potensial listrik +1,5 Volt. Logam Emas bersifat lebih mulia dibandingkan dengan logam tembaga, maka apabila logam pelapis mengalami cacat, logam yang dilapisi akan terekspose ke lingkungan dan bersifat anodik sehingga akan terjadi korosi lokal yang intensif terhadap substrat. Pelapisan katodik sangat cocok digunakan pada pelapisan dekoratif karena umumnya aksesoris dan perhiasan dari bahan-bahan imitasi tidak dikenai gaya-gaya dari luar sehingga kecil kemungkinan untuk mengalami cacat lokal pada permukaan. (6)
2.1.3 Elektroplating 2.1.3.1 Defenisi Elektroplating Pada dasarnya teknik pelapisan logam, elektroplating, atau biasa juga disebut krom oleh masyarakat umum, bertujuan untuk melapisi logam agar tahan terhadap karat dan juga untuk menambah nilai keindahannya. Pelapisan logam dapat berupa lapis seng, galfanis, perak, emas, brass, tembaga, nikel dan krom. Dalam hal ini kita akan mempelajari teknik krom. Lapis krom berguna sebagai penahan karat dan menambah keindahan dengan warna putih mengkilapnya. Setiap jenis logam memerlukan perlakuan yang berbeda dalam proses krom. Namun demikian agar lebih sederhana dan mudah dipahami, krom logam dibagi menjadi dua jenis logamnya, yaitu : 1. Logam penghantar listrik Contoh : besi, tembaga, kuningan,besi baja. 2. Logam yang kurang atau tidak penghantar listrik Contoh : aluminium murni dan campuran. (7) Elektroplating ialah elektrodeposisi pelapis (coating) logam melekat ke elektroda untuk menjaga substrat dengan memberikan permukaan dengan sifat dan dimensi berbeda daripada logam basisnya tersebut. Beberapa proses, misalnya anodisasi krom, elektroda yang dimaksud ialah anoda. Akan tetapi kebanyakan, yang disebut elektroda dalam perumusan di atas ialah katoda. Jadi sistem plating terdiri atas: sirkit luar, elektroda negatif (katoda) yakni barang yang digarap, larutan plating, elektroda negatif (anoda). Maksud elektroplating ialah demi tujuan penampilan (bagus, kilap, cemerlang), perlindungan (terhadap korosi), sifat khas permukaan, sifat teknis atau sifat mekanis tertentu. (5)
Gambar 2.1. Proses Pelapisan Listrik (Elektroplating). (6) Lapis listrik (Elektroplating) adalah suatu proses pengendapan logam pada permukaan suatu logam atau non logam (benda kerja) secara elektrolisa. Endapan yang terjadi bersifat adhesif terhadap logam dasar. (11) 2.1.3.2 Fungsi Elektroplating Dalam teknologi pengerjaan logam, proses lapis listrik termasuk ke dalam proses pengerjaan akhir (metal finishing). Adapun fungsi dan tujuan dari pelapisan logam adalah sebagai berikut : 1. Memperbaiki tampak rupa (dekoratif) misalnya ; pelapisan emas, perak, kuningan, dan tembaga. 2. Melindungi logam dan dekorasi, yaitu : - Melindungi logam dasar dengan logam yang lebih mulia, misalnya ; pelapisan platina, emas dan baja. - Melindungi logam dasar dengan yang kurang mulia, misalnya ; pelapisan seng dan baja. 3. Meningkatkan ketahanan produk terhadap gesekan (abrasi), misalnya ; pelapisan krom keras. 4. Memperbaiki kehalusan /bentuk permukaan toleransi logam dasar misalnya ; pelapisan nikel, krom dan lain sebagainya. 5. Elektroforming, yaitu ; membentuk benda kerja dengan cara endapan. (11)
2.2 Baja 2.2.1 Pengertian baja Baja dapat didefenisikan suatu campuran dari besi dan karbon, di mana unsur karbon (C) menjadi dasar campurannya. Di samping itu, mengandung unsur campuran lainnya seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), dan mangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi. Kandungan karbon di dalam baja sekitar 0,1 1,7%, sedangkan unsur lainnya dibatasi persentasenya. Unsur paduan yang bercampur di dalam lapisan baja, untuk membuat baja bereaksi terhadap pengerjaan panas atau menghasilkan sifat-sifat yang khusus. 2.2.2 Jenis jenis baja karbon Baja karbon dapat diklasifikasikan berdasarkan jumlah kandungan karbonnya. Baja karbon terdiri atas tiga macam, yaitu baja karbon rendah, baja karbon sedang, dan baja karbon tinggi. a. Baja Karbon Rendah Baja ini disebut baja ringan (mild steel) atau baja perkakas, baja karbon rendah bukan baja yang keras, karena kandungan karbonnya rendah kurang dari 0,3%. Baja ini dapat dijadikan mur, baut, ulir sekrup, peralatan senjata, alat pengangkat presisi, batang tarik, perkakas silinder, dan penggunaan yang hampir sama. Penggilingan dan penyesuaian ukuran baja dapat dilakukan dalam panas. Hal itu dapat ditandai dengan melihat lapisan oksida besinya di bagian permukaan yang berwarna hitam. Baja juga dapat diselesaikan dengan pengerjaan dingin dengan cara merendam atau mencelupkan baja ke dalam larutan asam yang berguna untuk mengeluarkan lapisan oksidanya. Setelah itu, baja diangkat dan digiling sampai ukuran yang dikehendaki, selanjutnya didinginkan. Proses ini menghasilkan baja yang lebih licin, sehingga lebih baik sifatnya dan bagus untuk dibuat mesin perkakas.
b. Baja Karbon Sedang Baja karbon sedang mengandung karbon 0,3 0,6% dan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan pengerjaan panas (heat treatment) yang sesuai. Proses pengerjaan panas menaikkan kekuatan baja dengan cara digiling. Baja karbon sedang digunakan untuk sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, poros bubungan, poros engkol, sekrup sungkup, dan alat angkat presisi. c. Baja Karbon Tinggi Baja karbon tinggi yang mengandung karbon 0,6 1,5%, dibuat dengan cara digiling panas. Pembentukan baja ini dilakukan dengan cara menggerinda permukaannya, misalnya batang bor dan batang datar. Apabila baja ini digunakan untuk peralatan mesin-mesin berat, batang-batang pengontrol, alat-alat tangan seperti palu, obeng, tang, dan kunci mur, baja pelat, pegas kumparan, dan sejumlah peralatan pertanian. (2) 2.3 Krom 2.3.1 Krom dan Sifat-sifat Krom Kromium adalah logam non ferro yang dalam tabel periodik termasuk grup VIb dan lebih mulia dari besi. Mempunyai sifat-sifat sebagai berikut : Berat atom : 52,01 amu Nomor atom : 24 Struktur Atom : BCC Berat jenis : 7,91 gr/cm 3 Titik cair : 1920 0 C Valensi : 2; 3; 6; Titik didih : 2260 0 C Koef. Muai panas : 6,20 in/ 0 C Daya hantar panas : 38,5 Cal/m jam Reflektivitas : cukup baik
Sifat lain yang sangat mennonjol adalah mudah teroksidasi dengan udara membentuk lapisan kromium oksida pada permukaan. Lapisan tersebut bersifat kaku, tahan korosi, tidak berubah warna terhadap pengaruh cuaca. Tetapi larut dalam asam klorida, sedikit larut dalam asam sulfat dan tidak larut dalam asam nitrat. Karena sifat-sifat tersebut, maka dalam pemakaiannya banyak digunakan sebagai bahan paduan untuk meningkatkan ketahanan korosi sebagai bahan pelapis. Proses pelapisan krom dikenal secara luas pada industri-industri logam sebagai pengerjaan akhir (final finishing) sejak tahun 1930, karena ketahanan korosi dan tampak rupa lapisannya yang baik. 2.3.2 Klasifikasi Pelapisan Krom Pelapisan krom dapat diklasifikasikan dalam dua macam yaitu : 1. Pelapisan Krom Dekoratif Pada pelapisan ini umumnya logam (benda kerja) terlebih dahulu dilapis dengan tembaga kemudian nikel dan akhirnya krom. Tebal lapisan krom dekoratif berkisar antara 0,25 0,5 mikron. 2. Pelapisan krom keras Pelapisan ini sering disebut industrial krom yaitu pelapisan krom yang memanfaatkan sifat-sifat krom untuk mendapatkan sifat-sifat seperti ; tahan panas, aus, erosi, korosi dan koefisien rendah. Pada pelapisan krom keras, krom diendapkan pada logam dasar secara langsung tanpa melalui pelapisan perantara. Biasanya lapisan ini lebih tebal dari lapisan krom dekoratif. Berbeda dengan lapisan tembaga dan nikel dimana logam yang berfungsi sebagai anoda yaitu tembaga dan nikel. Untuk pelapisan krom, logam krom tidak akan berfungsi dengan baik sebagai anoda, sehingga dalam pelapisan krom digunakan anoda yang tidak larut yaitu lead (Pb). (11)
2.4 Karakterisasi Material 2.4.1 Sifat fisis 2.4.1.1 Ketebalan Ketebalan adalah salah satu persyaratan penting dari suatu lapisan hasil elektroplating. Oleh karena itu, dari sekian banyak jenis pengujian yang dilakukan terhadap hasil plating, pengukuran ketebalan adalah salah satu uji yang harus dilakukan. Dalam merencanakan pengukuran ketebalan perlu diperhatikan kejelasan pengukuran ketebalan yang diinginkan, yaitu ketebalan rata-rata atau ketebalan pada lokasi atau titik tertentu yang sangat strategis. Diambil ketebalan rata-rata karena distribusi ketebalan yang serbasama di setiap titik pada suatu permukaan yang dilapisi jarang sekali bias dihasilkan dengan proses elektroplating. (8) Perhitungan Berat dan Ketebalan Lapisan Krom Secara Teoritis. Michael Faraday menemukan hubungan antara produk suatu endapan dari ion logam dengan jumlah arus untuk mengendapkannya, yang dapat diungkapkan sebagai berikut: Jumlah bahan yang terdekomposisi saat berlangsung elektrolisa berbanding lurus dengan kuat arus dan waktu pengaliran dalam larutan elektrolit. (Hukum Faraday) Jumlah arus yang sama akan membebaskan jumlah ekivalen yang sama dari berbagai unsur. Pernyataan ini dapat dirumuskan: W = I. t. B Z. F (2.1) Dengan: W : Berat endapan (gram) I : Arus (ampere) t : Waktu (detik) B : Berat atom Z : Valensi F : Bilangan Faraday 96.500 Couloumb
Dari rumus tersebut, volume endapan diperoleh dengan perhitungan: V = W (2.2) Densitas adalah kerapatan logam pelapis (gr/cm 3 ) ditentukan: Dengan mengukur langsung permukaan benda kerja, maka ketebalan dapat S = A V S = I. t. B Z. F. A. (2.3) Jadi, rumus untuk menghitung laju ketebalan adalah sebagai berikut: S = I.60. B Z. F. A. (2.4) (1) 2.4.1.2 Korosi Salah satu tujuan plating ialah upaya mencegah korosi. Secara sederhana, peristiwa korosi disebabkan oleh reaksi logam dengan unsur bukan logam dari lingkungannya. Produknya biasanya oksida atau garamnya, yang pada gilirannya turut mempengaruhi jalannya reaksi lanjut. Mengendalikan korosi logam dapat ditempuh dengan berbagai cara. Reaksi korosi dapat dikelompokkan atas berbagai jenis, akan tetapi secara umum ada dua macam (sesuai peristiwanya) yakni : penggabungan langsung logam atau ion logam dengan unsur-unsur bukan logam, serta reaksi pelarutan logam (biasanya di lingkungan berair) lalu bergabung dengan bukan logam mambentuk
produk korosi (reaksi penggantian). Reaksi langsung disebut juga korosi kering, reaksi penggantian disebut korosi basah. Reaksi langsung (korosi kering) termasuk oksida di udara, reaksi dengan uap belerang, hydrogen sulfide dan kandungan udara kering lainnya, juga reaksi dengan logam cair misalnya natrium. Reaksi demikian nyata dan lazim pada suhu relatif tinggi. Oksidasi logam sekilas tak tampak melibatkan mekanisme elektrokimia, akan tetapi sebenarnya bentuk korosi itupun tergantung pada mekanisme pertukaran elektron dengan gejala arus listrik pula. Secara sederhana, oksigen molekul terserap ke permukaan logam. Lalu mengurai menjadi atom dan mengion. Logamnya juga mengion. Ion logam dan oksida bergabung, membentuk lapisan awal oksidanya. Ion logam terus terbentuk dipermukaan, elektron berdifusi lewat lapisan oksida, mengionkan oksigen di permukaan. Ion oksida berdifusi ke lapisan oksida dan bereaksi dengan ion logam. Lapisan oksida makin tebal. Dapat pula logam yang mengion dan berdifusi ke permukaan, hasilnya serupa. Korosi demikian berlangsungnya tergantung pada sifat oksida logam, seberapa permeabel dan kuat ikatannya ke permukaan logam. (5) Korosi adalah reaksi antar logam dan lingkungannya, karena itu upaya pengubahan lingkungan yang menjadikannya kurang agresif akan bermanfaat untuk membatasi serangannya terhadap logam. Dalam hal ini ada tiga situasi : 1. Lingkungan berwujud gas. Biasanya yang dimaksudkan disini adalah udara dengan rentang temperatur -10 0 C hingga +30 0 C. Beberapa metode yang digunakan untuk mengurangi laju korosi di udara bebas adalah : i. Menurunkan kelembaban relatif; ii. Menghilangkan komponen-komponen mudah menguap yang dihasilkan oleh bahan-bahan di sekitar; iii. Mengubah temperatur; iv. Menghilangkan kotoran-kotoran (termasuk partikel-partikel padat yang abrasif), endapan-endapan yang akan membentuk katoda dan ion-ion agresif.
2. Bahan terendam di air bebas yang cukup mengandung ion untuk menjadikannya sebuah elektrolit. Modifikasi terhadap elektrolit meliputi : i. Menurunkan konduktivitas ionik; ii. Mengubah ph; iii. Secara homogen mengurangi kandungan oksigen; iv. Mengubah temperatur. 3. Logam terkubur dalam tanah dan mineral-mineral yang terlarut membentuk elektrolit. Pengendalian biasanya melalui proteksi katodik atau pelapisan permukaan, tetapi lingkungan tersebut dapat dibuat kurang agresif dengan mengganti tanah urugan yang tidak menahan air, mengendalikan ph dan mengubah konduktivitasnya. (13) Perhitungan laju korosi adalah sebagai berikut : Salah satu metode untuk menentukan laju korosi adalah dengan menghitung berat per satuan atau kedalaman penetrasi per satuan waktu. Laju korosi ini dapat dinyatakan dalam inches per year (ipy), mils per year(mpy), milimeter per year (mm/y), micrometer per year ( µm/yr). Kehilangan berat = (kehilangan volume spesimen) x (berat jenis spesimen) ΔW = ΔV x ρ (2.5) Dengan : ΔW = Kehilangan berat spesimen (gr) ΔV = Kehilangan volume spesimen (mm 3 ) ρ = Berat jenis spesimen (gr/cm 3 ) Sedangkan kedalaman penetrasi pada permukaan logam yaitu: t = ΔV / A (2.6) A = 2 ( (x.y) + (x.z) + (y.z)) Dengan : t = Kedalaman penetrasi (mm) ΔV = Kehilangan volume spesimen (mm 3 ) A = Luas daerah yang terendam (mm 2 ) x = Panjang permukaan yang terendam (mm) y = Lebar permukaan yang terendam (mm) z = Tebal permukaan yang terendam (mm)
Jadi laju korosi yang terjadi adalah sebagai berikut : r = t / T (2.7) Dengan : r = Laju korosi (mm/tahun) t = Kedalaman penetrasi (mm) T = Waktu (tahun) (6) Tabel 2.1 Pengujian Korosi Laju korosi (mm/tahun) Pengujian Dapat atau tidak untuk digunakan 0,05 Tahan korosi Dapat digunakan 0,05 s/d 0,5 Cukup tahan korosi Dapat digunakan dengan hati-hati 0,5 s/d 1,5 Kurang tahan korosi Hanya digunakan untuk peralatan yang berukuran besar 1,5 Tidak tahan korosi Tidak dapat digunakan 2.4.2 Sifat Mekanik 2.4.2.1 Kekerasan Vickers Pada umumnya, kekerasan menyatakan ketahanan terhadap deformasi,dan untuk logam dengan sifat tersebut merupakan ukuran ketahanannya terhadap deformasi plastik atau deformasi permanen. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarnya sudut antara permukaan-permukaan piramid yang saling berhadapan adalah 136 0. Sudut ini dipilih karena nilai tersebut mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antara diameter lekukan dan diameter bola penumbuk. Karena bentuk penumbuknya piramid, maka pengujian ini sering dinamakan uji kekerasan piramida intan. Angka kekerasan piramida intan (DPH), atau angka kekerasan Vickers (VHN atau VPH), didefenisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya, luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. VHN dapat ditentukan dari persamaan berikut : (10)
Dengan : 2P sin( / 2) VHN = 2 d 1,854 P d = 2 (2.8) VHN = Angka kekerasan Vickers (MPa) P = Beban yang diterapkan,kgf d = Panjang diagonal rata-rata, mm Ө = Sudut antara permukaan intan yang berlawanan = 136 0 Uji kekerasan Vickers banyak dilakukan pada pekerjaan penelitian, karena metode tersebut memberikan hasil berupa skala kekerasan yang kontinu, untuk suatu beban tertentu,dan digunakan pada logam yang sangat lunak, yakni VHN nya 5 hingga logam yang sangat keras dengan VHN 1500. (4) 2.4.2.2 Keuntungan dan Kerugian Kekerasan Vickers Keuntungan pengukuran kekerasan menurut Vickers adalah : 1. Dengan benda-penekan yang sama kekerasan dapat ditentukan tidak hanya untuk bahan lunak akan tetapi juga untuk bahan keras. 2. Dengan bekas-tekanan yang kecil bahan percobaan merusak lebih sedikit. 3. Pengukuran kekerasan adalah teliti. 4. Kekerasan benda kerja yang amat tipis atau lapisan permukaan yang tipis dapat diukur dengan memilih gaya kecil. Kerugian pengukuran kekerasan menurut Vickers adalah : 1. Dengan bekas-tekanan yang kecil kekerasan rata-rata bahan yang tidak homogen tidak dapat ditentukan misalnya; besi tuang. 2. Penentuan kekerasan membutuhkan banyak waktu, oleh karena penekanan piramida dan pengukuran diagonal bekas tekanan adalah dua pelaksanaan yang terpisah. (3) 2.4.3 Analisa Struktur Mikro Struktur Mikro ialah sebuah ketentuan yang sangat umum (general) dimana ini digunakan untuk meliputi suatu jangkauan yang luas dari macam-macam struktural,
dari jangkauan yang luas dari macam-macam struktur bahan itu yang dapat dilihat dari mata telanjang yang menuju pada jarak antar atomdi dalam kisi kristal bahan itu. Struktur Mikro (microstructure) meliputi skala dari fenomena struktural yang banyak terdapat dari keikutsertaan ahli scientist bahan dan insinyur teknik material dan metalurgi bahan ialah ukuran butiran-butiran dan partikel-partikel, kerusakan kerapatan bahan dan pemisahaan-pemisahaan partikel bahan, pemutusan ikatan skala mikro, dan pelubangan-pelubangan secara skala mikro. (9)