~--------------------------------------------------------. ~

Pengaruh Densitas Arus Dan Konsentrasi Asam Sulfat Terhadap Ketebalan Dan Kualitas Pewarnaan Lapisan Oksida

Pada Anodizing Aluminium

Sulistijono Jurusan Teknik Material FTI-ITS

Email: pdljti@its.ac.id;ssulistijono@yahoo.com

ABSTRACT Aluminum is already used in application because it's characteristic such as: light weight,

good conductivity. and high reactivity in air to form oxide film with high corrosion resistance. Cause of the oxide film, the Aluminum can not be colored or painted classically but by anodizing process. Anodizing Process with variable of current density and sulfuric acid concentration is done to study the characteristic of the thickness of oxide film formed and further how it will effected to coloring process. It was carried out with 12 to 14 Alft2 currents variation for 30 minutes and using 5% to 20% electrolyte concentration with range 5. The coloring solution used in this research are K. Fe(CN)6 and FeCI]" The oxide film thickness determined by coating thickness minitest 600 B electro physic. The expected result of this research is to find optimum oxide film thickness that has high adsorption capacity for smooth coloring. From this result known that current density and of sulfuric acid concentration influence to oxide film thickness. Effect of increasing concentration limitates the maximum anodic film thickness. And the increasing current density will also caused the same result. There is tendency for burning and decreasing the thickness of anodic film in very high current density and it makes bad effect on coloring quality.

Key words: Aluminum, Anodizing, Oxide Film, SulfuricAcid, Color.

Salah satu sifat aluminium adalah ringan, konduktor, dan tahan korosi. Logam aluminium bersifat tahan korosi, hal ini disebabkan oleh terbentuknya lapisan oksida pada permukaannya [1]. Pembentukan lapisan oksida yang lebih tebal pada permukaan aluminium tersebut dapat dilakukan dengan proses anodizing [2].

Anodizing merupakan proses pembentukan suatu lapisan oksida dari logam yang digunakan sebagai elektroda anoda dalam sistem elektrolisa. Lapisan oksida yang dihasilkan dari proses anodizing mempunyai ketahanan terhadap pengaruh perubahan cuaca. Selain itu juga dapat digunakan untuk kepeduan dekoratif, misalnya dengan memperbaiki performance dari suatu logam melalui pembentukan wama-wama yang menarik. Dimana kualitas dari warna yang dihasilkan dari proses pewamaan sangat tergantung pada ketebalan lapisan oksida yang terbentuk dan tekstur pori yang terjadi pada proses anodizing sebelumnya [3]. Ketebalan lapisan oksida yang terbentuk pada proses

47

anodizing aluminium sangat dipengaruhi oleh konsentrasi larutan elektrolit, besarnya arus, suhu larutan elektrolit, dan waktu pencelupan elektroda didalam larutan elektrolit.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh dari konsentrasi larutan elektrolit dan densitas arus terhadap ketebalan dan karakterisasi lapisan oksida yang terbentuk pada proses anodizing, yang digunakan untuk prosespewarnaanlebihlanjut

TINJAUAN PUSTAKA Aluminium dan paduannya adalah logam

yang sangat reaktif terhadap pengikatan oksigen dan hasil reaksi tersebut membentuk selaput penghalang atau selaput oksida dengan ketebalan tidak lebih dari 0,01 !-lIn, seperti dalam reaksi dibawah ini. 2Al + 3/202 ~ AIa03 (1)

Potensial reduksi aluminium adalah - 1,66 volt dengan reaksi dituliskan sebagai berikut: AI3+ + 3e ~ Al (2)

•

•~4~8~~_urn_a_I_Th_~_I_K_M_~_m~,_Vt_ol_um_e_6_,_M_om_o_r_2_,M_e_i_20_0_6________________________________ ~ . ~

Aluminium larut dalam larutan asam klorida, asam nitrat encer dalam larutan natrium hidroksida membentuk lapisan aluminat dan gas hidrogen, tetapi alumunium tidak larut dalam asam-asam organic [4, 5]. Kekuatan mekanik logam aluminium sangat meningkat dengan penambahan Cu, Mg, Si, Mn, Zn dan Ni secara satu persatu atau secara bersama-sama diantaranya sifat lebih tahan daTi keausan dan mempunyai koefisien pemuaian rendah, sehingga aluminium bukan hanya untuk kepeduan rumah tangga tetapi juga bahan kontruksi [6]. Disamping itu aluminium juga bersifat amfoter, dimana logam ini akan larut dalam larutan asam dan basa dengan melepaskan gas hidrogen, dimana reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut [7] : Pada larutan asam : 2Al + 6If -+ 2Al3+ +3H2 (3)

Pada larutan basa : 2Al+2H20+20lf -+2Al02-+3H2 (4)

Pada proses anodizing aluminium reaksi yang terjadi di katoda, di antarmuka larutanloksida dan antarmuka oksida /logam Al bisa dijelaskan berikut [9] : Reaksi pada antarmuka logam dan oksida 2Al + 302- -+AIP + 6e (5)

Reaksi pada antarmuka oksida dan larutan 2Al3 + 3~0 -+A120 3 + 6If (6)

Reaksi kelarutan logamAI 2Al -+ 2Al3 + + 6e

Reaksi pada katoda 6If + 6e -+ 3H2

Reaksi Keseluruhan 2Al+3HP-+AI20 3 +3H2

(7)

(8)

(9)

Pada proses anodizing ketebalan lapisan oks ida adalah merupakan hampir dua kali teballogam aluminium yang berubah menjadi lapisan oksida, hal ini dapat dilihat pada Gambar 1.

Penggunaan konsentrasi asam yang bedebih pada proses anodizing akan menghasilkan pembentukan lapisan oksida yang lebih berpori serta memberikan absorbtifitas yang tinggi. Larutan yang sering digunakan untuk proses anodizing biasanya adalah larutan asam sulfat dengan konsentrasi 5% - 20% [9]. Kecepatan pembentukan lapisan aluminium oksida pada proses anodizing menurun dalam larutan dengan konsentrasi yang lebih tinggi [7].

Proses anodizing biasanya bedangsung pada suhu kamar dengan pendinginan pada larutan. Untuk menghasilkan lapisan oks ida dengan tebal 100 - 200 /lm, temperatur dari larutan diturunkan menjadi l°e - 3°e. Semakin rendah suhu larutan, berat lapisan oksida yang dihasilkan semakin tinggi [10].

Perrnukaan Anodisasi yang keropos

Gambar 1. Pembentukan lapisan oksida pada proses anodizing [8].

•

~• Sulistijono. Pengaruh Densitas ArtIS dan Konselltrasi Asam Sulfat pada Proses Anodizing 49 @ ----------------------------------------------------------~. •• 0

I Tebal Lapisan Film

Lapisan halus

Densitas Arus

Gambar 2. Pengaruh densitas arus terhadap ketebalan lapisan oksida pada anodizing [11].

Pada Gambar 2 dijelaskan pengaruh dari densitas arus yang digunakan pada proses anodizing dengan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk. Dimana penggunaan rapat arus rendah akan menghasilkan lapisan oks ida yang lunak, ketebalan lapisan oksida yang terbentuk akan meningkat dengan meningkatnya densitas arus yang diterapkan.

Densitas arus yang digunakan mempunyai suatu besaran maksimum yaitu pada besaran tersebut akan pecah, sehingga aliran arus akan terlokalisasi, hal ID1

menyebabkan lapisan oksida yang terbentuk akan terbakar atau mengalami burning, hal ini yang menyebabkan lapisan oksida mengalami penurunan ketebalannya [11].

METODE PENELITIAN Spesimen uji adalah Aluminium 6063

dengan dimensi 25 x 40 x 6 mm. Preparasi dilakukan berturut-turut adalah degreasing, pickling, fluxing, strike dan anodizing. Pembersihan permukaan spesimen uji dari kotoran yang berupa grease, oli dan minyak

NaOH (5-10%)

Spesimen -'1 Degreasing 1-'1 Rinsing

(de greasing) dilakukan dengan merendam spesimenujidalam larutanNaOHkadar5 -10% selama 10 20 menit. Pembersihan spesimen uji dari scale (pickling) dilakukan dengan merendam dalam larutan H2SO4 (5 - 15 %). Pembersihan permukaan spesimen uji dari sisa-sisa asam sulfat sehabis proses pickling, dilakukan dengan merendam spesimen uji dalam larutan air sabun (fluxing) sehingga terjadi proses penetralan asam oleh sabun dengan temperatur air + 50°C (Gambar3).

Proses anodizing dilakukan dengan memasukkan 2 spesimen aluminium 6063 kedalam gelas beker yang berisi larutan asam dengan variasi konsentrasi 5%, 10%, 15%, 20%. Selanjutnya aluminium ini berfungsi sebagai elektroda (anoda dan katoda) yang dihubungkan dengan rectifier, selama 30 memt dengan variasi arus. 12 - 24 dengan range 4 Alft2 (Gambar4).

Pengukuran ketebalan lapisan oksida dilakukan dengan menggunakan thickness gauge coating dengan merk coating thicknees minitest 600 B electro physic, dan ketelitiannya 0,01. Daya adsorpsi oks ida dideterminasi dengan memanaskan spesimen hasil anodizing pada suhu sekitar lOOoC selama 5 memt, sehingga diharapkan air yang ikut terserap didalam pori-pori lapisan oksida dapat menguap. Segera setelah dilakukan pemanasan spesimen kemudian ditimbang dengan Timbangan Analitik Sartorius BP 100S dengan kapasitas maksimum 100 gr, toleransi 0.0001 gr. Selanjutnya spesimen tersebut dicelupkan pada air. Perubahan berat sesudah dan sebelum pencelupan merupakan ukuran kem.ampuan adsorpsi dari spesimen.

HCLIHzS04 (3%) ± 50- 80°C H Pickling H Rinsing

* Anodizing ~ Strike r ........ ·l Rinsing H Fluxing

Air sabun ± 50°C

Gambar 3. Skema sistematika tahapan-tahapan preparasi spesimen pada proses anodizing .

•

50 JUnia/ Teknik Mesin, Volt/file 6, NOfllor 2, Mei 2006 J}0 •~~---------------------------------------------------------- ® O ••

2

1

1. avometer 4 2. rectifier

3. elektroda aluminium

4. larutan elektrolit, asam sulfat.

Gambar 4. Skema Peralatan.

HASIL PENELITIAN Pada Gambar 5. dapat dilihat bahwa pada

konsentrasi larutan asam sulfat 5% densitas arus 12 Nft2 sampai 20 Nft2, semakin besar densitas arus yang diterapkan maka semakin bertambah tebal lapisan oksida yang terbentuk, tetapi akan menurun pada densitas arus 24 Nft2. Hal ini menunjukkan bahwa densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum, dimana pada graflk diatas, tebal lapisan oks ida maksimum dicapai pada densitas arus 20 Nft2 yaitu sebesar 21.61!Dl.

Pada konsentrasi larutan asam sulfat 10%, dapat dilihat bahwa pada densitas arus 12 AJft2 sampai densitas arus 16 AJft2 terjadi sedikit peningkatan ketebalan lapisan oksida kemudian meningkat secara tajam sampai pada densitas arus 20 Nft2. Tetapi kemudian ketebalan lapisan oks ida akan menurun pada densitas arus 24 AJft2. Densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum, dimana tebal lapisan oksida maksimum dicapai pada densitas arus 16AJft2yaitu sebesar22.6 /lm.

Pada konsentrasi asam sulfat 15% ketebalan oksida hasil anodizing akan meningkat secara tajam dari densitas arus 12 Nft2 sampai densitas arus 16 AJft2. Akan tetapi kemudian ketebalan lapisan oks ida akan mulai menurun pada densitas arus 24 AJft2, dan terus menurun sampai densitas arus 24 AJft2. Dapat dilihat bahwa densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum pada densitas arus 16 AJft2 yaitu

•

sebesar 13.8 /lm. Pada konsentrasi asam sulfat 20% dengan densitas arus 12 AJft2 ketebalan lapisan oksida akan mengalami peningkatan secara linier sampai pada densitas arus 20 AJft2. Tetapi kemudian ketebalan lapis an oksida akan menurun pada densitas arus 24 AJft2. Densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum, dimana teba! lapisan oksida maksimum dicapai pada densitas arus 20AJft2. yaitusebesar 15.41!Dl.

Tampak pula bahwa ketebalan rata-rata maksimum terjadi pada konsentrasi asam sulfat 10%, dan ketebalan rata-rata lapisan oksida minimum terjadi pada konsentrasi asam sulfat 20%. Dimana pada setiap variasi densitas arus kecil akan terjadi peningkatan ketebalan lapisan oksida, dan pada densitas arus maksimum tertentu ketebalan lapisan oksida akan mulai menurun.

Dari Gambar 6. terlihat bahwa pada konsentrasi larutan asam sulfat 5%, dengan densitas arus 12 AJft2 sampai 20 AJft2 meningkat secara tinier, tetapi menurun pada densitas arus 20 AJff. Hal ini menunjukkan bahwa densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum, dimana besaran daya adsorpsi maksimum dicapai pada densitas arus 20 AJft2. yaitusebesarO,02039 gr/cm2.

Pada konsentrasi larutan sebesar 10%. menunjukkan bahwa dengan densitas arus 12 - 16 A/ft2 terjadi sedikit peningkatan kemampuan daya adsorpsi kemudian meningkat secara tajam disaat densitas arus 20

L· Suiistijono. Pengaruh Densitas Arus dan Konsentrasi Asam Sulfat pada Proses Anodizing 51 @ 0 ------------------------------------------------------------~ •• ..

1:' 25 .s ~ 20 ..

:!!i 15 So c III

10 Asam Sulfa! 5%

! Asam Sulffi! 10%

.s 5 Asam Sulfa! 15%

CD 0

Asam Sulfa! 20"10 ~

12 16 20 24 Dansltas Arus (AJft2)

Gambar 5. Pengaruh densitas arus dan konsentrasi asarn sulfat terhadap ketebalan lapis an oksida.

N' 0.3

~ 0.25 "& ---- 0.2

~o 0.15

.rJ < 0.1

~ 0.05 III

-'''''--l

Q o +------r------r-----~----~ 12 16 20 24

Dansltas Arus (AJft2)

Asam Sulfat 5%

Asam Sulfa! 10%

Asam Sulfat 15%

Asam Sulfat 20%

Garnbar 6. Graflk pengaruh densitas arus dan konsentrasi asarn sulfat terhadap daya adsorpsi lapisan oksida.

Tabel 1. Hasil kualitas pewarnaan.

•

52 Jumal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 2, Mei 2006 J};.0 •~------------------------------------------------------------ @ O ••

Alft2, tetapi menurun tajam pada densitas arus 24 Alft2. Hal ini menunjukkan bahwa densitas arus yang diberikan dalam proses anodizing memiliki suatu besaran yang optimum, yaitu pada densitas arus 20 Alft2 yaitu sebesar 0,02587 gr/cm2.

Pada konsentrasi asam sulfat 20%, yaitu dengan densitas arus 12 - 16 Alft2 mengalami peningkatan kemampuan daya adsorpsi kemudian terns meningkat secara tajam sampai pada densitas arus 20 Alft2, tetapi kemudian menurun pada densitas arus 24 Alft2, besaran daya adsorpsi maksimum dicapai pada densitas arus 20Alft2 yaitu sebesarO,00996 gr/cm2.

Secara keseluruhan dari keempat kurva, terlihat bahwa kemampuan adsorbsi seiring dengan ketebalan lapisan oksida. Dimana pada konsentrasi asam sulfat 10% akan menghasilkan kemampuan adsorbsi terbesar, dan terkecil teIjadi pada konsentrasi asam sui fat 20%. Kemampuan adsordsi akan meningkat pada densitas arus kecil dan pada saat densitas arus tertentu kemampuan adsorbsi akan menurun.

Pada Tabel 1 dan Gambar 7 disajikan hasil kualitas pewarnaan dari lapisan oksida dengan berbagai variasi konsentrasi dan densitas arus.

(a)

(c)

Pada Gambar 8 dan 9 disajikan struktur mikro dari lapisan oksida untuk elektroda yang mencapai ketebalan dan kualitas pewarnaan minimum dan maksimum pada masing-masing variasi densitas arus dan konsentrasi asam sulfat.

DISKUSI Selama proses anodizing berlangsung,

pada permukaan katoda terlihat gelembung­gelembung gas, sedangkan pada anoda terbentuk suatu lapisan. Gelembung­gelembung gas yang terjadi pada permukaan katoda tersebut merupakan gel em bung­gelembung gas hidrogen (Hz), dimana ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa selama proses elektrolisa salah satu reaksi yang teIjadi pada katoda adalah pembentukan gas hidrogen [12]. Pembentukan gas hidrogen ini juga sesuai dengan teori pada proses anodizing yang menyatakan terjadiny reaksi pembentukan gas hidrogen pada katoda. Selama proses anodizing, seperti pada persamaan (3) dan (4), yaitu: 6Ir + 6e ~ 3H2, sedangkan lapisan oksida (AI20 3) yang terbentuk sesuai dengan persamaan (5).

Untuk variasi densitas arus dan konsentrasi

(b)

(d)

. Gambar 7. Hasil Proses Pewarnaan pada Konsentrasi Asam Sulfat berbeda : (a) 5%, (b) 10%, (c) 15% dan (d) 20% .

•

L· Sulistijono, Pengaruh Densitas Arus dan Konsentrasi Asam Sulfat pada Proses Anodizing 53 @ --------------------------------------------------------~. .0

Gambar 8 (a) Ketebalan dan hasil pewarnaan minimum lapisan oksida. Spesimen Al (Konsentrasi 5%, Desitas arus 12 Alft2). (b) Ketebalan dan hasil pewarnaan maksimum lapisan oks ida. Spesimen

A3 (Konsentrasi 5%, Desitas arus 20 Alft2). Perbesaran 200X. Potongan miring 60°.

Gambar 9 (a) Ketebalan dan hasil pewarnaan minimum lapisan oksida. Spesimen Bl (Konsentrasi 10%, Desitas arus 12 AlW). (b) Ketebalan dan hasil pewarnaan minimum lapisan oksida. Spesimen

B3 (Konsentrasi 10%, Desitas arus 20 Alft2). Perbesaran 200X. Potongan miring 60°.

asam sulfat ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa ketebalan lapisan oksida akan menurun seiring dengan meningkatnya konsentrasi larutan elektrolit asam sufat, hal ini terjadi karena peningkatan konsentrasi dari larutan elektrolit akan meningkatkan konduktifitas atau daya hantar larutan. Semakin tinggi konduktifitas larutan juga dapat menurunkan tegangan yang dibutuhkan untuk memperoleh rapat arus dengan besaran tertentu, akan tetapi lapisan oksida yang terlarut juga semakin besar, sebingga lapisan oksida yang terbentuk akan luruh kembali kedalam larutan elektrolit juga akan semakin besar. Sedangkan pada konsentrasi larutan 5% masih terlalu keeil untuk mengalirkan elektron yang eukup banyak pada katoda, menyebabkan penurunan efisiensi arus pada katoda sehingga ketebalan lapisan oksida pada konsentrasi 5% lebih keeil

••

dibandingkan pada pemakaian konsentrasi 10%.

Dari Gambar 5. Tampak pemakaian densitas arus 12 Alft2 sampai 20 Alft2 ketebalan lapisan oksida yang terbentuk dari proses anodizing akan meningkat seiring dengan meningkatnya densitas arus yang digunakan, tetapi lapisan oksida akan mulai menurun pada pemakaian densitas arus 24 AJft2. Penurunan lapisan oks ida tersebut disebabkan karena laju pembentukan lapisan oksida pada proses anodizing dipengaruhi oleh suatu nilai optimum dari densitas arus yang digunakan, pada pemakaian densitas arus diatas 24 Alft2 lapisan oksida yang terbentuk mulai peeah karena terjadi energi yang terlalu besar yang mengurai ikatan AI-O pada lapisan oksida A120 3• penguraian atau peluruhan ini seperti pada persamaan (3) yaitu [13]:

•

•• ~5_4 __ h_u_na_I_r._d~_I_K_M_e_sm_._~_ol_un_le_6_._N_Om_o_r_2~.M_e_i~2_00~6________________________________ 4W ~

AIPl + 6ft ~ 2AIl+ + 3HP Pecahnya lapisan oksida kemudian akan

menyebabkan terjadinya aliran arus secara loka!, sehingga pada area lokal tersebut akan terjadi overheating atau akan mengalami burning [14]. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 7 ( B4; C4; D4), diketahui yaitu pada pemakaian arus 24 Nft? lapisan oksida yang terbentuk terlihat seperti terbakar sehingga akan menurunkan ketebalan dari lapisan oksida dan kualitas dari proses pewarnaan.

Warna adalah suatu nilai yang bersifat dekoratif. Kepekatan warna yang diharapkan dari produk hasil anodizing sangat tergantung pada kedalaman zat warna yang masuk kedalam pori lapisan oksida. Larutan pewarna yang digunakan dalam penelitian ini adalah larutan Kalium Besi Sianida (II) dan larutan Besi (III) Klorida yang akan menghasilkan warna biru prusian., reaksi yang terjadi selama proses pewamaan dapat dituliskan sebagai berikut: 4Fe3

+ + 3 [Fe(CN)6t ~ Fe4 [Fe(CN)6t

proses pewamaan dilakukan dengan Cara mencelupkan elektroda tersebut dalam masing­masing larutan pewarna secara bergantian. Hal ini dapat dilihat seperti pada Gambar 7. Kerataan pori pada permukaan lapisan oksida sangat berpengaruh pada kwalitas warna yang dihasilkan, pada pemakaian densitas arus 20 Nft2 dengan konsentrasi 10% mempunyai tekstur pori yang paling baik sehingga dapat menyerap larutan pewarna dengan baik pula. Dan oleh karena itu wama yang dihasilkan juga rata dan tebal dibandingkan dengan elektroda hasil pewarnaan lainnya. Semakin besar arus yang digunakan, tekstur pori yang dihasilkan semakin buruk sehingga kemampuan menyerap larutan pewarna semakin buruk juga, karena sebagai akibat lapisan oksidanya mulai terbakar [15]. Pemakaian konsentrasi yang berlebih memberikan penampakan warna yang tipis dan tidak merata, hal ini disebabkan adanya pelarutan kembali lapis an oksida yang sudah terbentuk. Dimana kemampuan lapisan oks ida untuk menyerap pewarna dapat disetarakan dengan kemampuan adsorbsi untuk masing­masing lapisan oksida tersebut.

Analisa kemampuan adsorbsi ditentukan dari perubahan berat (Ll W) sesudah pencelupan didalam air dan sebelum pencelupan persatuan

•

luas elektroda dimana untuk percobaan ini luas elektroda adalah 10 cm2

• Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa kurva ketebalan lapisan oksida memberikan pola yang hampir sarna dengan pola pada kurva kemampuan adsorbsi, hal ini menunjukkan bahwa ketebalan lapisan oksida sebanding dengan kemampuan adsorbsinya. peningkatan daya adsorbsi meningkat seiring dengan peningkatan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk pada proses anodizing, karena semakin tebal lapisan oksida maka volume larutan yang terserap akan semakin besar karena lapisan oks ida hasil anodizing berpori. Kemampuan adsorbsi paling maksimum dihasilkan pada spesimen B3 yaitu pada densitas arus 16 Nft2 dan konsentrasi asam sulfat 10%, sedangkan kemampuan adsorbsi minimum terjadi pada spesimen D4 pada densitas arus 24 Nft2 dengan konsentrasi asam sulfat20%.

Dari Gambar 8 dan Gambar 9 disajikan struktur mikro permukaan lapisan oksida. Lapisan ini sangat mempengaruhi terhadap kepekatan dan kerataan hasil pewamaan yang dihasilkan. Ketidakrataan dari lapisan oksida ini disebabkan karena arus dan konsentrasi berlebih sehingga proses peluruhan kembali lapisan oksida kedalam elektrolit sangat besar, dan terbentuknya pori lapisan oksida yang yerlalu besar sehingga tidak dapat menangkap larutan pewarna secara sempurna [16]. Semakin tebal lapisan oksida maka akan semakin pekat warna yang dihasilkan dan semakin rata tekstur lapisan maka warna yang dihasilkan juga akan semakin merata, begitu juga sebaliknya. Pada pemakaian konsentrasi asam sulfat 5% dan 10% dengan densitas arus 16 Nft2 dan densitas arus 20 Nftz cukup rata dibanding dengan pemakaian densitas arus dan konsentrasi yang lain. Semakin rata permukaan lapisan oks ida maka akan menghasilkan penampakan hasil pewarnaan yang merata pula. Pada konsentrasi 5% menghasilkan pewarnaan permukaan yang baik meskipun tipis tetapi merata, sedangkan pada pemakaian konsentrasi 10% akan menghasilkan kualitas pewamaan terbaik dengan ketebalan maksimum yaitu pada pemakaian densitas arus 20 Nft2. sedangkan tekstur lapisan oksida pada pemakaian konsentrasi 20% dengan densitas arus 24 Nft2 sangat tipis dan dan tidak rata hal ini menyebabkan larutan pewarna tidak terserap dengan baik sehingga kualitas

LO. Sulisrijollo. Penganlh DellSitas Arus dan Konsentrasi Asam Sulfat pada Proses Anodizing 55 @ ------------------------------------------------------------~ •• • 0

pewarnaannyapun akanjelek.

KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dan

pengamatan serta pembahasan terhadap parameter yang digunakan, dapat diambil kesimpulan penelitian sebagai berikut : 1. Semakin tinggi konsentrasi larutan

elektrolit asam sulfat yang digunakan, maka ketebalan lapisan oks ida yang dihasilkan akan menurun.

2. Densitas arus yang digunakan pada proses anodizing mempunyai suatu besaran yang optimum, dimana penggunaan densitas arus yang lebih besar justru akan mengurangi ketebalan lapisan oksida yang dihasilkan.

3. Semakin tebal lapisan oksida yang terbentuk maka kualitas pewamaan yang dihasilkan akan semakin bagus.

DAFfARPUSTAKA [1] Graham, A., K., 1971, Electroplating

Engineering Hand Book, 3rd edition, Van Nostrand Reinhold Company, New York, pp458-461.

[2] Sunarso, 0., 1996, Pembentukan Lapisan Oksida pada Anodizing Aluminium, ITS, Surabaya, hal 20-25.

[3] Pennsi, Mario and Derek, J., 2001, "Coating Fabrication Anodizing". Available at http://www.metalast.com. diakses 3 F ebruari 2006

[4] Saiful, Ahmad, 2004, "Fabrikasi dan Karakterisasi Aluminium Alloys". PT. Alumindo Light Metal Industri. Tbk., Surabaya.

[5] Gazzapo, J., L, 1994, "Anodizing of Aluminium", Talat lecture 5203, European Aluminium Association, available at www.bygg.ntnu.no. diakses 25 Februari 2006.

[6] Romman, N., 2004, "Anodizing Aluminium", Ardmoor Ave danville, New York. Pa 17821, availabe at http://www.aluinfo.com. diakses 29 Januari 2006.

[7] Robert, S., A., 2004, "Anodizing", Boundary Technologies Inc, Northbrook, USA, available at www.focuser.com. diakses 13 Februari 2006.

[8] Svenningsen, G, 1999, "Corrosion of Aluminium Alloys". Departement of Material Technology, Trondeim, Norway.

[9] Canning, W., 1970, Canning Hand Book on Elektroplating, 2nd edition, pp. 695-706.

[10] Myriam. A., Viola, A., 1998, "Environmentally Friendly Aluminium Anodizing Processes for Aerospace Applications a Comparative Study", Moisheim, France.

[11] ASM Metal Hand Book, "Heating, Cleaning, and Finishing", Vol 2, pp. 622.

[12] Brace, Sheasby, 1988, "Technology of Anodizing", Technocopy limited.

[13] Behr, B, 1997, Electroplating Anodizing and Elektrolytic Pickling of Metal, Clare 0' Molesey Ltd, Moscow, pp. 216-219, 247.

[14] Sulistijono, Siswanto,A., H., 2002, "Study General Electroplating, Kasus : Pengaruh Potensial dan Waktu Celup terhadap Ketebalan dan Kepadatan Lapisan Emas pada Tembaga", Laporan Penelitian. QUE, Teknik Mesin FTI-ITS.

[15] ...... , 1992, "Recent Advances in Oxide Film Characterization", Available at www.iupac.Org. diakses 3 Maret 2006.

[16] Sulistijono, 2000, "Studi Parameter Proses CuNiCr Plating dengan Metode elektrokimia Kajian teoritik dan Pembuatan Prototipe", Laporan Penelitian DIK, Lemlit ITS.

•

·----------------------------------------------- ~ . ~

58 JI/mal Tekllik Mesill. Vulume 6. NUII/ur 2. Mei 2006 ~o •~~---------------------------------------------------------- @ O ••

konstanta damping dan stiffness yang dapat dihitung melalui penyelesaian persamaan Reynolds. Model yang lebih sederhana untuk penyelesaian digunakan kriteria stabilitas Routh-Hurwitz di dalam [5]. Dalam pemodelan ini, displacement poros dan kecepatan squeeze dimasukkan ke dalam penyelesaian persamaan Reynolds. Displacement tak berdimensi dari poros dan variasi teballapisan film dimodelkan dengan

At tly - = At'" dan -- = tly'" c c

h'" = h' . + At '" cos(x "')+ tlll '" sin(x "') sl,,(I(' :.t

ah'" (ah "') ax'" = ax'" "ullc +

~ [tlx'" cos(x*)+ tly* siner*)] ax*

(7)

(8)

(9)

a2

11* =(a2

h*) + ax *2 ax *2 . (10) slt.llIc

a2

-2 [At * cose, *)+ tly * sin(x "')] ax*

dimana ( ~~ : ) "uli, adalah variasi ketebalan

lapisan film dalam kondisi statis. Konstanta stiffness tak berdimensi (K*) dituliskan:

K"'= Kc tlW'" W At '" W,;ull"

K' = tlW,~ x"' At*W* , tlW):

Ky., = At*W'"

K" = tlWx'

.\)' tly"'W*

, tlW,: K)). = tly*W*

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Konstanta damping tak berdimensi (C*) dihitung sebagaimana konstanta stiffness dan dinyatakan

C'" = c(cw) = tlW* W w"'W*

(16)

•

C. _ tlW: xx - "W* w,\, , tlW,:

C =---' \X w:w*

c. = tlW: x" ·w'" w"

• tlW,: C",,= .w· * .. w ...

(17)

(18)

(19)

(20)

dimana W adalah beban pada bantalan dituliskan,

w = r: rR

-cos(x"')pdxdy (21)

= ( 6UC,"2 R )RL ru' ro2rr " J, J, -cos(x*)p"'clx"'dy'"

Perubahan beban tlW'" dihitung dari total beban yang diperoleh dari integrasi medan tekanan hidrodinamik dengan melibatkan parameter displacement melibatkan beban statik.

tlW'" = W * -W,;uti" (22)

Konstanta damping diperoleh dengan menambahkan kecepatan squeeze ke persamaan Reynolds. Dalam bentuk tak berdimensi dinyatakan dengan :

w*=~ (23) ew

Kecepatan squeeze ini tidak konstan sepanjang lapisan film hidrodinamik akan tetapi bervariasi dalam sinusiodal terhadap displacement dan dituliskan dengan

w* = w,' * cos(x*) + w)' '" sin(x*) (24)

dimana: w adalah kecepatan squeeze (m/s), dan Persaman Reynoldsnya menjadi :

(25) ,

L· Dedy Zulhidayat Noor, Studi Numerik Pengaruh Misalignment pada Balltalan LunclIr Parsial 59 @-------------------------------------------------------.. •• 0

Setelah menentukan semua harga koefisien stiffness dan damping, stabilitas getaran kemudian dapat dievaluasi. Teori yang paling berguna untuk analisis getaran pada bantalan luncur telah dikembangkan oleh Hori [6]. Dalam teori ini suatu massa sederhana berupa disk diletakkan di tengah poros yang disangga dua bantaIan luncur. Massa ini bergetar dalam arab x dab. y yang normal terhadap sumbu poros (gambar4).

m

, i Gambar 4. Model Hori untuk analisis getaran

pada bao.talan luncur [6].

Batas kecepatan putar poros diturunkan dari kriteria Routh-Hurwitz yang mana menyediakan pemyataan untuk putaran kritis (threshold speed of self-exited vibraton)

*_ A,A3~ OOC - ( A2 Z X ) (26)

IC', + AzAs - A,A4AS As +yA,

dimana adalah parameter yang diekspresikan

w Y=­

Icc (27)

A" ~, A3, A4 dan As adalah produk koefisien stiffness dan damping yang dinyatakan dengan

A -K" K" 4- xx+ JJ'

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

Putaran kritis bantalan juga diberikan sebagai :

'" _ CJ),.

00,. - (g/cr

dimana: OOc adalahputarankritis poros (rad/s) g adalah percepatan gravitasi (mM)

(33)

W adalah beratlbeban pada poros (N)

Parameter Vogelpohl Vogelvohl [7] telah mengembangkan

akurasi penyelesaian metode numerik untuk persamaan Reynolds yang dikenal dengan parameter Vogelpohl, yaitu :

M,. = p*h*1.5 (34)

Dengan mensubstitusikan parameter ini ke persamaan (2) diperoleh:

a2M,. + (li)2 a2M,. =FM +G (35)

ax*" L cry*" ' dimana parameter F dan G untuk bantalan luncur

~II*

ax'" G= 11",1.5

II'" (36)

(37)

Untuk penyelesaian konstanta damping dengan melibatkan kecepatan squeeze, w*, persamaan (25) kemudian dapat dimasukkan ke dalam parameter G dari persamaan Vogelpohl dan diperoleh :

(38)

Metode Beda Hingga Pendekatan beda hingga untuk

penyelesaian numerik menggunakan formula beda tengah (central-difference formula) yang diberikan berikut ini :

(aM,.) ~ M"i+1 -M".i_, ax'" i Ox'"

(39)

(a!M,.) ~ MI.i+' +M, .. i-1 -2M,." (40) ax"'! i (ox"'!

dl1,.,.,., +M,,-,).·(T r d~t."., +M,,,_,).-Gi , (41)

•

60 Jurnal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 2, Mei 2006 ~ . .. ~--------------------------------------------------------------- ~ dimana

C =_1_ 1 &*2 '

C = __ 1_ 2 By *2

Gambar 5. berikut ini menunjukkan skema metode beda hingga

[

[

[

Z6x*-:

X~I x.* Xl!.I x*

Gambar 5. Metode Beda Hingga

Kondisi Datas Kondisi batas untuk bantalan luncur adalah

p* dan M. * berharga nol pada sisi bantalan. Rentang x* adalah nol sampai 2/31t (partial journal bearing). Rentang y* adalah dari ° sampai 1. Perhitungan dapat dilakukan pada separuh nodal jika simetri, akan tetapi untuk kasus misalignment diperlukan domain nodal yang meliputi seluruh bantalan.

HASILDANPEMBAHASAN DistrIousi Tekanan

Gambar 6 sampai dengan 9 di bawah ini menunjukkanpengaruh misalignment parameter (t) terhadap tekanan mllksimum dan distribusi tekanan pada bantalan luncur parsial 1200 denganLID= 1 daneksentrisitas (6)=0,7

•

Pengaruh MI&allgment Terhatlap Tekanan Makslmum

1.5

0.5=-==-----::-.,----:-'::-~____:_:=--::'":_--=-=:-:'-:--:-':::----=' o 0.05 0.1 0.15 02 026 0.3 0.36 0.4 0.45 0.5

Gambar 6. Pengaruh misalignment pada tekanan maksimum .

if:

j...,.lJ ............ . j

I

Gambar 7. Medan tekanan pada bantalan parsial t= 0, LID = 1,6 = 0,7.

Gambar 8. Medan tekanan pada bantalan parsial t= 0,25, LID = 1,6 = 0,7.

Gambar 9. Medan tekanan pada bantalan parsial t= 0,5, LID = 1,6 = 0,7.

L· Dedy Zlllhidayat Noor, Studi Nllmerik Pengaruh Misalignment pada Balltalan Luneur Parsial 61 @ ----------------------------------------------------~. •• 0

Tekanan maksimum pada daerah di dekat lapisan film minimum meningkat dua kali lebih besar ketika misalignment bergerak dari 0 sampai 0.5 (gambar 6). Medan tekanan lapisan film lebih seragam pada bantalan tanpa misalignment (gambar 7) dibandingkan bantalan dengan misalignment (gambar 8 dan 9). Semakin besar misalignment maka medan tekanan menjadi semakin tidak seragam dan konsentrasi tekanan maksimum pada daerah di dekat lapisan film minimum juga semakin meningkat. Meskipun tidak dipelajari seeara khusus pada penelitian ini, kenaikan tekanan maksimum akibat misalignment juga akan menaikkan temperatur maksimum dari pelumas. Hal ini akan mempengaruhi properti pelumas serta strength properties dari bantalan.

Pada harga misalignment yang sangat besar dengan tekanan dan temperatur maksimum yang tinggi dapat merusak lapisan film minimumnya dan menyebabkan terjadinya kontak langsung antara shaft dan bush. Pada kondisi ini gesekan meningkat sangat tajam, kerugian energi sangat besar dan dapat menyebabkan kerusakan pada bantalan.

Putaran Kritis Misalignment keeil pada sambungan poros

kopling (coupling) yang berputar akan menghasilkan kerugian daya, getaran dan ketidakstabilan serta kerusakan yang besar. Sedikit berbeda. dengan yang terjadi pada kopling, misalignment dalam skala keeil pada bantalan luneur masih diijinkan selama poros beroperasi di luarputaran kritisnya [8].

Gambar 10 menunjukkan misalignment pada kopling dan bantalan, sedangkan harga putaran kritis tak berdimensi untuk berbagai posisi alignment ditunjukkan pada gambar II.

Dari gambar tampak bahwa putaran kritis cenderung turun dengan membesarnya misalignment dan akan naik tajam apabila harga misalignment terlalu besar. Dalam prakteknya ketika misalignment tidak dapat dihindarkan, pengoperasian bantalan di daerah dekat dengan putaran kritisnya sangat tidak diijinkan. Selain itu, getaran yang besar akibat oil whirl juga dijumpai dalam aplikasi ketika poros bantalan beroperasi pada putaran sebesar dua kali putaran kritisnya.

B"rings~

/~ Coupling Receplor

Motor fP= shaft

~~ ;:·_·_·_·-3·-

VlIIU/I/II/IIA

1=: ::I ••• -._ • ... "" '.:=1=: Vll/J7f111111111

Gambar 10. Misalignment pada kopling dan bantalan

oL-~~--~~~~~~~~~

o ~ u ~ ~ ~ ~ = ~ ~ ~

Parameter Misalignment

Gambar 11. Pengaruh misalignment terhadap putaran kritis pada bantalan parsial LID = I,

s=0,7

KESIMPULAN Pendekatan numerik dengan metode beda

hingga pada penyelesaikan persamaan Reynolds untuk medan tekanan lapisan film hidrodinamik dan stabilitas pada bantalan luneur parsial dapat diterapkan. Parameter Vogelpohl dan kriteria stabilitas Routh-Hurwitz digunakan untuk penyelesaian persamaan Reynolds dan memberikan hasil yang eukup baik Misalignment pada bantalan luncur menyebabkan timbulnya distribusi tekanan dan temperatur yang semakin tidak seragam serta konsentrasi tekanan maksimum dan temperatur yang lebih tinggi di daerah dekat lapisan film minimum. Pengoperasian bantalan dengan putaran poros tertentu haruslah mengacu pada operasi diluar putaran kritis untuk setiap posisi alignment dari bantalan.

•

62 Jumal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 2, Mei 2006 ~o .~------------------------------------------------------------- @ O ••

DAFTARPUSTAKA [1] Sun, J., Gui, C., & Li, Z., 2005, "An

Experimental Study of Journal Bearing Lubrication Effected by Journal Misalignment as a Result of Shaft Defonnation Under Load", Journal of Tribology, Vol. 127, Issue4,pp. 813-819

[2] Johansson, L. and Wettergren, H., 2004, "Computational of The Pressure Distribution in Hydrodynamics Bearings Using Newton's Method", Journal of Tribology, Vol. 126.

[3] Reynolds, 0., 1886, "On the Theory of Lubrication and its Application to Mr Beauchamp Tower's Experiments Including an Experimental Determination of the viscosity of Olive Oil, Phi/os. Trans. R. Soc. London, Vol. 177,pp. 157-234.

•

[4] Cameron, A., 1966, Principles of Lubrication, Longmans Green and Co. Ltd, London.

[5] Stachowiak, G, w., and Batchelor, A., W., 2001, Engineering Tribology. Woburn. MA. Butterworth-Heinemann.

[6] Hori, Y., 1959, "A Theory of Oil Whip", Transaction of the ASME, Journal of AppliedMechanics, Vol. 78, pp.189-198

[7] Vogelvohl, G, 1937, Beitragezur Kenntnis der Gleitlagerreibung, Ver. Deutsch. lng, Forschungsheft,pp.386.

[8] Fakhfakh, T., Hili, M., A., Hammami, L., and Haddar, T., 2004, "Angular Misalignment Effect on Bearings Dynamical Behaviour", The Arabian Journalfor Science and Engineering, Vol. 29,NumberlC .