POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 ISSN : 1858-3709 Variabel Tegangan Terhadap Hasil Electroplating Pada Alat Penyepuh Logam Voltage variable to result of electroplating at gilder metal Salwin Anwar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang Kampus Unand Limau Manis Padang 25163 Telp. 0751-72590 Fax. 0751-72576 ABSTRACT Elektroplating is deposition proces of a protecting metal in which the deposited metal has an adhesive characteristc on the surface of base metal. In this experiment, the electroplating is compared by using current variable to find the comparison of plating process using gilder metal. This electroplating reguires high voltage current namely DC current while the voltage needed is low since the current used in electroplating is low voltage. Travo of 220 volt inlet and 12 volt outlet was used in the gilder equipment to produce 5 amphere current and the voltage variable from 2 volt to 8 volt by using second transformator of 3500 mA, a relay and a converter circuit with outlet of 12 volt and 5 volt which then parallelized with main transformator. Based on the comparison of various voltage used, it is found that the best plating result is in 2 volt to 4 volt as the product is more shine and smooth and this is in accordance with the theory Keywords: Electroplating, Transformator, Elektrolit Liquit. PENDAHULUAN Dalam perkembangan teknologi sekarang berbagai barang yang terbuat dari logam dapat direkayasa dengan berbagai cara seperti dicetak, dibentuk, dan diwarnai serta dilapisi dengan logam lain. Bahkan untuk proses penyelesaian (finishing) disamping dipoles, ada yang dicat, dipernis, dam dilapisi logam. Finishing diperlukan bagi logam-logam yang mudah mengalami korosi, selain itu juga untuk berfungsi dekoratif (memperindah penampilan). Berbagai barang logam dibuat, dibentuk, dicetak sehingga jadilah wujud akhirnya seperti yang dikehendaki, baik untuk bumper mobil, paku sampai kabel, setelah itu diperlukan tahap perampungan, penyelesaian (finishing). Finishing itu ada bermacam-macam. Ada yang sekedar dipoles agar halus dan mengkilat dapat pula dilapisi logam lain agar sifatnya berubah, dapat dicat atau dipernis, dilapisi keramik atau enamel dan ada pula pelapisannya dari substratnya sendiri misalnya dalam bentuk oksidasinya, penghitaman baja, anodasi dan sebagainya. Finishing logam merupakan bidang yang sangat luas. Beberapa proses penting finishing adalah elektroploting. Elektroplating merupakan suatu cara pelapisan yang menggunakan listrik sebagai medianya. Selain elektropoloting mengenal diantaranya adalah anodasi, plating “electroless“ (tanpa listrik), pelapisan/ coating konversi, plating mekanis dan plating terhadap plastik. Transformator Transformator adalah suatu peralatan listrik yang dipergunakan untuk memindahkan daya atau energi listrik dari suatu bagian rangkaian ke rangkaian yang lain secara induksi dengan tegangan dan arus berubah serta frekuensi tetap (melalui suatu gandengan magnet dan prinsip-prinsip elektromagnet). Didalam tenaga listrik transformator dikelompokkan menjadi: 1. Transformator daya disebut juga transformator penarik tegangan (step-up) digunakan untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi. 2. Transformator distribusi disebut juga sebagai transformator penurun tegangan (step-down) digunakan 42 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan yang dapat disalurkan kekonsumen atau pemakai. 3. Transformator pengukuran yang terdiri dari transformator arus dan tegangan. Sedangkan dalam bidang elektronika transformator digunakan untuk: 1. Mengubah tinggi tegangan bolakbalik yaitu menaikkan dan menurunkannya. 2. Menyesuaikan impedansi. 3. Menyekat sirkuit. Hal-hal yang merupakan bagian penting dari sebuah transformator adalah sebagai berikut: a. Konstruksi Transformator. Umumnya konstruksi transformator daya secara singkat terdiri dari: 1. Inti yang terbuat dari lembaranlembaran plat besi lunak atau baja silikon yang diklem menjadi satu. 2. Belitan dibuat dari tembaga yang cara membelitkannya pada inti dapat dikosentris atau spiral. 3. Sistem pendinginan pada transformator dengan daya yang cukup besar. 4. Bushing untuk menghubungkan rangkaian dalam transformator dengan rangkaian luar. Antara inti dan belitan akan memberikan dua jenis transformator adalah sebagai berikut: 1. jenis inti (kode type) yaitu belitan mengelilingi inti, terlihat pada gambar 1 untuk transformator dengan daya dan tegangan tinggi. Gambar 1. Konstruksi transformator tipe inti. 2. jenis cangkang (shell type) yaitu inti mengelilingi belitan, seperti pada gambar 2 yang mana untuk trafo daya tegangan rendah. ISSN : 1858-3709 Gambar 2. Konstruksi cangkang. transformator tipe b. Prinsip Kerja Transformator Prinsip kerja transformator adalah dimana alat ini terdiri dari sebuah susunan teras besi tertutup didalamnya terdapat gulungan kawat tembaga yang digulungkan pada kaki-kaki transformator yaitu: 1. Gulungan primer (P) adalah gulungan yang dipasangkan pada sumber arus. 2. Gulungan sekunder (S) adalah gulungan yang dipasang pada aliran listrik. Bekerjanya transformator ini berdasarkan pembangkitan tegangan bolak balik secara induksi didalam gulungangulungan kawat yang melingkari garis gaya (fluks) yang berubah. Tegangan bolak-balik E1 mengalir I1 dan aliran I1 akan membangkitkan tegangan induksi E2 pada klem-klem gulungan sekunder. Transformator tanpa beban Gambar 3. Rangkaian transformator tanpa beban Bila tegangan V1 yang berbentuk sinusoidal dihubungkan kegulungan primer suatu transformator maka pada gulungan tersebut akan mengalirkan arus listrik yang disebut arus penguatan. Arus pengutan ini akan menimbulkan fluks berbentuk gelombang sinus pada inti transormator. Fluks yang mengalir melalui inti ini disamping memotong gulungan primer juga memotong gulungan sekunder. Pada gambar diatas belitan sekunder tidak 43 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 tersambung dengan alat pemakai (beban) oleh sebab itu belitan sekunder tidak mengeluarkan arus dan belitan primer dipandang sebagai belitan penghambat, tidak ada kehilangan tegangan E2 = V2. Arus yang mengalir pada kumparan primer disebut arus tanpa beban (Io) karena pada belitan primer tetap ada arus yang mengalir yang diperlukan untuk membangkitkan fluks, arus ini menyebabkan jatuhnya tegangan sepanjang belitan primer sehingga gaya gerak listrik dalam primer tidak sama dengan sumber listrik V1, jadi E1 tidak sama dengan V1. Transformator Berbeban Gambar 4. Rangkaian transformator berbeban. Bila tegangan V1 yang berbentuk sinusoidal dihubungkan ke gulungan primer suatu transformator maka pada gulungan tersebut akan mengalir arus listrik Io yang membangkitkan fluks bolak-balik yang mengalir ke seluruh inti sehingga menimbulkan gaya gerak listrik induksi E1 pada belitan primer dan E2 pada belitan sekunder, karena pada belitan sekunder diberi beban Z maka akan timbul arus I2 (arus beban) yang melingkari kumparan sekunder. Arus I2 yang melalui kumparan menimbulkan fluks ( Φ 2) sehingga mengurangi fluks yang pertama ( Φ m), sehingga fluks menjadi kecil dan E1 juga turun begitu juga dengan E2, jadi Φ = ( Φ m - Φ 2). Dengan turunnya E1 berarti timbul I2 untuk menyeimbangi (pelemahan Φ m) E2 sehingga E1dan E2 tetap. Besarnya tegangan induksi dituliskan dalam gulungan primer (N1) dalam gulungan yang dapat dirumuskan sebagai berikut: E1 = fv . Φ . N . 10-8 Volt (1) Karena : fv = 1,11 (konstan) Jadi : E1 = 4,44 . Φ . 10-8 Volt ISSN : 1858-3709 Sedangkan untuk gulungan sekunder N2, maka tegangan induksi pada gulungan sekunder adalah : E2 = 4,44 . Φ . N2 . 10-8 Volt Dimana : E1 = tegangan primer E2 = tegangan sekunder N1 = gulungan primer N2 = gulungan sekunder Perbandingan antara arus primer dengan arus sekunder adalah berbanding terbalik dengan perbandingan antra tegangan induksi primer dan tegangan induksi sekunder ini dapat dirumuskan sebagai berikut: N1 I 2 V 1 = = N 2 I1 V 2 Perbandingan rumus diatas apabila transformator dianggap ideal dan perbandingan tersebut dinamakan perbandingan transformasi. Polaritas Transformator yang dimaksud dengan polaritas transformator adalah arah relatif pada tegangan imbas dengan jepitan pada tegangan rendah. Ada dua macam polaritas transformator yaitu: 1. Polaitas penjumlahan. 2. Polaritas pengurangan Polaritas transformator dapat ditentukan dengan menghubungkan H1 dan X1 yang terdekat padanya dan tegangan dipasang pada kumparan tinggi, kemudian diukur tegangan antara H2 dan X2 tidak dihubungkan. Apabila tegangan bertambah besar dari tegangan yang dipasang pada jepitan tegangan tinggi, maka transformator ini mempunyai polaritas penjumlahan dan apabila tegangan jepita berkurang nilai tegangan yang dipasang maka polaritas transformator tersebut adalah polaritas pengurangan (gambar 6). 44 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 Gambar 5. Macam-macam transformator. polaritas Elektroplating Electroplating (proses lapis listrik) adalah suatu proses pengendapan (deposisi) suatu logam pelindung yang dikehendaki diatas logam lain dengan cara elektrolisa dimana endapan logam yang terjadi bersifat adhesive terhadap permukaan logam dasar.logam-logam yang bisa digunakan sebagai logam pelapis adalah: Tembaga (Cu), Nikel (Ni), Chrom (Cr), Cadmium (Cd), Emas (Au) Perak (Ag) dan timah (Sn) didalam logam-logam diatas sulit terkomusi. Adapun tujuan dari elektroplating adalah: 1. Melindungi logam yang mudah rusak (mencegah korosi) 2. Meningkatkan ketahanan terhadap gesekan. 3. Memberikan penampilan yang lebih menarik dari pada logam aslinya. 4. Memperbaiki sifat permukaan logam dasar,diantaranya adalah: a. Untuk menaikkan daya hantar listrik (dengan melapis Cu). b. Untuk mempertinggi kekerasan (dengan melapis Cr). c. Untuk memperindah penampakan (dengan melapis Cu, Ni dan Cr) 5. Memperbaiki ukuran dan toleransi logam dasar. Elektroplating (lapis lisrik) termasuk dalam proses yang secara umum disebut proses elekterolisa. proses ini dilakukan dalam suatu bejana yang disebut sel elektronik dan berisi cairan elektrolit ISSN : 1858-3709 pada cairan ini minimal dicelupkan dua buah elektroda masing-masing elektroda dihububungkan kesumber listrik. Kutub positif dinamkan anoda sedangkan yang dihubungkan dengan kutub negatif dinamakan katoda. Jika arus lisrik dialirkan,maka daerah elekroda maupun reaksi kimia baik reaksi maupun reaksi oksidasi. Reaksi seperti ini diharapkan menjadi terus menuju arah tertentu secara tetap. Hal penting dalam proses ini dengan menggunakan arus searah. Hubungan antara besarnya arus listrik dengan jumlah zat yang dibebaskan dalam larutan tersebut dinyatakan oleh michael faraday (1791 – 1867) yaitu: e.i.t G= F Dimana: G: massa zat yang terbentuk (gram) E: berat ekivalen zat yang dibebaskan I : kuat arus yang mengalir (ampere) t : waktu mengalir (detik) 1F : 96500 coulomb, yaitu jumlah arus listrik yang diperlukan untuk membebaskan 1 gram ekivalen (1 grek) suatu zat. Kemudian : e (gr) yaitu 96500 jumlah logam yang mengendap pada katoda apabila besar arus = 1 couloumb atau 1 ampere dalam 1 detik maka: G=z.i.t Tara elektrokimia (z) = Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar prinsip kerja elektroploting yaitu pelapisan besi dengan tembaga dibawah ini: 45 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 C u F e C u ISSN : 1858-3709 4OH- → 02+2H2O + 4 eSehingga dapat dilihat pada gambar dibawah ini: + S o 4 - Gambar 6. Prinsip kerja elektroploting (+) - Cl - - - -- - - - - - - - - - - - - - - ------------------------------ ------ anoda Macam – macam sistim elektroploting a. Rack Plating Rack plating adalah suatu sistem pelapisan yang menggunakan alat sebagai tempat menggantungkan barang yang akan dilapis, dimana alat (rack) ini berfungsi juga menghantar arus listrik. b. Continous Plating Continous plating adalah sistim elapisan yang terus menerus, dimana barang yang akan dilapisi bergerak menuju larutan dan keluar secara berantai. Biasanya barang yang akan dilapis adalah berbentuk kawat panjang dan juga barang yang berbentuk lembaran-lembaran.Waktu operasi proses untuk dapat dihitung sebagai berikut: 60 xL T= s Dimana: T = waktu operasi (menit) L = panjang kawat/lembaran (m) s = kecepatan roll (meter/menit) METODOLOGI Perencanaan Larutan Elektrolit. Perencanaan larutan yang dipakai pada proses elektroploting ini adalah cairan galvanis yang disebut cairan nikel. Dalam proses elektrolisa nikel terjadi reaksi katoda yaitu proses reduksi dari ion-ion nikel dengan bantuan elektron-eleketron yang berasal dari sumber arus searah. Dimana reaksinya sebagai berikut: Ni2+ + 2 e→ Ni + e2H + 2 → H2 Sedangkan pada anoda terjadi reaksi oksidasi. Reaksinya adalah: → Ni2+ + 2 eNi (-) -------- -------------------- -------------------------------------Ni2+- - ----- ------------------- katoda Gambar 7. Proses pelapisan nikel. Maka untuk perencanaan pelapisan nikel ini besar kadar larutan galvanis berupa cairan nikel adalah sebagai berikut: a. Kompisisi larutan: 1. nickel sulfate (NiSO4.6H2O) 240-300 gr/lt 2. nickel choliride (NiCl2.6H2O) 40-60 gr/lt 3.boric acid (H3BO3) 25-40 gr/lt b. Kondisi operasi 1. suhu larutan 65oC 2. rapat arus A/dm2 3. pH 4,5 4. anoda Ni; C; Pt-Ti; SS 213-7 1,599% c. Kontrol larutan a.Analisa larutan: 1. logam nikel. 2. khorida. 3. boric acid. 4. bahan additive. b. suhu larutan. c. Rapat arus. d. pH. 46 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 Menentukan Tebal Lapisan. Untuk menentukan tebal lapisan dapat mikroskop dengan memotong penampang benda yang telah dilapisi. Secara teoritis tebal lapisan dapat dilakukan berdasarkan hukum faraday. Dimana faraday menemukan hubungan antra berat logam yang diendapkan dari ion logam dengan jumlah arus yang digunakan. Hubungan tersebut dapat dilihat dalam hukumnya sebagai berikut: “ Jumlah logam yang terendap (terdekomposisi) pada saat berlansungnya proses elektrolisa berbanding lurus dengan besar arus yang dialirkan dalam lamanya proses dalam suatu larutan elektrolit”. Dari pernyataan faraday diatas dapat dirumuskan berat logam yang diendapkan selama proses berlansung dengan rumus sebagai berikut: I .t. A w= z .F dimana: w = berat lapisan (gram) I = arus DC (ampere) t = waktu pelapisan (detik). A = berat atom dari logam yang akan dilapiskan (gram/mol). z = valensi dari logam yang akan dilapiskan. F = bilangan faraday sebesar 96500 coulomb. Jika berat logam yang diendapkan sudah diketahui, maka dihitung volumenya kalau diketahui berat jenis logam tersebut dengan menggunakan rumus sebagai berikut: m V= ρ Dimana: V = volume m = massa netto pelapis (berat benda akhir dikurangi berat awal) ρ = berat jenis logam. Dengan mengukur lansung luas permukaan benda kerja yang akan dilapisi, bila dianggap tebal endapan sama pada semua permukaan benda kerja, maka dapat dihitung tebal lapisan dengan cara: ISSN : 1858-3709 HASIL Sebelum pengujian data dapat dilihat pada gambar di bawah ini bagaimana logam sebelum diplating: Gambar 8. Logam yang belum dilapisi. Pada pengujian 2 volt didapatkan data sebagai berikut: a. Vsumber = 220 volt. b. I sumber = 10 amper c. Vout = 2 volt d. Iout = 150 mA atau 0,7 A. e. waktu = 15 menit hasil plating pada tegangan sebesar 2 volt ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini: Gambar 9. Hasil plating pada tegangan 2 Volt Pada pengujian 3 Volt didapatkan data sebagai berikut: a. Vsumber = 220 volt. b. I sumber = 10 amper c. Vout = 3 volt d. Iout = 208,3mA atau 0,73 A. e. Waktu = 15 menit Hasil plating pada tegangan sebesar 3 volt ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini: Gambar 10.Hasil plating pada tegangan 3 Volt. Pada pengujian 4 Volt didapatkan data sebagai berikut: 47 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 a. Vsumber = 220 volt. b. I sumber = 10 amper c. Vout = 4 volt d. Iout = 190 mA atau 0,91 A. e. Waktu = 15 menit hasil plating pada tegangan sebesar 4 volt ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini: Gambar 11. Hasil plating pada tegangan 4 volt. PEMBAHASAN Dari data percobaan yang didapatkan pada saat melakukan pengukuran adalah arus yang dibutuhkan sangat besar dimana sesuai dengan peralatan yang dibuat yaitu dengan arus sebesar 10 Amper dengan menghasilkan tegangan yang kecil sehingga dapat dilihat bagaimana hasil plating dari percobaan tersebut. Pada percobaan 2 volt dengan waktu plating selama 15 menit dimana disini hasil plating sangat bagus dimana hasil plating terasa licin, mengkilat, dan cairan tidak menumpuk dimana pada saat cairan beraksi terhadap benda beraksi lambat sehingga dengan ini cairan dapat menyatu dengan baik karena pada electroplating tegangan yang dibutuhka sangat kecil. Pada percobaan 3 volt dengan waktu plating selama 15 menit dimana hasil palting juga bagus yang hasil benda kerja yang diplating terasa agak licin,mengkilat dan cairan tidak menumpuk dimana pada saat cairan beraksi terhadap benda kerja juga lambat sehingga hal ini juga dapat membuat cairan dapat menyatu dengan baik terhadap benda kerja. Pada percobaan 4 volt dengan waktu plating selama 15 menit dimana hasil plating agak bagus yang mana hasil benda kerja yang diplating terasa juga agak licin,agak mengkilat dan cairan agak sedikit menumpuk dan cairan beraksi terhadap benda kerja agak mulai cepat yang ISSN : 1858-3709 menimbulkan buih-buih yang agak mulai banyak hal ini disebabkan tegangan keluaran yang diset sudah naik. Dari semua percobaan diatas dengan semua waktu yang sama terlihat bahwa dalam electroplating adalah hal yang sangat diperhatikan adalah arus yang dibutuhkan besar semantara tegangan yang dihasilkan kecil karena hal ini mempengaruhi terhadap cairannya nantinya dan juga apabila tegangan yang diberikan besar dan tegangan yang dihasilkan juga besar maka cairan dapat menghitam karena cairan nikel memiliki hambat listrik yang kecil sehingga dengan memberikan tegangan yang besar dapat menyebakan cairan tidak dapat bekerja dan akan melapisi logam nantinya. Pada elektoplating dapat juga dihitung berapa besar berat lapisan nikel pada logam yang dilapisi dimana dapat menggunakan hukum faraday untuk menghitungnya. Dan perhitungan berat tersebut dapat diambil dari salah satu data yang diperoleh. Data: arus sebesar 10 amper dengan waktu pelapisan selama 15 menit dan efesiensi yang telah ditetapkan yaitu 99% dan juga berat atom dari nikel yang telah menjadi ketetapan yaitu sebesar 29,63 serta valensi nikel berdasarkan ketetapan yaitu 2 gram/mol dan juga bilangan faraday yang telah menjadi ketetapan yaitu 96500 maka berat lapisan yang diperoleh adalah : I .t. A w= z .F 10.(15.60).29,63 x0,99 w= 2.96500 w = 1,367 gram. Selain dapat menentukan hasil plating terhadap tegangan yang diberikan electroplating dapat juga menentukan berapa berat lapisannya yaitunya menghitungnya berdasarkan hukum faraday yang seperti terlihat diatas. Besarnya bak plating juga sangat menentukan terhadap hasil plating yang diinginkan karena semakin besar bak plating yang ditentukan maka arus yang dibutuhkan juga besar dan tegangan yang 48 POLI REKAYASA Volume 4, Nomor 1, Oktober 2008 ISSN : 1858-3709 kecil. Pada percobaan diatas bak plating yang dipergunakan berukuran kecil sehingga disini hanya memakai arus sebesar 10 amper dengan tegangan yang kecil yaitu mulai dari 2 volt sampai 8 volt yang hasil terlihat pada hasil percobaan diatas. SIMPULAN Setelah menyelesaikan pembahasan mengenai variabel tegangan terhadap hasil elektroplating pada mesin penyepuh logam maka dapat ditarik kesimpulan yang berdasarkan dari rangkuman pembahasan yaitu: 1. Pada proses pengelektroplatingan hendaknya memiliki arus yang besar dan tegangan yang kecil. 2. Pada pengelektroplatingan hasil yang memiliki tegangan yang kecil akan menghasilkan hasil sepuhan yang sangat baik. 3. Electroplating dapat dimanfaatkan sebagai alat yang dapat menghilangkan korosi dan karat sehingga logam yang dilapisi logam memiliki nilai jual yang baik. DAFTAR PUSTAKA Armanto,Hari dan Haryanto.1992.Ilmu Bahan.Penerbit Bumi Aksara,Jakarta. J.Hartomo dan Tomijiro kaneko.1995.Mengenal Pelapisan logam (Elektroplating), edisi pertama. Penerbit Andi Offset,Yogyakarta. Tooley,Mike.2003.Rangkaian Elektronika, Edisi ke 2.Penerbit Erlangga,Jakarta. Zuhal.1995.Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya.Penerbit PT Gramedia Pustaka Utama,Jakarta. Van Vlack,Lawrence H.1989.Ilmu dan Teknologi Bahan,edisi 5.Penerbit Erlangga Jakarta. Wahyudi,soleh.2006.Elektroplating Perak Seri Pelapisan Logam.Penerbit Technic,Bandung. 49