THERMAL SPRAY COATING
MAKALAH
Disusun guna memenuhi tugas mata kuliah Teknik Pelapisan Bahan
Disusun oleh: KELOMPOK 2
NO.
NAMA
NIM
1.
AGUS AGUSTI TINI NI PURW PURWAN ANIN INGT GTYA YAS S
3334 333413 1312 1299 99
2.
DODY FITRIYADI
3334121597
3.
GINANJAR SAPUTRA
3334130779
4.
NUR SUMIATI ACHMAD
3334120594
5.
R. E. DINAR RAHMAWAT WATI
3334121138
6.
REZZA PUTRA SAMUDRA
3334120604
7.
YURIANSYAH
3334132437
JURUSAN TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA CILE CILEGO GON N – BANT BANTEN EN 2015
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat dan anugerahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Makalah ini ditulis guna memenuhi tugas mata kuliah Teknik Pelapisan Bahan dan diharapkan dapat menambah pengetahuan kita semua tentang thermal spray coating . Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah ini. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih memiliki kekurangan baik dari teknik penulisan maupun isi. Oleh karena itu, dengan tangan terbuka penulis menerima segala kritik demi perbaikan di masa mendatang. Akhir kata, semoga makalah ini dapat bermanfaat sebagaimana mestinya.
Cilegon, September 2015
Penulis
ii
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL........................................................................................ i KATA PENGANTAR ..................................................................................... ii DAFTAR ISI .................................................................................................... iii BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang .............................................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah ......................................................................... 1
1.3
Tujuan Penulisan ........................................................................... 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Thermal Spray ............................................................................... 2
2.2
Karakteristik Pelapisan Thermal Spray......................................... 3
2.3
Klasifikasi Proses Thermal Spray ................................................. 5
2.4
Proses-proses Thermal Spray 2.4.1 Flame spray ......................................................................... 6 2.4.2 Electric-arc (wire-arc) spray............................................... 7 2.4.3 Plasma spray ....................................................................... 7 2.4.4 High-velocity oxyfuel ........................................................... 9 2.4.5 Detonation gun .................................................................... 10
2.5
Keuntungan Proses Thermal Spray ............................................... 11
BAB III KESIMPULAN 3.1
Kesimpulan.................................................................................... 12
3.2
Saran.............................................................................................. 12
DAFTAR PUSTAKA
iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Teknologi pelapisan material telah menjadi perhatian besar di lingkungan penelitian dan industri dikarenakan merupakan cara yang efektif dan secara ekonomis lebih murah dalam menahan degradasi seperti keausan, oksidasi, korosi, atau kerusakan pada suhu tinggi tanpa mengorbankan material substrat yang dilapisinya (Sundararajan, dkk, 1998). Salah satu metode pelapisan yang telah diterima dengan baik di kalangan industri adalah pelapisan berbasis thermal spray coating karena kemudahannya untuk diaplikasikan pada pelapisan material dalam skala besar. Thermal spray merupakan gabungan dari beberapa proses di mana prinsip kerjanya adalah suatu material (dalam bentuk wire, rod atau powder ) dipanaskan oleh sumber panas ( flame, plasma, atau arc) lalu partikel lelehan ditekan oleh udara sehingga menempel pada permukaan benda kerja membentuk lapisan baru. Dewasa ini, teknologi thermal spray telah digunakan secara intensif sebagai thermal barrier coatings untuk industri dirgantara (aerospace), komponen boiler serta komponen automotif (Lusiani dkk, 2013).
1.2
Rumusan Masalah
Berangkat dari latar belakang di atas, maka rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini yaitu bagaimana mekanisme pelapisan secara thermal spray, jenis-jenis prosesnya, serta fungsi dan penerapannya dalam industri.
1.3
Tujuan Penulisan
Melalui penulisan makalah ini, diharapkan pembaca dapat memahami mekanisme proses pelapisan thermal spray, klasifikasi prosesnya, serta fungsi dan penerapan proses-proses tersebut dalam dunia industri.
BAB II PEMBAHASAN 2.1
Thermal Spray
Thermal spray (penyemprotan termal) merupakan salah satu teknik rekayasa permukaan, yaitu dengan mendepositkan partikulat dalam bentuk cair, semi cair atau padat ke substrat atau sekelompok proses dimana material pelapis ( feedstock material ) dipanaskan dan didorong sebagai partikel individual (droplets) ke suatu permukaan (base material / substrate) (Pawlowski, 2008).
Gambar 2.1 Faktor-faktor yang mempengaruhi proses thermal spray coating (Dwijayanti, 2011)
Thermal spray coating adalah suatu proses di mana bahan dalam bentuk serbuk atau kawat logam dan nonlogam dideposisikan dalam kondisi cair atau setengah cair pada suatu permukaan yang telah disiapkan sebelumnya. Material yang telah diatomisasi menggunakan semburan gas membentuk deposit tersebut menghasilkan lapisan dengan tebal beberapa mikron sampai beberapa milimeter.
3
Lapisan material yang dihasilkan akan mempunyai sifat mekanis melebihi material logam dasarnya (Ain, 2012). Thermal spray dapat digambarkan sebagai gabungan/kombinasi antara pemanfaatan energi termal untuk pemanasan atau peleburan dan energi kinetik untuk mengalirkan dan mendispersikan leburan atau lelehan yang diarahkan ke permukaan benda kerja. Energi termal dapat dihasilkan secara kimiawi melalui pembakaran bahan bakar dan oksigen, listrik ataupun dari radiasi. Sumber energi kinetik yang kompatibel dengan thermal spray adalah gas jet . Gas jet dapat digunakan sebagai pemanas dan atau mempercepat lelehan (Ain, 2012). Energi termal yang digunakan untuk melelehkan material pelapis dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu electrical dan flame heating . Saat material dipanasi, mereka berubah menjadi keadaan plastis atau meleleh serta diberi percepatan oleh aliran gas bertekanan ke substrat. Partikel-partikel tersebut menabrak substrat, menempel, dan membentuk lapisan tipis ( splats) yang menyesuaikan dan menempel pada permukaan tidak rata substrat dan dengan partikel pelapis yang lain. Kemudian setelah dingin akan terbentuk lapisan yang tidak homogen dan umumnya terdapat derajat porositas dan oksida logam (Arthana, 2014). Material feedstock dapat berupa apa saja yang dapat dilelehkan termasuk logam, senyawa logam, cermet oksida, gelas, dan polimer, dapat juga dalam bentuk powder , wire atau rod . Pengikat antara substrat dan pelapis dapat berupa ikatan mekanik, kimia, metalurgi atau kombinasi ketiganya. Sifat-sifat dari pelapis bergantung pada jenis material, proses thermal spray dan parameter-parameter yang diterapkan, dan perlakuan setelah proses thermal spray pada pelapis (Arthana, 2014).
2.2
Karakteristik Pelapisan Thermal Spray
Adapun karakteristik dari pelapisan dengan teknik thermal spraying adalah sebagai berikut: 1) Kekerasan, berat jenis, dan porositas
4
Pelapisan thermal spray sering digunakan karena derajat kekerasan hasil pelapisannya yang relatif lebih tinggi daripada pelapisan cat ( paint coatings) ataupun electroplating . Kekerasan dan ketahanan korosinya membuat pelapisan thermal spray sangat bernilai pada pemakaian benda kerja dengan tingat keausan tinggi. Kekerasan dan berat jenis lapisan thermal spray umumnya lebih rendah daripada material feedstock itu sendiri sebelum dilapiskan. Pada pelapisan logam thermal spray, kekerasan dan berat jenis bergantung pada material yang digunakan, jenis peralatan thermal spray, dan parameter-parameter yang digunakan. Secara umum, semakin tinggi kelajuan partikel, semakin tinggi pula tingkat kekerasan dan berat jenisnya. Kelajuan partikel yang dihasilkan oleh proses-proses thermal spray dari yang tertinggi adalah detonation gun, high velocity oxy-fuel (HVOF), plasma arc, wire-arc, dan flame spray. Kekerasan dan berat jenis juga bergantung pada temperatur gas atomisasi yang digunakan. Porositas yang terbentuk bergantung pada proses thermal spray, parameter yang digunakan dan material thermal spray (Arthana, 2014).
2) Ketahanan korosi Lapisan logam thermal spray dapat menjadi anodik atau katodik terhadap substrat logam di bawahnya. Karena korosi muncul pada anoda, lapisan anodik akan terkorosi pada lingkungan korosif, sedangkan katoda tidak. Sistem pelapisan anti korosi umumnya dirancang sehingga material pelapis menjadi anodik terhadap logam substrat. Pelapis anodik akan terkorosi atau dikorbankan untuk melindungi substrat. Pada beberapa kasus, ketahanan korosi dari material pelapis itu sendiri sangat penting. Pada penggunaan temperatur tinggi dan untuk penggunaan dengan bahan kimia, lapisan thermal spray harus sangat tahan korosi (Arthana, 2014).
3) Perekatan (adhesi) Pelapisan thermal spray mempunyai adhesi yang sangat tinggi. Pelapisan khusus untuk ketahanan aus yang dilakukan melalui proses thermal spray
5
dengan kelajuan partikel yang sangat tinggi dapat memiliki adhesi regang (tensile adhesion) lebih besar daripada 34.000 kPa (5000 psi) (Arthana, 2014).
2.3
Klasifikasi Proses Thermal Spray
Berdasarkan sumber panas yang dipakai dalam prosesnya, pelapisan thermal spray dibagi menjadi: 1) Combustion: sumber panas yang dipakai dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dengan oksigen. Bahan tambahnya bisa berupa wire (kawat), rod , atau powder (Ain, 2012).
2) Plasma spray: sumber panas yang dipakai adalah kombinasi dari pembakaran bahan bakar dan oksigen dengan plasma. Plasma adalah gas luminous dengan derajat pengantar arus dan kapasitas termis yang tinggi, yang dapat menampung temperatur jauh di atas 5000°C . Plasma pada hakikatnya terdiri dari molekul-molekul, elektron-elektron dan berbagai ion sebagai hasil pemecahan atom atau molekul. Elektron yang sangat gesit dipercepat dengan kenaikan tegangan di dalam berkas nyala plasma, memberikan sebagian tenaganya sewaktu terjadi tumbukan dengan atom-atom gas. Temperatur gas dapat naik hingga mencapai 10000°C hingga 20000°C (Ain, 2012).
3) Arc spray: sumber panasnya dari energi listrik. Bahan tambahnya berupa wire. Arus listrik yang dipakai yaitu arus searah (DC) dengan tegangan 30V -50V , besarnya arus tergantung dari diameter wire yang dipakai, mulai 100 A hingga 300 A. Prinsip kerja arc spray yaitu dengan mengkonsletkan wire yang disambung ke kutub positif dengan wire yang disambung ke kutub negatif di gun sehingga timbul hubungan pendek yang mengakibatkan melelehnya wire tersebut. Bersamaan dengan itu disemprotkan gas bertekanan yang akan menyemprotkan partikulat lelehan ke permukaan material (Ain, 2012).
Adapun berdasarkan kelajuan partikelnya, pelapisan thermal spray dapat diklasifikasikan menjadi:
6
1) Low velocity: kelajuan partikelnya 50-100 m/ s 2) High velocity: atau sering disingkat HVOF ( High-velocity oxyfuel ), yang kelajuan partikelnya bisa mencapai 200-1000 m/ s (Ain, 2012)
2.4
Proses-proses Thermal Spray
2.4.1 Flame spray
Gambar 2.2 Skema flame spray gun tipe (a) wire atau rod (b) tipe powder (ASM International, 1992)
Flame spray memanfaatkan gas mudah terbakar sebagai sumber panas untuk melelehkan material pelapis. Flame spray guns dapat menyemprotkan material baik dalam bentuk rod , wire, ataupun serbuk. Acetylene, propane, methyl-acetylene-propadiene (MAPP), hidrogen serta oksigen umum digunakan
7
sebagai gas pembakar dalam thermal spraying . Penyesuaian gun terhadap material yang akan dilapis serta terhadap ukuran wire atau gas yang digunakan adalah cukup dengan mengubah nozzle atau air cap (ASM International, 1992). Temperatur dan karakteristik flame (nyala api) bergantung pada tekanan dan rasio oksigen terhadap bahan bakar gas. Proses flame spray dicirikan oleh investasi modal yang rendah, efisiensi dan laju deposisi yang tinggi, serta kemudahan operasi dan perawatan peralatannya (ASM International, 1992). Umumnya, pelapisan as-deposited flame-sprayed (atau cold spray) menunjukkan kekuatan ikatan yang rendah, porositas tinggi, kisaran temperatur kerja yang kecil, serta transmisi panas yang lebih tinggi pada substrat dibanding kebanyakan proses thermal spray lainnya. Menggunakan paduan berbasis nikel sebagai pelapis, proses flame spray secara luas digunakan untuk perbaikan komponen-komponen yang aus atau kehilangan toleransi (dimensi berubah). Paduan perunggu dapat digunakan untuk melapisi bearing atau area seal. Campuran tungsten karbida dan paduan berbasis nikel akan menghasilkan lapisan tahan aus. Untuk ketahanan korosi pada jembatan dan bangunan struktural, digunakan zinc (ASM International, 1992).
2.4.2 Electric-arc (wire-arc) spray
Proses electric-arc (wire-arc) spray menggunakan logam berbentuk kawat (wire) dan berbeda dari pelapisan thermal spray lainnya karena tidak memiliki sumber panas eksternal seperti nyala api dari gas bakar atau plasma. Pemanasan dan peleburan feedstock terjadi ketika dua kawat yang berlainan muatan diumpankan
secara
bersamaan
sedemikian
rupa
sehingga
menyebabkan
munculnya busur listrik. Logam yang melebur diujung kawat akan mengalami pengkabutan (atomisasi) dan dilempar ke permukaan substrat oleh aliran udara bertekanan atau gas lainnya (ASM International, 1992).
2.4.3 Plasma spray
Suatu gas—biasanya argon, atau kadang termasuk nitrogen, hidrogen, helium—dialirkan di antara sebuah katoda tungsten dan anoda tembaga yang
8
didinginkan air. Argon biasa dipilih karena bersifat inert dan karena karakteristik ionisasinya. Busur listrik akan tercipta di antara kedua elektroda akibat pelepasan muatan berfrekuensi tinggi lalu dipertahankan oleh sumber arus searah (DC). Busur listrik akan mengionisasi gas, menciptakan plasma gas bertekanan tinggi. Kenaikan temperatur gas—yang bisa melebihi 30000 °C —akan meningkatkan volume, tekanan dan kelajuan alir gas begitu keluar dari nozzle (ASM International, 1992).
Gambar 2.3 Skema alat electric-arc spraying (ASM International, 1992)
Gambar 2.4 Skema proses pelapisan plasma spray (ASM International, 1992)
Dalam proses plasma spray, dapat dicapai kelajuan serbuk yang berkisar antara 300 hingga 550 m/ s, sedangkan temperatur biasanya berada pada atau sedikit di atas titik lebur. Secara umum, kombinasi antara laju partikel yang tinggi
9
dan temperatur di atas titik lebur (tanpa pemanasan berlebih), akan menghasilkan pelapisan dengan densitas paling tinggi dan kekuatan ikatan. Densitas teoretis lapisan plasma spray lebih tinggi daripada flame spray dan berada di kisaran 80 hingga 95%. Adapun ketebalan lapisannya yaitu berkisar dari 0.05 sampai 0.50 mm (0.002 sampai 0.020 in.), tetapi dapat lebih tebal untuk aplikasi-aplikasi tertentu (e.g., restorasi dimensi, thermal barriers). Kekuatan ikatan beragam mulai dari 34 MPa (5000 psi) hingga 69 MPa (10,000 psi).
2.4.4 High-velocity oxyfuel
Bahan bakar gas ( propane, propylene, MAPP, atau hydrogen) diccampur dengan oksigen lalu dibakar dalam sebuah chamber . Dalam beberapa kasus, liquid kerosene dapat digunakan sebagai bahan bakar sementara udara bertindak sebagai oxidizer . Produk hasil pembakaran dikeluarkan melalui nozzle di mana laju alir gas bisa menjadi supersonik. Serbuk dimasukkan ke dalam nozzle, mengalami pemanasan lalu diakselerasikan ke permukaan substrat. Serbuk biasanya lebur sebagian atau sepenuhnya, mencapai kelajuan hingga sekitar 550 m/ s (ASM International, 1992).
Gambar 2.5 Skema pelapisan high-velocity oxyfuel (ASM International, 1992)
Dengan peralatan, parameter operasi, dan pemilihan serbuk yang tepat, maka dapat dicapai pelapisan dengan densitas tinggi dan kekuatan ikatan yang melebihi 69 MPa (10,000 psi). Ketebalan lapisan berkisar antara 0.05 sampai 0.50
10
mm (0.002 sampai 0.020 in.), tetapi pelapisan yang lebih tebal dapat dilakukan jika perlu untuk beberapa jenis material (ASM International, 1992). Proses HVOF dapat menghasilkan lapisan logam (metallic), cermet (ceramic
metal ),
atau
lapisan
keramik.
Beberapa
proses
HVOF
yang
memanfaatkan acetylene sebagai bahan bakar perlu mempergunakan keramik dengan titik lebur paling tinggi seperti zirconia atau beberapa jenis karbida. Hingga kini, pelapisan HVOF memang sering digunakan sebagai peningkat ketahanan aus, tetapi penerapannya terus meluas (ASM International, 1992).
2.4.5 Detonation gun
Dalam proses detonation gun, campuran oksigen dan acetylene beserta serbuk material pelapis dimasukkan ke dalam suatu barrel dan diledakkan menggunakan percikan api. Gelombang ledakan bertemperatur dan bertekanan tinggi akan merambat ke bawah dan memanaskan partikel serbuk hingga temperatur leburnya atau lebih dan mengakselerasi partikel-partikel tersebut hingga kelajuannya sekitar 750 m/ s. Dengan mengubah bahan bakar gas dan beberapa parameter lainnya, proses super detonation gun bahkan dapat mencapai kelajuan partikel sekitar 1000 m/ s (ASM International, 1992).
Gambar 2.6 Proses pelapisan detonation gun (ASM International, 1992)
Pelapisan thermal spray secara detonation gun merupakan suatu proses siklik; setelah setiap peledakan, barrel dibersihkan dengan nitrogen kemudian proses diulangi lagi hingga 10 kali per detik. Tidak seperti proses thermal spray lainnya yang menghasilkan lapisan kontinyu, pada proses D-gun akan terdeposisi
11
sebuah lapisan berbentuk lingkaran dengan diameter 25 mm (1 in.) dan ketebalan beberapa mikron untuk setiap peledakan. Ketebalan lapisan yang seragam pada permukaan substrat diperoleh dengan menumpuk lapisan-lapisan lingkaran tadi secara presisi. (ASM International, 1992)
2.5
Keuntungan Proses Thermal Spray
Pelapisan thermal spray adalah teknik yang saat ini banyak digunakan untuk rekayasa permukaan yang berfungsi baik sebagai proteksi permukaan dan pengembangan bahan tingkat lanjut. Keuntungan dari proses ini adalah: 1) Dibandingkan dengan proses lain seperti PVD, CVD, Brazing , Cladding dan Electroplating adalah laju deposisi yang tinggi, dapat dilakukan pada kondisi atmosfer, beragam jenis bahan dapat dideposisikan dengan mudah sesuai dengan aplikasi yang diinginkan (Ain, 2012). 2) Lebih ramah lingkungan. Pelapisan thermal spray tidak memiliki limbah buangan yang berbahaya bagi lingkungan seperti hard chrome (Ain, 2012). 3) Dapat diaplikasikan untuk perlindungan korosi pada konstruksi-konstruksi yang berada di pinggir laut, tempat-tempat yang potensial terjadi korosi. Material yang umum dipakai sebagai pelapis yaitu aluminium dan zinc. Dengan metal spray aluminium atau zinc, life time dari anti korosi ini jauh lebih lama dibanding dengan coating cat biasa, hal ini akan mengurangi cost perawatan konstruksi (Ain, 2012).
Thermal spray coating secara umum melindungi logam dasar dari lingkungan yang merusak. Proses ini digunakan secara luas pada industri logam, industri kimia dan petrokimia, tekstil, otomotif dan transportasi, pengolahan makanan, elektronik, medik, pembangkit energi/listrik, hingga
dirgantara
(aerospace). Setiap jenis coating yang dipilih diharapkan dapat memiliki satu atau beberapa fungsi, seperti: ketahanan aus (wear resistance), ketahanan panas atau oksidasi (heat or oxidation resistance), ketahanan korosi, konduktivitas elektrik, dan restorasi dimensi (Ain, 2012).
BAB III PENUTUP
3.1
Kesimpulan
Berdasarkan tinjauan pustaka pada pembahasan dalam Bab 2, maka dapat penulis simpulkan bahwa: 1)
Thermal spray
coating adalah
teknik
rekayasa
permukaan,
yaitu
sekelompok proses di mana material dipanaskan dan didorong sebagai partikel individual (droplets) untuk melapisi permukaan suatu base material (substrat). 2)
Berdasarkan sumber panasnya, proses pelapisan thermal spray dibagi menjadi combustion (dengan bahan bakar gas), plasma spray (gas luminous temperatur tinggi), arc spray (dengan busur listrik).
3)
Beberapa jenis proses thermal spray antara lain flame spray, electric-arc spray, plasma spray, high-velocity oxygen fuel , dan detonation gun.
4)
Thermal spray diaplikasikan secara luas di berbagai industri, dengan salah satu fungsi utama yaitu memberikan ketahanan aus dan ketahanan korosi terhadap substrat (base material ).
3.2
Saran
Untuk penulisan makalah bertopik sama, disarankan agar mencantumkan pula bahasan mendetil seputar persiapan permukaan substrat serta kaitan antara struktur mikro lapisan hasil thermal spray dengan sifat mekanik komponen setelah dilapis.
DAFTAR PUSTAKA Ain,
Qurratul.
2012. Aplikasi
Electroless
&
Thermal
Spray
Coating
https://www.scribd.com/doc/117489010/Electroless-Thermal-Spray (diakses 12 September 2015) Arthana, I Wayan Gede. 2014. Ketahanan Aus Lapisan Ni-Cr pada Dinding Silinder Liner dengan Menggunakan Flame Spray Coating . Denpasar: Universitas Udayana. ASM International. 1992. ASM Handbook Volume 5 Surface Engineering . United States of America. Dwijayanti, Leny. 2011. Thermal Spray Coating http://dwijayantileny.blogspot.co .id/2011/09/thermal-spray-coating.html (diakses 10 September 2015) Lusiani R., Sunardi, Hamidi. 2013. Sifat Mekanik Lapisan Stainless Steel 316 pada Baja Karbon Rendah dengan Proses Electric Arc Spray, Prosiding Seminar Nasional Industrial Services (SNIS) III , Cilegon 13 Oktober 2013. Pawlowski, L. 2008. The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings edisi kedua. London: John Wiley & Sons Ltd. Sundararajan, G., Prasad, K.U.M., Rao, D.S. & Joshi, S.V. 1998. A Comparative Study of Tribological Behavior of Plasma and D-Gun Sprayed Coatings under Different Wear Models, Journal of Materials Engineering and Performance (JMEPEG),7(3): pp. 343 – 351.
