KOROSI PADA TEMPERATUR TINGGI
Telah diketahui bahwa korosi sebagai
penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya, tetapi
lingkungan yang dimaksudkan hampir selalu mengandung air. Korosi pada permukaan
logam ternyata masih dapat terjadi meskipun elektrolit cair tidak ada; karena
itu tidak mengherankan bila proses tersebut sering disebut korosi kering. Namun
demikian, defenisi tentang korosi yang telah digunakan selama ini tidak
berubah.
Barangkali proses korosi kering yang
paling nyata adalah reaksi logam dengan oksigen udara. (walaupun nitrogen
menjadi unsur utama yang membentuk udara, perannya tidak penting ketika logam
dipanaskan di udara, karena pengaruh oksigen lebih dominan. Pada temperatur
tinggi, nitrogen memang bereaksi dengan kromium, aluminium, titanium,
molibdenum, dan tungsten). Kendati reaksi dengan oksigen pada prinsipnya sangat
sederhana, para ilmuwan di masa lampau mengalami kesulitan dalam memahami
perubahan berat yang menyertai kalsinasi (oksidasi) logam di udara. Bahkan
sekarang, pengkajian tentang oksidasi dan reaksi - reaksi temperatur tinggi
lain menyangkut paduan – paduan moderen telah membuktikan bahwa proses yang
dilibatkan kompleks sekali.
Oksigen mudah bereaksi dengan
kebanyakan logam; meskipun energi termal yang dibutuhkan untuk menghasilkan
laju oksidasi yang bermakna bagi perekayasa mungkin sangat bervariasi untuk
logam - logam yang berbeda pada temperatur
yang sama. Pada temperatur lingkungan sehari – hari, dari kebanyakan
bahan untuk rekayasa ada yang sudah teroksidasi sedemikian rupa sehingga
lapisan oksida melindungi logam di bawahnya. Ada pula yang di udara kering
bereaksi begitu lambat sehingga oksidasi tidak mendatangkan masalah. Pada
temperatur tinggi, walau bagaimanapun, laju oksidasi logam - logam meningkat.
Jadi, jika sebuah komponen rekayasa mengalami kontak langsung dengan lingkungan
bertemperatur tinggi untuk waktu yang lama, komponen itu mungkin menjadi tidak
berguna. Sebagai contoh, dalam udara kering yang murni pada temperatur hanya sedikit
di bawah 480°C, sebuah selaput pelindung yang sangat tipis terbentuk pada
permukaan baja lunak yang telah dipoles, tetapi dengan laju yang dalam
pengertian rekayasa dapat diabaikan. (Laju ambang batas yang telah
didefenisikan adalah 10-3 Kg m-2 jam –2).
Meskipun demikian, selama proses penggilingan dan pengepresan panas terhadap
baja lunak (proses yang berlangsung pada sekitar 900°C), laju oksidasi cukup
besar untuk menghasilkan selapis oksida yang disebut kerak giling (mill scale),
yang tidak berfungsi sebagai pelindung. Kita sudah melihat bahwa kerak giling
mungkin penting pengaruhnya terhadap laju korosi baja lunak dalam lingkungan
berair. Di pihak lain, kemanfaatan logam - logam seperti aluminium dan titanium
bergantung pada kemampuan masing – masing dalam membentuk selaput oksida
pelindung pada temperatur kamar.
Kita melihat bahwa tidak semua
proses korosi tidak dikehendaki. Oksida yang terkendali pada besi dan baja
dalam pembuatan senjata sudah menjadi seni tersendiri, karena dengan cara ini
senjata – senjata tersebut dapat dibuat menjadi indah dan tahan lama. Dekorasi
yang indah bisa diperoleh melalui pembentukan warna – warni pada permukaan
logam. Titanium dapat dioksidasi secara elektrokimia agar menghasilkan warna –
warni indah seperti permata. Efek – efek tersebut ditimbulkan oleh selaput
oksida. Efek serupa yang mudah dijumpai adalah warna – warni pelangi pada ujung
knalpot sepeda motor yang terbuat dari baja nirkarat.
Sebelum pengendalian temperatur
dalam proses - proses perlakuan panas mencapai kecanggihan seperti pada masa
sekarang ini, temperatur lempengan atau batangan baja sering diukur dari warna
– warni yang berkembang pada permukaannya selama perlakuan panas itu
berlangsung. Cara ini ternyata cukup teliti : untuk setiap kenaikan 10°C antara
230°C dan 280°C, warna logam berubah menurut urutannya adalah : gading pucat,
gading tua, coklat, ungu kecoklatan, ungu, dan ungu tua. Logam baja tampak
kebiruan pada temperatur 300°C.
Sampai berkembangnya motor turbin gas untuk pesawat terbang modern
yang dimulai dengan motor Whittle dalam tahun 1937, penggunaan logam - logam
dan paduan - paduan untuk perekayasa di lingkungan temperatur tinggi jarang
yang sampai menimbulkan masalah pemilihan bahan. Walaupun turbin uap telah
dikembangkan sejak akhir 1800-an dan digunakan oleh Parsons pada tahun 1897
untuk penggerak kapal laut, temperatur pengoperasian tidak terlalu tinggi
sehingga bahan – bahan yang sudah ada msih dapat digunakan. Pengembangan motor
turbin gas untuk pesawat sessudah Perang Dunia Kedua secara dramatik mengubah
situasi tersebut.
Kondisi pengopersian kian menjadi
ganas : bahan - bahan yang dibutuhkan adalah yang mampu bertahan terhadap
temperatur dari 800 hingga 1000°C, masih ditambah tingkat tegangan yang besar
akibat rotasi kecepatan tinggi. Ini menuntut dikembangkannya golongan paduan -
paduan baru yang disebut paduan super (superalloys). Bahan dasar paduan
- paduan ini kebanyakan adalah nikel, walaupun ada juga kelompok – kelompok
yang menggunakan bahan dasar besi dan kobalt. Sekarang paduan super digunakan
pada turbin – turbin gas untuk kapal laut, pesawat terbang, industri dan
kendaraan, serta untuk wahana angkasa, motor roket, reaktor nuklir, pembangkit
listrik tenaga uap, pabrik petrokimia, dan banyak lagi penerapan lain.
Baja masih menjadi bahan utama untuk
penggunaan dalam turbin – turbin gas; walaupun presentasenya telah turun karena
tergeser oleh paduan – paduan super dan paduan - paduan titanium. Peran serta
paduan - paduan aluminium dalam pengembangan turbin gas kecil; tetapi seperti
akan kita lihat, sebagai unsur tambahan aluminium penting sekali.
OKSIDA – OKSIDA LOGAM
Oksida - oksida logam (serta senyawa
– senyawa lain seperti sulfida dan halida) dapat dibagi menjadi dua golongan ;
oksida yang mantap pada rentang temperatur seperti yang akan ditemui dalam
struktur – struktur rekayasa, dan oksida yang tidak mantap. Kita akan mulai
dengan oksida yang tidak mantap dahulu.
Apabila oksida logam yang tidak
mantap dipanaskan, oksida itu mengurai untuk melepaskan logam bersangkutan dan
mengendapnya ke permukaan logam. Perak oksida mengurai di atas 100°C, air
raksa(II) oksida mengurai di atas 500°C, dan kadmium oksida dalam rentang
temperatur 900 - 100°C. Saat ini, oksida yang tidak mantap sedikit manfaatnya
bagi perekayasa; tetapi dahulu penting sekali bagi para ilmuwan dalam
penelitian mekanisme dasar oksidasi.
Ahli kimia pada awal peradaban
manusia, khususnya Stahl, telah mendalilkan teori yang salah, yaitu bahwa logam
kehilangan suatu zat yang disebut flogiston dan membentuk oksida logam atau
kalks (calx) :
Logam ― flogiston → oksida logam
Stahl antara
lain mengatakan bahwa :
Flogiston lebih
ringan dari udara; dan, bila bergabung dengan zat lain, berusaha mengangkat zat
itu sehingga beratnya berkurang. Akibatnya, bila suatu zat kehilangan
flogiston, beratnya akan bertambah.
Dalam tahun 1780-an, Lavoiser
menggunakan penguraian air raksa oksida untuk membuktikan bahwa teori flogiston
untuk oksidasi tidak dapat dipertahankan lagi. Ia memanaskan air raksa sampai
menjelang titik didihnya (375°C) dalam sebuah wadah yang tersekat rapat; dan ia
memperlihatkan bahwa kurang lebih 20 persen udara diserap oleh air raksa.
Sesudah mengumpulkan raksa merah oksida dan memanaskannya sampai sekitar 500°C,
ia menguraikan oksida yang tidak mantap tersebut untuk mendapatkan suatu volume
gas sebanyak udara yang hilang dalam percobaannya sebelumnya. Ia menunjukkan
bahwa gas yang dipulihkan itu dapat membantu pembakaran, sedangkan gas yang
tersisa dari tahap pertama percobaan tidak demikian. Ia selanjutnya
memperlihatkan bahwa berat air raksa dan gas yang didapatkan kembali melalui
pemanasan raksa oksida (gas oksigen) tepat sama dengan berat raksa oksida.
Demikian pula, pertambahan berat raksa sesudah pembentukan oksidanya sama
dengan berat oksigen yang diserap dari udara. Dengan cara ini, tanpa keraguan
orang dapat menyimpulkan bahwa mekanisme oksidasi adalah
Logam + oksigen → oksida logam
Walaupun sekarang sudah dianggap
biasa, masalah ini selama bertahun – tahun telah sangat merepotkan para ilmuwan
masa silam. Pemecahannya merupakan sebuah langkah maju dalam cara berpikir
ilmiah di penghujung abad ke-18.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar