Tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium: sifat, paduan, korosi khas, sambungan, dan pemakaiannya di mesin dan pipa

Di ruang cuci sebuah rumah sakit, katup kuningan pada jalur air panas dari pelunak air mulai merembes di badannya setelah tiga tahun. Ketika dibongkar, permukaan dalamnya berwarna merah muda seperti tembaga, dan logamnya dapat digores dengan obeng seperti kapur. Di ruangan yang sama, kepala pompa dosis dari aluminium yang memompa deterjen basa pekat bopeng dan ulirnya rontok setelah setahun.

Kedua komponen ukurannya benar dan dipasang dengan benar. Yang keliru adalah bahannya untuk layanan itu. Kuningan biasa kehilangan sengnya di air tertentu, dan aluminium larut dalam larutan basa kuat. Bab ini membahas logam bukan besi yang paling sering ditemui di mesin laundry, dapur, pompa, dan pipa: tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sifat, keluarga paduan, korosi yang khas, sambungan, dan pemakaian tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium. Mekanisme korosi galvanik, celah, dan logam amfoter ada di Bab 19 · Kimia; baja dan cara mengenali bahan di Bab 2; baja tahan karat di Bab 3; pipa tembaga, solder, dan brazing di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas; torsi baut pada ulir aluminium dan kuningan di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika; prosedur las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika. Retak korosi tegangan pada kuningan dibahas di bab mekanisme kegagalan dalam rak ini. Sumbernya adalah narasi Ilmu Material, Mekanikal, Fluida dan Termal, dan Kimia, ditambah pengetahuan metalurgi umum yang ditandai di peta sumber. Angka sifat bahan di bab ini adalah nilai literatur umum; nilai untuk keputusan diambil dari standar bahan, sertifikat, atau data pabrik.

Sifat dibanding baja

Tabel berikut membandingkan sifat yang paling sering menentukan pilihan (nilai literatur umum, dibulatkan):

Dari tabel ini terbaca beberapa akibat praktis. Aluminium sepertiga massa baja, tetapi juga sepertiga kekakuannya, jadi braket aluminium dengan bentuk yang sama melendut kira-kira tiga kali lebih banyak. Narasi Mekanikal mengutip bahwa aluminium 60 persen lebih ringan daripada baja dan mempunyai perbandingan kekuatan terhadap berat yang sangat baik. Tembaga dan aluminium memuai lebih banyak daripada baja, jadi pipa dan rumah dari bahan ini perlu ruang muai yang lebih besar. Tembaga menghantarkan panas sekitar delapan kali baja, sebabnya ia dipakai untuk penukar panas dan pipa pendingin.

Tembaga

Tembaga murni ulet, mudah ditekuk, dan menghantarkan listrik serta panas dengan sangat baik. Narasi Teknik Elektro mencatat bahwa semua logam adalah penghantar yang baik, dan yang terbaik adalah perak, tembaga, dan aluminium. Tembaga mengeras bila ditekuk, dipukul, atau ditarik berulang; pipa tembaga yang sudah ditekuk berkali-kali menjadi keras dan dapat retak saat dilebarkan ujungnya. Tembaga dilunakkan kembali dengan memanaskannya sampai merah redup lalu membiarkannya dingin (anil). Pipa pendingin dijual dalam keadaan lunak dalam gulungan atau keras dalam batang lurus; keadaan itu menentukan cara menekuk dan menyambungnya.

Di udara, tembaga membentuk lapisan coklat lalu kehijauan yang melindungi logam di bawahnya. Di air bersih, tembaga umumnya awet. Masalahnya muncul di tiga keadaan:

1. Aliran terlalu cepat. Buku pegangan rancangan plambing yang dikutip narasi Ilmu Material dan Fluida dan Termal mencatat bahwa salah satu penyebab kerusakan yang paling umum pada sistem pipa tembaga adalah erosi-korosi, dan narasi Fluida dan Termal mengutip anjuran agar batas kecepatan dari pabrik pipa dipatuhi untuk menghindari kerusakan bahan pipa yang dipercepat oleh erosi-korosi. Lapisan pelindung terkikis di tempat aliran bergolak: setelah siku, sambungan T, ujung pipa yang tidak dibersihkan bramnya, dan pompa sirkulasi yang terlalu besar. Air panas memperparahnya.
2. Air yang sangat lunak, asam, atau berkarbon dioksida bebas tinggi melarutkan tembaga perlahan dan meninggalkan noda biru-hijau di peralatan saniter.
3. Amonia dan senyawa belerang menyerang tembaga dan paduannya. Bahan kimia pembersih berbasis amonia tidak dipakai pada pipa dan alat sambung tembaga tanpa melihat data kecocokannya.

Kuningan

Buku perancangan teknik kimia dalam narasi Ilmu Material mencatat bahwa paduan utama tembaga adalah kuningan, dipadu dengan seng, dan perunggu, dipadu dengan timah. Kuningan biasanya berisi sekitar 30 sampai 40 persen seng (nilai literatur umum). Ia lebih kuat dan lebih keras daripada tembaga, mudah dicor dan dimesin, dan berwarna kuning. Kuningan mudah dimesin yang diberi sedikit timbal dipakai untuk badan katup, alat sambung, nosel, dan mur yang dibubut. Narasi Fluida dan Termal mengutip bahwa pipa kuningan memberi ketahanan yang sangat baik terhadap pengerakan di dalam, dan bahwa ada standar alat sambung tersendiri untuk kuningan atau perunggu, terpisah dari standar untuk baja atau besi mampu tempa.

Kelemahan kuningan yang paling penting adalah dezinkifikasi: di air tertentu, terutama air yang lunak, berklorida tinggi, atau hangat, seng larut keluar dari paduan dan meninggalkan tembaga berpori yang lemah. Ada dua bentuk:

1. Merata: lapisan permukaan berubah menjadi merah muda tembaga di seluruh permukaan yang basah.
2. Sumbat: serangan menembus setempat seperti sumbat tembaga berpori yang dapat bocor atau lepas.

Kasus pembuka adalah contoh dezinkifikasi pada air panas yang sudah dilunakkan. Pilihannya adalah kuningan tahan dezinkifikasi yang diberi sedikit unsur penghambat dan diproses khusus, perunggu, atau baja tahan karat. Kuningan tahan dezinkifikasi biasanya diberi tanda khusus pada badannya; tanda dan standarnya dicek pada katalog.

Kuningan juga dapat retak bila ada tegangan tarik dan amonia sekaligus. Mekanisme ini, yang dulu disebut retak musim, dibahas di bab mekanisme kegagalan dalam rak ini.

Perunggu dan paduan tembaga lain

Perunggu adalah tembaga dengan timah, sering ditambah fosfor atau seng. Ia lebih tahan korosi dan lebih tahan dezinkifikasi daripada kuningan, dan sifat gesernya baik. Pemakaiannya:

1. Perunggu fosfor untuk bus bantalan luncur dan pegas yang harus tahan korosi. Bus perunggu bekerja baik dengan poros baja karena keduanya tidak cenderung menyatu, dan perunggu yang lebih lunak aus lebih dulu sehingga poros terlindungi.
2. Perunggu tuang dengan seng dan timbal (sering disebut gunmetal) untuk rumah pompa, impeler, dan badan katup air. Narasi Fluida dan Termal mengutip bahwa bahan rumah pompa untuk penyediaan air rumah tangga umumnya besi tuang dan perunggu tuang, dan sebuah spesifikasi katup yang meminta badan, tutup, dan baji dari perunggu tuang dengan ujung untuk disolder.
3. Perunggu aluminium (tembaga dengan aluminium) yang kuat dan tahan aus, untuk komponen yang menerima beban dan air.
4. Tembaga-nikel untuk air laut dan penukar panas yang terkena air payau.

Untuk teknisi, perunggu adalah pilihan yang lebih aman daripada kuningan biasa di air panas atau air agresif, tetapi harganya lebih tinggi.

Aluminium dan keluarga paduannya

Aluminium sangat ringan dan tahan karat di udara karena membentuk lapisan oksida tipis yang rapat, sama seperti kromium pada baja tahan karat. Narasi Ilmu Material mengutip buku kimia sekolah menengah bahwa aluminium yang dipakai di konstruksi dan rekayasa berkemurnian 99,5 persen, dan bahwa aluminium lama menjadi logam yang mahal dan jarang dipakai sebelum cara elektrolisis dari bauksit ditemukan. Aluminium murni lunak; untuk komponen dipakai paduannya.

Paduan aluminium tempa diberi nomor empat angka menurut unsur paduan utamanya (nilai literatur umum, sistem yang banyak dipakai):

Paduan tuang memakai penomoran tersendiri. Narasi Ilmu Material mengutip buku pegangan manufaktur bahwa paduan aluminium tempa seperti 1100 harus dibersihkan dengan cara yang berbeda dari paduan cetak tekan 380, contoh bahwa paduan yang berbeda memerlukan perlakuan yang berbeda bahkan untuk pembersihan.

Di belakang nomor paduan biasanya ada kode keadaan: O untuk keadaan anil (paling lunak), H untuk keadaan dikeraskan dengan pengerjaan dingin, dan T diikuti angka untuk keadaan perlakuan panas, misalnya T6 untuk dilarutkan dan dituakan buatan. Paduan 6061-T6 jauh lebih kuat daripada 6061-O.

Ada dua akibat penting dari kode keadaan ini. Pertama, pengelasan atau pemanasan melunakkan paduan yang dikeraskan dengan panas di daerah sekitarnya, jadi braket 6061-T6 yang dilas kehilangan banyak kekuatannya di dekat las. Narasi Mekanikal mengutip bahwa aluminium paling sering dilas dengan las busur gas wolfram atau las busur logam gas; pemilihan prosesnya ada di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika. Kedua, paduan yang sama dapat dijual dalam keadaan yang berbeda, jadi pesanan pengganti menyebut paduan dan keadaannya.

Aluminium sering dilapisi dengan anodisasi, yaitu menebalkan lapisan oksidanya secara elektrolisis. Narasi Ilmu Material mengutip bahwa lapisan anodisasi bukan penghantar listrik. Akibatnya, sambungan pembumian pada rangka aluminium yang dianodisasi memerlukan permukaan yang dikupas atau ring bergigi supaya kontaknya baik.

Korosi khas aluminium

Lapisan oksida aluminium stabil hanya pada rentang pH sedang, kira-kira 4 sampai 8,5 (nilai literatur umum). Di luar rentang itu oksida larut dan logam terserang cepat. Aluminium adalah logam amfoter: ia diserang oleh asam kuat dan juga oleh basa kuat, seperti dijelaskan di Bab 19 · Kimia. Inilah yang terjadi pada kepala pompa dosis di kasus pembuka. Deterjen laundry dan pencuci piring yang bersifat basa kuat, larutan soda kostik, dan sebagian pembersih kerak asam tidak boleh bersentuhan terus-menerus dengan aluminium tanpa lapisan.

Aluminium juga berada di ujung aktif deret galvanik. Buku pegangan rancangan plambing dalam narasi Ilmu Material mendefinisikan deret galvanik sebagai daftar logam yang disusun menurut potensial korosi relatifnya dalam lingkungan tertentu, sering air laut, dan mencatat bahwa korosi galvanik terjadi bila dua logam berbeda bersentuhan dengan elektrolit. Aluminium yang disambung langsung dengan tembaga, kuningan, atau baja tahan karat di tempat basah akan terkorosi lebih cepat. Ion tembaga yang terbawa air dari pipa tembaga di hulu dapat juga mengendap di permukaan aluminium di hilir dan memulai sumuran, walaupun keduanya tidak bersentuhan.

Menyambung logam bukan besi

1. Tembaga dengan tembaga disambung dengan solder untuk air dan brazing untuk pendingin dan tekanan tinggi; cara, celah, fluks, dan suhunya ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas dan Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika. Narasi Ilmu Material mengutip bahwa aksi kapiler hanya bekerja baik bila permukaan logam bersih.
2. Kuningan dan perunggu disambung dengan ulir, solder, atau brazing. Badan katup kuningan tidak boleh dipanaskan terlalu lama saat disolder karena seng mulai menguap dan paduannya berubah.
3. Aluminium sulit disolder dan dibrazing karena lapisan oksidanya; las memerlukan proses dan bahan pengisi khusus. Lubang berulir pada aluminium lebih lemah daripada baut baja di dalamnya, jadi torsi diambil dari tabel bahan aluminium, panjang kait diperpanjang, atau dipasang sisipan ulir dari baja tahan karat. Tabel torsi untuk ulir aluminium dan kuningan ada di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika.
4. Antarlogam: sambungan tembaga ke baja galvanis atau aluminium di air memerlukan sambungan berisolasi atau alat sambung dari bahan perantara yang cocok, dan sambungan tembaga ke baja tahan karat lebih aman daripada tembaga ke baja galvanis.

Pengerjaan bengkel

Logam lunak seperti aluminium murni dan tembaga cenderung menempel di mata potong dan membentuk tepi bertumpuk. Narasi Mekanikal mengutip buku pegangan manufaktur yang mengaitkan gejala pemotongan tertentu dengan bahan yang sangat lunak seperti aluminium atau tembaga yang lunak. Untuk itu dipakai mata potong yang tajam dengan sudut garu positif, cairan potong yang sesuai, dan kecepatan yang lebih tinggi daripada untuk baja. Kuningan mudah dimesin justru karena geramnya patah pendek; tetapi kuningan dapat menarik mata bor ke dalam lubang, jadi mata bor untuk kuningan sering diasah dengan sudut garu nol.

Serpihan aluminium dan tembaga dipisahkan dari serpihan baja. Selain untuk didaur ulang, serpihan baja yang menempel di permukaan aluminium atau tembaga dapat memulai korosi setempat.

Contoh kerja

Contoh 1: massa dan lendutan braket. Braket baja bermassa 2,4 kilogram akan diganti aluminium dengan bentuk yang sama. Massanya menjadi $2{,}4 \times 2{,}7/7{,}85 = 0{,}83$ kilogram. Karena modulus elastisitas aluminium sekitar 70 dibanding 200 gigapascal untuk baja, lendutannya menjadi $200/70 = 2{,}9$ kali lendutan braket baja. Bila lendutan itu tidak dapat diterima, penampang aluminium harus diperbesar, dan penghematan massanya berkurang.

Contoh 2: pemuaian pipa. Pipa sepanjang 3 meter dipanaskan dari 20 menjadi 80 °C. Pertambahan panjangnya $\Delta L = \alpha \times L \times \Delta T$. Untuk tembaga $17 \times 10^{-6} \times 3.000 \times 60 = 3{,}06$ milimeter; untuk baja $12 \times 10^{-6} \times 3.000 \times 60 = 2{,}16$ milimeter; untuk aluminium $4{,}14$ milimeter. Cara menampung pemuaian pada pipa ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas.

Contoh 3: memeriksa kecepatan di pipa tembaga. Pompa sirkulasi air panas mengalirkan 30 liter per menit melalui pipa tembaga berdiameter dalam 13 milimeter. Luas penampangnya $\frac{\pi}{4} \times 0{,}013^2 = 1{,}33 \times 10^{-4}$ meter persegi dan debitnya $0{,}0005$ meter kubik per detik, jadi kecepatannya $0{,}0005/1{,}33 \times 10^{-4} = 3{,}8$ meter per detik. Angka ini jauh di atas batas kecepatan air panas yang lazim dianjurkan pabrik pipa tembaga, yang berada di kisaran 1 sampai 1,5 meter per detik (nilai literatur umum; angka resmi dari pabrik pipa atau standar). Dengan pipa berdiameter dalam 20 milimeter, kecepatannya turun menjadi sekitar 1,6 meter per detik; dengan pompa yang lebih kecil atau katup penyeimbang, debitnya dapat diturunkan.

Contoh 4: katup kuningan merah muda. Katup pada kasus pembuka menunjukkan dezinkifikasi. Katup diganti dengan kuningan tahan dezinkifikasi atau perunggu. Katup kuningan lain di jalur air panas yang sama diperiksa, karena mereka menerima air yang sama dan dapat sudah terserang walaupun belum bocor.

Contoh 5: kepala pompa aluminium di deterjen basa. Deterjen dengan pH sekitar 13 berada jauh di luar rentang stabil oksida aluminium. Pengganti dipilih dari bahan yang tercantum cocok dalam data kecocokan kimia deterjen dan pompa, misalnya plastik tertentu atau baja tahan karat. Pemilihan plastik ada di Bab 22 · Kimia.

Contoh 6: bus perunggu pada poros baja. Bus perunggu fosfor dipakai pada engsel penutup yang basah. Bus aus lebih dulu dan poros baja tetap baik; saat perawatan, bus diganti dan poros cukup dibersihkan. Bila bus diganti dengan bus baja karbon, poros dan bus dapat saling menggerus dan berkarat bersama.

Contoh 7: klem tembaga pada rangka aluminium. Klem pipa tembaga dipasang langsung pada rangka aluminium di ruang mesin yang lembap. Setelah beberapa bulan, rangka di bawah klem terkorosi putih dan menipis. Klem diganti dengan klem berlapis karet atau diberi penyekat, dan air tetesan dari pipa diarahkan menjauhi rangka.

Contoh 8: penghantar tembaga atau aluminium. Untuk hambatan yang sama, luas penampang aluminium harus $\rho_{Al}/\rho_{Cu} = 2{,}82/1{,}72 = 1{,}64$ kali tembaga (resistivitas nilai literatur umum, dalam $10^{-8}$ ohm meter). Massanya menjadi $1{,}64 \times 2{,}7/8{,}9 = 0{,}50$ kali penghantar tembaga. Narasi Kimia mengutip bahwa karena aluminium lebih murah dan lebih ringan daripada tembaga, ia banyak dipakai untuk saluran transmisi tegangan tinggi. Di instalasi gedung, sambungan aluminium memerlukan terminal yang dibuat untuk aluminium karena oksida dan rangkaknya membuat sambungan biasa longgar.

Contoh 9: ulir aus pada rumah aluminium. Baut M8 pada rumah pompa aluminium berulang kali dibuka dan ulir lubangnya rusak. Lubang diperbaiki dengan sisipan ulir, dan torsi pengencangan diambil dari tabel untuk ulir aluminium, bukan untuk baut baja ke mur baja, seperti dicontohkan di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Katup atau alat sambung pada jalur bertekanan atau air panas menunjukkan dezinkifikasi atau retak, dan katup lain dari bahan yang sama ada di sistem itu.
2. Bahan pengganti untuk bagian yang terkena bahan kimia tidak tercantum dalam data kecocokan pabrik.
3. Rangka atau braket aluminium penahan beban akan dilas atau dipanaskan dan keadaan perlakuan panasnya tidak diketahui.
4. Pipa tembaga bocor berulang di tempat aliran bergolak dan pompa atau debitnya belum diperiksa.
5. Penghantar aluminium akan disambung tanpa terminal yang dinyatakan cocok untuk aluminium.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Kuningan dan perunggu sama saja." Kuningan adalah tembaga dengan seng dan dapat mengalami dezinkifikasi; perunggu adalah tembaga dengan timah dan lebih tahan.
2. "Aluminium tidak berkarat, jadi aman untuk semua cairan." Aluminium larut dalam basa kuat dan asam kuat.
3. "Pipa tembaga awet selamanya." Aliran yang terlalu cepat dan air agresif dapat merusaknya dalam beberapa tahun.
4. "Aluminium lebih ringan, jadi lebih baik." Ia juga tiga kali lebih lentur dan melunak bila dilas.
5. "Sambungan aluminium ke tembaga cukup dikencangkan." Sambungan antarlogam di tempat basah memerlukan isolasi atau bahan perantara.
6. "Angka 6061 sudah cukup untuk memesan." Keadaan seperti O atau T6 menentukan kekuatannya.

Hubungan dengan bab lain

Bab 19 · Kimia menjelaskan korosi galvanik, celah, dan logam amfoter. Bab 2 dan Bab 3 membahas baja dan baja tahan karat sebagai pembanding. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas memakai bahan ini untuk pipa dan alat sambung, Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika untuk torsi baut pada ulir lunak, Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika untuk solder, brazing, dan las, dan Bab 22 · Kimia untuk pilihan plastik bila logam tidak cocok. Bab 1 memberi kerangka umum pemilihan bahan. Bab lain di rak ini membahas retak korosi tegangan dan pemilihan bahan suku cadang.

Latihan dan pembahasan

1. Apa yang membedakan kuningan dari perunggu, dan mana yang lebih tepat untuk badan katup air panas yang sudah dilunakkan?
2. Sebuah pipa aluminium sepanjang 2 meter dipanaskan dari 25 menjadi 75 °C. Hitung pertambahan panjangnya.
3. Mengapa aluminium tidak cocok untuk wadah soda kostik, padahal tahan karat di udara?
4. Pipa tembaga berdiameter dalam 16 milimeter mengalirkan 20 liter per menit. Hitung kecepatannya dan nilailah dengan batas lazim untuk air panas.
5. Mengapa braket 6061-T6 yang retak tidak sebaiknya dilas begitu saja lalu dipasang kembali?
6. Sebutkan dua cara mencegah korosi galvanik pada klem tembaga yang dipasang di rangka aluminium.

Kunci jawaban beralasan

1. Kuningan adalah tembaga dengan seng, sedangkan perunggu adalah tembaga dengan timah. Untuk air panas yang sudah dilunakkan, perunggu atau kuningan tahan dezinkifikasi lebih tepat karena kuningan biasa dapat kehilangan seng di air seperti itu.
2. $\Delta L = 23 \times 10^{-6} \times 2.000 \times 50 = 2{,}3$ milimeter. Ruang muai sebesar itu perlu disediakan pada dudukan atau sambungan pipa.
3. Lapisan oksida aluminium hanya stabil pada pH sedang. Soda kostik adalah basa kuat yang melarutkan oksida itu, lalu logamnya, karena aluminium bersifat amfoter.
4. Luas penampang $\frac{\pi}{4} \times 0{,}016^2 = 2{,}01 \times 10^{-4}$ meter persegi dan debit $0{,}000333$ meter kubik per detik, jadi kecepatannya sekitar 1,66 meter per detik, sedikit di atas kisaran batas lazim untuk air panas, sehingga perlu dicek pada anjuran pabrik pipa.
5. Pengelasan melunakkan paduan yang dikeraskan dengan panas di daerah sekitarnya, jadi kekuatannya turun banyak dan retak dapat berulang. Braket diganti, atau perbaikannya dirancang dengan memperhitungkan kekuatan bahan yang sudah melunak.
6. Memakai klem berlapis karet atau penyekat di antara tembaga dan aluminium, dan menjaga sambungan kering dengan mengarahkan air tetesan menjauhi rangka.

Referensi