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 tentang korosi elektrokimia; baja dan cara mengenali bahan di Bab 2 tentang besi dan baja; baja tahan karat di Bab 3; pipa tembaga, solder, dan brazing di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa; torsi baut pada ulir aluminium dan kuningan di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir; prosedur las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las. Retak korosi tegangan pada kuningan dibahas di Bab 7 tentang mekanisme kegagalan selain lelah. Angka sifat bahan di bab ini adalah angka tipikal; nilai untuk keputusan diambil dari standar bahan, sertifikat, atau data pabrik.

Sifat dibanding baja

Tabel berikut membandingkan sifat yang paling sering menentukan pilihan, dengan angka yang 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. Aluminium 60 persen lebih ringan daripada baja dan mempunyai perbandingan kekuatan terhadap berat yang sangat baik. Tembaga menghantarkan panas sekitar delapan kali baja, sebabnya ia dipakai untuk penukar panas dan pipa pendingin.

Tembaga dan aluminium memuai lebih banyak daripada baja, jadi pipa dan rumah dari bahan ini perlu ruang muai yang lebih besar. Pertambahan panjang karena pemuaian dihitung dengan

$$\Delta L = \alpha \times L \times \Delta T$$

dengan $\Delta L$ pertambahan panjang, $L$ panjang awal dalam satuan yang sama dengan $\Delta L$, $\alpha$ koefisien muai panjang dari tabel (per °C, yaitu angka tabel kali $10^{-6}$), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (°C). Cara menampung pemuaian pada pipa ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa.

Tembaga

Tembaga murni ulet, mudah ditekuk, dan menghantarkan listrik serta panas dengan sangat baik. 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. Salah satu penyebab kerusakan yang paling umum pada sistem pipa tembaga adalah erosi-korosi, dan batas kecepatan dari pabrik pipa dianjurkan untuk dipatuhi agar kerusakan bahan pipa yang dipercepat oleh erosi-korosi terhindar. Erosi-korosi (erosion-corrosion) adalah kerusakan ketika aliran yang bergolak mengikis lapisan pelindung sehingga logam di bawahnya terus terkorosi. 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

Paduan utama tembaga adalah kuningan, dipadu dengan seng, dan perunggu, dipadu dengan timah. Kuningan (brass) adalah paduan tembaga dengan seng, biasanya berisi sekitar 30 sampai 40 persen seng. 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. Pipa kuningan memberi ketahanan yang sangat baik terhadap pengerakan di dalam, dan ada standar alat sambung tersendiri untuk kuningan atau perunggu, terpisah dari standar untuk baja atau besi mampu tempa.

Dezinkifikasi (dezincification) adalah larutnya seng keluar dari kuningan di air tertentu, terutama air yang lunak, berklorida tinggi, atau hangat, sehingga yang tertinggal adalah tembaga berpori yang lemah. Inilah kelemahan kuningan yang paling penting. 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 7 tentang mekanisme kegagalan selain lelah.

Perunggu dan paduan tembaga lain

Perunggu (bronze) 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. Bahan rumah pompa untuk penyediaan air rumah tangga umumnya besi tuang dan perunggu tuang, dan sebuah spesifikasi katup 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. Aluminium yang dipakai di konstruksi dan rekayasa berkemurnian 99,5 persen, dan 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, dengan sistem yang banyak dipakai berikut:

Paduan tuang memakai penomoran tersendiri. 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.

Kode keadaan (temper designation) adalah huruf dan angka di belakang nomor paduan yang menyatakan keadaan pengerjaan atau perlakuan panasnya: 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. Aluminium paling sering dilas dengan las busur gas wolfram atau las busur logam gas; pemilihan prosesnya ada di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las. Kedua, paduan yang sama dapat dijual dalam keadaan yang berbeda, jadi pesanan pengganti menyebut paduan dan keadaannya.

Anodisasi (anodizing) adalah penebalan lapisan oksida aluminium secara elektrolisis, dan aluminium sering dilapisi dengan cara ini. 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. Di luar rentang itu oksida larut dan logam terserang cepat. Aluminium adalah logam amfoter (amphoteric metal), yaitu logam yang diserang oleh asam kuat dan juga oleh basa kuat, seperti dijelaskan di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia. 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. Deret galvanik (galvanic series) adalah daftar logam yang disusun menurut potensial korosi relatifnya dalam lingkungan tertentu, sering air laut, dan 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. Klem pipa tembaga yang dipasang langsung pada rangka aluminium di ruang mesin yang lembap, misalnya, membuat rangka di bawah klem terkorosi putih dan menipis setelah beberapa bulan. 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 tentang material pipa dan Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las. 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, bukan dari tabel baut baja ke mur baja, panjang kait diperpanjang, atau dipasang sisipan ulir dari baja tahan karat. Lubang berulir yang rusak karena bautnya berulang kali dibuka diperbaiki dengan sisipan ulir. Tabel torsi untuk ulir aluminium dan kuningan ada di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir.
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. Gejala pemotongan tertentu dikaitkan 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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

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: 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; angka resmi diambil 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 3: 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 4: 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 tentang polimer dan kecocokan bahan.

Contoh 5: 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 6: 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 dalam $10^{-8}$ ohm meter, sifat bahan). Massanya menjadi $1{,}64 \times 2{,}7/8{,}9 = 0{,}50$ kali penghantar tembaga. 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.

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

Hubungan dengan bab lain

Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia menjelaskan korosi galvanik, celah, dan logam amfoter. Bab 2 tentang besi dan baja dan Bab 3 tentang baja tahan karat membahas baja dan baja tahan karat sebagai pembanding. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa memakai bahan ini untuk pipa dan alat sambung, Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir memakainya untuk torsi baut pada ulir lunak, Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las untuk solder, brazing, dan las, dan Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer untuk pilihan plastik bila logam tidak cocok. Bab 1 tentang struktur material, pemilihan, korosi, dan kegagalan memberi kerangka umum pemilihan bahan. Di rak ini, Bab 7 tentang mekanisme kegagalan membahas retak korosi tegangan, dan Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang membahas pemilihan bahan suku cadang.

Latihan dan pembahasan