Pengaruh Rapat Arus Terhadap Ketebalan Dan Struktur Kristal Lapisan Nikel pada Tembaga

## Setyowati, Y. Iriani, A. H. Ramelan
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret Email: setya.wati21@yahoo.co.id
Received 06-10-2011, Revised 29-03-2012, Accepted 05-04-2012, Published 30-04-2012

## ABSTRACT
The  effect  of  current  density  on  thickness  and  crystal  structures  of  the  coatings  in  the electroplating  of  nickel  on  copper  has  been  investigated.  The  electroplating  of  nickel  was conducted  at  a  voltage  of  0.5  V  for  10  minutes  with  varied  current  densities  of    0.3 mA/cm 2 ;  0.6  mA/cm 2 ;  0.9  mA/cm 2 ;  and  1  mA/cm 2 .  The  nickel  coatings  werw  tested  by thickness  measurement  and  crystal  structures  determination.  The  experimental  results showed that the thickness of the nickel coatings increased as the current density increased. The XRD characterization of the nickel coatings revealed the diffraction patterns for cubic structures with orientation of (111) and (200). As the current density increases, the crystal with (111) and (200) orientation tends to be formed more lagely.
Key Words: electroplating, thickness, crystal structure

## ABSTRAK
Pengaruh densitas arus terhadap ketebalan dan struktur kristal pelapisan nikel pada tembaga dengan  metode  elektroplating  telah  dilakukan.  Pelapisan  nikel  dengan  metode elektroplating  menggunakan  tengan  0,5  V  selama  10  menit  dengan  memvariasi  rapat  arus yaitu 0,3 mA/cm 2 ; 0,6 mA/cm 2 ; 0,9 mA/cm 2 ; dan 1 mA/cm 2 . Lapisan nikel diuji ketebalan dan  struktur  kristalnya.  Hasil  eksperimen  menunjukkan  bahwa  ketebalan  lapisan  nikel bertambah  besar  seiring  dengan  bertambahnya  densitas  arus.  Pengujian  struktur  kristal dengan  difraksi  sinar-X  menunjukkan  lapisan  nikel  yang  terbentuk  berstruktur  kubik dengan  orientasi  bidang  (111)  dan  (200).    Densitas  arus  makin  besar,  kristal  dengan orientasi bidang (111) dan (200) cenderung semakin terbentuk.
Kata Kunci: elektroplating, ketebalan, struktur kristal

## PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan teknologi dewasa ini yang semakin pesat banyak barang yang  diciptakan  oleh  manusia,  baik  untuk  tujuan  produksi  maupun  untuk  tujuan kenyamanan  hidup  manusia  itu  sendiri,  dimana  semua  barang  tersebut  banyak  yang terbuat  dari  logam.  Barang-barang  dari  logam  ini  memerlukan finishing agar  terlihat lebih menarik dan tahan lama. Saat ini sudah banyak berkembang industri elektroplating yang mengerjakan pelapisan bagian-bagian mesin kendaraan seperti swing arm , tromol, poros dan bagian-bagian mesin lainnya [1] .
Ada  beberapa  metode  pelapisan  logam,  diantaranya  pencelupan  panas  ( hot  dipping ), penyemprotan dan elektroplating [2] . Prinsip dasar elektroplating adalah penempatan ion- ion  logam  yang  ditambah  elektron  yang  berasal  pada  larutan  elektolit  logam  yang dilapisi.  Ion-ion  tersebut  didapat  dari  anoda  dan  elektron  berasal  dari  larutan  elekrolit
yang digunakan.  Anoda  dan katoda terendam  dalam  larutan  elektrolit.  Ion logam  akan melepaskan ion dari anoda dan ion yang terlepas akan menempel pada katoda. Banyak bahan  yang  dapat  digunakan  dalam  proses  pelapisan  logam  secara  elektroplating, diantaranya  adalah  pelapisan  timah  putih,  seng,  nikel,  krom,  tembaga  dan  aluminium. Semua  bahan  tersebut  dapat  digunakan  sebagai  bahan  pelapis  karena  mempunyai banyak  kelebihan  diantaranya  selain  untuk  mencegah  korosi,  dapat  juga  digunakan untuk menambah keindahan.
Beberapa  parameter  yang  mempengaruhi  hasil  pelapisan  menggunakan  elektroplating diantaranya  arus  listrik  yang  digunakan.  Pada  makalah  ini  akan  dibahas  variasi  rapat arus  terhadap  ketebalan  dan  struktur  kristal  lapisan  nikel  yang  terbentuk  di  atas tembaga.

## METODOLOGI
Bahan  yang  akan  dilapisi  adalah  tembaga  dan  nikel  digunakan  sebagai  bahan  terlapis. Larutan elektrolit yang digunakan memilik komposisi: NiSO 4 (nikel sulfat), NiCl 2 (nikel klorida),  H 3 BO 3 (boric  acid),  Diamond  Bright  N  100  Carrier,  Diamond  Bright  N  100 Maintenance .
Gambar 1. Diagam alir penelitian
Diagram  alir  penelitian  seperti  pada  Gambar  1.  Variasi  yang  dilakukan  adalah  variasi rapat  arus  yaitu  0,3  mA/cm 2 ,  0,6  mA/cm 2 ,  0,9  mA/cm 2 dan  1  mA/cm 2 dengan  waktu dan tegangan tetap yaitu 0,5 V selama 10 menit. Sampel kemudian diuji ketebalan dan struktur  kristalnya.  Ketebalan  lapisan  nikel  didapatkan  dengan  menghitung  massa sampel sebelum dan sesudah dilapisi, menggunakan persamaan berikut [3] :
𝑡 = 𝑚 𝜌.𝐴 (1)
Dengan t = tebal lapisan yang terbentuk (cm)
m = m 1 -m 2 = massa lapisan yang terbentuk (gr) ρ nikel = massa jenis nikel (gr/cm 3 ) = 8,90 gram/cm 3
A = luas permukaan setelah dilapisi (cm 2 )
Uji  struktur  kristal  menggunakan  alat  XRD  Bruker.  Target  yang  digunakan  adalah  Cu dengan panjang gelombang 1,54 Å.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Ketebalan lapisan Ni
Logam  nikel  teroksidasi  menjadi  ion  logam  (Ni 2+ )  yang  kemudian  larut  dalam  larutan elektrolit menggantikan ion logam Ni 2+ dari NiSO 4 yang terelektrolisis mejadi Ni 2+ dan SO 4 2- yang tertarik ke katoda untuk terbentuk endapan. Reaksi kimia yang terjadi seperti berikut:
Oksidasi pada anoda:
Ni → Ni 2+ + 2e
Elektrolisis ion logam:
NiSO 4 → Ni 2+ + SO 4 2-
Penggantian ion logam pada larutan:
Ni 2+ + SO 4 2- → NiSO 4
Reduksi logam:
Ni 2+ + 2e → Ni
Tabel 1. Tabel variasi rapat arus terhadap massa dan ketebalan
No. Rapat Arus (mA/cm 2 ) m nikel (gram) Tebal Lapisan (μm) 1 0,3 0,08 53,18 2 0,6 0,12 79,78 3 0,9 0,16 106,37 4 1,0 0,17 113,02
Ketebalan  lapisan  nikel  yang  terdeposit  di  atas  substrat  tembaga  dihitung  dengan  cara analitik.  Massa  substrat  tembaga  ditimbang  dahulu  sebelum  dilapisi.  Sesudah  dilapisi sampel ditimbang. Selisih berat merupakan berat lapisan nikel. Persamaan 1 digunakan untuk  menghitung  ketebalan  lapisan  nikel.  Tabel  1  adalah  variasi  rapat  arus    terhadap ketebalan yang dihitung dengan analitik.
Tabel 1 jika digrafikkan seperti  terlihat pada Gambar 2. Seiring dengan bertambahnya arus pelapisan  maka ketebalan lapisan nikel makin  besar.  Hal  ini menunjukkan bahwa semakin besar arus pelapisan maka makin banyak ion-ion nikel yang terdeposit di atas substrat tembaga. Jika rapat arus dinaikkan terus melebihi 1 mA/cm 2 maka lapisan nikel
yang terdeposit  di  atas substrat  tembaga secara kasat  mata makin kasar karena adanya gelumbung-gelumbung  udara.  Ketebalan  lapisan  nikel  yang  terbentuk  menandakan banyaknya  ion  nikel  yang  terdeposisi  pada  tembaga.  Hal  ini  sesuai  dengan  hukum Faraday yang menyatakan bahwa jumlah zat yang bereaksi pada elektroda-elektroda sel elektroplating berbanding lurus dengan jumlah arus yang melalui sel tersebut.
Gambar 2. Grafik hubungan kerapatan arus listrik pelapisan terhadap ketebalan lapisan nikel
Selisih  ketebalan  lapisan  nikel  antara  arus  0,3  mA/cm 2 dengan  0,6  mA/cm 2 dibandingkan  selisih  ketebalan  nikel  pada  rapat  arus  0,6  mA/cm 2 dengan  0,9  mA/cm 2 hampir  sama  yaitu  sebesar  26,6  μm.  Hal  ini  karena  selisih  arus  yang  digunakan  juga sama  yaitu  0,3  mA/cm 2 .  Akan  tetapi  lain  halnya  slesih  ketebalan  antara  0,9  mA/cm 2 dengan  1  mA/cm 2 hanya  sekitar  7  μm  karena  selisih  arus  yang  digunakan  hanya  0,1 mA/cm 2 .
Pada  waktu  pelapisan  juga  terjadi  gelembung-gelembung  udara  didalam  larutan elektrolit  yang  menyebabkan  ada  sebagian  ion-ion  nikel  yang  tergabung  dengan  gas hidrogen.  Ion-ion  nikel  tersebut  yang  tergabung  dengan  gas  hidrogen  akan  dianggap terbuang [4] .

## Karakterisasi Struktur Kristal Lapisan Nikel
Gambar 4. Pola difraksi lapisan nikel pada tembaga untuk variasi rapat arus
Karakterisasi  struktur kristal lapisan nikel  terhadap besarnya arus listrik  menggunakan X-ray  diffraction.  Pola  difraksi  yang  didapatkan  seperti  disajikan  pada  Gambar  4. Nampak adanya puncak-puncak yang setelah dicocokkan dengan  ICDD ( International Commision  Data  Diffraction ) data  base PDF#040850  puncak  tersebut  milik  lapisan nikel yang berstruktur  kubik dengan orientasi bidang (111) dan (200). Seiring dengan bertambahnya  arus  maka  intensitas  pada  sudut  difraksi  tertentu  makin  besar  yaitu bidang  (111)  dan  (200).  Hal  ini  disebabkan  makin  besar  rapat  arus  makin  banyak  ion nikel yang terdeposit di atas substrat tembaga sehingga probabilitas membentuk kristal pada orientasi  bidang tertentu makin besar. Pada rapat  arus 0,3 A muncul satu  puncak yang  tidak  muncul  pada  variasi  rapat  arus  yang  lain.  Puncak  ini  teridentifikasi  milik tembaga.  Rapat  arus  yang  kecil  menyebabkan  lapisan  nikel  makin  tipis,  sehingga tembaga sebagai substrat terkena difraksi sinar X.

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil karakterisasi dari penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Lapisan Ni telah terbentuk di atas tembaga dengan metode elektroplating.
2. Pelapisan Ni pada tembaga pada proses elektroplating menunjukkan bahwa semakin tinggi  rapat  arus  pelapisan  Ni  yang  terjadi  pada  permukaan  tembaga  semakin  tebal pada waktu dan tegangan tetap.
3. Berdasarkan  karakterisasi  XRD,  semakin  besar  rapat  arus,  kristal  dengan  orientasi bidang (111) dan (200) cenderung semakin terbentuk.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Suarsana,  K.,  2008. Pengaruh  Waktu  Pelapisan  Nikel  Pada  Tembaga  Dalam Pelapisan  Khrom  Dekoratif  Terhadap  Tingkat  Kecerahan  Dan  Ketebalan  Lapisan . Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakram, Vol 2, Nomor 1, hal 48-60.
2  Tretheway,  K.R.,  diterjemahkan  oleh  :  Alex  Tri  Kuntjoro  Widodo,  1991. Korosi Untuk Mahasiswa Sains dan Rekayasawan , PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
3 Hartomo,  J.,  Anton  dan  Tomijiro  Kaneko.  1992. Mengenal  Pelapisan  Logam (Elektroplating). Andi offset, Yogyakarta.
4  Lowenheim, Frederick. A., 1978. Electroplating , McGraw-Hill Book Company, New York.