Pengaruh Baking 11me Terhadap Hydrogen Embrittlement Pada Material Butang Baja Karbon Rendah (Yuli Yet,i)
PENGARUH BAKING TIME TERHADAP HYDROGEN EMBRITTLEMENT PADA MATERIAL BATANG BAJA KARBON RENDAH YuliYetril,1 'Program Studt Materials Science, Program Pascasarjana Universitas Indonesia 2Politeknik Universitas Andalas, Padang
ABSTRAK PENGARUH BAKING TIME TERHADAP HYDROGEN EMBRITTLEMENf P ADA MA TERJAL BATANG BAJA KARBON RENDAH. Salah satu tujuun utama pelapisan elektrogalvanisasi padu baja ndaluh untuk meningkatkan ketahanan korosi. Akan tetapi proses pelapisan tersebut dapat menyebabkan atom-atom hidrogen berdifusi ke dalam baja yang blsa mengakibatkan hydrogen embrittlement sehingga dupat menggetaskan material. Penggetasan Inl mengarah kepadu terjadlnya kegagalan atau kerusakan yang tertunda (delayed brittlefailure). Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon rendah untuk gantungan viva knalpot komponen otomotif. Untuk mengurangi hidrogen yang berdifusi ke dalam material baja karbon rendah akibat proses galvanisasi, maka dalam penelitian ini dilakukan pemanasan (baking) pada temperatur 200'C selama 15jam, 48 jam dun 65 jam. Pengujian metalografi dilakukan menggllnakan mikroskop optik, sedangkan pengujian sifat mekanik yang dilakukan meliputi pengujian kekerasan, tarik dun kclelahan. Hasil pengujian struktur mikro memperlihatkan bahwa temperatur baking 200 DCtidak merubah struktur mikro material namun mampu meningkatkan sifat ketangguhan material tersebut. Peningkatan sifat ketangguhan tersebut ditandai olch penurunan harga kHat tarik atau kekcrasan, sementara hurga keuletannya meningkat. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh menurunnya kadar hidrogen yang terkandung di datum material karcna te~jadi difusi hidrogen ke permukaan akibat pemanasan. Dengan demikian, untuk temperatur yang sarna, dengan meningkatnya waktu baking, semakin banyak hidrogen yang berdifusi ke permukaan sehingga waktu perpatahan pada pengujian kelelahan (fatigue)jugasemakin lama.
ABSTRACT EFFECT OF BAKING TIME ON HYDROGEN EMBRITTLEMENT OF LOW CARBON STEEL MATERIAL. One ofthe main purposes of electrogalvanizing in steel is to improve corrosion resistance.Unfortunately, electrogalvaniz-ing can cause hydrogen atoms diffuse into steel, which results hydrogen embrittlement. The embrittlement of materials tends to cause failure or delayed brittle failure. Materials used in this research are low carbon steel as an exhaust pipe hanger in automotive component. To reduce hydrogen diffused intothe low carbon steelaftcr electrogalvanizingthe materialswere baked at temperature 200 'C at various time, i.e. IS, 48 and 65 hours. Metallographic examination was carried out using optical microscope and mechanical properties measurements included hardness, tensile and fatigue test. The results of microstructure examination show that the baking temperature at 200 DCdoes not change the microstructure but it increases the toughness of the materials. The lengthening of baking time decrease the hardness which is expected becauseofthe decreasing of hydrogen content in the materials as a result of diffusion process during the baking. Kata Kunci:
Elektrogalvanisasi, Hydrogen embrittlement, Bl\iakarbon rendah, Baking, Delayed brittlefailure
PENDAHULUAN Dengan makin berkembangnya industri otomotif di Indonesia, pihak produsen semakin dituntut agar komponen-komponen otomotif tersebut dibuat dengan kualitas yang semakin baik, di antaranya ketahanan dun keuletan yang tinggi serlo ketahanan terhadap korosi. Untuk itulah dilakukan berbagai upaya agar kriteria yang diinginkan terpenuhi. Salah satunya adalah dengan melakukan elektrogalvanisasi pacta permukaan komponen untuk menahan laju korosi serlo untuk menutupi eaeat pactapermukaan seperti retak. Salah satu tujuan pelapisan adalah untuk meningkatkan ketahanan korosi seperti yang dilakukan pactakomponen otomotif. Semuajenis metal pelindung
sebagai pelapis hams mampu mengadakan perubahan pactakomposisi pennukaan komponen-komponen metal substrat. Perubahan-perubahan ini dapat dilakukan dengan penambahan suatu bahan lain untuk menimbulkan penghalang antara bahan dengan medium yang korosif. Akan tetapi proses pelapisan tersebut dapat menyebabkan atom-atom hidrogen berdifusl ke dalam baja yang dapat berfungsi sebagai hydrogen embrittlement, sehingga dapat menggetaskan material. Penggetasan material oleh hidrogen merupakan kasus yang sering ditemui di industri, tidak terkeeuali industri otomotif. Hidrogen yang berdifusi ke dalam material melalui proses elektroplating, pickling, pengecoran (casting), clanpengelasan (we/ding).
1A1
Prosiding Pertemuan IlmJah l~mu Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99 Serpong, 20-21 Oktober 1999
Kernsakanmaterialberuparetak dapatdisebabkan antara lain oleh lingkungan di mana material tersebut berada,faktormaterialitusendiri(komposisikimia),beban yang diterima clanfaktor waktu. Retak yang disebabkan oleh lingkungannyamerupakan kasus yang seringtetjadi di industri, khususnya untuk baja paduan kekuatan tinggi. Secara spesiftk kerusakan logamyang disebabkan oleh tin~ungannya metiputi [1]: l. Retak korosi tegang (stress corrosion cracking). 2.Penggetasan oleh unsur logam (metal induced embrittlement). 3. Fatigue korosi (corrosionfatigue). 4. Pengg~tasan oleh hidrogen (hydrogen embrittlement). Dari beberapa penyebab kerusakan tersebut di alas, kecendrungan terkena penggetasan oleh hidrogen selama elektroplating akan meningkat jika kekuatan material meningkat. Hubungan ini hanya diamati untuk baja kekuatan tinggi, karena baja dengan kekuatan luluh di bawah 700 MPa biasanya tidak dipengaruhi oleh hydrogen embrittlement [2]. Untuk memperoleh sifat-sifat yang diinginkan tersebut, dilakukan perlakuan panas pada benda uji setelah digalvanis. Dalam penelitian ini logam Zn digunakansebagaipelapiskarenaZn termasukjenis metal pelapis yang digunakan untuk tujuan proteksi korosi, yang dapat dilakukan dengan beberapa metode yaitu [3]: l. Metode celup panas (hot dip galvanizing). 2 Metode lapis listrik (electroplating/ electrogalvanizing). 3. Metode penyemprotan logam cair (metal spraying). 4. Mechanical platingleladding 5. Painting with zinC-bearingpaints. Berdasarkan faktor-faktor di alas dilakukan penetitian tentang Pengaruh Baking Time Terhadap Hydrogen Embrittlerpent Pacta Material Baja Karbo~ Rendah.
PROSEDURPERCOBAAN Dalam penetitian ini digunakan benda uji batang baja karbon rendah dengan komposisi kimia yang diberikan oleh standar JIS Hand Book 1993 Ferrous Material Metallurgy seperti terlihat dalam Tabell. Tabel/. [4]
I
12
UB
I
Komposisi kimia spesimen uji (dalam % berat)
SIKM12C ~Ignmlon
max [gJ
~;
~ ~
~
jadi dibagi dua bagian, satu bagian dilakukan proses galvanis dalam bak elektroplating yang menggunakan conventional cyanide yang ditambahkan brightener
-
pacta temperatur 30 50 "C selama 15 meDii clan sebagian
lagi tanpa galvanis. Setelah itu dilakukan baking pacta temperatur 200 °C selama 15jam, 48 jam clan 65 jam. Sebagai pembanding digunakan spesimen tanpa baking. Langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian metalografi, uji tarik, kekerasan clanfatigue terhadap kedua macam spesimen tersebut.
HASIL DAN DISKUSI Data basil pengujian komposisi kimia dengan spektrometer disajikan pactaTabel2: Tabell. Hasil pengujian komposisi (dalam % berat).
dengan spektrometry
Dengan demikianterlihatbahwa komposisi kimia bend~ uji tersebut memenuhi standar spesifikasi (tihat Tabell). Pengamatan struktur mikro untuk spesimen yang digalvanis clan tanpa gal van is tidak memberikan perbedaan yang berarti dengan temperatur pemanasan konstan pacta200 °C dengan lama pemanasan (baking) bervariasi yaitu 15jam, 48 jam clan65 jam. Hasil rota strukt"r mikro memperlihatkan mikrostruktur refit yang berwama putih clanstruktur mikro peTtityang berwama gelap. Ferit mempunyai sifat yang lebih lunak hila dibandingkan dengan peTtit,hal ini akan menurunkan kuat tarik daTibaja. Untuk pengujian beberapa sifat mekanik seperti tarik, kekerasan clan fatigue, di mana untuk masingmasing spesimendilakukantiga kali, diperoleh basil ratarata yang memperlihatkan perbaikan sifat-sifat mekanik setelah dilakukan baking. Tabel3 mempertihatkan basil pengujian kekerasan. Tabel J. Hasil pengujian kekerasan Benda uji
Baking
anpa Galvanis HV
Galvan is HV
plsan Galvanis HV
~
Langkah awal dilakukan pengujian komposisi kimia terhadap benda uji, kemudian dilakukan proses persiapan untuk mendapatkan bentuk spesimen yang sesuai dengan standar JIS Hand Book 1993 Ferrous Material Metallurgy. Selanjutnya spesimen yang sudah
. .....
ISSN 1411-2213
Data basil pengujian kekerasan pacta Tabel 3 memperlihatkanbahwa makin lama waktu baking (untuk temptratur yang sarna),kekerasan bahan akan menurun. Hal ini O}emberikan arti bahwa kerapuhan bahan
"
Pengaruh Baking Time Terlladap Hydrogen Embrittlement Rendah (Yuli Yetri)
Pada Material Batang Baja Karbon
berdifusi keluarpermukaan. Untuk menunjang pengujian sifat mekanik yang sudah dibahas di atas, dilakukan pengujian kelelahan (fatigue), yang datanya disajikan dalam Tabel 5. Data tersebut memperlihatkan bahwa semua benda uji yang mengalami putus dalam waktu yang relatif singkat. Hal ini menunjukkan bahwa sejumlah hidrogen yang berasal dari proses elektroplating yang terper~mgkapdi dalam material dapat menggetaskan kisi-kisi kristal sehingga dengan adanya hidrogen di dalam baja akIn mengakibatkankeuletanmenjadiberkurangkarena atomatom hidrogen yang berdifusi ke dalam baja dapat berfungsi sebagai hidrogen embrittlement yang dapat menggetaskan material. Sesuai dengan litetatur penunjang, banyaknya hidrogen yang diperlukan untuk dapat terjadinya hidrogen embrittlement adalah 1-2ppm [2]. Dengan dilakukannyaproses Bakingsetelah elektroplating diharapkan hidrogen yang terperangkap di dalam ballaDdapat keluar. Hasilpengujiankelelahanmemperlihatkanbahwa semakin lama waktu baking (untuk temperatur yang sarna) semakin lama material putus/rusak. Hal ini
berkurang yang berarti pula bahwa kerusakan ballaD (akibat adanya hidrogen yang terdapat di dalam spesimen) akIn terjadi dalam periode waktu yang lebih lama[5]. Di sini temperatur baking dibatasi pacta200 °C karena pactatemperatur yang lebih tinggi dapat merusak lapisan seng yang terbentuk. Penurunan nilai kekerasan bukan disebabkan oleh perubahan struktur mikro,karena temperatur baking yang digunakan dalam penelitian ini masih di bawah temperatur transformasi sehingga tidak akIn terjadi perubahan struktur mikro. Diperkirakan penurunan nilai kekerasan ini disebabkan oleh berkurangnya kadar hidrogen dalam spesimen setelah dilakukan pemanasan. Berdasarkanbasilpengujianstrukturmikro,benda uji mengandung refit clanperIit,di mana refit lebih lunak hiladibandingkandenganpeTtit.Hal inidapatmenurunkan kuat tarik baja. Hasil uji tarik memperlihatkan bahwa kekuatan tarik clan kekuatan luluh benda uji menurun dengan meningkatnya waktu baking, sedangkan reganganmeningkat denganmeningkatnyawaktu baking seperti yang diperlihatkan pactaTabel4 berikut ini.
Tabel 4. Hasil uji tarik
No
1 2 3 4
Kuat luluh (Mpa)
Temperatur pemanasan
Waktu Oam)
Tanpa pemanasan 200°C 200°C 200°C
0
674,4
666,2
15 48 65
665,5 644,7 641,5
655,6 645,6 637,4
Keterangan : 0 = Oalvanis
TG
G
Kuat tarik (Mpa)
Regangan;%
G
TG
G
690,5
682,6
14,9
14,30
686,7 676,4 675,3
681,0 678,6 674,4
15,9 16,0 16,7
15,00 15,10 15,50
TG
TO = Tanpa galvanis
Tabel 5. Hasil pengujian kelelahan (fatigue). d (mm)
(N/mm2)
0
5,87
250
10,01
7800
0
5,93
250
10,23
28633,3
200
15
6,01
250
10,65
29000
19
Plating
200
48
6,02
250
10,70
44366,7
26
Plating
200
65
5,98
250
10,47
21466,7
32,67
Benda uji Tanpa plating
T (OC) 0
Plating
0
Plating
Keterangan : T = temperatur 0" = tegangan
t oam) pemanasan
0"
t = waktu Mb = momenttorsi
Dari basil pengujian tarik diperoleh kekuatan tarik clan kekuatan luluh benda uji menurun dengan meningkatnya waktu baking, sedangkan regangan meningkat seiring dengan meningkatnya waktu baking. Artinya dengan dilakukannya baking benda uji menjadi lebih lunak, keuletannya akan meningkat. Berarti semakin lama pemanasan semakin banyak hidrogen yang
Mb (Nm)
t (manit) perpatahan
N
12,67 8
d = diameter N= jumlah siklus
disebabkan karena hidrogen yang masuk ketika proses elektroplating berdifusi keluar material selIma proses baking. Mekanismemasuknyaatom-atomhidrogen dapat digambarkan dengan reaksi kimia berikut ini: H O+e-~H + OH( I) z --ldo Hodo+ H.do Hz
H.do
+ HP + c'
--=)- Hz + OR
(2) (3)
143
Prosiding Pertemaan llmiah Ilma Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99 Serpong, 20-21 Oktober 1999
Sumber hidrogen pactakatoda adalah berasaldari molekul air. Selamaproses elektroplatingakanterbentuk Hadspacta katoda (reaksi I), di mana Hads tersebut mungkin akan berkombinasi menjadi Hz(reaksi 2) atau bereaksi dengan HP menjadi Hads'Hods inilahyang dapat berdifusi daD terperangkap di dalam material yang kemudiandapatmenggetaskankisi-kisikristaljikamaterial diberi beban atau tegangan. Ternyata basil pengujian kelelahan memperlihatkan bahwa semakin lama proses baking semakin lama waktu perpatahannya untuk temperatur baking yang sarna. Hal ini disebabkan karena hidrogen yang masuk pactawaktuproses elektroplatingakan keluar pactasaat baking. Oi samping itu dengan meningkatnya waktu baking, jumlah siklus kelelahan juga semakin meningkat, tetapi pacta saat waktu baking mencapai 65jam,jumlah sikluskelelahanmenurun.Halinimungkin disebabkanoleh karena terjadinyapeningkatankekasaran permukaan lapisan galvanis. Pengamatan makrofaktrografi permukaan menunjukkan bahwa spesimen mengalami patah lelah. Hal ini terlihat pactapermukaan patahan uji tarik daDuji kelelahan pacta Gambar 1 daD Gambar 2. Permukaan patahan dari uji tarik memperlihatkan bahwa spesimen sebelum patah mengalami pengecilan penampang (necking), tetapi ~L yang diberikan dari pengecilan itu terlalu keci!. Hal ini menunjukkan bahwa perpatahan di bagian luar bersifat rapuh yang ditunjukkan oleh bentuk struktur perpatahannya yang flat (rata) dan bagian dalam
ISSN 1411-2213
(c)
(d)
(e)
(a)
Gambar 1. Bentuk permukaan patahan hasil uji tarik; (a) tanpa galvanis dan tanpa baking, (b) dengan galvanis dan tanpa baking, (c) dengan galvanis dan baking selama 15 jam, (d) dengan galvanis dan baking selama 48 jam, (e) dengan galvanis dan baking selama 65 jam. Masingmasing baking dilakukan pada temperatur 200
"c.
(b)
144
bersifat ulet. Perpatahan rapuh di bagian luar tersebut disebabkan oleh adanya hidrogen internal yang masuk ke dalam material selama proses pelapisan dengan Zn. Walaupuntelah dilakukan baking sampai 65jam dengan temperatur200 °Ctemyatabelummampu untukmengusir hidrogen seluruhnya dari material. Kemudian liatnya
Pengaruh Baking Time Terhadap Hydrogen Embrittlement Pada Material Batang Baja Karbon Rendah (Yuli Yetri)
fraktural bagian dalam ditunjang oleh basil pengamatan struktur mikro yang mempertihatkan adanya refit clan per tit, di mana ferit mempunyai sifat yang lebih lunak daTi perljt sehingga dapat menurunkan klint tarik dari material. Pengamatan makrofraktrografi dari uji kelelahan menunjukkan bahwa perpatahan bersifat ulet clan getas. Perpatahan ulet ditandai oleh terbentuknya sejumlah garis pantai (beach mark), sedangkan perpatahan rapuh yang ditunjukkan oleh bentuk struktur perpatahannya yang flat (rata). Berdasarkan data makrofaktografi perpatahan tersebut terlihat semakin lama waktu pemanasan semakin (d)
(a)
(e) Gambar 2. Bentuk permukaan patahan hasil uji fatigue; (a) tanpa galvanis dan tanpa baking, (b) dengan galvanis dan tanpa baking, (c) dengan galvanis dan baking selama 15 jam, (d) dengan galvanis dan baking selama 48 jam, (e) dengan galvanis dan baking selama 65 jam. Masingmasing baking dilakukan pada temperatur 200 "C.
ulet material terse but, ditandai dengan semakin banyaknya garis pantai yang terbentuk. (b)
KESIMPULAN
(c)
Dari basil pengujian clan analisis pengaruh elektrogalvanisasi terhadap sifat mekanik batang baja karbon rendah dapat diambil kesimpulan bahwa elektrogalvanisasitidakmempengaruhistrukturmikrobaja setelah dipanaskan (baking) pacta temperatur 200 °C, tetapi dapat meningkatkan sifat-sifat mekanik-nya. Terjadinya penggetasan pacta material setelah dielektrogalvanisasi disebabkan oleh adanya hidrogen internalyang terkandungdalammaterialditambahdengan masuknyahidrogenke dalammaterialsecaradifusimelalui bak elektroplating yang menggunakan conventional cyanide yang ditambahkan brightener. Penggetasan oleh hidrogen dapat dikurangi dengan melakukan pemanasan pactatemperatur tertentu. Kemudian pemanasan dapat
. ...
Pros/ding Pertemaan llndah lima Pengetahuan dan Teknolog/ Bahan '99 Serpong, 10-11 Oktober1999
menurunkan kekerasan daDkuat tarik pactatemperatur yang sarna.Semakin lama waktubaking,semakinbanyak hidrogen yang berdifusi keluar permukaan yang ditandai denganmeningkatnyasifat mekanik,sepertimenurunnya kekerasan daD kuat tarik sehingga keuletan (ductility) material akan meningkat, akibatnya kerusakan/ perpatahanmaterial akibatadanyahidrogen internalakan terjadi dalam periode waktu yang lebih lama. Dengan demikiankegetasandi dalambaja bersifatreversibelyang berarti keuletan dapat dikembalikan atau dipulihkan dengan proses baking.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis sangat berterima kasih kepada Ir. Naek Pakpahan, M.Si. dari PT. German Motor alas kemurahannya dalam menyediakan sampel, Ir. Mirna, M.Si.,Zainal danNurdin daTiLaboratoriumMetalurgiVI daDSudrajat dari LVK BPPT Serpong alas bantuannya dalam pengukuran sifat-sifat mekanik daTisampel.
ISSN 1411-11/3
DAFT AR ACUAN [1]. Suherman Wahid, Pengetahuan Bahan, ITS Surabaya(1987). [2]. C.A.Zapffeand CE. Sims,HydrogenEmbrittlement, Internal Stress, and Deffects in Steel, Trans. AIME 145(I94I)pp.225 -259. [3]. Metal HandBook, ASM, pp. Ill, 1208- 1948. [4]. JIS Hand Book, Ferrous and Materials Metallurgy (1985,1993). [5]. A. R. Elsea and E. E. Fletcher,
Hydrogen
- Induced,
Delayed, Brittle Failures of High-Strength Steel, Defence Metals Information Center, Batvelle MemorialInstituteColombus,Ohio 43201 (1964). [6]. Thelning, K.E., Steel and Its Heat Treatment, Boforts Hand Book. Butta Worths, Bofors (1981).
Ke Daftar Isi
