Pengaruh PWHT Terhadap Struktur Mikro,Uji Kekerasan dan Ketangguhan pada Sambungan Las Tak Sejenis Austenitic Stainless Steels dan Baja Karbon Agus Duniawan Jurusan Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta Jl.Kalisahak no.28 Kompl. Balapan, Yogyakarta a) E-mail : Agusduniawan @gmail.com
Abstrak Pengelasan logam tak sejenis baja tahan karat dan baja karbon banyak diterapkan di bidang teknik, diantaranya kereta api, otomotif, kapal dan industri lain. Permasalahan pengelasan baja tahan karat austenitik adalah penggetasan akibat endapan halus (precipitate) karbida krom (Cr23C6) diantara batas butir austenit. Endapan ini terbentuk karena pendinginan lambat dari temperatur 900 oC sampai 450 oC. Pada sisi lain, baja karbon rendah mengalami pengerasan berlebihan pada HAZ jika laju pendinginan pengelasan tinggi, sehingga menyebabkan turunnya ketangguhan (toughness). Tujuan penelitian ini adalah untuk memperbaiki sifat mekanik las tak sejenis antara baja tahan karat austenitic dan baja karbon dengan PWHT. Metode penelitian terdiri dari pengelasan logam tak sejenis antara baja tahan karat AISI304 dan baja karbon rendah menggunakan teknik las MIG dengan filler ER308, tegangan 19 volt,arus DC 100 amper dan heat input 1 kJ/mm dengan kecepatan pengelasan 2 mm/s. Setelah pengelasan dilakukan PWHT dengan temperatur 450 oC, 550 oC dan 650 oC selama 3 jam. Selanjutnya dilakukan pengujian kekerasan (microhardness), struktur mikro,ketangguhan dan SEM.
Kata kunci : Logam tak sejenis, MIG, toughness, PWHT.
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Pengelasan logam tak sejenis (dissimilar metals) antara baja karbon (CS) dan baja tahan karat (SS) semakin banyak diterapkan karena tuntutan desain dan tuntutan ekonomi,meliputi perkapalan, jembatan, rangka baja, bejana tekan, sistem perpipaan dan lain sebagainya. Permasalahan pada pengelasan baja tahan karat austenitik adalah terbentuknya tegan sisa dan distorsi akibat angka pemuaian yang lebih besar dari pada baja, penurunan ketahanan korosi, penurunan sifat mekanis dan penggetasan akibat terbentuknya endapan halus (precipitate) karbida krom yang mengendap di antara batas butir austenit. Endapan halus ini dapat terbentuk karena pendinginan lambat dari dengan 450oC. Pada sisi lain, baja karbon rendah akan
temperature mengalami
900oC sampai
pengerasan
dan
ketangguhan yang rendah di daerah HAZ. Disamping itu baik pengelasan baja tahan karat maupun baja karbon biasanya menghasilkan tegangan sisa, efek tegangan sisa menyebabkan terjadinya stress corotion cracking ( SCC ). Dua hal yang perlu diperhatikan dalam pengelasan baja tahan karat adalah memberikan kondisi bebas retak pada lasan dan menjaga lasan maupun daerah yang terpengaruh panas ( HAZ ) memiliki sifat ketahanan korosi sama dengan logam dasarnya. Pengontrolan bahan pengisi ( filler), masukan panas permukaan lasan dan menjaga prosentase delta-ferit di strukturmikro lasan dapat meningkatkan ketahanan korosi ( Ahluwalia, 2003) Pengelasan terhadap dua material yang berbeda digunakan di industri kimia
atau dikenal dissimilar banyak
dan konstruksi-konstruksi mesin dan bangunan . Hal ini
berhubungan dengan efisiensi bahan dan fungsi dari bagian-bagian mesin dan bangunan yang tidak kalah pentingnya adalah ketangguhan dua material yang disambung terhadap beban statis. Kelemahan pengelasan dissimilar yang mendasar adalah perbedaan sifat fisik, mekanik dan sifat metalurgi, sehingga dua logam yang dilas menimbulkan permasalahan yang berbeda pada masing-masing logam. Untuk mengatasi permasalahan yang timbul perlu adanya penelitian. Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh PWHT (post welding heat treatment), terhadap sifat
`
mekanis yang meliputi, kekerasan, kekuatan dan ketahanan laju korosi pada sambungan las logam tak sejenis. Penelitian ini bersifat eksperimen di laboratorium. Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon S40C disambung dengan baja tahan karat AISI 304 dengan filler ER308. Pengujian sambungan meliputi pengamatan sifat mampu las (weldability), pengamatan struktur mikro dengan mikroskop logam, uji tarik, uji impak,dan uji kekerasan dengan standar ASTM.
1.2. Batasan Masalah Penelitian ini hanya dibatasi pada: 1. Pengelasan yang dipakai adalah las MIG 2. Filler yang digunakan tipe austenitik S308 3. Pengaruh tegangan sisa tidak menjadi focus pada penulisan ini.
1.3.Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui Pengaruh PWHT (post welding heat treatment ). Pada Struktur mikro, SEM,sifat mekanik yang meliputi; kekerasan dan Uji Ketangguhan pada sambungan las tak sejenis antara austenitic stainless steels dan baja karbon.
1.4.Manfaat penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan konstribusi yang positif bagi pengembangan ilmu dan teknologi dalam bidang pengelasan dalam bidang industri serta menjadi referensi bagi penelitian , sehingga didapatkan proses pengelasan logam tak sejenis (dissimilar metals) yang menghasilkan sifat mekanis yang berkualitas .
`
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Pustaka Beberapa hasil penelitian pengelasan dissimilar baja karbon (CS ) dan baja tahan karat ( SS ) yang selama ini telah banyak dilakukan oleh para peneliti namun demikian akan mencoba melihat faktor-faktor yang dapat mempengaruhi sifat mekanik dan perubahan terhadap struktur mikro dari hasil pengelasan. Pada pengelasan dissimilar masukan panas (heat input) dapat mempengaruhi sifat mekanis seperti kekerasan, ketangguhan, kekuatan tarik juga korosi. Banhouse dkk(2002) meneliti pengelasan dissimilar antara baja tahan karat martensit dan baja karbon menggunakan las MIG, hasil penelitian menunjukkan bahwa kekerasan deposit logam las bervariasi terhadap masukan panas . Masukan panas las rendah menyebabkan kekerasan lebih tinggi dalam logam las dan disepanjang batas lebur (fusion line) baja karbon dari pada masukan panas tinggi. Kekerasa ini diakibatkan oleh terbentuknya martensit pada permukaan daerah tersebut. Keberadaan matensit dipengaruhi oleh komposisi logam dasar dan pengisi serta perbedaan dalam kecepatan difusi karbon.Bila mobilitas karbon terbatas, kemungkinan formasi martensit juga berkurang . Selain kekerasan masukan panas yang semakin tinggi dari 1,57 kJ/mm menjadi 2,60 kj/mm akan meningkatkan ketahanan korosi dengan menurunnya prosentasi pengurangan berat. Juan, dkk (2003) meneliti effek heat input pengelasan terhadap ketangguhan bahan dan struktur mikro daerah HAZ baja kekuatan tinggi . Hasilnya menunjukkan ,Struktur mikro daerah HAZ adalah martensit bilah (lath martensit), makin tinggi
heat input
pengelasan maka ketangguhan bahan semakin turun. Carrouge, dkk (2002) meneliti pengelasan dissimilar baja karbon rendah dan matensitic stainless steel dengan proses pengelasan GMAW. Hasil penelitian menunjukkan perubahan struktur mikro pada daerah HAZ stainless steel kandungan δ- ferrite ditemukan daerah HAZ lebih besar dari baja paduan tinggi. Struktur austenit yang ditemukan pada logam las dan butir kasarnya lebih besar pada daerah HAZ dari paduan baja tinggi .
`
Jumlah ferit pada daerah las sangat mempengaruhi hasil lasan , bila jumlah ferit terlalu kecil akan menyebabkan retak panas dan bila terlalu besar akan mengurangi ketahanan korosi. Mc Pherson ,dkk (1998 ) meneliti pengelasan dissimilar plat baja karbon dan plat austenitic stainless steel tipe 316LN menggunakan kawat las tipe 308 dengan proses pengelasan SAW , pada penelitian menunjukkan penentuan jumlah ferrite dalam pengelasan dissimilar . Komposisi kimia filler juga sangat mempengaruhi proses pencairan daerah las. Dupont,dkk(2003) meneliti evaluasi mikrostruktur dan mampu las pad las dissimilar antara super austenite stailnless steel dan paduan nikel serta pengaruh komposisi filler metal dan dilusi daerah cair,hasil penelitian memperhatikan bahwa penambahan besi pad alas menurunkan koefisien distribusi Mo dan Nb, ini selanjutnya menghasilkan konsentrasi inti dendrit lebih kecil dengan meningkatkan dilusi ASME Boiler Pressure Vessel Code ,menyebutkan dengan postweld heat treatment (PWHT), setelah pekerjaan pengelasan selesai sering dilaksanakan untuk tujuan memperkecil tegangan sisa yang terdapat pada pengelasan. PWHT kadang-kadang disebut juga dengan membuang tegangan (stress relief). PWHT dilakukan karena alasan seperti : 1. Mengurangi tegangan sisa ( residual stress) 2. Mengurangi kekerasan didaerah pengelasan dan daerah HAZ 3. Meningkatkan ketangguhan ( toughness) 4. Mengeluarkan hydrogen dari logam las 5. Menghindarkan kerja dingin dari logam 6. Meningkatkan keuletan (ductility) 7. Meningkatkan daya tahan terhadap retak karena factor lingkungan (environmental cracking) dan serangan karat. 8. Meningkatkan stabilitas dimensional selama machinin Laju pemanasan dan pendinginan baja selama PWHT mempunyai sedikit arti metalurgi. Meskipun demikian baja harus mendapat pemanasan atau pendinginan cukup perlahan untuk menghindarkan gradien suhu yang tinggi, karena bisa menyebabkan distorsi dan
`
mempengaruhi tegangan tinggi. ASME membatasi laju pemanasan dan pendinginan sebagai berikut: 1. Pemanasan pada suhu di atas 800oF dibatasi sampai 400oF per inci ketebalan per jam, tetapi tidak lebih dari 450oF per jam. 2. Selama pemanasan di atas 800oF perubahan suhu maximum adalah 250oF
dalam
interval 15-ft 3. Selama waktu penahanan, beda suhu tertinggi dan terendah dibatasi 150oF 4. Pendinginan di atas 800oF dibatasi pada 500oF per inci ketebalan per jam tetapi tidak lebih dari 500oF per jam.
`
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Bahan Bahan yang akan dipakai pada penelitian ini adalah lembaran baja tahan karat austenitic (AISI 304) dan baja karbon sedang, Elektroda stainless steel AWS E-308 , Resin dan katalis , Amplas , dan Larutan NHO3
Tabel : 3.1 Komposisi kimia Bahan Material
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
AISI 304
0.0567
1,25
0,485
0.0989
0.0119
17,9
8,27
0.018
0.802
0.166
0.054
0.015
0,000
0,273
≤ 0.08
1.0-2.5
≤ 0.60
≤ 0.03
≤ 0.03
19.5-22.0
9.0-11.0
Baja karbon ER 308
3.2. Alat yang digunakan a. Mesin las MIG
h. Mikroskop Optik
b. Alat ukur waktu
i. Alat Uji impact Charpy
c. Termokopel
j. Pemanas oven
d. Data Akuisisi
k. Alat-alat pendukung lain
e .Mesin perkakas f. Mesin Poles g. Mesin Uji kekersan Mikro Vickers
`
3.3. Pengelasan Dissimilar Metals Tahap awal penelitian ini adalah melakukan pengelasan pelat baja karbon sedang dan Baja tahan karat dan bahan tambah ER.308 ( Ø = 0,8 ) menggunakan las filler dengan 3 kali pengelasan ( layer ) kondisi pengelasan pada arus ( I ) 100 A, tegangan ( E ) 19 volt dan kecepatan ( V ) 120mm/menit Tebal pelat yang digunakan setebal 10 mm, alur las dibuat dalam bentuk V dengan sudut 70o.
3.4. Prosedur Pengujian 3.4.1. Prosedur Pengelasan Proses pengelasan menggunakan mesin las MIG. Mekanisme proses las adalah torch dirangkai dalam satu kerangka yang digerakkan oleh motor yang dapat diatur kecepatannya dan bergerak di atas benda kerja, pemanasan dimasukkan dalam oven pemanas listrik diberikan setelah selesai pengelasan dengan variasi temperature 450oC , 550oC dan 650oC. selama kurang lebih 3 jam.
70˚
10
SS
CS 10 8
150 2 5 100
Gambar 3.1. Geometri sambungan las
`
3.4.2.Proses PWHT
a.Heating merupakan proses pemanasan yang direncanakan sampai temperatur ,450 ,550,650 0C bertahan selama 3 jam. b.Holding adalah menahan material pada temperatur pemanasan untuk memberikan kesempatan adanya perubahan struktur mikro. c.Cooling adalah mendinginkan hasil pengelasan dengan kecepatan sesuai dengan lingkungan atau pada suhu kamar.
Heating up
Holding 3 jam
Cooling down
Ta=650oC 65650oC Ta = 550oC 650oC Ta = 450oC
Time t
Gambar 3.2 .Siklus thermal PWHT
`
3.4.3. Analisa Struktur Mikro Pengujian dilaksanakan dengan menggunakan mikroskop optik logam Olympus dan cairan etsa yang digunakan berupa larutan nital (propanol + 5% HNO3 ).
3.4.4.Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan dengan metode pengujian kekerasan mikrovickers (VHN) dengan indentor kecil (microhardness), beban 100gf pada jarak antar titik 200 μm dari logam induk, HAZ, TMAZ dan daerah nugget sehingga diperoleh nilai besaran injakan kemudian dikonversikan atau dihitung menjadi nilai kekerasan.
VHN 1,854
Dengan
P ……………………………………………..……………. ( 3.1 ) d2
VHN
= Nilai kekerasan spesimen
P
= Beban skala mikro
D
= Diagonal injakan penetrator
Gambar 3.3. Posisi pengujian kekerasan mikro
`
3.4.5. Uji Impak Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui ketangguhan logam las setelah mengalami perlakuan panas melalui oven pemanas listrik terhadap beban mendadak (kejut). Pengujian dilakukan dengan mengunakan mesin charpy, dari hasil pengujian dapat diketahui harga tenaga patah dari logam las. Besarnya energi patah ditentukan dengan persamaan: HI G Rcos cos (Joule) …………………………………………(3.2 ) HK
HI A
(Joule/mm2) ………………………………………………… ( 3.3 )
dimana: HI = Harga Impak
, HK = Harga Keuletan, G = W x g = berat beban (lihat pada mesin) x
gravitasi, R = jarak titik beban ke pusat ayunan (R, lihat pada mesin), = sudut ayunan mematahkan benda uji, = sudut ayunan tanpa benda uji, A = luas penampang patahan (mm2)
10 mm
2 mm
10 mm
55 mm
45o
`
Gambar 3.5. Spesimen uji Impak
`
3.4.6.
Diagram Alir Penelitian RAW MATERIAL PENGELASAN MIG
PWHT dengan Oven Pemanas listrik TANPA PWHT
0
Temperatur :450,550 dan 650 C Waktu tahan : 3 jam PENGAMATAN STRUKTUR MIKRO UJI
UJI
UJI
KEKERASAN
IMPAK
SEM
ANALISA DATA
KESIMPULAN
Gambar 3.6 Diagram Alir Penelitian
`
BAB IV. BIAYA DAN JADWAL PENELITIAN 4.1 Anggaran Biaya Tabel 4.1. Rekapitulasi Anggaran Peneltian Biaya yang diusulkan (Rp) No
Jenis Pengeluaran Peralatan penunjang/ Spesimen uji
1 2
4.900.000.00 760.000.00
Lain-lain Jumlah
14.740.000.00
4.2. Jadual Pelaksanaan
Minggu ke
No Uraian 1.
Persiapan
2.
Pembuatan
1
2
3
4
5
spesimen 3.
Pengujian
4.
Pengolahan Data
5.
Penyusunan Lap.
`
6
DAFTAR PUSTAKA
ASTM.,2003, Metal Test Methods and Analitycal Prosedures,Annual Book of ASTM Standard, Sec. 3, Vol. 03.01, E647-00, pp.615-657, Bar Harbor Drive, Weat Conshohocken. Barnhouse, E.J and Lippold,J.C., 2002, Microstructure Property Relationship in Dissimilar Welds Between Duplex Stainless Steel and Carbon Steel, Supplement to The Welding Journal. Callister,W.D.,2007,“Material Science and Engineering an Introduction7ed”, Wiley Dupont,J.N.Banovic,S.W. and Marder,A.R.,2003, Microstructural Evolution and 3 Weldability of Dissemilar Welds between a Super Austenitic Stainless Steel and NickelBased Alloys,Departement of Materials Science and Enggineering, Lehigh University, Bethlehem, Palestina. Jones, D.A., 1991, “Principle and Prevention of Corrosion”, Mc. Millan Publishing Company, New York Liu, S., 1992, Metallography of HSLA Steel Weldments Engineering Materials, volume 69 dan 70, pp 2-20. Messler, Robert W., 1999. Principles of welding, Processes, Physics, Chemistry and Metallurgy. A Wiley-Interscience Publication. New York. McPherson N., A. A Study of the Structure of the Dissimilar Submerged Arc Welds. Metallurgical And Materials Transaction. Volume 29A, Marc 1998. Okumura, T., dan Wiryo Sumarto, H., 1987. Teknik Pengelasan Logam, edisi VII PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Suharno, Ilman, M.N dan Jamasri., 2004, Pengaruh Masukan Panas pada Pengelasan Busur Terendam Terhadap Ketangguhan dan Suhu Transisi Baja SM 490, Prosiding Seminar Nasional Teknik Mesin, ISBN: 979-98888-0-8, pp.hal. 36-42.
`
Thewlis, G., 1992, Factor Affecting Weld Metal Properties in Arc Welding, British Steel Cooperation. Trethewey, K. R. & Chamberlain, J., 1991, “Korosi Untuk Mahasiswa Sains dan Rekayasa” , PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta Wiryosumarto, H. dan Okamura, T, 2000, Teknologi Pengelasan Logam, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Widharto, S., 2001, “Karat dan Pencegahannya”, P.T. Pradnya Paramita, Jaka
`
