PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN Al6061

Available online at Website http://ejournal.undip.ac.id/index.php/rotasi

PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN Al6061 a

*Agus Hadi Hariyantoa, Triyonob, Agus Supriyantoc Mahasiswa Program Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret b Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret c Jurusan Teknik Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36 A Kentingan Surakarta 57126 *Email:[email protected], [email protected] ABSTRACT

Diffusion welding on the disimilar metal between steel SS400 and aluminum Al6061 by using induction furnace, the temperature variation and filler variation. Temperature variations that are used 850⁰C, 875⁰C and 900⁰C. Filler that is used Fe and Cu powders, in variations filler Fe / Cu: 70/30%, 75/25%, 80/20%, on 30 minutes holding time. The results shows there is the presence of intermetallic layers in the temperaturs. Results of Scanning Electron Microscop (SEM), good diffusion process occurs on temperatures 850⁰C and filler variations Fe: 75%, Cu: 25%. It occurs interface bonding steel and aluminum on diffusion area. Interface bonding steel and aluminum will produces intermetalic layer Fe2Al3. The results of good hardness distribution occurs on 900⁰C filler variations Fe: 75%, Cu: 25%. It occurs intermetalic layer formation on diffusion area. Intermetalic layer formation is influenced by heat treatment and diffusion of Fe atoms and Cu atoms. The higher the heat treatment, the harder the Cu atoms. So it will affect the hardness intermetalic layer. By the higher heat treatment, the microstructure of the coating intermetalic will be so close. The more tightly layered arrangement intermatalic blistering effect on shear test. The results of tensile shear testing, high voltage value occurs on 900⁰C filler variations Fe: 75%, Cu: 25%. It is influenced by a continuous heating process, thus causing the Cu atoms will be hard. With high heat, Fe atoms will diffuse to the base metal aluminum and copper atoms will diffuse to the base metal and Al6061 SS400. So that the Fe and Cu atoms will bond with the base metal that affects the mechanical properties. Keywords: Diffudion welding; Filler; Heat treatment; Intermetalic layer; Temperature 1. PENDAHULUAN Produsen perkapalan saat ini sangat tertarik untuk mengurangi berat massa dalam rangka meningkatkan kinerja dan penghematan bahan bakar. Dulal dan Yeong-do [1] mengatakan untuk meningkatkan kinerja dan penghematan bahan bakar dapat dilakukan dengan menurunkan berat massa. Berat massa yang menggunakan baja, dapat digantikan dengan bahan ringan seperti aluminum ( Al), atau baja dikombinasikan dengan aluminium. Keuntungan menggunakan aluminium diantaranya adalah tahan korosi, tidak mempunyai daya magnet dan tidak ada perubahan warna selama proses pemanasan. Rathod dan Kutsuna [2] mengatakan untuk meningkatkan kekuatan dapat di aplikasikan dengan menggabungkan paduan aluminium dengan baja. Paduan aluminium dan baja sulit disambung dengan proses pengelasan karena ada perbedaan titik leleh secara drastis. Titik leleh paduan aluminium adalah 933K sedangkan titik leleh baja adalah 1811K. Metode Laser roll menggunakan variasi waktu, temperatur dan tekanan. Dengan mempelakukan tekanan yang tinggi maka dapat mempercepat timbulnya formasi senyawa intermetalik pada kedua material. Senyawa intermetalik, membuat sambungan kedua material rapuh [2]. Metode Resistance Spot Welding (RSW) menggunakan bahan transisi nugget aluminium berlapis strip baja, dengan mengoptimalkan kombinasi elektroda dan parameter pengelasan diketemukan bahwa dua zona yang berbeda fusi membentuk proses spot welding. Proses spot welding akan membentuk butiran struktur dendritik . Paduan baja dan aluminium akan terbentuk senyawa intermetalik akibat dari proses pengelasan [3]. Nugget aluminium berlapis strip baja sebagai lapisan transisi dapat digunakan dalam membentuk struktur lasan antara aluminum dengan baja [4]. Ranfeng qiu [5] mengatakan karakteristik antarmuka sambungan baja dengan aluminium dengan metode RSW, menunjukan reaksi dari Fe2Al5 berdekatan dengan baja dan FeA13 berdekatan dengan paduan aluminium di wilayah tengah lasan. Hasil uraian penelitian di atas menunjukan bahwa sambungan antara paduan aluminium dengan baja tidak mudah fusion di las sama-sama,karena adaya perbedaan titik leleh. Dengan adanya perbedaan titik leleh yang berbeda, penulis meriset ulang dengan metode yang berbeda. Metode yang digunakan adalah sambungan las difusi menggunakan furnace. Parameter sambungan las difusi yang digunakan variasi temperatur dan variasi filler serbuk Ferro (Fe) dan Copper (Cu).

ROTASI – Vol. 17, No. 2, April 2015: 57−66

57

Agus Hadi Hariyanto dkk., Pengaruh Temperatur Terhadap Sifat Fisik Mekanik Pada Sambungan Difusi Logam Tak Sejenis Antara Ss400 Dengan Al6061

2. MATERIAL DAN METODOLOGI 2.1. Material dan Proses Difusi Pada penelitian ini material yang digunakan adalah baja karbon rendah SS400 dengan tebal 2.3 mm, disambungkan dengan paduan Al6061 tebal 6 mm. Komposisi kimia baja SS400 dan aluminium Al6061 ditunjukkan pada Tabel 1, sedangkan sifat mekanik ditunjukkan pada Tabel 2

Material SS400

C 0.05

Material Al6061

Si 0,4-0,8

Material

Titik Leleh (oC) 1495-1525

SS400 Material Al6061

Titik Leleh (oC) 660

Tabel 1. Komposisi Kimia Baja SS400 dan Al6061 [10,11] Mn Si P Cr Mo 0,225 0,15 0,094 0,04 0,05

Fe Max 0,7

Cu 0,15-0,4

Mn Max 0,15

Mg 0,8-1,2

Cr 0,04-0,35

Ni 007

Zn Max 0,25

Tabel 2. Sifat Mekanik SS400 dan Al6061 [6,10] Daya Hantar Koefisien Panas Kekuatan Tarik Panas Ekspansi (Mpa) ( W/mK ) (µm/m/0C) 12.6 13.0 240 Panas Jenis (J/Kg.0C)

Masss Jenis (Kg/m3)

900

2700

Daya Hantar Panas ( (J/m3.0C.s) 220

Cu 0.16 Ti Max 0,15

Fe Bal Al Bal

Resistansi listrik ( µΩ.cm ) 2.65 Resistansi listrik ( µΩ.cm ) 2.65

Proses pengelasan dilakukan dengan metode diffusion welding menggunakan alat furnace induksi, dengan variasi temperatur 8500C,8750C,9000C dengan holding time 30 menit. Proses pengelasan dilakukan dengan menggunakan penambahan filler serbuk Fe dan Cu. Komposisi filler menggunakan fraksi volume dengan variasi Fe=70%,Cu=30%; Fe=75%,Cu=25%;Fe=80%,Cu=20%. Pencampuran filler dilakukan dengan proses mixing dengan kecepatan 270 rpm selama 30 menit. Pendinginan dilakukan di dalam furnace

6 mm

1 mm

AL6061

Tempat Filler

2.3 mm

2.2. Pengamatan Struktur mikro Baja karbon rendah SS400 dengan tebal 2.3 mm, dan paduan Al6061 tebal 6 mm dipotong dengan ukuran 30mm x 30mm. Baja karbon rendah SS400 diperlakukan proses pemesinan milling dengan ukuran 20mm x 20mm, dengan kedalaman 1mm. Dimensi spesimen uji dapat di lihat pada Gambar 1.

SS400 20 mm 30 mm

Gambar 1. Dimensi spesimen uji

58



Setelah pendinginan dilakukan, spesimen dipotong dengan ukuran 10mmx10mm. Spesimen diamplas,dietsa untuk mendapatkan mikrostruktur. Untuk mendapatkan mikrostruktur interface dilakukan menggunakan mikroskop optik dan SEM (Scanning Electron Microscope). 2.3. Proses Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan menggunakan vickers microhardnes. Pengujian dilakukan pada daerah logam induk dan daerah interface. Pengujian daerah baja karbon rendah SS400 menggunakan beban 200 grf. Pengujian daerah interface menggunakan beban 200 grf. Pengunjian daerah paduan Al6061 menggunakan beban 100 grf. Pengujian vickers microhardnes dilakukan untuk mengetahui distribusi kekerasan dari base metal ke intermetalic. 2.4. Proses Pengujian Geser Tarik Pengujian mekanik yang dilakukan adalah pengujian geser tarik. Bentuk specimen terlihat pada Gambar 2

S

Al6061

S

2.3 mm

S

6 mm

15 mm

S

SS400

S

50 mm

20mm

Gambar 2. Dimensi spesimen Uji Geser Tarik 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Foto Makro Temperatur

Variasi filler Fe:70%,Cu:30%

Fe:75%,Cu:25%

Steel

8500C

Daerah Difusi

Fe:80%,Cu:20% Steel

Steel

Al Daerah Difusi

Al

Daerah Difusi

Steel

Steel

Steel

Al

Daerah Difusi

8750C Daerah Difusi

Al

Daerah Difusi

Al

Al

9000C

Steel

Steel

Steel

Daerah Difusi Al

Daerah Difusi

Al

Daerah Difusi

Al

Gambar 3. Foto makro SS400 dan Al6061


59


Pengamatan foto makro pada Gambar 3, memperlihatkan terjadinya difusi di daerah antarmuka baja dan aluminium , sehingga mengakibatkan kedua permukaan material saling berikatan. Pada daerah base metal aluminium Al6061 terlihat kekeroposan Kekeroposan disebabkan adanya perbedaan pengaruh panas pengelasan paduan aluminium. Pengaruh panas pengelasan paduan aluminium dapat menyebabkan pencairan sebagian, rekristalisasi, pelarutan padat atau pengendapan, tergantung pada tingginya suhu pada daerah las [16]. Sehingga mengakibatkan ikatan base metal aluminium Al6061 dengan filler tidak cukup baik. 3.2. Foto Mikro Temperatur

Variasi filler Fe:75%,Cu:25%

Fe:70%,Cu:30% Steel

8500C

Fe:80%,Cu:20%

Steel

Daerah Difusi

Daerah Difusi

Steel

Steel

Daerah Difusi

Steel

Steel

8750C

Daerah Difusi

Daerah Difusi

Daerah Difusi

Steel

Steel

Steel

9000C Daerah Difusi

Daerah Difusi

Daerah Difusi

Gambar 4. Foto mikro SS400 dan Al6061 Pengamatan foto mikro pada Gambar 4, memperlihatkan terjadinya difusi di daerah antarmuka baja SS400 dengan aluminium Al6061, sehingga mengakibatkan alumunium terlarut di daerah baja. Semakin banyak jumlah atom Fe yang difusi di antarmuka, mengakibatkan ikatan antara baja dan aluminium akan semakin baik, sehingga homogenitas kedua material semakin baik. 3.3. SEM EDX Temperatur Filler Fe/Cu ( oC ) (%)

SEM

Steel 850

70/30

Daerah difusi

60

EDAX

Al

Element CK OK CuL MgK AlK FeK Matrix


At% 30.68 05.47 00.92 02.80 36.04 24.09 ZAF


Steel

Al

75/25

Daerah difusi

Steel

Al

80/20

Element CK OK MgK AlK FeK CuK Matrix

At% 25.51 04.55 03.68 40.22 25.67 00.36 ZAF

Element CK CuL MgK AlK FeK Matrix

At% 23.70 00.73 04.17 48.17 23.23 ZAF

Daerah difusi

Gambar 5. SEM EDAX PADA TEMPERATUR 8500C Pengamatan SEM dan EDAX pada Gambar 5 memperlihatkan atom Al mengalami keterlarutan ke daerah Fe. Keterlarutan atom Al pada daerah Fe tidak mengalami perbedaan yang berlebih. Semakin banyak unsur Fe yang terlarut kedalam daerah Al, akan semakin baik. Keterlarutan atom Al pada daerah Fe dan sebaliknya, akan membentuk homogenitas pada kedua material, sehingga daerah antarmuka kedua material akan terjadi ikatan. Ikatan antarmuka aluminium dengan baja akan membentuk lapisan intermetalik. Pembentukan lapisan intermetalik dipengaruhi oleh temperatur dan variasi filler. Pada temperatur 8500C filler 70/30,75/25 membentuk lapisan intermetalik Fe3Al2, sedangkan filler 80/20 membentuk lapisan intermetalik Fe4Al. Temperatur ( oC )

Filler Fe/Cu (%)

SEM

EDAX

Steel

70/30

Al Daerah difusi

875

Steel

75/25

Daerah difusi


Al


At% 28.25 05.96 01.30 02.89 36.66 24.94 ZAF


At% 24.33 04.51 01.18 03.23 41.09 25.67 ZAF

61


Steel

Al

80/20

Daerah difusi


At% 21.30 05.74 04.46 48.25 19.81 00.43 ZAF

Gambar 6. SEM EDAX PADA TEMPERATUR 875 0C Pengamatan SEM dan EDAX pada Gambar 6 memperlihatkan keterlarutan atom Al pada daerah Fe masih mendominasi. Keterlarutan atom Al pada daerah Fe dan sebaliknya, akan membentuk homogenitas pada kedua material, sehingga pada daerah antarmuka kedua material akan terjadi ikatan. Ikatan antarmuka aluminium dengan baja akan membentuk lapisan intermetalik. Pembentukan lapisan intermetalik pada temperatur 8750C filler 70/30,75/25 adalah Fe3Al2, sedangkan filler 80/20 membentuk lapisan intermetalik Fe4Al.. Temperatur ( oC )

Filler Fe/Cu (%)

SEM

EDAX

Steel

Al

70/30

Daerah difusi

Steel

900

Al

75/25

Daerah difusi

Steel

Al

80/20

Daerah difusi


At% 26.23 05.28 02.75 44.02 21.16 00.56 ZAF


At% 24.91 04.44 02.87 42.74 24.58 00.46 ZAF


At% 22.37 05.56 00.80 03.55 43.33 24.39 ZAF

Gambar 7. SEM EDAX PADA TEMPERATUR 9000C

62



Pengamatan SEM dan EDAX pada Gambar 7 memperlihatkan atom Al mengalami keterlarutan ke daerah Fe. Keterlarutan atom Al pada daerah Fe tidak mengalami perbedaan yang berlebih terhadap temperatur 8500C dan 8750C. Pembentukan lapisan intermetalik pada temperatur 9000C variasi filler 75/25,80/20 adalah Fe3Al2, sedangkan filler 70/30 membentuk lapisan intermetalik Fe3Al. 3.4. Distribusi Kekerasan Pada Lapisan Intermetalik Nilai Kekerasan Intermetalik pada temperatur 875 ⁰C

800.00 600.00 400.00 200.00 0.00

VHN

VHN

Nilai Kekerasan Intermetalik pada temperatur 850 ⁰C

1

2

3

4

5

800.00 600.00 400.00 200.00 0.00

1

2

3

4

5

70/30 322.28 325.53 294.89 304.08 305.31

70/30 468.26 370.75 381.65 453.80 453.96

75/25 369.70 512.05 480.48 571.81 530.62

75/25 456.67 442.43 548.94 488.36 557.49

80/20 495.16 389.23 348.05 527.42 344.24

80/20 501.01 590.91 414.21 548.73 427.24

VHN

Nilai Kekerasan Intermetalik pada temperatur 900 ⁰C 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00

Gambar 6. Distribusi kekerasan pada lapisan intermetalik dengan temperatur 850⁰C, 875⁰C dan 900⁰C 1

2

3

4

5

70/30 570.91 502.48 539.35 506.39 552.98 75/25 555.33 587.63 520.53 568.68 543.28 80/20 528.42 511.29 590.91 613.98 514.34

SS400

Steel

875⁰C, Variasi filler Fe:75%,Cu:25%

Temperatu r


Nilai distribusi kekerasan pada lapisan intermetalik terlihat pada gambar 6. Pembentukan lapisan intermetalik berdasarkan diagram fasa Al-Cu, pada temperatur 8500C-9000C terjadi fase cair[15]. Pada saat fase cair terjadi difusi antara Al-Cu dengan Fe. Dengan holding time 30 menit, dimungkinkan difusi antara Al-Cu dengan Fe semakin homogenitas (gambar 7). Pembentukan lapisan intermetalik berdasarkan diagram fase Fe-Fe3C, pada temperatur 8500C-9000C terjadi titik tranformasi terbentuknya ferrit dari austenit.[15]. Pada temperatur 8500C-9000C di antarmuka aluminum dan baja mulai terbentuknya ferrit dari austenit. INTERFACE

Daerah difusi

Steel

Al6061

Al

Al Daerah difusi


63



Steel

Al Daerah difusi

Gambar 7: Struktur mikro SS400, Interface, Al6061

TEGANGAN ( N/mm² )

3.5. Analisa Uji Geser Tarik Hubungan Antara Variasi Filler Dengan Tegangan 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00

Fe:70%,Cu:3 0%

Fe:75%,Cu:2 5%

Fe:80%,Cu:2 0%

850 ⁰C

2.15

3.97

2.30

875 ⁰C

3.86

4.81

4.05

900 ⁰C

4.11

5.70

5.59

Gambar 8. Hubungan Antara Variasi Filler Dengan Tegangan Hasil pengujian geser tarik berdasarkan variasi temperatur, nilai hasil tegangan yang tinggi terjadi pada variasi filler Fe:75%,Cu:25% (gambar 8). Hal ini dipengaruhi oleh proses pemanasan yang terus menerus, sehingga menyebabkan serbuk Cu akan bersifat keras, tapi rapuh[12]. Dengan pemanasan yang tinggi, serbuk Fe akan berdifusi dengan base metal aluminium dan serbuk Cu akan difusi dengan base metal SS400 dan Al6061. Sehingga atom Fe dan Cu akan berikatan dengan base metal yang mempengaruhi sifat mekanik (Gambar 9). Variasi Filler

900⁰C Viriasi filler Fe:70%,Cu:30%

Zona steel

Zona aluminum

Cu Al

Al Cu

Steel


Cu

Al

Cu Al

Steel

64

Steel

Steel




Cu Al

Cu Al

Steel

Steel

Gambar 9. Struktur makro uji geser tarik 4. KESIMPULAN 1) Diffusion welding disimilar metal antara SS400 dengan Al6061 menggunakan furnace induksi, dengan variasi temperatur dan variasi filler, menunjukkan adanya pembentukan lapisan intermetalic pada semua temperatur. 2) Hasil menurut Scanning Electron Microscop ( SEM ), proses difusi yang baik terjadi pada temperatur 850⁰C dengan variasi filler Fe:75%,Cu:25%.. 3) Hasil distribusi kekerasan yang baik terjadi pada temperatur 900⁰ dengan variasi filler Fe:75%,Cu:25%. 4) Hasil pengujian geser tarik, nilai tegangan yang tinggi terjadi pada temperatur 900⁰C dengan variasi filler Fe:75%,Cu:25%. 5) Perlakuan panas, difusi atom Fe dan Cu, sangat mempengaruhi proses pembentukan lapisan intermetalic. Semakin tinggi perlakuan panas, pembentukan lapisan intermetalic semakin merata. 6) Peranan serbuk Cu merupakan langkah untuk mempermudah proses difusi yang dipengaruhi oleh perlakuan panas. Semakin tinggi perlakuan panas, sifat Cu semakin keras dan rapuh. Sehingga akan berpengaruh pada kekerasan lapisan intermetalic. Dengan proses pemanasan yang tinggi, struktur mikro pada lapisan intermetalic semakin rapat dan merata. Semakin rapat dan merata susunan lapisan intermatalic berpengaruh pada sifat mekanik.

5. REFERENSI [1] Dulal C. and Yeong Do Park.,2011. A Review on Al-Al/Al-Steel Resistance Spot Welding Technologies for Light Weight Vehicles. Journal of KWJS,Vol.29,No.4,pp397-402. [2] Rathod M.J. and Kutsuna M.,2004. Joining of Aluminum Alloy 5052 and Low Carbon Steel by Laser Roll Welding, Welding Journal. 16-S. [3] Sun X., Stephens, M.A.E.V., Khaleel, H., Shao, and Kimchi, M.,2004. Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy to Steel with Transition Material From Process to Performance. Part I:Experimental Study. Welding Journal. 188-S. [4] Sun X., and Khaleel, M.A., Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy to Steel with Transition Material. Part II:Finite Element Analyses of Nugget Growth. Welding Journal. 197-S. [5] Ranfeng Qiu a, Shinobu Satonaka , Chihiro Iwamoto,2009. Effect of interfacial reaction layer continuity on the tensile strength of resistance spot welded joints between aluminum alloy and steels, Material and Design 30, 3686–3689. [6] Aizawa T.,Kashani M., and Okagawa.,2007. Application of Magnetic Pulse Welding for Aluminum Alloys and SPCC Steel Sheet Joints. Welding Journal,Vol.86,119-s-124-s. [7] Shigeaki Kobayashi, Takao Yakou.,2002. Control of intermetallic compound layers at interface between steel and aluminum by diffusion-treatment. Materials Science and Engineering A338 (2002) 44-53 [8] Mahendran G. , Balasubramanian V., Senthilvelan T.,2010. Influences of diffusion bonding process parameters on bond characteristics of Mg-Cu dissimilar joints, Transaction of Nonferrous Metal Society of China 20(2010) 997-1005. [9] William D. Callister J.R,2001. Fundamentals of Materials Science and Engineering an interacrive,fifth edition.126-132. [10] Triyono, Yustiasih P, dan Ikwal C. 2013. Critical Nugget Diameter of Resistance Spot Welded Stiffened Thin Plate Structure. Modern Applied Science. Vol 7,No.7,17-22. [11] Aluminium 6061 data sheet. [12] Gusti randa atmajaya.2011.Analisis Sifat Mekanik Penambahan Unsur Cu Pada Coran Alumuniu. Tugas akhir. [13] Dinaharan K, Kalaiselvan, Vijay SJ, dan Raja P. 2012. Effect of Material Location and Tool Ratational Speed on Microstructure and Tensil Strength of Dissimilar Friction Stir Welded Aluminium Alloy. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 12, 446-456. [14] Chunzhi xia, dkk.2008. Microstructure and phase constitution near the interface of Cu/Al vacuum brazing using


65


[15] [16]

Al–Si filler metal. Science direct, vacum 82 (2008) 799-804. Tata Surdia,Shinroku Saito.1999.Pengetahuan Bahan Teknik.Cetakan Keempat.69-142. Harsono Wiryosumarto dan Toshi Okumura.1981.Teknologi Pengelasan Logam.Pradnya Paramita.113-126.

6. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih atas dukungan dana dari Menteri Pendidikan Dan Kebudayaan Republik Indonesia melalui hibah MP3EI dengan kontrak No.499/UN.27.11/PN/2014

66


PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN Al6061

Recommend Documents