Teknik Pembuatan Baja Duplek pada Baja Karbon Rendah Sa dengan Pelapisan Elektroda

Transkripsi

1 Teknik Pembuatan Baja Duplek pada Baja Karbon Rendah Sa dengan Pelapisan Elektroda Sidiq Ruswanto Jurusan Teknik mesin Politeknik Negeri Jakarta Kampus Baru UI Depok Abtract SA is a low carbon steel which is used for making of boiler, high pressure tank and heat exchanger. Steel of SA is applied for corrosion and wear resistance equipment. A weld surfacing can be used to overlay new components to their original dimensions. In this research two types of electrodes used are Sandvik LR and Sandvik LR. Weld surfacing process was used GTAW process using DCEP. The welding parameter used are as follow: welding current between 11 A to 112 A, welding voltage between 12 to 13 volt and travel speed between 173 to 191 mm/ minute. The weldments was then conducted hardness testing, metallographic examination, EDAX. Samples for hardness testing were taken from base metal and to the filler metal layer. EDAX testing was taken from metal to the outer layer layers. The results that the high hardness value of 356 Hv was Found on at layer 1 using sandvik electrode LR. The base metal microstructure was reveled some ferrite and pearlite structure. The cromium dilution using sandvik electrode LR was higher than that of sandvik electrode LR. From all data investigations was concluded that the usage of sandvik electrode LR is better performance than use of sandvik electrode LR. Key word : steel, welding and hardness. Abstrak SA adalah baja karbon rendah yang digunakan sebagai material untuk pembuatan boiler, tangki bertekanan tinggi dan alat penukar panas (heat exchanger). Baja SA diaplikasikan untuk peralatan yang membutuhkan sifat tahan terhadap korosi dan keausan. Dalam penelitian ini, proses pelapisan permukaan menggunakan dua jenis elektroda, yaitu Sandvik LR dan Sandvik LR. Proses pelapisan permukaan menggunakan proses GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) dengan metode DCEP (). Parameter pengelasan yang digunakan adalah: arus listrik antara 11 A sampai 112 A, tegangan listrik antara 12 volt sampai 13 volt dan kecepatan pengelasan antara mm/menit. Hasil lasan aha nkemudian diuji kekerasannya dengan pengujian metalografi, EDAX (). Sampel untuk uji kekerasan diambil dari daerah perbatasan logam induk dan lasan. Pada pengujian EDAX sampel yang digunakan diambil dari lapisan lasa. Nilai kekerasan lasan yang menggunakan elektroda Sandvik LR pada lapisan luar adalah 356Hv. Struktur mikro dari logam tersebut dibentuk dari ferit dan perlit. Kenaikan prosentase kromium ditunjukkan pada Sandvik elektrode LR lebih tinggi dari LR. Kesimpulan dari hasil penelitian ini bahwa Sandvik elektroda LR kinerjanya yang lebih baik daripada Sandvik elektroda LR. Kata kunci: baja, pengelasan dan kekerasan. I. PENDAHULUAN Baja stainless saat ini banyak digunakan oleh industri di Indonesia sebagai material pada tangki, bejana tekan, pipa bahkan kontruksi jembatan. Keunggulan stainless steel adalah kandungan paduannya mendekati baja duplex standart. Baja SA merupakan baja yang mempunyai kandungan karbon rendah dan banyak diproduksi dalam bentuk lembaran ataupun strip dan batangan. Baja ini banyak digunakan pada peralatan yang bersifat korosif, 58

2 POLITEKNOLOGI VOL. 9 NO. 3, SEPTEMBER 11 maka perlu dilapis dengan material yang tahan korosi tersebut. Untuk pembuatan baja duplex dari baja SA biasanya digunakan metode peledakan. Pada suatu kontruksi yang terkena korosi atau mengalami keausan tidak mungkin diperbaiki dengan cara peledakan. Untuk itu dicoba dengan cara pelapisan permukaan pada bagian yang tahan korosi dengan metode pengelasan electrode sandvik. Ketebalan lapisan baja duplex setebal 1 mm. Untuk perbaikan harus setebal 1 mm, sedangkan diameter elektrode sebesar 3 mm. Untuk itu proses pengelasan dilaksanakan 3 lapis. Karena perlakuan pemanasan 3 kali, maka baja akan mengalami perubahan sifat mekanik maupun struktur mikronya. Peningkatan kekuatan baja juga dapat dilakukan dengan penambahan unsur- unsur kandungannya. Unsur unsur paduan tersebut diantaranya cromium ( Cr ), wolfram ( W ), molibdenum ( Mo ) dan Mangan ( Mn). Penambahan unsur yang terlalu banyak akan mengakibatkan baj akan mengalami penggetasan pada batas butir. Karena unsur cromium akan mengendap pada batas butir austenit ketika terjadi proses austenisasi berlansung. Tujuan penelitian tentang teknik pembuatan baja duplex pada baja karbon rendah SA dengan pelapisan elektroda : - Dapat membuat baja duplek dari baja karbon rendah. - Dapat menggambarkan peubahan struktur mikro yang terjadi - Memperoleh cara perbaikan komponen Exchanger dan runner pada turbin air yang sangat sensitif terhadap korosi dan keausan. II. METODE PENELITIAN. Pengelasan. Pengelasan dilaksanakan di PT Sarana Sanggar Baja. Material yang akan dilas baja plat SA dengan ketebalan 1 mm, lebar 6 inch serta panjangnya 6 inch. Gambar 1. Ukuran Plat. 11 Banyaknya plat dua ( 2 ) buah, dimana satu dilas dengan elektroda Sandvik LR dan elektroda Sandvik LR. Masing -masing plat dilas tiga lapis. Besarnya diameter kawat las yang digunakan adalah sebesar 1, 6 mm. Jenis mesin las yang digunakan Miller, USA dengan model SRH- 222 (FL). Parameter- parameter pengelasan yang digunakan sebagai berikut : - Arus pengelasan : A - Kawat pengisi Sandvik LR & LR - Tegangan : Volt - Gas pelindung : Argon - Proses pengelasan : Datar - Pendinginan : udara - Gerakan elektroda Mundur kekiri - Posisi pengelasan : 6 derajat terhadap elektroda - Bahan dasar : Baja SA Kecepatan pengelasan : mm / menit - Kecepatan aliran gas: 15-2 liter / menit - Arus : DC - Polarity : Negatip Setelah pengelasan masing-masing plat yang telah dilas, dipotong dan selanjutnya dipreparasi menjadi sampel uji kekerasan, metalografi, EDAX. Proses preparasi sampel dilaksanakan di Politeknik Negeri Jakarta. III. HASIL PENELITIAN. Masukan Panas. Dari proses pengelasan pada sandvik LR dengan arus 11 Amper, tegangan 12 Volt, kecepatan antara 17, 6 59

3 sampai 18, 8 cm / menit dan sandvik LR dengan arus 112 Amper, tegangan 13 Volt kecepatan 17, 3 sampai 19, 1 cm / menit, maka besarnya masukan panas seperti yang terlihat pada Tabel 1 di bawah. Lapisan Las Heat Imput Tabel 1. Masukan Panas. L 1 L2 L3 L1 L2 L Krom dan Nikel Ekivalen. Estimasi ferrit dengan perhitungan diagram Schaeffler untuk menentukan krom dan nikel ekivalen ( lihat rumus persamaan ekivalen ). Tabel 2. Cr Ekivalen & Ni Ekivalen. Baja SA Kro m % Mo % Si % Ni % C % Mn % Cu, 3, 1, 23, 2, 22, 4,2 Krom Ek. = % Cr + % Mo + % Si x 1,5 +,5 % Nb. =, 385 Nikel Ek. = % Ni + % C x 3 +, 5 % Mn = 7, 14 Sandvik LR Krom % % Si % % C % % N Mo Ni Mn 28,5 2,5 8, 5, 3, 9, 3 Krom Ek. = 31,25 Nikel Ek. = 9, 85 Sandvik LR Krom % Mo 5%S i % Ni % C % Mn % N 25 4, 5 9, 5, 3, 9, 25 Krom Ek. = 29, 75 Nikel Ek. = 1, 75 Dari nilai krom ekivalen dan nikel ekivalen selanjutnya dilihat pada diagram Schaeffler, kemudian dicari daerah aman untuk pengelasan baja tahan karat. Gambar 2. Diagram Schaeffler. - Garis AB menunjukan dilusi - Gambar 2 Diagram schaeffler - filler LR - Garis AC menunjukan dilusi filler LR - Titik A, merupakan absis & ordinat material SA Titik B, merupakan absis & ordinat filler LR - Titik C, merupakan absis & ordinat filler LR - Titik D, merupakan dilusi 5 % filler LR - Titik E, merupakan dilusi 5 % filler LR Data grafik di atas tampak bahwa dilusi 5 % menggunakan filler sandvik LR terletak pada daerah A + M + F. Daerah ini merupakan daerah aman untuk pengelasan baja tahan karat, sedangkan untuk 5 % dilusi menggunakan filler sandvik LR terletak pada daerah A + F. Hasil Uji Mekanik. Tabel 3. Hasil Uji Mekanik. Kode Sampel Kekerasan H V Keausan mm 2 /mm 25 P ,7 x Lapisan , x Lapisan ,7 x Lapisan , 2 x Lapisan , 4 x Lapisan , 7 x Lapisan ,1 x 1-2 Dari data hasil pengujian mekanis didapatkan bahwa : *. Nilai kekerasan tertinggi didapatkan pada daerah lapisan las pertama ( 1 ), baik pada filler sandvik LR sebesar 25 HV maupun sandvik LR. sebesar 356 HV. Hal ini dikarenakan daerah las ini mendapat pemanasan ketika pengelasan lapisan berikutnya ( temper ), tidak terjadi pembentukan fasa baru melainkan terbentuk Karbida krom. Karbida krom mempunyai nilai kekerasan tinggi. 6

4 Keausan mm 2 /mm Keausan mm 2 /mm POLITEKNOLOGI VOL. 9 NO. 3, SEPTEMBER 11 Disamping mempunyai nilai kekerasan tinggi, juga mempunyai nilai kehilangan luasan permukaan paling kecil, untuk filler sandvik LR sebesar 9, x 1-2 ( mm 2 / mm ) dan untuk sandvik LR sebesar 1, ( mm 2 / mm ). *. Nilai kekerasan tertinggi didapat pada lapisan pertama sandvik LR, sedangkan nilai ketahanan terhadap aus terbesar adalah pada sandvik LR. Hasil uji kekerasan antara logam induk dengan tiap lapisan las sangat berbeda, yaitu ada peningkatan kekerasan. Kemungkinan ini disebabkan oleh pengaruh pengelasan dan pendinginan cepat dengan udara. Proses perlakuan panas pengelasan menyebabkan ukuran butir kristal menjadi besar dan merata, selain itu kesempatan atom karbon berdifusi juga sangat besar. Pada proses pendinginan yang sangat cepat dengan udara, dapat mengakibatkan timbulnya rekristalisasi dan perubahan ukuran butir.. Ukuran butir yang terkecil pada daerah pengelasan mempunyai nilai kekerasan yang paling besar ( lapisan 1). Grafik Kekerasan Vs Keausan S29 2 Logam Induk Lap Kekerasan Hv Gambar 4.Grafik Kekerasan Vs Keausan LR Pengujian Metallografi Pengujian metalografi yaitu dengan pengamatan mikrostruktur bahan di bawah mikroskop optik material SA baik yang mengalami pengelasan maupun tidak, diperoleh gambar sebagai berikut: Gambar 5. Logam Induk (5 X) Lap 2 Lap 3 Grafik Kekerasan Vs Keausan S25 2 Logam Induk Lap 3 Lap 2 Lap Kekerasan Hv Gambar 6. HAZ Filler Sandvix LR ( 5 X) Gambar 3.Grafik Kekerasan Vs Keausan LR 61

5 Gambar 7. HAZ Filler Sandvix LR (5 X) Gambar 8. LAPISAN LAS-1 Sandvix LR (5 X) Gambar 9. LAPISAN LAS-1 Sandvix LR (5 X) Gambar 1. LAPISAN LAS-2 Sandvix LR (5 X) Hasil struktur mikro diperoleh dengan mikroskop optik seperti ditunjukkan oleh Gambar 5. sampai dengan 1. Dari foto makro tersebut tidak tampak adanya retak pada lapisan hasil pengelasan. Pada gambar 5 menunjukan daerah base metal ( logam induk ), dengan pembesaran 5 X. Hasil mikro struktur logam induk terlihat bahwa fasa yang ada terdiri dari ferrit dan pearlit. Ferrit ditunjukan oleh warna terang sedangkan perlit ditunjukan oleh warna gelap pada hasil foto mikro. Hasil struktur mikro diperoleh didaerah logam induk menunjukan tetap bersetruktur mikro ferit dan perlit yang terdistribusi secara acak. Setruktur mikro logam induk ini hampir sama dengan material standar SA sebelum mengalami proses pengelasan. Pada Gambar merupakan daerah inti las dengan pembesaran 5 X. Butir- butir pada las pertama lebih kecil dan teratur. Pada gambar tampak adanya fasa austenit, sehingga mempunyai harga kekerasan paling besar untuk masingmasing jenis filler.. Batas butir yang terjadi nampak lebih besar. Ukuran butir lapisan ke dua tampak lebih besar dibandingkan dengan base metal.pada lapisan las 3 ( paling atas ) butirannya besar dan tidak teratur dibandingkan dengan lapisan las ke dua dan ke satu.. Daerah antara base metal dengan lapisan pertama ( HAZ ). Pada daerah ini seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 6 dan 7, merupakan daerah yang paling tidak setabil dibandingkan dengan daerah pengelasan yang lain, batas butir yang terjadi merupakan pertemuan antara kristal- kristal dengan ukuran yang berbeda. Batas butir merupakan pemisah antara butir yang berbeda ukuran sel satuannya. Dengan demikian batas batas butir merupakan daerah yang orientasi atom- atomnya tidak teratur, sehingga daerah ini merupakan daerah sangat tinggi energinya. Karena energi tinggi, maka pada batas butir mudah terjadi pembentukan reaksi- reaksi pembentukan senyawa termasuk krom karbida. Hasil EDAX. Data hasil EDAX dapat dilihat : 62

6 Nikel % HAZ Las2/3 Krom % Molibdenum % POLITEKNOLOGI VOL. 9 NO. 3, SEPTEMBER 11 Tabel 4. Data Hasil EDAX Tiap Antar Lapisan Sandvik LR. Grafik Dilusi Molibdenum USR % C % Si %Cr %Mn % Fe % Ni % Mo LKS H A Z L 1- L L 2 L H A Z Las1/2 Las2/3 Daerah Antar Lasan Sand-25 Sand-29 Tabel 5. Data Hasil EDAX Tiap Antar Lapisan Sandvik LR. USR % C % Si % Cr %Mn % Fe % Ni % Mo LKS H A Z L 1- L L 2 L Dari data unsur antar lapisan Tabel 4. dan 5. di atas, untuk unsur utama hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR dan menggunakan elektroda sandvik LR dapat dibuat grafik dilusi Grafik Dilusi Krom POSISI LAS Gambar 11. Grafik Dilusi Krom. Grafik Dilusi Nikel H A Z Las1/2 Las2/3 Daerah Antar Lasan Gambar 12. Grafik Dilusi Nikel San25 San29 Sand-25 Sand-29 Gambar 13. Grafik Dilusi Molibdenum Dari ke tiga grafik dilusi unsur utama pada masing masing filler tampak bahwa : * Kromium. Pada dilusi antar lapisan chromium didapatkan bahwa, filler Sandvik LR untuk daerah HAZ sangat kecil dan antara las 1 dengan las 2 cukup besar serta daerah las 2 dengan daerah las 3 mengecil lagi. Untuk menggunakan Filler Sandvik LR baik pada daerah HAZ, las 1 dengan las 2 Serta las 2 dengan las 3 cukup besar ( 1,7 X ). * Nikel. Dilusi nikel hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR, dari grafik tampak bahwa : pada Lapisan las 1 dengan las 2 cukup besar sebesar 5.65% dan pada lapisan Las 2 dengan las 3 sebesar 6.42 %. Sedangkan dilusi pada sandvik LR untuk lapisan las 1 dengan lapisan las 2 sebesar 2.19 % dan untuk las 2 dengan las 3 sebesar 2.55 %. Secara keseluruhan dilusi pada hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR lebih besar dibandingkan dengan hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR. Hal ini disebabkan nikel merupakan unsur penyetabil paduan baja karbon. *Molibdenum Dilusi unsur molibdenum hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR relatip stabil pada lapisan las 1 las 2 dan las 2 las 3 dibandingkan dengan hasil pengelasan menggunakan elektroda sandvik LR yang mempunyai nilai dua kali lipat 63

7 antara lapisan las 1- las 2 dengan lapisan las 2 las 3. IV. KESIMPULAN Dari data-data yang diperoleh sebagaimana pembahasan pada bagian 3 diatas, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: Masukan panas yang diberikan adalah 45 Joule/ cm pada pengelasan menggunakan filler Sandvik LR, sedangkan untuk pengelasan menggunakan filler Sandvik LR sebesar 55 Joule/ cm. Memberikan pengaruh sifat mekanis lasan, yaitu : Kekerasan. Untuk nilai kekerasan maksimum hasil pengelasan menggunakan sandvik LR sebesar 356 Hv yang terletak pada lapisan las ke- 1; Sedangkan nilai kekerasan hasil pengelasan menggunakan filler Sandvik LR sebesar 25 Hv terletak pada las ke-1 pula, sehingga lasan ke-1 memiliki nilai kekerasan yang paling tinggi. Secara struktur mikro didapatkan hasil sebagai berikut : Metallography. Untuk Logam induk terlihat dominasi dari pearlite dan ferrite, yang dimiliki oleh baja karbon rendah SA Pada inti las lapisan 1 sampai dengan 3 terlihat penyebaran karbida sebagai reaksi dari krom dan karbon, struktur austenit terlihat dari dilusi filler yang digunakan. Pada wilayah terkena panas (HAZ) terlihat cukup banyak karbida krom yang merata juga muncul sedikit fase martensite dan austenite. 1 4 LR. Filler sandvik LR pada lapisan ke tiga mempunyai unsur khrom melebihi unsur krom pada baja tahan karat sebagai pelapis baja karbon rendah SA Dari pengujian EDAX diperoleh unsur utama setelah pengelasan adalah unsur Cr, Ni dan molibden mendekati unsur paba baja Stenless Steel. V. DAFTAR ACUAN. ASME, Section II Part A, New York, 21 ASME, Section IX, New York 21 C. E. Jackson, The Science of Arc Welding, April 196 p 1255, June 196, p Dewi Chandra R. G., Pengetahuan Bahan Teknik, Politeknik Press, 21. Harjanto G., Pesawat Pendingin dan Pemanas, Gajah Mada Press, Yogyakarta, 198. Herman W Pollack, Material Science and Metallurgy, 3 th,1981. Howard B Cary, Modern Welding Technology, 3 th ed, Englewood Cliffs, M. Hikam, Kuliah Lab. Advance, Program Studi Material Science, Pascasarjana U I, 21. M. Surur, Praktikum Uji Keras, Laboratorium Mekanik Jurusan Mesin Politeknik Negeri Jakarta, Depok, 21. Metal Handbook, Vol 8, 8 th Ed. A S M, U S A, Sindo Kou, Welding Technology, John and Welly and Sons, New York, Welding Journal, Publikasi oleh AWS, edisi May