KETAHANAN KOROSI BAJA ANTI KARAT PADA OPERASI SUHU TINGGI

Transkripsi

1 KETAHANAN KOROSI BAJA ANTI KARAT PADA OPERASI SUHU TINGGI Bernardus Bandriyana 1 ; Nyoman Udhi 2 ; Bagus Jihad 3 ABSTRACT The research present, a test on oxidation prevention for steel material AISI 316L and 316Ti on a high temperature using thermographimetry test. To observe micro structure after oxydation and the effect on oxyde layer characteristic, some tests are done, which are a test on metalography using optical microscope, a test on X-Ray Difractometer (XRD), also micro harshness measurement. The result of this research hopefully becomes data input for evaluating and analysing material design on high temperature. The conclusion is AISI 316L and 316Ti stainless steel material can be used for mechanic component material operated below 700 C with corrosion occured under permission standard. Keywords: prevention of corrosion, stainless steel, high temperature ABSTRAK Penelitian dilakukan dengan pengujian ketahanan oksidasi untuk material baja AISI 316L dan 316Ti pada suhu tinggi dengan uji termogravimetri. Untuk mengamati struktur mikro setelah oksidasi serta pengaruhnya terhadap karakter lapisan oksida, dilakukan beberapa pengujian, yaitu pengujian metalografi dengan mikroskop optik, pengujian X-Ray Difractometer (XRD), serta pengukuran kekerasan mikro. Hasil penelitian diharapkan menjadi data masukan untuk evaluasi dan analisis desain material suhu tinggi. Simpulan pengujian adalah bahwa material baja anti karat AISI 316L dan 316Ti dapat digunakan untuk bahan komponen mekanik yang beroperasi di bawah 700 o C dengan laju korosi di bawah standar yang diizinkan. Kata kunci: ketahanan korosi, baja anti karat, suhu tunggi 1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Industri, Fakultas Teknik, UBiNus, Jakarta 2&3 Sarjana Teknik, Jurusan Teknik Industri, Fakultas Teknik, UBiNus, Jakarta Ketahanan Korosi Baja Anti Karat (Bernardus Bandriyana; dkk) 117

2 PENDAHULUAN Perkembangan industri dengan proses yang beroperasi pada suhu tinggi berkembang pesat dalam bidang pembangkit energi, otomotif, petro-kimia, dan bidang nuklir. Perkembangan itu memerlukan dukungan dalam pemilihan bahan untuk komponen yang tahan terhadap kerusakan akibat proses oksidasi pada lingkungan suhu tinggi. Jenis material yang tahan terhadap oksidasi suhu tinggi di atas 500 o C adalah baja tahan karat austenitik tipe AISI 316L (American Institute Standard Industries-316L) dan AISI 316 Ti (Sedric, 1979). Pada temperatur tinggi, ketahanan korosi baja itu akan menurun, di antaranya disebabkan oleh adanya proses oksidasi akibat interaksi dengan lingkungan dan terjadinya sensitisasi. Oleh karena itu, untuk menunjang keandalan material, diperlukan pengujian oksidasi pada suhu tinggi. Pengujian oksidasi perlu dilakukan untuk mengetahui laju oksidasi, jenis dan sifat lapisan oksida, dan pengaruhnya terhadap struktur mikro serta kekerasan bahan. Penelitian menguji ketahanan oksidasi untuk material baja AISI 316L dan 316Ti pada suhu tinggi dengan uji termogravimetri. Untuk mengamati struktur mikro setelah oksidasi serta pengaruhnya terhadap karakter lapisan oksida, dilakukan beberapa pengujian, yaitu pengujian metalografi dengan mikroskop optik, pengujian X-ray Difractometer (XRD), serta pengukuran kekerasan mikro. Hasil penelitian diharapkan menjadi data masukan untuk evaluasi dan analisis dalam desain material suhu tinggi. Proses Oksidasi Suhu Tinggi Proses oksidasi pada temperatur tinggi dimulai dengan adsorpsi oksigen yang kemudian membentuk oksida pada permukaan bahan. Selanjutnya, terjadi proses nukleasi oksida dan pertumbuhan lapisan untuk membentuk proteksi. Persyaratan lapisan proteksi adalah homogen, daya lekat tinggi, tidak ada kerusakan mikro ataupun makro, baik yang berupa retak atau terkelupas. Lapisan proteksi tergantung oleh jenis oksida dengan suatu karakteristik yang dinyatakan dengan Pilling-Bedworth ratio (PB rasio ) (Trethewey, 1991) sebagai berikut. PB rasio = (M d ) / (m D) (1) M = masa molekul oksida m = masa logam dalam massa M oksida D = kerapatan molekul oksida d = kerapatan molekul logam Harga PB rasio tergantung pada jenis material, oksida dengan PB rasio >1 merupakan oksida dengan karakter pelindung oksidasi yang baik. Lapisan proteksi yang terbentuk dapat sangat tipis dan retak atau hilang sehingga tidak memberikan proteksi. Akibat retak mikro maupun makro, oksigen akan masuk melewati lapisan oksida dan 118 INASEA, Vol. 5 No. 2, Oktober 2004:

3 mengoksidasi metal. Lapisan oksida yang tebal dengan daya lekat tinggi akan melindungi metal dari oksidasi berikutnya. Laju oksidasi dalam logam pada temperatur tinggi dipengaruhi oleh sifat dan karakter oksida dan ditentukan oleh pertumbuhan lapisan oksida yang terbentuk. Pada umumnya, laju oksidasi bergantung pada tiga faktor penting yaitu, laju difusi reaktan melalui lapisan oksida, laju pemasokan oksigen ke permukaan luar oksida, nisbah volume molar oksida terhadap logam (Trethewey, 1991). Oksidasi Suhu Tinggi pada Baja Tahan Karat Baja tahan karat merupakan logam paduan yang mengandung unsur Fe, C, Cr, Ni, dan beberapa unsur tambahan, seperti Mo, Mn, Va, Ti. Masing-masing unsur memberi pengaruh dalam proses oksidasi suhu tinggi. Proses oksidasi akan menghasilkan oksida FeO, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3, dan CrO. Jenis, tipe, dan karakter oksida yang terbentuk akan ditentukan oleh kandungan unsur dan suhu lingkungan. Oksida besi FeO, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3 mulai terbentuk pada temperatur oksidasi di atas 500 o C dengan membentuk lapisan oksida berlapis tiga. Lapisan paling dalam, FeO merupakan lapisan yang paling tebal dan dua lapisan di atasnya, Fe 3 O 4 dan Fe 2 O 3 (Lawson, 1975). Kandungan krom yang tinggi pada baja tahan karat dapat membentuk lapisan krom oksida (Cr 2 O 3 ) tepat di bawah besi oksida sebagai lapisan pelindung untuk menahan proses korosi lanjut. Peningkatan laju oksidasi dapat terjadi jika lapisan tipis dari oksida sebagai proteksi berkurang. Dalam baja tahan karat, kondisi itu dapat terjadi dengan adanya sensitisasi, yaitu terbentuknya fase krom-karbida pada batas butir sehingga pembentukan krom oksida berkurang. Gangguan itu dapat diatasi dengan mengurangi unsur karbon atau menambah unsur titanium pada baja tahan karat. Secara garis besar, laju pertumbuhan lapisan oksida dapat dibagi ke dalam tiga kategori, yaitu pertumbuhan parabolik, garis lurus, dan logaritmik. Untuk oksidasi baja tahan karat pada temperatur di atas 300 o C, pada prinsipnya laju oksidasi mengikuti kaidah parabolik (Peckner, 1977). Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen dengan menguji sampel dari material baja tahan karat AISI 316L dan 316Ti secara laboratorium. Pengujian dilakukan untuk uji oksidasi, struktur mikro, kekerasan bahan, dan identifikasi fase. Berdasarkan hasil pengujian, dilakukan analisis untuk mengetahui karakteristik oksidasi pada suhu tinggi beserta perubahan struktur mikro akibat oksidasi. Untuk penelitian ini dibuat sampel berupa plat dengan tebal sekitar 2 mm dari baja tahan karat standar. Secara garis besar, alur kegiatan penelitian diuraikan dalam blok diagram pada Gambar 1 sebagai berikut. Ketahanan Korosi Baja Anti Karat (Bernardus Bandriyana; dkk) 119

4 SAMPLE AISI 316L&316Ti UJI OKSIDASI Laju oksidassi UJI SEBELUM OKSIDASI * Uji struktur mikro * Uji kekerasan UJI SETELAH OKSIDASI * Uji struktur mikro * Uji Kekerasan * Identifikasi fase HASIL PENELITIAN & ANALISIS Gambar 1 Blok Diagram Alur Penelitian Uji Oksidasi Pengujian oksidasi dilakukan dengan pengujian TGA (Thermo Gravimetric Analysis) untuk mengukur laju oksidasi. Pengukuran laju oksidasi didasarkan pada perubahan masa sampel sebagai fungsi temperatur yang dinyatakan dalam kurva termal. Peralatan termogravimetri secara simultan memanaskan dan memonitor masa sampel dengan sistem neraca termal. Proses oksidasi dilakukan di P3IB-BATAN menggunakan peralatan termogravimetri tipe RUBOTHERM dengan teknik magnetic suspension balance (Suryanarayana, 1998). Proses dilakukan dengan oksidasi masing-masing sampel selama 5000 menit dengan temperatur konstan 700 o C. Proses oksidasi dilakukan dengan aliran udara atmosfer yang mengalir pada cawan terbuka. Uji Struktur Mikro Pengujian struktur mikro dilakukan dengan mikroskop optik untuk sampel sebelum dan sesudah oksidasi. Pengujian mikroskop optik dilakukan dengan perbesaran 500x untuk melihat struktur mikro matriks dan batas butir dengan dipoles dan dietsa. Selain itu, dilakukan pengukuran tebal oksida berdasarkan foto struktur mikro masingmasing sampel setelah dioksidasi. Uji Kekerasan Mikro Pengujian dilakukan dengan Vickers Hardness Testing Machine untuk mengamati perubahan sifat mekanik akibat oksidasi. Beban penjejakan 25 gram dengan waktu 15 detik digunakan pada pengukuran kekerasan sampel sebelum dan setelah oksidasi. Pengukuran dilakukan pada matriks-logam dengan 5 titik pengukuran pada posisi melintang. 120 INASEA, Vol. 5 No. 2, Oktober 2004:

5 Tambah berat/ luas, mg/cm2 Identifikasi Identifikasi fase dilakukan dengan pengujian XRD untuk mengetahui fase dan oksida yang terbentuk setelah oksidasi. Berdasarkan pengamatan kurva dan data hasil XRD, dilakukan identifikasi fase dengan memperhatikan faktor jarak kisi (d) dan besarnya intensitas (I/I 1 ) (Birks, 1983). Identifikasi itu didekati dengan harga d material tertentu yang tertera pada JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) dari program PDF. Hasil yang diperoleh dari program PDF berupa space group, perkiraan fase, dan parameter kisi. Data yang diperoleh kemudian diolah dengan GSAS, dicocokkan dengan thick mark dengan puncak yang ada. PEMBAHASAN Hasil Pengujian Termogravimetri Dari pengujian termogravimetri, diperoleh data numerik dan grafik yang menunjukkan harga pertambahan berat sampel sebagai fungsi waktu oksidasi yang disebut kurva termal. Kurva termal disajikan sebagai grafik yang menunjukkan harga pertambahan berat bersih (µm) tiap satuan luas sampel sebagai fungsi waktu oksidasi, seperti ditunjukkan pada Gambar 2. 0,006 0,005 0,004 0, L 316Ti 0,002 0, Waktu oksidasi, menit Gambar 2 Kurva Termal Hasil Oksidasi Baja AISI 316L & 316 Ti Ketahanan Korosi Baja Anti Karat (Bernardus Bandriyana; dkk) 121

6 Pada awal pengujian, terjadi pertambahan berat sampel dengan cepat dan setelah waktu tertentu, pertambahan berat sampel semakin kecil sampai tidak terjadi lagi pertambahan berat. Hasil itu menunjukkan terjadinya proses oksidasi dengan proses difusi unsur yang diikuti dengan pembentukan lapisan oksida (Jones, 1992). Lapisan oksida yang terbentuk pada permukaan material terdeteksi dengan adanya pertambahan berat. Selama proses pertumbuhan oksida, laju oksidasi menurun karena terhambat oleh lapisan oksida yang terbentuk. Struktur dan karakter oksida yang berbeda akibat perbedaan kandungan unsur dalam material yang akan menyebabkan perbedaan proses dan laju oksidasi selanjutnya. Dari data dan pembahasan berdasar kurva termal yang terbentuk, dapat diamati beberapa karakteristik oksidasi baja tahan karat AISI 316L dan 316Ti. Jenis bahan akan menentukan karakteristik oksidasi pada material dengan menghasilkan laju oksidasi yang berbeda. Laju oksidasi baja AISI 316L pada 700 o C selama 5000 menit mencapai harga 0,00035 mg/cm 2 sedangkan untuk AISI 316Ti sebesar 0,00560 mg/cm 2. Hasil Uji Struktur Mikro Hasil uji struktur mikro dengan mikroskop optik diperoleh data yang menunjukkan terjadinya perubahan struktur yang meliputi perubahan bentuk, ukuran, dan distribusi butir. Foto struktur mikro setelah oksidasi dengan etsa asam oksalat 15 %, 8 V, selama 60 detik ditunjukkan dalam Gambar 3 dan 4. Setelah oksidasi 700 o C, teramati bentuk butir yang tidak homogen dengan kondisi rapat dan sedikit bintik hitam sebagai presipitat. Perubahan itu menunjukkan adanya fase dan oksida baru yang terbentuk selama oksidasi. lapisan tipis batas butir matrik austenit presipitat Gambar 3 Foto Struktur Mikro Baja AISI 316L Setelah Oksidasi, Perbesaran 500 x 122 INASEA, Vol. 5 No. 2, Oktober 2004:

7 lapisan tipis batas butir presipitat Gambar 4 Foto Struktur Mikro Baja AISI 316Ti Setelah Oksidasi, Perbesaran 500 x Hasil Uji Kekerasan Mikro Hasil pengujian kekerasan mikro dilakukan pada kondisi sebelum dan sesudah oksidasi. Pengujian dilakukan secara melintang pada 5 titik pengukuran dari kedua ujung ke arah dalam dengan beban penjejakan 25 gram selama 15 detik. Hasil pengujian disajikan dalam Tabel 1. Tabel 1 Hasil Pengujian Kekerasan di Matrikss-Logam AISI 316L AISI 316Ti Pengukuran Sebelum Oksidasi Oksidasi 700 o C Sebelum Oksidasi Oksidasi 700 o C Rata-rata Kekerasan bahan setelah oksidasi, baik untuk baja AISI 316L maupun 316Ti, mengalami penurunan yang disebabkan oleh pembesaran ukuran butir, seperti tampak dalam uji metalografi. Perubahan kekerasan itu terjadi akibat perubahan struktur mikro setelah oksidasi. Ketahanan Korosi Baja Anti Karat (Bernardus Bandriyana; dkk) 123

8 Hasil Pengujian XRD Hasil uji XRD disajikan dalam kurva intensitas sebagai fungsi sudut difraksi (2µ) dengan spektrum dan puncak yang menunjukkan macam dan jumlah fase. Hasil pengolahan spektrum dan identifikasi fase yang terbentuk pada baja AISI 316L setelah oksidasi diberikan pada Tabel 2. Puncak No. Tabel 2 Kandungan Unsur dan Fase Baja AISI 316L Setelah Dioksidasi d - spacing (A o ) Pengukuran File Fase hkl ICDD Card Number 1. 2,7057 2,6640 Cr 2 O ,5124 2,5317 Fe 3 O ,0803 2,075 CrFeNi ,8021 1,80 NiFe ,7966 1,7961 CrFeNi ,6850 1,6717 Cr 2 O ,3424 1,3276 Fe 3 O ,2824 1,270 NiFe ,2720 1,2659 Fe 3 O Dari hasil uji XRD untuk kedua sampel dapat dirangkum sebagai berikut. 1. Oksida yang terbentuk tergantung jenis dan macam bahan khususnya macam unsur yang terkandung dalam bahan. 2. Oksida besi yang merupakan lapis paling dalam yaitu FeO dan Fe 3 O 4 teramati dalam uji XRD sedangkan oksida Fe 2 O 3 sukar teramati karena merupakan oksida yang tidak stabil dan dalam suhu ruang cenderung membentuk Fe 3 O Oksida Cr 2 O 3 sebagai pelindung oksidasi sudah terbentuk tetapi kemampuan proteksi lapisan oksida secara keseluruhan tergantung struktur dan sifat oksida. 4. Fase Cr 23 C 6 tidak teridentifikasi pada oksidasi 700 o C sehingga kemampuan dan keandalan proteksi oksidasi dari bahan cukup baik. Dari data dan hasil penelitian, ketahanan oksidasi baja AISI 316L dan 316Ti pada suhu 700 o C dapat ditunjukkan dalam rangkuman hasil pengujian pada Tabel INASEA, Vol. 5 No. 2, Oktober 2004:

9 Tabel 3 Rangkuman Hasil Pengujian Keterangan AISI 316L AISI 316Ti Laju oksidasi 700 o C, ,00035 mg/ cm 2 0,00560 mg/cm 2 Tebal oksida yang terbentuk 1,6 µm 1,8 µm Struktur mikro Butir membesar, bentuk bulat, distribusi rata. Butir membesar, bentuk makin bulat, distribusi acak Kekerasan matriks sesudah oksidasi Turun dari 186 menjadi 134 skala Vickers Turun dari 178 menjadi 150 skala Vickers Fase yang terbentuk FeO, Fe 3 O 4, Cr 2 O 3 FeO, Fe 3 O 4, Cr 2 O 3 Sensitisasi Tidak terjadi Tidak terjadi Ketahanan oksidasi Tahan korosi oksidasi sampai suhu 700 o C Tahan korosi sampai suhu 700 o C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa baja AISI 316L dan 316Ti merupakan material yang baik dan dapat digunakan untuk komponen industri yang beroperasi sampai suhu 700 o C tanpa menimbulkan kerusakan akibat korosi oksidasi. Oleh karena itu, bahan itu dapat digunakan untuk komponen peralatan di bidang petro-kimia, bidang otomotif, maupun pembangkit energi meskipun harga material cukup tinggi. Untuk keperluan turbin gas atau raktor berpendingin gas yang beroperasi di sekitar 1000 o C, masih perlu dilakukan penelitian terhadap adanya sensitisasi yang berdasar teori mulai terbentuk di sekitar suhu 900 o C. Berdasarkan pembahasan dan hasil yang diperoleh dari penelitian, masih diperlukan beberapa pemecahan masalah yang perlu diteliti lebih lanjut berkaitan dengan ketahanan oksidasi suhu tinggi. Ketahanan oksidasi tergantung pada suhu operasi sehingga diperlukan penelitian lanjut untuk mengetahui perubahan ketahanan oksidasi sebagai fungsi suhu untuk masing-masing material. Hal itu sangat diperlukan untuk mengetahui batas ambang terjadinya sensitisasi serta mekanisme terjadinya sensitisasi untuk berbagai macam bahan. Selain itu, pengaruh kondisi sampel sebelum oksidasi sangat diperlukan untuk mengetahui perubahan ketahanan dan laju oksidasi. Pengaruh perlakuan panas, macam, dan kondisi fluida juga merupakan besaran yang menarik untuk melengkapi data dalam menentukan kualitas material untuk suhu tinggi. Ketahanan Korosi Baja Anti Karat (Bernardus Bandriyana; dkk) 125

10 PENUTUP 1. Laju oksidasi ditentukan oleh karakter oksida yang terbentuk dan dipengaruhi oleh komposisi unsur dalam material dengan kecenderungan mengikuti kaidah parabolik. 2. Proses oksidasi pada suhu 700 o C menghasilkan oksida besi dalam fase FeO dan Fe 3 O 4 serta oksida krom Cr 2 O 3 sedangkan fase Cr 23 C 6 tidak terdeteksi. Lapisan oksida yang terdiri dari besi dan krom oksida dan berfungsi dengan baik sebagai pelindung oksidasi. 3. Akibat oksidasi, terjadi perubahan struktur mikro dengan perubahan bentuk dan besar butir yang menyebabkan terjadinya penurunan kekerasan pada matriks logam. 4. Berdasarkan data dan evaluasi hasil pengujian, dapat dinyatakan bahwa baja AISI 316L dan 316Ti sesuai untuk digunakan sebagai material komponen yang beroperasi pada suhu di bawah 700 o C dengan laju korosi-oksidasi di bawah standar yang diizinkan. DAFTAR PUSTAKA Birks, N. and G.H. Meier Introduction to High Temperature Oxidation of Metals. London: Edward Arnold. Jones, Denny A Principle and Prevention of Corrossion. USA: Macmillan Publishing Company. Lawson, Herbert H Stainless Steels and their Application. Process Industries Corrosion, NACE Publication, National Association of Corrosion Engineers. Texas: 2400 West Loop South Houston. Peckner, D. and I.M. Bernstein Hand Book of Stainless Steels. USA: McGraw- Hill. Sedricks, A.J Corrosion of Stainless Steels. New York: John Willey and Sons Inc. Suryanarayana, C. and M. Grant Norton X-Ray Diffraction A Practical Approach. New York: Plenum Press. Trethewey, K.R. and J. Chamberlin Korosi. Terj. Alex Tri Kantjono Widodo. Jakarta: PT Gramedia. 126 INASEA, Vol. 5 No. 2, Oktober 2004: