KINERJA INHIBITOR Na 2 CrO 4 DALAM LARUTAN Nacl UNTUK MELINDUNGI BAJA TAHAN KARAT AUSTENITIK TERSENSITISASI DARI SERANGAN SCC Ishak `*) ABSTRAK

Transkripsi

1 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol 2 No. 3 Juni 2004 ISSN X KINERJA INHIBITOR Na 2 CrO 4 DALAM LARUTAN Nacl UNTUK MELINDUNGI BAJA TAHAN KARAT AUSTENITIK TERSENSITISASI DARI SERANGAN SCC Ishak `*) ABSTRAK Kegagalan suatu material yang digunakan dalam berbagai peralatan diupayakan mencari berbagai alternatif pencegahannya. Untuk mempelajari kegagalan Baja Tahan Karat Austenitik (BTKA) yang tersensitisasi akibat serangan Stress Corrosion Cracking (SCC) dalam larutan NaCl 297,2 gpl yang diinhibisi Na 2 CrO 4, perlu dilakukan serngkaian pengujian yang mendukung tujuan penelitian ini. Pengujian dilakukan dengan metode penambahan konstan pada temperatur 80 o C, dengan varibel konsentrasi inhibitor dan tegangan starik. Hasil pengujian dalam larutan NaCl 297,2 gpl ini menunjukkan gejala adanya penurunan laju regangan dan menaikkan waktu patah material uji dengan peningkatan konsentrasi inhibitor. Pada pengujian ini dengan variasi konsentrasi dari 1 hingga 60 gpl pada tegangan awal konstan 216 MPa memberikan laju regangan terendah terjadi pada konsentrasi inhibitor 20 gpl. Untuk pengujian dengan variasi tegangan statik dari 196 hingga 268 Mpa dan konsentrasi inhibitor tertentu dalam larutan NaCl 297,2 gpl menunjukkan peningkatan laju regangan dan menpersingkat waktu patah material yang sangat signifikan. Dari hasil foto SEM dapat diketahui bahwa kegagalan material disebabkan oleh korosi intergranular yang dibantu tegangan. Kata Kunci : BTKA, SCC, inhibisi, intergranular PENDAHULUAN Logam/paduan yang berada dalam lingkungan yang agresif, dapat mengalami kerusakan karena proses korosi. Bila suatu logam menerim beban statis, maka logam tersebut dapat mengalami peretakan dan kemudian gagal. Bila peristiwa ini terjadi, dikatakan bahwa logam telah mengalami Stress Corrosion Cracking (SCC). Proses kegagalan Baja Tahan Karat Austenitik (BTKA) akibat serangan SCC menarik untuk dikaji karena kompleksnya interaksi antara parameter-parameter, terutama yang menyangkut komposisi dan struktur dari logam, elektrokimia dan respon logam terhadap aplikasi dari tegangan. * ) Staf Pengajar Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Malikussaleh Lhokseumawe 22

2 Ishak dan Azhari, Kinerja Inhibitor Na 2 cro 4 Dalam Larutan Nacl Untuk Melindung Baja Tahan Karat Austenitik Tersensitisasi Dari Serangan Scc SCC dapat menyerang hampir semua jenis baja yang biasa digunakan dalam konstruksi, perbedaannya terletak pada tingkat kerentanan. Industri-industri yang melibatkan lingkungan yang tergolong agresif, akan terlibat dengan penggunaan logam atau paduan nya dalam struktur konstruksi, diantaranya adalah baja tahan karat. Baja tahan karat yang terbanyak digunakan untuk konstruksi adalah jenis baja tahan karat austenitik, yang produksinya mencapai sekitar 70% dari seluruh baja tahan karat. SCC sering menimbulkan masalah pada berbagai peralatan, terutama yang dibuat dari BTKA yang mengalami perlakuan panas tidak wajar atau pengelasan berlebihan. SCC terjadi karena aksi bersama 3 faktor penyebab, yaitu faktor tegangan tarik statik, faktor lingkungan yang korosif dan faktor kerentanan materialnya (Jones, D. A., 1992). Baja tahan karat yang mengandung lebih dari 0.03% berat karbon, bila mengalami pendinginan secara perlahan-lahan dari temperatur 900 o C menuju temperatur kamar dapat menyebabkan terbentuk karbida M 23 C 6 di sekitar batas butir(cihal, V., 1984). Karbida yang mungkin terbentuk terutama untuk BTKA adalah Cr 23 C 6. Pembentukan karbida ini menyebabkan konsumsi kromium dalam jumlah besar pada sekitar batas butir. Karbida yang terbentuk pada batas butir akibat perlakuan panas pada kondisi temperatur di atas disebut sensitisasi (Sedriks, J. A., 1979). Akibat dari kejadian ini kromium yang semula diharapkan membentuk selaput pasif protektif, tetapi material telah rentan terhadap korosi intergranular yang dapat memicu SCC (Newman, R.C., Mehta, A., 1988). Untuk mengetahui suatu kerusakan material yang terjadi dapat diamati dari hasil analisa morfologi patahan dengan foto SEM. Dalam lingkungan klorida, dimana pecahnya selaput pasif karena korosi sumuran menjadi perhatian utama, zona deplesi yang terbentuk (karena sensitisasi) di sekeliling karbida Cr merupakan daerah yang rawan terserang korosi. Zona deplesi Cr ini merupakan tempat-tempat yang mudah pecah lapisan pasifnya karena serangan ion agresif, yang menyebabkan terjadinya inisiasi korosi intergranular. Inhibitor Na 2 CrO 4 yang diketahui efektif menurunkan laju korosi merata, karena dapat membentuk selaput pasif protektif Cr 2 O 3 (Sastri, V. S., 1998). Penelitian ini bertujuan mempelajari kinerja inhibitor Na 2 CrO 4 dalam larutan NaCl menghambat mekanisme kegagalan SCC baja tahan karat austenitik tersensitisasi. BAHAN DAN METODE Bahan uji yang digunakan dalam penelitian in yaitu BTKA AISI 304 yang telah dibentuk dengan diepunch (Pugh, E.N., 1977) dan demensi leher 5 mm, sedangkan larutan uji nya NaCl 297,2 gpl dan inhibitor Na 2 CrO 4. Untuk keberhasilan suatu penelitian yang ingin dicapai 23

3 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol 2 No. 3 Juni 2004 ISSN X dilakukan pendekatan-pendekatan sebagai berikut : 1. Pelaksanaan dilakukan dalam tahapan sensitisasi pada temperatur 650 o C dalam waktu 24 jam, dan tahapan pengujian SCC yang dilakukan dengan metode pembebanan konstan dalam lingkungan NaCl 297,2 gpl pada temperatur konstan 80 o C. 2. Variabel pengujian, yaitu: konsentrasi inhibitor dari 1 hingga 60 gpl, dan tegangan statik awal 196 hingga 268 MPa. 3. Pada pengujian ini diukur pertambahan panjang spesimen sebagai fungsi waktu untuk menentukan laju regangan sebagai parameter yang menyatakan kerentanan suatu logam/paduan terhadap serangan SCC. 4. Mekanisme kegagalan SCC akan ditentukan berdasarkan morfologi patahan yang terjadi apakah transgranular atau intergranular melalui foto SEM. HASIL DAN PEMBAHASAN BTKA AISI yang telah mengalami sensitisasi selama 24 jam pada 650 C, dilgunakan dalam serangkaian pengujian untuk mempelajari pengaruh besarnya konsentrasi inhibitor Na 2 CrO 4 dan tegangan sebagai fungsi dari laju regangan dalam keadaan tunak ( ss ) dan waktu patah (t f ) material. Parameter ini digunakan untuk mengamati tingkat kerentanan BTKA yang tersensitisasi terhadap SCC. Pengaruh Konsentrasi Inhibitor (Na 2 CrO 4 ) Terhadap Laju Regangan Penambahan Na 2 CrO 4 dari hasil pengujian memberi pengaruh terhadap laju regangan yang dapat meningkatkan ketahanan SCC dalam larutan klorida. Hasil pengujian dalam larutan NaCl 297,2 Pengaruh Tegangan Terhadap Laju Regangan dan Waktu Patah Pengaruh tegangan terhadap waktu patah dalam larutan NaCl tampak signifikan seperti gambar 3, khususnya gpl dengan penggunaan Na 2 CrO 4 dalam range 1 hingga 60 gpl menunjukkan bahwa pada awal nya laju regangan menunrun tajam dengan meningkatnya konsentrasi inhibitior. Kenyataan yang diperoleh dari hasil penelitian ini, menunjukkan hubungan konsentrasi inhibitor sebagai diillustrasi-kan dalam gambar 1. Kemampuan inhibitor kromat menginhibisi BTKA yang tersensitisasi dari serangan SCC intergranular dalam lingkungan klorida ternyata belum mampu menahan serangan SCC secara efektif. Penambahan inhibitor kromat ke dalam larutan klorida hanya menurunkan laju regangan. Laju regangan terendah yang diperoleh yaitu 6,92 x10-7 mm/det pada konsentrasi Na 2 CrO 4 20 gpl dan tegangan statik awal 216 MPa. pada pembebanan yang lebih rendah serta waktu patahnya lebih lama. Peningkatan laju korosi pada batas butir dengan waktu pengujian diprediksikan akan terjadi akibat adanya konsentrasi tegangan pada muka retakan. Hal ini diperkirakan karena 24

4 Laju Regangan (mm/det) Ishak dan Azhari, Kinerja Inhibitor Na 2 cro 4 Dalam Larutan Nacl Untuk Melindung Baja Tahan Karat Austenitik Tersensitisasi Dari Serangan Scc inhibitor yang diberikan berperan menahan laju korosi dengan membentuk selaput pasif protektif. Tegangan statik yang meningkat pada pengujian dalam larutan NaCl 297,2 gpl dapat mempengaruhi penurunan waktu patah secara signifikan. Kegagalan yang terjadi lebih dikarenakan faktor mekanik (tegangan) adalah dicirikan oleh pertambahan panjang yang dialami oleh material uji lebih besar disertai dengan nilai yang relatif tinggi. Meskipun ss pada bagian tepi patahan benda uji, korosi intergranular tetap teramati pada pengamatan SEM, lihat gambar 4. Namun akibat nilai tegangan awal yang tinggi menyebabkan laju peregangan cukup cepat penjalaran retakan berlangsung secara kontinu dengan laju yang lebih tinggi yang mengakibatkan penjalaran retakan transgranular. 2.5E E E-06 y = 1E-12x 4-2E-10x 3 + 1E-08x 2-2E-07x + 2E E E-07 NaCl 0.0E Konsentrasi Inhibitor (gpl) Gambar 1 Kurva Hubungan Konsentrasi Inhibitor sebagai Fungsi Laju Regangan dalam Larutan NaCl 297,2 gpl pada Tegangan Awal 196 Mpa Peningkatan laju regangan ( ss ) Ciri utama daerah kegagalan BTKA didominasi oleh SCC adalah adanya pertambahan panjang dan juga penetrasi takikan akibat korosi intergranular yang pada saat sisa logam ujinya mencapai kondisi ketebalan kritis segera akan patah. Korosi diperkirakan akan berkembang menjadi retakan, karena adanya pergerakan-pergerakan slip dan deformasi yang disebabkan tegangan tarik yang bekerja di ujung celah. Oleh karena fenomena korosi intergranular disertai peretakan berlangsung secara kontinu dan bergantian, laju regangan pada kondisi ini berlangsung dalam keadaan tunak. Nilai ( ss ) logam uji pada berbagai nilai tegangan relatif tetap di dalam daerah ini. 25

5

6 Tegangan (MPa) Waktu Patah (det) Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol 2 No. 3 Juni 2004 ISSN X y = 8.42E+07x E+02 NaCl 5,E-07 1,E-06 2,E-06 Laju Regangan (mm/det) 9,E+05 8,E+05 7,E+05 6,E+05 5,E+05 4,E+05 3,E+05 2,E+05 1,E+05 0,E+00 y = x + 2E+06 NaCl Tegangan (MPa) Gambar 2 Kurva Hubungan Laju Regangan terhadap Tegangan dalam Larutan NaCl 297,2 gpl pada Konsentrasi Inhibitor 20 gpl Gambar 3 Pengaruh Tegangan Terhadap Waktu Patah dalam Larutan NaCl 297,2 gpl pada konsentrasi inhibitor 20 gpl Mekanisme SCC dalam Larutan NaCl Dari hasil pengujian dan pengamatan morfologi patahan dalam larutan NaCl 297,2 gpl (ph=5) suhu 80 o C menunjukkan bahwa dengan penambahan Na 2 CrO 4 pada baja tahan karat AISI 304 yang tersensitisasi, SCC diperkirakan berlangsung menurut mekanisme inhibisi reaksi pengendapan Cr(OH) 3 dari ion kromat berikut : CrO 4 = + 4H 2 O + 3e - Cr(OH) 3 + 5OH - Inhibitor kromat pada permukaan baja belum efektif membentuk selaput pasif protektif, terutama di daerah yang berbatasan dengan batas butir sehingga ion Cl - masih dapat teradsorpsi pada permukaan dan permukaan tersebut masih aktif terkorosi. Korosi intergranular yang dibantu tegangan berlangsung sehingga diperkirakan terjadi penjalaran retakan melalui batas butir kebagian dalam material. Dengan adanya ion Cl - dalam larutan yang dapat memasuki retakan, maka terjadi peningkatan keasaman yang berakibat terjadinya peningkatan laju korosi intergranular. Peningkatan kadar inhibitor menyebabkan waktu kegagalan material semakin lama. Kenyataan ini diakibatkan oleh berlangsung nya = adsorpsi kompetitif antara CrO 4 dengan Cl -. Hal ini menyebabkan jumlah Cl - yang teradsorpsi menjadi lebih rendah dan mengurangi tingkat agresivitas larutan di muka daerah yang berbatasan dengan batas butir. Dari hasil foto SEM dapat diketahui dengan jelas bahwa perambatan retakan intergranular relatif ke arah dalam logam dan tegak lurus dengan arah tegangan statik yang bekerja. 26

7 Ishak dan Azhari, Kinerja Inhibitor Na 2 cro 4 Dalam Larutan Nacl Untuk Melindung Baja Tahan Karat Austenitik Tersensitisasi Dari Serangan Scc Peristiwa ini berlangsung dalam celah yang sempit karena butiran relatif dalam keadaan pasif, dan tebal daerah deplesi kromium sekitar batas butir terbatas. Setelah luas penampang sisa menyempit dan tegangan setempat pada ujung retakan telah melampaui tegangan tarikan maksimum (ultimate tensile stress), maka akan terjadi perambatan retakan secara transgranular hingga benda uji patah. Gambar 4 Foto SEM BTKA Hasil Pengujian SCC dalam NaCl pada Tegangan Konstan 118 MPa KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil-hasil pengujian dan pem-bahasan yang telah dilakukan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan berikut ini. 1. Penambahan Na 2 CrO 4 sebagai inhibitor dengan konsentrasi 1 hingga 20 gpl ke dalam larutan NaCl 297,2 gpl pada pengujian SCC baja tahan karat AISI 304 dengan tegangan awal 216 MPa menunjukkan adanya penurunan laju regangan dalam keadaan tunak. Penambahan inhibitor dengan konsentrasi lebih besar atau sama dengan 20 gpl mengakibatkann laju regangan keadaan tunak relatif konstan, yaitu 6,92 x 10-7 mm/detik. 2. Hasil pengujian SCC baja tahan karat AISI 304 dalam larutan NaCl 297,2 gpl dengan konsentrasi inhibitor 20 gpl menunjukkan bahwa peningkatan tegangan awal meningkatkan laju regangan dalam keadaan tunak. SCC yang terjadi di dalam larutan klorida (NaCl 297,

8 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol 2 No. 3 Juni 2004 ISSN X gpl) dan mengandung inhibitor 1 hingga 60 gpl mengikuti pola korosi intergranular yang dibantu tegangan. Saran Memperhatikan kenyataan-kenyataan yang diperoleh dari hasil penelitian ini, untuk penggunaan kromat sebagai inhibitor SCC, penulis menyarankan kepada peneliti-peneliti lebih lanjut, agar dapat diteliti mekanisme SCC yang dilakukan dalam lingkungan klorida akibat pengaruh ph, temperatur dan konsentrasi larutan uji. DAFTAR PUSTAKA Cihal, V., 1984, Intergranular Corrosion of Steels and Alloys, Elsevier. Jones, D.A., 1992, Principles and Prevention of Corrosion, McMillan. Newman, R.C., Mehta, A., 1988, Stress Corrosion Cracking of Austenitic Steels, Proceedings of the First International Conference on Environment- Induced Cracking of Metals, October 2-7, NACE, Pugh, E.N., 1977, A Post Conference Evaluation of Our Understanding of The Failure Mechanisms, Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement of Iron Base Alloys, NACE, hal.d-1, Sastri, V. S., 1998, Corrosion Inhibitors Principle and Aplikastions, Chichester, John Weley & Sond. Sedriks, J. A., 1979, Corrosion of Stainless Steels, John Wiley & Sons. 28