PENGARUH PREHEAT TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN KEKUATAN TARIK LAS LOGAM TAK SEJENIS BAJA TAHAN KARAT AUSTENITIK AISI 304 DAN BAJA KARBON A36 Saifudin 1, Mochammad Noer Ilman 2 Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No.2, Yogyakarta 55281 a) E-mail : fudin_541@yahoo.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. Baja tahan karat austenitik mempunyai ketangguhan yang tinggi pada suhu tinggi dan rendah, ketahanan korosi yang baik, mampu bentuk dan mampu las, sedangkan baja karbon rendah mempunyai sifat mekanik tangguh dan ulet, mampu mesin dan mampu las yang baik. Permasalahan pengelasan baja tahan karat austenitik adalah penggetasan akibat endapan halus (precipitate) karbida krom (Cr 23 C 6 ) diantara batas butir austenit. Endapan ini terbentuk karena pendinginan lambat dari temperatur 900 o C sampai 450 o C. Pada sisi lain, baja karbon rendah mengalami pengerasan berlebihan pada HAZ jika laju pendinginan pengelasan tinggi, sehingga menyebabkan turunnya ketangguhan (toughness). Salah satu cara penyelesaiannya adalah dengan preheat, agar laju pendinginan menjadi lambat. Tujuan penelitian adalah untuk meningkatkan sifat mekanik las melalui pemberian preheat.pada penelitian ini baja tahan karat AISI304 disambung dengan baja karbon A36 dengan filler ER308 menggunakan las MIG dengan tegangan 20 Volt, arus100 Ampere dan heat input 1 kj/mm. Temperatur preheat 100 o C, 200 o C dan 300 o C. Pengujian sambungan meliputi sifat mampu las (weldability), uji kekerasan (microhardness), struktur mikro dan uji tarik. Hasil penelitian menunjukkan nilai kekerasan bervariasi sesuai metalurgi las, yaitu daearah las, HAZ dan logam induk. Preheat menurunkan kekerasan sambungan las disertai dengan peningkatan keuletan las. Kata kunci : Logam tak sejenis, MIG, toughness, preheat. Pendahuluan Baja tahan karat austenitik adalah baja tahan karat yang pada temperatur kamar berfasa austenit. Baja jenis ini mengandung 18% Cr 8% Ni. Unsur-unsur tersebut merupakan unsur terpenting yang dapat membuat baja tahan karat ini berfasa austenit pada temperatur kamar. Material ini memiliki struktur kristal FCC (face centered cubic). Struktur ini diperoleh dengan adanya penambahan unsur paduan yang mampu menstabilkan fasa austenit pada beberapa kondisi temperatur kriogenik. Baja tahan karat austenitik memiliki fasa tunggal, hanya dapat ditingkatkan kekuatannya melalui solid solution alloying atau dengán work hardening. Struktur FCC yang dimiliki oleh austenit, menyebabkan baja tahan karat jenis ini bersifat non-magnetic dan mempunyai ketangguhan yang cukup tinggi pada temperatur rendah. Baja ini mempunyai ketahanan korosi yang baik, mampu bentuk dan mampu las. Kekurangan baja jenis ini adalah kecenderungan untuk mengalami : korosi antar butir, korosi lubang dan korosi retak tegangan (Stress Corrosion Cracking). Baja karbon rendah mempunyai sifat mekanis yang baik ; kekuatan tarik relatif tinggi antara 415 550 MPa (60.000 80.000 psi), ketangguhan baik dan relatif ulet (Callister, 2007). Pada pengelasan dissimilar metals, masalah yang terjadi disebabkan karena perbedaan titik lebur, koefisien muai dan sifat metalurgi yang berbeda antara dua logam sehingga kualitas hasilnya kurang sempurna. Untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut perlu dilakukan perlakuan panas. Pada dasarnya sebagian besar baja tahan karat dapat dilas dengan baja karbon rendah (Saito dan Surdia, 1995). Pada sambungan dissimilar metals mengacu pada diagram Schaeffler sesuai pada Gambar 1. Dengan menghitung Cr-equivalen dan Niequivalen pada logam induk maupun logam pengisi yang digunakan, maka endapan struktur mikro dapat diperkirakan. Faktor-faktor yang mempengaruhi struktur mikro logam las adalah : bentuk dan ukuran weld pool, kecepatan pengelasan dan siklus thermal. Analisa struktur mikro pada diagram Schaeffler berlaku pada berbagai jenis pengelasan seperti GTAW, GMAW, SAW dan SMAW. Gambar 1. Diagram Schaeffler, A=baja karbon A36, B=AISI 304, D=ER308 (Messler, 1999) Halaman. 1
Pada baja tahan karat austenit atau feritaustenit, endapan karbida krom terjadi jika ditahan pada interval suhu 550-800 o C atau 900-950 o C untuk baja tahan karat ferit. Gambar 2. Diagram sensitisasi baja tahan karat (Kou, 1987) Gambar 2 memperlihatkan diagram TTS (timetemperature-sensitization) dengan kadar C. Dari gambar terlihat bahwa kadar C yang tinggi menyebabkan terjadinya sensitization yaitu terbentuknya karbida krom pada batas butir. Preheat adalah pemberian panas pada logam induk sebelum pengelasan berlangsung. Secara umum preheat dilaksanakan untuk mengatur laju pendinginan pada proses pengelasan dengan tujuan untuk mengurangi atau menghindari transformasi martensit di daerah HAZ (Wiryosumarto dan Okumura, 1987). Secara umum preheat direkomendasikan untuk baja HSLA (Messler, 1999). Material Penelitian Material yang dipakai adalah lembaran baja tahan karat austenik seri AISI 304 dan baja karbon rendah seri A 36 dan kawat filler ER 308 dengan komposisi kimia seperti Tabel 1 (ASM Metals Handbook, 2004) : Tabel 1. Komposisi kimia material Material AISI 304 A 36 ER 308 C 0.08 0.10-0.30 0.08 Mn 2 0.50-1.0 1.0-2.5 Si 1 0.10-0.25 0.60 P 0.045 < 0.04 0.03 S 0.03 < 0.05 0.03 Cr 18-20 - 19.5-22.0 Ni 8-11 - 9.0-11.0 Prosedur Pengelasan Proses pengelasan menggunakan mesin las MIG dengan parameter sebagai berikut : diameter elektroda 0,8 mm, arus (I) 100 Ampere, tegangan (E) 20 Volt, masukan Panas (q) 1 kj/mm = 1000 J/mm, kecepatan (V) 2 mm/s dengan gas pelindung Argon. Jenis kampuh sambungan alur V dan posisi heater, seperti Gambar 3 di bawah ini. Gambar 3. Jenis kampuh, posisi heater dan lubang termokopel. Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan dengan metode pengujian kekerasan mikrovickers (VHN). Spesimen uji kekerasan seperti pada Gambar 4. Beban 200 gf pada jarak antar titik 250 μm dari daerah las sehingga diperoleh nilai besaran injakan kemudian dikonversikan atau dihitung menjadi nilai kekerasan. HV= 1,854 D Fi... (1) Dengan, HV = Nilai kekerasan spesimen Fi = Beban indentasi (i = 1, 2, 3,...) D = Diagonal injakan sisa Gambar 4. Spesimen uji kekerasan Halaman. 2
Pengujian Struktur Mikro Karakterisasi mikrostruktur dari material akan dilihat dengan melakukan foto mikro. Untuk mengetahui bentuk struktur mikro spesimen, yaitu dengan mengambil penampang permukaan spesimen untuk dipoles dan dietsa dengan cairan kimia 2%HNO 3 + 98% ethanol untuk baja karbon dan 25%HNO 3 + 75%HCl untuk baja tahan karat. Pengamatan struktur mikro menggunakan mikroscop optik dengan pembesaran tertentu. Pengamatan Struktur mikro adalah salah satu cara untuk mengetahui metalurgi permukaan benda uji, sehingga dapat dietahui sifat mekanik dari material tersebut. Pengujian Tarik Dengan uji tarik ini akan diperoleh tentang sifat mekanis suatu bahan uji antara lain : batas elastis, kekuatan luluh dan kekuatan tarik yang besarnya tergantung pada jenis bahan uji itu sendiri. Dari Gambar 6 dan 7, dapat dijelaskan sebagai berikut : Daerah Las : Daerah las adalah daerah gabungan antara austenit dan karbida. Struktur mikro daerah las berupa dendrite columnar. Daerah HAZ (Kasar/Halus) Logam Induk (CS/SS) : Daerah pengaruh panas (HAZ) adalah daerah yang mengalami siklus termal. Pada daerah ini terjadi perubahan struktur mikro. Struktur mikro pada daerah HAZ baja karbon adalah bainit, dan pada HAZ baja tahan karat adalah pengasaran butir austenit. : Logam induk merupkan daerah yang tidak terpengaruh terhadap siklus termal, mikrostruktur maupun sifat mekanik. Struktur mikro berupa butiran halus memanjang searah dengan arah rol. SS \ LAS LAS LAS / CS Gambar 5. Spesimen Uji Tarik Sesuai Standar JIS 2201, No. 07 Untuk menghitung tegangan teknik (engineering stress) pada benda uji dapat diberikan persamaan berikut: F...(2) A 0 Dengan, = tegangan (kgf/mm 2 ) F = beban (kgf) A o = luas penampang patah (mm 2 ) A B C Hasil dan pembahasan Struktur Mikro D Gambar 7. Struktur mikro, pembesaran 200x SS=stailess steel, CS=carbon steel A= tanpa preheat, B=preheat 100 o C, C=preheat 200 o C, D=preheat 300 o C Gambar 6. Struktur makro, SS=Stainless Steel, CS=Carbon Steel Halaman. 3
Uji Kekerasan Hasil pengujian kekerasan microvickers ditunjukkan pada Gambar 8. CS HAZ H-K LAS HAZ Gambar 8. Distribusi nilai kekerasan (VHN) CS=carbon steel, SS=stainless steel Hasil uji kekerasan microvickers didapatkan distribusi nilai kekerasan yang berbeda pada masing-masing daerah pengelasan. Untuk HAZ baja karbon tanpa preheat, kekerasan rata-ratanya adalah 307 VHN jauh lebih tinggi dibandingkan dengan preheat 200 o C yaitu 215 VHN sehingga akan mampu menaikkan keuletannya. Sedangkan nilai kekerasan pada HAZ baja tahan karat dengan preheat akan semakin naik, hal ini disebabkan adanya endapan (precipitation) karbida krom diantara batas butir austenit yang terbentuk karena pendinginan lambat dari temperatur 900 o C sampai 450 o C pada saat pengelasan. Presipitat ini mampu menahan gerakan dislokasi ketika material menerima beban luar, sehingga mampu menaikkan nilai kekerasan secara signifikan. SS pada sambungan las dengan preheat semakin meningkat. Pada preheat 200 o C, kekuatan tarik meningkat dari 480 MPa menjadi 538 MPa. Dan Pada preheat 300 o C, kekuatan luluh meningkat dari 337 MPa menjadi 348 MPa seperti terlihat pada Tabel 2 dan Gambar 10 di bawah ini. Tabel 2. Hasil pengujian tarik SPESIMEN TEG. TEG. REGANGAN TARIK LULUH (%) (MPa) (MPa) LOGAM INDUK AISI 304 575.2 277.684 44 A 36 441.6 295.788 28 LAS TANPA PREHEAT 480.0 337.297 24 PREHEAT 100 o C 480.0 345.946 10 PREHEAT 200 o C 537.6 322.560 12 PREHEAT 300 o C 495.2 347.509 14 Uji Tarik Hasil uji tarik daerah las terlihat pada Gambar 9, bahwa spesimen patah pada daerah HAZ halus baja karbon A36 karena daerah ini mempunyai nilai kekerasan lebih rendah. Gambar 10. Kekutan tarik dan kekuatan luluh A B C Gambar 9. Spesimen uji tarik, A. Dearah las, B. AISI 304, C. Baja karbon A36 Dari Gambar 10 terlihat, rata-rata kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan luluh (yield strength) Kesimpulan 1. Dengan perlakuan preheat, akan menurunkan nilai kekerasan pada HAZ baja karbon dibandingkan dengan HAZ baja karbon tanpa preheat, sehingga mampu menaikkan ketangguhannya (toughness). 2. Dengan perlakuan preheat, akan menaikkan nilai kekerasan pada HAZ baja tahan karat dibandingkan dengan HAZ baja tahan karat tanpa preheat, hal ini disebabkan adanya endapan (precipitation) karbida krom diantara batas butir austenit. 3. Dengan perlakuan preheat, kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan luluh (yield strength) pada sambungan las semakin meningkat. Halaman. 4
Saran Untuk menghindari terjadinya endapan (precipitation) karbida krom diantara batas butir austenit karena pendinginan lambat, maka harus dipilih elektroda dengan kandungan karbon yang rendah. Daftar Pustaka ASM Metals Handbook, Vol. 06. 2004. Welding, Brazing dan Soldering. Callister, W.D., 2007. Material Science and Engineering an Introduction 7 ed. Wiley. Kou, S 1987. Welding metallurgy. A Wiley- Interscience Publication. New York. Messler, RW., 1999. Principles of welding, Processes, Physics, Chemistry and Metallurgy. A Wiley-Interscience Publication. New York. Saito, S., dan Surdia, T., 1995. Pengetahuan Bahan Teknik, edisi III PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Wiryosumarto, H. dan Okumura, T., 1987. Teknik Pengelasan Logam, edisi VII PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Halaman. 5