PENGARUH PWHT TERHADAP SIFAT MEKANIK SAMBUNGAN LAS TAK SEJENIS AUSTENITIC STAINLESS STEEL DAN BAJA KARBON Agus Duniawan 1, Mochammad Noer Ilman 2 1 Jurusan Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta E-mail : Agusduniawan @gmail.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. Permasalahan pengelasan baja tahan karat austenitik adalah penggetasan akibat endapan halus (precipitate) karbida krom 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). Tujuan penelitian ini adalah untuk memperbaiki sifat mekanik las tak sejenis antara baja tahan karat austenitic dan baja karbon. Metode penelitian terdiri dari pengelasan logam tak sejenis antara baja tahan karat AISI304 dan baja karbon rendah menggunakan teknik las MIG dengan filler ER308, tegangan 19 volt,arus DC 100 amper dan heat input 1 kj/mm dengan kecepatan pengelasan 2 mm/s. Setelah pengelasan dilakukan PWHT dengan temperature 550 o C dan 650 o C selama 3 jam. Selanjutnya dilakukan pengujian kekerasan (microhardness), dan uji tarik. Kata kunci : Logam tak sejenis, MIG, toughness, PWHT. PENDAHULUAN Pengelasan logam tak sejenis (dissimilar metals) antara baja karbon dan baja tahan karat semakin banyak diterapkan karena tuntutan desain dan tuntutan ekonomi,seperti pada rangka kereta api perkapalan, rangka baja, bejana tekan, sistem perpipaan dan lain sebagainya. Permasalahan pada pengelasan baja tahan karat austenitik adalah terbentuknya tegangan sisa dan distorsi akibat angka pemuaian baja tahan karat yang lebih besar dari pada baja karbon, penurunan ketahanan korosi, penurunan sifat mekanis dan penggetasan akibat terbentuknya endapan halus (precipitate) karbida krom di antara batas butir austenite( Wiryo Sumarto dan Okumura,2000). Endapan halus ini dapat terbentuk karena pendinginan lambat saat pengelasan pada interval temperatur 900 o C sampai dengan 450 o C. Pada sisi lain, baja karbon rendah akan mengalami pengerasan dan ketangguhan yang rendah di daerah HAZ. Disamping itu baik pengelasan baja tahan karat maupun baja karbon biasanya menghasilkan tegangan sisa dan efek tegangan sisa dapat menyebabkan terjadinya penurunan ketahanan lelah (fatigue) dan stress corrosion cracking ( SCC ). Dua hal yang perlu diperhatikan dalam pengelasan baja tahan karat adalah memberikan kondisi bebas retak pada lasan dan menjaga lasan maupun daerah yang terpengaruh panas HAZ memiliki sifat ketahanan korosi sama dengan logam dasarnya,melalui pengontrolan bahan pengisi filler, masukan panas permukaan lasan dan menjaga prosentase delta-ferit di strukturmikro lasan dapat meningkatkan ketahanan korosi ( Ahluwalia, 2003). Beberapa penelitian tentang sambungan las dissimilar telah dilakukan beberapa peneliti Barnhouse dan Lippold, (2002) meneliti hubungan antara struktur mikro dan sifat mekanis sambungan las pada pengelasan dissimilar antara baja tahan karat martensit dan baja karbon menggunakan las GTAW dengan hasil penelitian menunjukkan bahwa kekerasan deposit logam las bervariasi terhadap masukan panas. Masukan panas las rendah menyebabkan peningkatan kekerasan pada logam las dan garis batas lebur (fusion line ) di bagian baja karbon dari pada masukan panas tinggi. Kekerasan yang tinggi sepanjang batas lebur diakibatkan oleh formasi martensit pada permukaan daerah tersebut. Keberadaaan martensit dipengaruhi oleh komposisi logam dasar dan pengisi serta perbedaan dalam kecepatan difusi karbon. Bila migrasi karbon berkurang/terbatas, kemungkinan formasi martensit juga berkurang. Selain kekerasan, masukan panas yang semakin tinggi dari 1,57 kj/mm menjadi 2,60 kj/mm akan meningkatkan ketahanan korosi dengan menurunnya persentase pengurangan berat. Selain Carrouge dkk (2002) meneliti pengelasan dissimilar baja karbon rendah dan martensitic A-307
stainless steel dengan proses pengelasan GTAW. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perubahan struktur mikro pada daerah HAZ yaitu kandungan δ-ferrite ditemukan daerah HAZ lebih besar dari baja paduan tinggi. Juga struktur austenit yang ditemukan pada logam las dan butir kasarnya lebih besar pada daerah HAZ dari paduan baja tinggi.jadi pada penelitian tersebut meramalkan kandungan δ-ferrite pada daerah HAZ dan meramal kandungan δ-ferrite rendah pada daerah HAZ terhadap efek sifat-sifat mekanis dan ketahanan korosi. Pengaruh PWHT pada pengelasan baja tahan karat austenitic dan baja karbon telah dilaporkan beberapa peneliti. Rodriguez, dkk (2003) meneliti tentang pengaruh PWHT terhadap ketangguhan pengelasan dissimilar antara stainless steel dan Cr-Mo steel. Semakin besar suhu PWHT akan terjadi penurunan kekerasan yang signifikan terutama HAZ Cr-Mo steel. Beberapa penelitian,dengan tujuan mempelajari pengaruh Post Weld Head Treatmen(PWHT) telah dilakukan terhadap sifat mekanik dan tegangan sisa pada las-lasan yang berbeda telah dilakukan sepertia: investigasi pengaruh PWHT terhadap sifat mekanik, tegangan sisa pada komponen pengelasan baja stainless. Selain itu juga meneliti Baja plat stainless AISI 304 yang dilas menggunakan las MIG.Post weld heat treatment,annealing dengan beda temperatur peredaman,550 0 C,650 0 C, Penelitian tersebut menyimpulkan adanya peningkatan sifat mekanis material setelah dilakukan perlakuan panas,khususnya pada temperatur peredaman 650 0 C dan semakin lama waktu peredaman dan semakin lambat laju pendinginan akan meningkatkan sifat mekanisnya (Olabi,1996) METODE Material yang dipakai adalah lembaran baja tahan karat austenik seri AISI 304, baja karbon rendah (CS) AISI 1005 dan kawat filler ER 308 diameter 0,8mm dengan komposisi kimia sebagai berikut (ASM Metals Handbook, 2004) : Tabel 1. Komposisi kimia (Wt%) Material C Mn Si P S Cr Ni AISI 304 0.0567 1,25 0,485 0.0989 0.0119 17,9 8,27 AISI 1005 0.018 0.802 0.166 0.054 0.015 0,000 0,273 ER 308 0.08 1.0-2.5 0.60 0.03 0.03 19.5-22.0 9.0-11.0 Proses pengelasan menggunakan mesin las MIG dengan jenis kampuh sambungan alur V dengan sudut 70 0 dan tebal plat 10mm, lebar 20cm dan panjang 25cm,seperti Gambar 1 dibawah ini. Parameter las yang digunakan sebagai berikut : filler ER.308 diameter 0,8 mm, arus (I) 100 Amper, tegangan (E) 19 Volt, masukan Panas (q) 1 kj/mm, kecepatan (V) 2 mm/s dengan gas pelindung Argon. pemanasan dimasukkan dalam oven pemanas listrik diberikan setelah selesai pengelasan dengan variasi temperatur 550 o C dan 650 o C selama 3 jam. 70 10 CS SS 15 2 10 Gambar 1. Geometri sambungan las Gambar 2 memperlihatkan proses PWHT yang meliputi pemanasan pada suhu 550 0 C dan 650 0 C dan ditahan pada suhu tersebut sampai 3 jam dan diikuti dengan pendinginan dalam dapur ( furnance coold ) A-308
Pemanasa n Penahanan 3 jam Pendingi nan Ta=650 0 C Ta=550 0 C Gambar 2. Siklus Thermal Post Weld Wakt Heat Treatment Pengujian kekerasan dilakukan dengan metode pengujian kekerasan mikro Vickers (VHN) dengan, beban 500 gf dan jarak antar titik 400 µm mulai dari daerah las sampai logam induk seperti pada Gambar 3.Nilai kekerasan dihitung menurut persamaan: HV 1,854 Fi/D 2 (1) Dengan, HV = Nilai kekerasan spesimen = Beban indentasi (i = 1, 2, 3,...) D = Diagonal injakan sisa Gambar 3. Spesimen Uji kekerasan Pengujian tarik ini dilakukan untuk mengetahui sambungan las tak sejenis yang meliputi : batas elastis, kekuatan luluh dan kekuatan tarik sambungan las Gambar 4.Spesimen Uji Tarik JIS 2201, No.07 Untuk menghitung tegangan teknik (engineering stress) pada benda uji dapat diberikan SS persamaan berikut: F (2) A 0 Dengan, = tegangan (kgf/mm 2 ) F = beban (kgf) A o = luas penampang patah (mm 2 ) A-309
PEMBAHASAN Induk CS HAZ Las HAZ Induk SS Gambar.7 Distribusi nilai kekerasan ( VHN ) Uji Kekerasan Vikers Gambar 7 memperlihatkan distribusi kekerasan sepanjang sambungan las tak sejenis. Hasil uji kekerasan microhardness Vickers didapatkan distribusi nilai kekerasan yang berbeda pada masingmasing daerah pengelasan. Kekerasan HAZ baja karbon tanpa PWHT adalah 182,4 VHN. PWHT pada suhu 550 0 C/650 0 C menyebabkan penurunan kekerasan sampai 178 VHN sehingga akan mampu menaikan keuletannya. Sedang nilai kekerasan pada HAZ baja tahan karat mengalami kenaikan setelah PWHT. Hal ini kemungkinan disebabkan adanya endapan (precipitation) karbida krom diantara batas butir austenite selama proses PWHT pada suhu 550 650 0 C. Presipitat ini mampu menahan gerakan dislokasi ketika material menerima beban luar, sehingga mampu menaikan kekerasan secara sknifikan. Gambar 8. Grafik uji tarik Uji Tarik Hasil uji tarik daerah las,logam induk baja karbon dan logam induk stainless steel terlihat pada Gambar.8, Pada uji tarik, specimen patah pada daerah HAZ halus di bagian baja karbon karena daerah ini mempunyai nilai kekerasan yang lebih rendah. Uji Impak Hasil Uji Impak pada spesimen yang mengalami perlakuan panas paska pengelasan,terlihat kenaikan ketangguhan pada daerah lasan maupun HAZ pada semua variasi temperatur PWHT. Nilai ketangguhan spesimen tanpa PWHT daerah las pada temperature 0 O C sebesar 126J,setelah mendapatkan PWHT daerah las pada temperatur 550 O C dan 650 O C,masing-masing menjadi 144J dan A-310
148J. Dan nilai ketangguhan daerah HAZ sebesar 121J(CS),155J(SS) pada spesimen tanpa PWHT, setelah PWHT pada temperatur 550 O C, masing-masing menjadi 162J(CS),137J(SS)dan pada temperatur 650 O C masing-masing 129J, 140J nilai seperti pada Gambar 9. Berdasarkan data hasil pengujian impak, besarnya ketangguhan mengalami kenaikan karena pengaruh variasi temperaturpwht Gambar 9. Grafik ketangguhan KESIMPULAN Berdasarkan data dan pembahasan dapat simpulkan sebagai berikut: 1. Perlakuan PWHT, akan menurunkan nilai kekerasan pada HAZ baja karbon dibandingkan dengan HAZ baja karbon tanpa PWHT, sehingga mampu menaikkan ketangguhannya (toughness).perlakuan PWHT, akan menaikkan nilai kekerasan pada HAZ baja tahan karat dibandingkan dengan HAZ baja tahan karat tanpa PWHT, hal ini disebabkan adanya endapan (precipitation) karbida krom diantara batas butir austenit. 2. Perlakuan PWHT, kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan luluh (yield strength) pada sambungan las semakin meningkat pada temperature 550 0 C. 3..Ketangguhan paling besar terjadi pada daerah induk CS 157J dan las 148J pada temperatur 650 0 Cdan ketangguhan terkecil 116J pada daerah induk SS pada temperatur 550 0 C dan 650 0 C Pada suhu rendah dapat menyebabkan patah getas pada baja. 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 ASTM.,2003, Metal Test Methods and Analitycal Prosedures,Annual Book of ASTM Standard, Sec. 3, Vol. 03.01, E647-00, pp.615-657, Bar Harbor Drive, Weat Conshohocken. Barnhouse, E.J and Lippold,J.C., 2002, Microstructure Property Relationship in Dissimilar Welds Between Duplex Stainless Steel and Carbon Steel, Supplement to The Welding Journal. Carrouge, D., Badheshia, H. K. D. H. and Wooli, P., 2002, Microstructural Change in High Temperature Heat- Affected Zone of Low Carbon Weld-able 13 %Cr Martensitic Stainless Steels, Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge. McPherson N., A. A Study of the Structure of the Dissimilar Submerged Arc Welds. Metallurgical And Materials Transaction. Volume 29A, Marc 1998. Olabi, A.G.,Hasmi,M.S.J,Low Carbon Steel Welded Components After The Application of Pwhts,Jounal of Materials Processing Technology 56,ELSEVIER,1966. Rodriguez, P., Ray, S.K. and Bhaduri, A.K., 2003, Optimation of Post-Weld Heat Treatment, Shadana Journal,Vol 28, 409-430. Wiryo Sumarto, H. Okumura, T., Teknologi Pengelasan Logam, PT. Pradnya Paramita, Jakarta,2000 Suharno, Ilman, M.N dan Jamasri., 2004, Pengaruh Masukan Panas pada Pengelasan Busur Terendam Terhadap Ketangguhan dan Suhu Transisi Baja SM 490, Prosiding Seminar Nasional Teknik Mesin, ISBN: 979-98888-0-8, pp.hal. 36-42. A-311