PENGARUH TEMPERATUR LAPISAN INTERMETALIK TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN AL6061 TESIS Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister Program Studi Teknik Mesin Oleh: AGUS HADI HARIYANTO NIM. S951208002 PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2015 to user i
ii
iii
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa : 1. Tesis yang berjudul : PENGARUH TEMPERATUR LAPISAN INTERMETALIK TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN AL6061 ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No 17, tahun 2010) 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, 21 Desember 2015 Mahasiswa, Agus Hadi Hariyanto S951208002 iv
Agus Hadi Hariyanto, NIM: S951208002, 2015. PENGARUH TEMPERATUR LAPISAN INTERMETALIK TERHADAP SIFAT FISIK MEKANIK PADA SAMBUNGAN DIFUSI LOGAM TAK SEJENIS ANTARA SS400 DENGAN AL6061. Komisi Pembimbing I: Dr. Triyono, S.T, M.T. Pembimbing II: Dr. Agus Supriyanto, M.Si. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin. Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta. Abstrak Penyambungan logam tak sejenis antara SS400 dengan Al6061 mengalami kesulitan, karena adanya perbedaan sifat fisik mekanik dan thermal. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur lapisan intermetalik terhadap sifat fisik mekanik sambungan difusi logam tak sejenis antara SS400 dengan Al6061. Proses sambungan difusi menggunakan furnace induksi dengan parameter variasi temperatur dan komposisi variasi filler. Variasi temperatur yang digunakan 850 C, 875 C, 900 C dengan waktu tahan 1800 detik. Filler yang digunakan serbuk ferro (Fe) dan copper (Cu), dengan komposisi variasi filler Fe : 70%, 75%, 80% dari volume tempat filler. Hasil penelitian menunjukan adanya pembentukan lapisan intermetalik pada semua temperatur. Hasil Scanning Electron Microscop ( SEM ) daerah interface terjadi ikatan antara baja dengan aluminium. Ikatan interface akan membentuk lapisan intermetalik. Lapisan intermetalik yang terbentuk FeAl dan Fe 3 Al. Hasil distribusi kekerasan yang paling keras terjadi pada temperatur 900⁰C dengan komposisi variasi filler ferro 75%. Hasil pengujian geser tarik, nilai tegangan yang tinggi terjadi pada temperatur 900⁰C dengan komposisi variasi filler ferro 75%. Kata kunci : Interface, Filler, Lapisan intermetalik, Sambungan difusi, Temperatur,. v
Agus Hadi Hariyanto, NIM: S951208002, 2015.THE TEMPERATURE EFFECT OF INTERMETALIC LAYER TO PHYSICAL MECHANICS PROPERTIES OF DISSIMILAR METAL DIFUSSION JOINT BETWEEN CARBON STEEL SS400 AND ALUMINUM Al6061. Principal Advisor: Dr. Triyono, S.T., M.T.Co-advisor: Dr. Agus Supriyanto, M.Si.Thesis: Graduate Program of Mechanical Engineering Sebelas Maret University. Surakarta. Abstract The joining of dissimilar metal between carbon steel SS400 and Aluminum Al6061 having difficulties, this is caused by the different of physical mechanics properties and thermal. The purpose of this research is to find out the temperature effect of intermetalic layer to mechanical physic properties of dissimilar metal diffusion joint between carbon steel SS400 and Aluminum Al6061. The process of diffusion joint is using an induction furnace with the parameter of temperature and filler composition variations. The temperature variations are used of 850 o C, 875 o C and 900 o C with detention time of 1800 seconds. Meanwhile, the variations of filler compotition of 70%, 75% and 80% of volume filler place. And filler were used are ferro (Fe) and copper (Cu). The research results was showed the intermetalic layer formation of the all temperature variations. The test results of SEM (Scanning Electron Microscope), that the interface areas had been bonding occurs between carbon steel and aluminum. The layer of intermetlic were formed, among others, FeAl and Fe 3 Al. The harshest of hardness distribution occurs at temperature of 900 o C within filler compotition variations of 75% of ferro (Fe). The test result of tensile shear testing, that the high voltage value its also occurs at temperatures of 900 o C within filler compotition variations of 75% of ferro (Fe). Keywords: Diffusion welding, filler, interface, intermetalic layer, temperature vi
KATA PENGANTAR Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT, atas segala Rohmat dan Barokah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul Pengaruh Temperatur Lapisan Intermetalik Terhadap Sifat Fisik Mekanik Pada Sambungan Difusi Logam Tak Sejenis Antara SS400 Dengan Al6061. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dengan terselesaikannya tesis ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1 Orang tua saya Bapak Edy Muljono dan ibu Sri Hartini yang telah memberikan banyak dorongan moril dan doanya. Kedua mertua saya Bapak Mukholil dan Ibu Miftakhur Rohmah yang penuh perhatian kepada keluarga saya. 2 Istriku Sulis Fajriyani, anakku Nurina Amalina Fauziyah dan Khumairo Aghni Fauziyah yang memberikan semangat untuk maju dan berkembang. 3 Dr. Triyono, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin dan Pembimbing Utama yang telah memberikan bimbingan dan bantuan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini. 4 Dr. Agus Supriyanto, M.Si., selaku Pembimbing Kedua yang telah memberikan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini. 5 Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T., M.T. dan Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T. selaku dosen penguji. 6 Seluruh dosen, staff dan kerabat Jurusan Teknik Mesin UNS yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan motivasi selama menjalani proses penelitian. 7 Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu demi kelancaran penyelesaian penelitian ini. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini. Semoga tesis ini dapat menjadi manfaat bagi kita semua. Surakarta, 21 Desember 2015 vii Penulis
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING TESIS... ii HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI TESIS... iii PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS... iv Abstrak... v Abstract... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Batasan Masalah 4 1.6 Sistematika Penulisan 4 BAB 11 DASAR TEORI... 5 2.1 Tinjauan Pustaka... 5 2.2 Dasar Teori Pengelasan Difusi.. 14 2.3 Baja Karbon... 16 2.3.1 Proses Perlakuan Panas Pada Baja... 17 2.4 Diagram Fasa Fe-Al..... 19 2.5 Diagram Fasa Al-Cu... 20 2.6 Aluminum Dan Paduan Aluminium... 21 2.6.1 Sifat Mampu Las Aluminium... 23 BAB III METODE PENELITIAN... 26 3.1 Tempat Penelitian... 26 3.2 Material dan Alat... 26 3.3 Langkah Kerja Penelitian... 27 viii
3.4 Diagram Alir Penelitian... 34 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 35 4.1 Hasil Penyambungan Difusi Logam Tak Sejenis... 35 4.2 Hasil Pengamatan Struktur Makro Daerah Interface... 36 4.3 Hasil Pengamatan Struktur Mikro Daerah Interface... 40 4.4 Hasil Pengamatan SEM-EDAX Pada Daerah Interface... 45 4.5 Pengujian Kekerasan Pada Lapisan Intermetalik... 61 4.6 Pengujian Geser Tarik Pada Interface... 66 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 68 5.1 Kesimpulan... 68 5.2 Saran... 68 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 PWHT paduan aluminium dan baja... 8 Tabel 2.2 Data difusi... 15 Tabel 2.3 Klasifikasi baja karbon... 16 Tabel 2.4 Senyawa intermetalik Fe-Al dan karakteristiknya... 20 Tabel 3.1 Komposisi Kimia Baja SS400 dan Al6061... 26 x
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses penyambungan FSW... 5 Gambar 2.2 Foto SEM aluminium dan baja. 6 Gambar 2.3 Dimensi FSW langkah I... 6 Gambar 2.4 Microstructure TEM Al/Fe langkah pertama.. 7 Gambar 2.5 Dimensi FSW langkah II... 7 Gambar 2.6 Microstructure TEM Al/Fe menggunakan (a) Panjang probe 1.0 mm, (b) Panjang probe 1.5 mm... 7 Gambar 2.7 Microstructure paduan aluminium dan baja (a) Tanpa heat treatment, (b) 220 C, (c) 280 C, (d) 345 C dengan durasi waktu 1800 detik... 8 Gambar 2.8 Microstructure paduan aluminium dan baja dengan heat treatment 280 C dengan durasi waktu (a) 900 detik, (b) 3600 detik... 9 Gambar 2.9 (a) Daerah sambungan, (b) Selected Area Electron Diffraction (SAED) sisi paduan A5042, (c) SAED sisi baja.. 10 Gambar 2.10 (a) Daerah sambungan, (b) Energi Dipersive Spectroscopy (EDS), (c) SAED daerah pengelasan. 10 Gambar 2.11 Micrograf perendaman specimen pada temperatur (a) 973K, (b) 1023K, (c) 1073K, (d)1123k, (e) 1173K 11 Gambar 2.12 Foto micro diffusi treatment pada temperatur 873K, 1073K, 1273K, 1323K dengan waktu tahan 1.2 ks 12 Gambar 2.13 Foto micro diffusi treatment pada temperatur 873K, 1073K, 1273K, 1323K dengan waktu tahan 3.6 ks. 13 Gambar 2.14 Mekanisme difusi vacancy 14 Gambar 2.15 Mekanisme difusi interstitial... 14 Gambar 2.16 Mekanisme perpindahan atom... 15 Gambar 2.17 Bentuk struktur atom BCC... 17 Gambar 2.18 Bentuk struktur atom FCC.. 17 Gambar 2.19 Perubahan bentuk struktur atom akibat pemanasan pada logam. 18 Gambar 2.20 Diagram fasa Fe-Al... 19 xi
Gambar 2.21 Diagram fasa Al-Cu... 21 Gambar 2.22 Terjadinya lubang halus pada pengelasan paduan aluminium. 25 Gambar 2.23 Struktur mikro daerah las dan paduan Al yang tepat diperlaku panaskan. 25 Gambar 3.1 Dimensi uji metalografi..... 27 Gambar 3.2 Dimensi uji geser tarik...... 28 Gambar 3.3 Pembuatan specimen uji metalografi 28 Gambar 3.4 Pembuatan specimen uji geser tarik..... 29 Gambar 3.5 Skema uji kekerasan vickers secara horizontal. 31 Gambar 3.6 Skema dan identor hasil pengujian jejak vickers.. 31 Gambar 3.7 Mesin uji geser tarik dan hasil pengujian. 32 Gambar 3.8 Ilustrasi pembebanan geser tarik pada sampel uji 33 Gambar 3.9 Jenis perpatahan uji tarik geser pada sambungan. 33 Gambar 3.10 Diagram alir penelitian... 34 Gambar 4.1 Hasil visual sambungan difusi... 36 Gambar 4.2 Struktur makro pada temperatur 850 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 37 Gambar 4.3 Struktur makro pada temperatur 875 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 38 Gambar 4.4 Struktur makro pada temperatur 900 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 39 Gambar 4.5 Struktur mikro pada temperatur 850 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 41 Gambar 4.6 Struktur mikro pada temperatur 875 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 42 xii
Gambar 4.7 Struktur mikro pada temperatur 900 C komposisi filler (a) tanpa filler, (b) Fe:70%,Cu:30%, ( c ) Fe:75%,Cu:25%, (d) Fe:80%,Cu:20%... 43 Gambar 4.8 SEM-EDAX pada temperatur 850 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%... 46 Gambar 4.9 SEM-EDAX pada temperatur 850 C komposisi filler Fe:75%,Cu:25%... 47 Gambar 4.10 SEM-EDAX pada temperatur 850 C komposisi filler Fe:80%,Cu:20%... 48 Gambar 4.11 SEM-EDAX pada temperatur 875 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%... 49 Gambar 4.12 SEM-EDAX pada temperatur 875 C komposisi filler Fe:75%,Cu:25%... 50 Gambar 4.13 SEM-EDAX pada temperatur 875 C komposisi filler Fe:80%,Cu:20%... 51 Gambar 4.14 SEM-EDAX pada temperatur 900 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%... 52 Gambar 4.15 SEM-EDAX pada temperatur 900 C komposisi filler Fe:75%,Cu:25%... 53 Gambar 4.16 SEM-EDAX pada temperatur 900 C komposisi filler Fe:80%,Cu:20%... 54 Gambar 4.17 SEM-EDAX pada temperatur 900 C tanpa menggunakan filler. 55 Gambar 4.18 Mapping SEM-EDAX pada temperatur 850 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30%, (b) Fe:75%,Cu:25%, (c) Fe:80%,Cu:20%... 57 Gambar 4.19 Mapping SEM-EDAX pada temperatur 875 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30%, (b) Fe:75%,Cu:25%, (c) Fe:80%,Cu:20%... 58 Gambar 4.20 Mapping SEM-EDAX pada temperatur 900 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30%, (b) Fe:75%,Cu:25%, (c) Fe:80%,Cu:20%... 59 Gambar 4.21 Mapping SEM-EDAX pada temperatur 900 C tanpa filler... 60 Gambar 4.22 Posisi pengujian kekerasan pada temperatur 850 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30% (b) Fe:75%,Cu:25% (c) Fe:80%,Cu:20%... 62 xiii
Gambar 4.23 Diagram kekerasan lapisan intermetalik pada temperatur 850 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%; Fe:75%,Cu:25%; Fe:80%,Cu:20%. 62 Gambar 4.24 Posisi pengujian kekerasan pada temperatur 875 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30% (b) Fe:75%,Cu:25% (c) Fe:80%,Cu:20%... 63 Gambar 4.25 Diagram kekerasan lapisan intermetalik pada temperatur 875 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%; Fe:75%,Cu:25%; Fe:80%,Cu:20%. 63 Gambar 4.26 Posisi pengujian kekerasan pada temperatur 900 C komposisi filler (a) Fe:70%,Cu:30% (b) Fe:75%,Cu:25% (c) Fe:80%,Cu:20%... 64 Gambar 4.27 Diagram kekerasan lapisan intermetalik pada temperatur 900 C komposisi filler Fe:70%,Cu:30%; Fe:75%,Cu:25%; Fe:80%,Cu:20% dan tanpa filler 65 Gambar 4.28 Diagram nilai uji geser tarik pada interface.. 66 xiv