Jumal R & B, Volume 1 Nomor2. SeptemberZffil
PENGARUH GALVANISASI TERHADAP STRUKTUR MIKRO BATANG BAJA KARBON RENDAH
Oleh Yuli Yetri
Staf Pengajar Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang
ABSTFACT
The dm d galvanizirg in steel to improrre pcr,r,er resistance conction ard resistance to wear out, for offele : cornponent adornotirc. But gd\ranizirg ca be hydrogen atorn diffused into lor carbon steel during galrraniZrg. The proc*s for drop out hidrogen to surface, after galtranilng was baked at ternperature 20S C durirq 15 hours, 4€l hours ard 65 hors. And nraterial was analyzed with microscopeo$ic and hardness test.
The conclution cf andizing nc{ influence with baking at ternperatur 2000 C because tenperatur bd<ing unde transfonnation tenperature. The increase d bd<irq tirne, hardness cf rnderials decre*e and corisentratim hydrogen also decreme.
Key Words : galvanizing, hydrogen enrbrittlement, baking, microstructure.
PENDAHULUAN
Dalam perkembangan teknologi sekarang ini logam mempunyai peranan yang sangat penting dalam berbagai segi, baik dari segi perancangan konstruksi maupun fabrikasinya. Jadi tidak salah kalau dilatakan logam mempunyai nilai teknologi yang tinggi, terutama karena kekuatannya tinggi dan besarnya plastisitas dapat ditentukan.
Ditinjau dari segi dasar, kekuatan tersebut disSabkam oleh gaya-gaya kohesi antara atom-atom.
Pada umumnya gaya kohesi yang tinggi berkaitan dengan kostanta elastik yang besar, titik lebur yang tinggi dan koefisien ekspansi termal yang kecil.
Pengalaman pemakai baja kekuatan tinggi memperlihatkan bahwa kekuatan patah yang tinggi.
Bahan-bahan teknik mernpunyai kekuatan patah antara 10 sampai 1000 kali lebih rendah dibandingkan harga teoritisnya. Hal ini memberikan kesimpulan bahwa retak
atau cacat pada bahan teknik merupakan penyebab kepatahan pada beban yang lebih rendah dari pada kekuatan retak.
Perilaku umum bahan yang dibebani dapat diklasiflkasikan menjadi ulet dan getas, hal tersebut tergantung apakah bahan tersebut memperlihatkan kemampuan untuk mengalami deformasi plastik atau 'tidak. Dari kurva tegangan-regangan tarik terlihat bahwa bahan yang ulet melukiskan garis lengkung tegangan- regangan, sedangkan bahan yang getas adanya deformasi akan patah hampir pada batas elastik dan memperlihatkan plastik dalam jumlah kecil sebelum
patah. Keule{an yang mernadai merupakan suatu
pertimbangan rekayasa yang penting, sSab keuletan memberikan kesernpatan pada bahan untuk didistribusi ulang tegangan sdempat. Makanya perlu diketahui tegangan disekitar tarik untuk membuat suatu desain, untuk bahan yang getas tegangan dilokasikan terus bertambah besar bila iuluh ( yielding ) . Akhirnya
terbentuk retak pada suatu arah atau lebih konsentrasi tegangan yang menjalar dengan cepat. Bahkan apabila tidak terdapat konsentrasi tegangan dalam logam getas, perpatahan akan tetap terjadi dengan tiba-tiba, sebab tegangan luluh identik dengan kekuatan tarik.
Perlu diingat bahwa kegetasan bukan merupakan sifat mutlak logam. Ada logam yang getas pada ternperatur kamar, ulet pada temperatur tinggi.
Ada logam yang getas dibawah pengaruh gaya tarik, mungkin ulet kalau mengalami gaya tarik pada temperatur rendah bila ada unsur penggetas
(embrittling agents) seperti hydrogen, akan mengalami penurunan kekuatan. Selain itu dengan adanya hidrogen
dalam logam dapat menimbulkan retak yang lama kelamaan menjalar dan bila dideformasi logam mengalami kegagalan.
Pembentukkan retak dapat menggagalkan kontinuitas bagian konstruksi berupa perpatahan. Suatu elemen yang dibuat dari logam ulet yang dibebani
secara statis akan mengalami , kegagalan oleh deformasi plastik yang berlebihan. See€ra umum logam gagal karena patah dengan tiga cara :
1- Patah getas tiba-tiba
2. Lelah atau patah progesif
3. Patah tertunda
Jurnal R & B. Volume 1 Nomor 2. September 2001
Patah getas tiba-tiba juga dapat terjadi dalam logam ulet biasa di bawah kondisi tertentu. Perubahan
dari patah ulet ke patah getas digalakkan oleh penurunan temperatur, peningkatan laju pembebanan dan hadirnya tegangan kompleks akibat sebuah takik.
Biasanya salah satu usaha untuk menghindari keretakkan dilakukan pelapisan (galvanizing) pada permukaan logam, sehingga kekuatan dan ketahanan terhadap korosi meningkat . Tetapi timbul masalah kegetasan pada baja setelah pelapisan. Hal ini mungkin disebabkan oleh beberapa faKor antara lain :
1. Terjadinya fasa antara besi dengan seng yang sangat keras.
2. Terbentuknya presipitat yang sangat keras pada suhu galvanizing.
3. Terjadinya difusi hidrogen yang dapat menimbulkan hidrogen embrittlement.
LATAR BELAKANG PENELITIAN
Dalam pemahaman teknik diperlukan memilih jenis logam dan paduan dengan sifat-sifat yang sesuai
untuk operasi sehingga pemakaiannya dapat memberikan performans yang optimal. Sifat-sifat tersebut meliputi kekuatan dan ketangguhan pada suhu rendah, ruang, dan kelelahan (fatigue) creep, keuletan yang tinggi, tahan terhadap korosi.
Sifatsifat tersebut dipengaruhi oleh struktur logam dan struktur yang terjadi tergantung pada komposisi kimia, teknik/proses yang diberikan.
Sedangkan kualitas produk ditentukan pula oleh faKor design (perencanaan) dan kondisi pengoperasian. Untuk itu perlu diperhatikan proses pembuatan baja itu sendiri.
Secara singkat proses pembuatan baja (steel)
berasal dari besi yang dihasilkan dari proses reduksi
tidak langsung di dalam tanur tinggi yang disebut dengan besi kasar (pig iron). Komposisi kimia unsur- unsur pemadu dalam besi kasar terdiri dari 3 - 4 o/o C;
0,06 - A,1Q o/o Si; 0,10 - 0,50 o/oP 1,A - 3,0 % serta
sejumlah unsur lainnya sebagai bahan impuritas. Karena kadar karbonnya tinggi, maka besi kasar mempunyai sifat yang sangat rapuh dengan kekuatan rendah serta menampakkan wujud seperti grafit.
Untuk membuat baja, besi kasar dalam keadaan cair langsung dipindahkan dari tanur tinggi ke
dalam tungku pelebur yang disebut tungku oksigen basa (basic oxygen furnance tau disingkat BOF).
Latar Belakang Galvanizing
Proses pelapisan (eleKropalting) terhadap komponen-komponen tertentu di industri mempunyai tujuan antara lain :
1. Perlindungan material dari proses korosi misalnya Zn, Cu, Ni, Cr dan Cd pada baja.
2. Memperindah penampilan (bentuk luar) komponen misalnya Cu, Ni, Cr pada baja, Ni, Au dan Ag pada kuningan.
3. Meningkatkan ketahanan aus dan kekerasan permukaan misalnya Cr, Cd dan Ni pada baja.
4. Meningkatkan kemampuan pelumasan di bawah kondisi tegangan misalnya Ag pada perunggu.
5. Meningkatkan kemampuan las dan solder misalnya Sn pada kuningan.
6. Berfungsi sebagai stop off dalam perlakuan panas misalnya Cu pada baja untuk mencegah terjadinya dekarburasi dan perunggu pada baja untuk mencegah terjadinya denitrisasi.
7. Menguatkan material dasar dan meningkatkan ketahanan terhadap temperatur tinggi misalnya Cu, Ni dan Cr pada material plastik.
Pelapisan suatu logam dengan .logam lain seperti besi dengan seng harus terlebih dahulu diperhatikan jenis:jenis kedua material tersebut.
Oleh karena pada prinsipnya pelapisan tersebut melibatkan reaksi antara kedua metal
dan masing-masing metal memiliki nilai
potensial eleKroda tertentu. 7n (seng)
termasuk jenis metal pelapis yang digunakan
untuk tujuan proteksi korosi, yang dapat dilakukan dengan beberapa metode yaitu :
1- Metode celup panas {hot dip galvanizing)
2. Metode lapis listrik (electroplating /electro galvanizing).
3. Metode penyemprotan logam cair (metal spraying).
4. Mechanical plating/cladding.
5. Painting with zinc-bearing paints
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa salah satu tujuan pelapisan adalah untuk meningkatkan ketahanan korosi dan ketahanan aus seperti yang
Jumal R & B. Volurrc 1 Nomar 2. &ptember 20Ol
dilakukan pada komponen automotiv dan pesenirrat
terbang, maka diharapkan sernua jenis metal pelindung sebagai pelapis harus mampu mengadakan perubahan pada komposisi permukaan komponen-komponen metal
substrat. Perubahan-perubahan ini dapat. dilakukan
dengan penambahan suatu bahan lain untuk menimbulkan banier antara substract dengan medium yang korosif. Akan tetapi proses pelapisan tersebut dapat menyebabkan atom-atom hidrogen berdifusi ke dalarn baja setringga dapat menggelaskan material dengan mekanisme seperti Gambar berikut ini.
Gambar'1. Mekanisme Ftydrogen Embrittlement Akibat Proses Elektroplati ng
Evolusi elektrolitik hidrogen datam elektrolit asam terdiri dari 2 tahap.
1. Discharge proton terhidrasi (ion hidronium) dan
' adsorsi atom hidrogen netral :
FlrO*+ e---* Haos+ HzO
2. Desorpsi (penguraian atom hidrogen dari katoda
dan menghasilkan molekul hidrogen). Disini terdapat 2 mekanisme alternatif yang.mungkin terjadi:
tl Kombinasi atom hidrogen H"o" + H"o. --F Hz
A Discharge ion hidronium dan menghasilkan molekul hidrogen:
Husu + FbO* *.-;:-F H2O + H2
Dari Gambar 1 mehunjukkan bahwa H265 lang terbentuk dari evolusi elekirolitik hidrogen selama proses elektroplating dapat berdifusi ke dalam kisi-kisi kristal yang kemudian dapat menggetaskannya. peningkatan
arus katodik selama proses elektroplating dapat mempercepat terjadinya penggetasan jika material diberi tegangan. Kemudian unsur-unsur dari golongan V dan Vl pada tabel periodik bersifat sebagai racun atau katalis negatif dalam reaksi rekombinasi hidrogen, di antaranya fosfor, arsen,' antimon, sulfur,selenium dan telurium, disamping unsur-unsur Bi, Hg, Pb, Sn dan ion CN
merrpunyai efek yang serupa. Apabila salah satu unsur tersebut bereaksi dengan hidrogen, misalnya sulfur dapat dapat membentuk H2S yang mentpakan racun katalis.
Reaksi yang tedadi pada proses pelapisan antara
Fe Zn berjalan dalam arah keseimbangan.
Keseimbangan tersebut dapat dicapai pada keadaan' termodinamika tertentu,' serta keseimbangan akan mernberikan berbagai fasa campuran bahan-bahan yang
bereaksi. Kehadiran fasa-fasa tersebut dapat dilihat pada diagram keseimbangan pada Gambar 2 yang
menunjukkan empat fasa intermdalik yang terbentuk dari reaksi anatar Fe dan Zn e;ir. Fasa-fasa ini terjadi bila-pelapisan oleh Zn dilakukan dengan menggunakan
"Metoda Hot Dip Galvanizing".
P€aegaog
Laplsan n
Lapisro
, (.
Laaisarr 6
I
t.apisan f Subs!rat ka*a! . ba-i a
Gambar 2. Susunan Lapisan Senyawa lnterrnetalik Fe-Zn
PROSEDUR PERCOBAAN
Sebagai bahan dasar dari percobaan ini adalah batang baja karbon rendah STKM 12C dari PT.Jerman Motor, yang komposisinya terlihat pada tabel 1 dan 2.
Spesimen benda uji terlebih dahulu dilakukan uji
komposisi kimia dengan spektrometer. Kemudian spesimen baru dibentuk sesuai dengan.stndar JIS Hand Book 1993 Ferrous Material lriletalhirgy, setelah itu
dilakukan galvanisasi dengan menggunakan bak conventional Cyanide pada ternperatur 30 - 50 oC di PT.
Marga Mandiri Manunggal Metal. Sp*imen hasil
galvanisasi tersebut dilakukan baking (pernanasan) pada temperetur 200 0C dengan vai'iasi waktu 15 jam,
48 jam dan 65 jam. Setelah pernanasan dilakukan analisa struktur mikro dengan menggunakan rnikroskop
optik. Untuk menunjang hasil analisa dilakukan
pengujian kekerasan dengan menggunakan Vickers
rh. o, .rrgf.r
Jumal R & B. Volunp 1 Namor 2. Septernber 2001
Hardness, yang seluruhnya dilakukan di Laboratorium Metalurgi Universitas lndonesia.
HASIL DAN DISKUSI
Untuk menunjang analisa, dilakukan pengujian komposisi kimia darj batang ba.ja karbon rendah yang dipakai sebagai objek percobaan. Dari hasil pengujian dengan spektromete diperoleh data komposisi kimia benda uji seperti yang tersaji pada Tabel 1, sedangkan data pernbanding adatah Spesifikasi JIS G-3445 pada Tabel 2.
Tabel 1. Hasit Pengujian Komposisi Kimia Unsur Pe6edase Unsur Penedase Umu Perseihse
c 0.@ Ni 0.089 Co 0.007
Si 0.01 Cr 0.047 Ce 0.005
Mn 0.58 Mo 0.070 Nb 0.003
Y o.0071 cu o.ap Fe 98.91
s 0.025 Sn 0.023 W 0.000
Tabel2. Komposisi Kimia Spesimen Uji Grade Desig
nation
c Si Mn P S
't2(c) STKM
12C
o-20 max
0.35 max
60 0.
max 0.04 max
0.04 max
Dengan dernikian dapat disimpulkan bahr,va
komposisi kimia benda uji tersebut memenuhi standar spesifikasi yang diharapkan JlS.
Dari hasil pengujian struktur mikro yang disajikan dalam Gambar 4 untuk benda uji yang
digalvanis, yang dibaking pada temperatur 200oC selama 15 jam, 48 jam dan 65 jam. Ternyata benda uji
mempunyai struktur ferit yang berwarna putih dan struktur mikro perlit yang berwarna hitam.
Gambar 3. Struktur mikro benda uji tanpa galvanis (a)
benda uji tanpa baking, (b) benda uji dengan baking 15 jam temperatur 2000C,
(c) benda uji dengan baking 48 jam
temperatur 2000C dan (d) benda uji dengan baking 65 jam tenrperatur 20OoC.
5. Struktur mikro lapisan galvanis, (a) Permukaan luar baja tanpa galvanis, (b) Lapisan galvanis tanpa pemanasan, (c)
Lapisan galvanis dipanaskan 2000C
selama 15 jam, (d) Lapisan galvanis dipanaskan 2000C selama 48 jam, (e)
ffiffiffiffi
Gambar 4. StruKur mikro benda uji yang digalvanis, (a)
benda uji tanpa baking, (b) benda uji dengan baking 15 jam tenrperatur 2000C,
(c) benda uji dengan baking 48 jam
temperatur 2000C dan (d) benda uji dengan baking 65 jam temperatur 2O0oC.
Dari Gambar 3 dan 4 terlihat tidak ada
perubahan struKur mikronya. Berarti dengan suhu galvanisasi 30 - 50 oC tidak meNTpengaruhi struktur mikro benda uji, hal ini mungkin juga disebabkan karena baking (pemanasan) pada 2000C masih di bawah suhu transformasi d.-y , sehingga tidak terjadi perubahan
struktur mikro. Tetapi dari baking yang dialkukan
terhadap lapisan galvanis yang dapat dilihat pada Gambar 5, terlihat pada baking 2000C selama 65 jam sudah mulai terlihat kerusakan pada lapisan galvanis, yang ditandai dengan munculnya garisgaris halus pada foto struktur mikronya.
Gambar
lapisan galvanis dipanaskan 200oC- selama 65 jam.
Dibatasinya temperatur baking juga disebabkan karena temperatur yang terlalu tinggi dapat merusak lapisan seng yang terbentuk atau terjadi perubahan warna, sehingga lapisan tersebut menjadi tidak proteKif dan tidak menarik lagi.
Sedangkan dari hasil pengujian kekerasan terhadap benda uji disajikan pada Tabel 4,5 dan 6 serta Gambar 6 dan 7, terlihat bahwa makin lama waktu baking (untuk temepratur yang sama), kekerasan material akan menurun yang berarti bahwa kerapuhan material berkurang, sehingga kerusakan material akibat hidrogen internal akan terjadi dalam periode waktu yang lebih lama.
KESIMPUT.AN
Dari hasil pengamatan struktur mikro terhadap benda uji yang sudah digalvanisasi pada temperatur 30
- 50 0c dan temperatur 200 oc tidak mempengaruhi struktur mikro benda uji. Tetapi lamanya baking dapat mengurangi efek hydrogen embbrittlement di dalam baja. Meningkatnya waktu baking diikuti dengan menurunnya kadar hidrogen. Pernyataan ini didukung
oleh data pengujian kekerasan, terlihat bahwa waktu baking (untuk temperatur yang sama) kekerasan material akan menurun yang berarti kerapuhan material sehingga kerusakan material akibat adanya hidrogen internal akan teriadi dalam periode waktu yang lebih lama.
Ucapan Terima Xasih
Penulis sangat perterima kasih kepada lr. Naek Pakpahan, M.Si dari PT. German Motor atas bantuan moril dan material sampai terlaksananya penelitian ini.
Penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada
tahir dari PT. Marga Manunggal Metal Mandiri atas bantuan dalam galvanisasi, serta terima kasih kepada lr.
Mirna, M.Si dan Zainal dari Laboratorium Metalurgi Ul
atas bantuannya dalam pengukuran kekerasan dan struktur mikro.
Tabel 3. Hasil Pengujian Kekerasan Baja Tanpa Galvanis
Bend a Uii
HV1 HV2 HV3 HV Baking
234 234 227 227 Tanpa
bakino
il 234 223 224 225 15 jqm
200uc
lil 224 218 222 221.3 48 jqm
200'c
IV 222 218 209 216.3 65 iam
200ec
DAFTAR PUSTAKA
L.O. Slim and J.G. Bryne, Study of Hydrogen
Embrittlement in 4340 Sfeel Departement of Metallurgical Enggineering, University of Utah, Stat Lake City (1989).
Anonymous, Hydrogen Movement in Steed Entry,
Difusion, and Ellimination, Defence Metals lnformation Center, Battelle Memorial lnstitute, Columbus, Ohio 43201, June 30 (1965).
JIS Hand Book, Ferrous and Materials Metallurgy
(1e85,1ee3).
C.A Zapfle and C.E. Sims, Hydrogen Embrittlement, lnternal Sfress, and Deffects in Stee/, Trans. AIME 145 (1941) pp.225 - 259.
Thelming, K.E., Sfee/ and its Heat Treatmenl, Boforts hand Book. Butta Worths, Bofors (1983).
Horstman, D., Faults in Hot Dip Galvanisasi, Vertag Stahleisen, Dusseldorf, German (1 983).
Adnyana, D.N.. Logam dan Paduan, Jakarta (1989).
\I
!
il F--
t.l
