Pengaruh Baking 11me Terhadap Hydrogen Embrittlement Pada Material Butang Baja KarbonRendah (Yuli Yet,i)

PENGARUH BAKING TIMETERHADAP HYDROGEN EMBRITTLEMENT

PADA MATERIAL BATANG BAJA KARBON RENDAH

YuliYetril,1'Program Studt Materials Science, Program Pascasarjana Universitas Indonesia

2Politeknik Universitas Andalas, Padang

ABSTRAK

PENGARUH BAKING TIME TERHADAP HYDROGEN EMBRITTLEMENf P ADA MA TERJAL BATANG BAJA

KARBON RENDAH. Salah satu tujuun utama pelapisan elektrogalvanisasi padu baja ndaluh untuk meningkatkan ketahanankorosi. Akan tetapi proses pelapisan tersebut dapat menyebabkan atom-atom hidrogen berdifusi ke dalam baja yang blsamengakibatkan hydrogen embrittlement sehingga dupat menggetaskan material. Penggetasan Inl mengarah kepadu terjadlnyakegagalan atau kerusakan yang tertunda (delayed brittlefailure). Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbonrendah untuk gantungan viva knalpot komponen otomotif. Untuk mengurangi hidrogen yang berdifusi ke dalam material bajakarbon rendah akibat proses galvanisasi, maka dalam penelitian ini dilakukan pemanasan (baking) pada temperatur 200'C selama15jam, 48 jam dun 65 jam. Pengujian metalografi dilakukan menggllnakan mikroskop optik, sedangkan pengujian sifat mekanikyang dilakukan meliputi pengujian kekerasan, tarik dun kclelahan. Hasil pengujian struktur mikro memperlihatkan bahwa temperaturbaking 200 DCtidak merubah struktur mikro material namun mampu meningkatkan sifat ketangguhan material tersebut. Peningkatansifat ketangguhan tersebut ditandai olch penurunan harga kHat tarik atau kekcrasan, sementara hurga keuletannya meningkat. Halini kemungkinan disebabkan oleh menurunnya kadar hidrogen yang terkandung di datum material karcna te~jadi difusi hidrogen kepermukaan akibat pemanasan. Dengan demikian, untuk temperatur yang sarna, dengan meningkatnya waktu baking, semakinbanyak hidrogen yang berdifusi ke permukaan sehingga waktu perpatahan pada pengujian kelelahan (fatigue)jugasemakin lama.

ABSTRACT

EFFECT OF BAKING TIME ON HYDROGEN EMBRITTLEMENT OF LOW CARBON STEEL MATERIAL.

One ofthe main purposes of electrogalvanizing in steel is to improve corrosion resistance.Unfortunately, electrogalvaniz-ing cancause hydrogen atoms diffuse into steel, which results hydrogen embrittlement. The embrittlement of materials tends to causefailure or delayed brittle failure. Materials used in this research are low carbon steel as an exhaust pipe hanger in automotivecomponent. To reduce hydrogen diffused intothe lowcarbon steelaftcr electrogalvanizingthe materialswere baked at temperature200 'C at various time, i.e. IS, 48 and 65 hours. Metallographic examination was carried out using optical microscope andmechanical properties measurements included hardness, tensile and fatigue test. The results of microstructure examination showthat the baking temperature at 200 DCdoes not change the microstructure but it increases the toughness of the materials. Thelengthening of baking time decrease the hardness which is expected becauseofthe decreasing of hydrogen content in the materialsas a result of diffusion process during the baking.

Kata Kunci: Elektrogalvanisasi, Hydrogen embrittlement,Bl\iakarbon rendah,Baking, Delayed brittlefailure

PENDAHULUAN

Dengan makin berkembangnya industriotomotifdi Indonesia, pihak produsen semakin dituntut agarkomponen-komponen otomotif tersebut dibuat dengankualitas yang semakin baik, di antaranya ketahanan dunkeuletan yang tinggi serlo ketahanan terhadap korosi.Untuk itulahdilakukan berbagaiupaya agarkriteria yangdiinginkan terpenuhi. Salah satunya adalah denganmelakukan elektrogalvanisasi pacta permukaankomponen untuk menahan laju korosi serlo untukmenutupi eaeat pactapermukaan seperti retak.

Salah satu tujuan pelapisan adalah untukmeningkatkan ketahanan korosi seperti yang dilakukanpactakomponen otomotif. Semuajenis metal pelindung

sebagai pelapis hams mampu mengadakan perubahanpactakomposisipennukaan komponen-komponen metalsubstrat. Perubahan-perubahan ini dapat dilakukandengan penambahan suatu bahan lain untukmenimbulkan penghalang antara bahan dengan mediumyang korosif. Akan tetapi proses pelapisan tersebut dapatmenyebabkan atom-atom hidrogen berdifusl ke dalambaja yang dapat berfungsi sebagai hydrogenembrittlement, sehingga dapat menggetaskan material.Penggetasan material oleh hidrogen merupakan kasusyang sering ditemui di industri, tidak terkeeuali industriotomotif. Hidrogen yang berdifusi ke dalam materialmelalui proses elektroplating, pickling, pengecoran(casting), clanpengelasan (we/ding).

1A1

Prosiding Pertemuan IlmJah l~mu Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99Serpong, 20-21 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

Kernsakanmaterialberuparetakdapatdisebabkanantara lain oleh lingkungan di mana material tersebutberada,faktormaterialitusendiri(komposisikimia),bebanyang diterima clanfaktor waktu. Retak yang disebabkanoleh lingkungannyamerupakankasus yang seringtetjadidi industri, khususnya untuk baja paduan kekuatantinggi. Secaraspesiftkkerusakan logamyang disebabkanoleh tin~ungannya metiputi [1]:

l. Retak korosi tegang (stress corrosion cracking).2.Penggetasan oleh unsur logam (metal induced

embrittlement).3. Fatigue korosi (corrosionfatigue).4. Pengg~tasan oleh hidrogen (hydrogen

embrittlement).

Dari beberapa penyebab kerusakan tersebut dialas, kecendrungan terkena penggetasan oleh hidrogenselama elektroplating akan meningkat jika kekuatanmaterial meningkat. Hubungan ini hanya diamati untukbaja kekuatan tinggi, karena baja dengan kekuatan luluhdi bawah 700 MPa biasanya tidak dipengaruhi olehhydrogen embrittlement [2].

Untuk memperoleh sifat-sifat yang diinginkantersebut, dilakukan perlakuan panas pada benda ujisetelah digalvanis. Dalam penelitian ini logam ZndigunakansebagaipelapiskarenaZn termasukjenismetalpelapis yang digunakan untuk tujuan proteksi korosi,yang dapat dilakukan dengan beberapa metodeyaitu [3]:

l. Metode celup panas (hot dip galvanizing).2 Metode lapis listrik (electroplating/

electrogalvanizing).3. Metode penyemprotan logam cair (metal spraying).4. Mechanical platingleladding5. Painting with zinC-bearingpaints.

Berdasarkan faktor-faktor di alas dilakukan

penetitian tentang Pengaruh Baking Time TerhadapHydrogen Embrittlerpent Pacta Material Baja Karbo~Rendah.

PROSEDURPERCOBAAN

Dalam penetitian ini digunakan benda uji batangbaja karbon rendah dengan komposisi kimia yangdiberikan oleh standar JIS Hand Book 1993 FerrousMaterial Metallurgy seperti terlihat dalam Tabell.

Tabel/. Komposisi kimia spesimen uji (dalam % berat)[4]

I UB I ~Ignmlon [gJ ; ~12 SIKM12C max ~ ~ ~ ~

Langkah awal dilakukan pengujian komposisikimia terhadap benda uji, kemudian dilakukan prosespersiapan untuk mendapatkan bentuk spesimen yangsesuai dengan standar JIS Hand Book 1993 FerrousMaterial Metallurgy. Selanjutnya spesimen yang sudah

. .....

jadi dibagi dua bagian, satu bagian dilakukan prosesgalvanis dalam bak elektroplating yang menggunakanconventional cyanide yang ditambahkan brightenerpacta temperatur 30 -50 "C selama 15 meDii clan sebagianlagi tanpa galvanis. Setelah itu dilakukan baking pactatemperatur 200 °C selama 15jam, 48 jam clan65 jam.Sebagai pembanding digunakan spesimen tanpa baking.Langkah selanjutnya adalah melakukan pengujianmetalografi, uji tarik, kekerasan clanfatigue terhadapkedua macam spesimen tersebut.

"

HASIL DAN DISKUSI

Data basil pengujian komposisi kimia denganspektrometerdisajikan pactaTabel2:

Tabell. Hasil pengujian komposisi dengan spektrometry(dalam % berat).

Dengandemikianterlihatbahwa komposisikimiabend~ uji tersebut memenuhi standar spesifikasi (tihatTabell).

Pengamatan struktur mikro untuk spesimen yangdigalvanis clan tanpa gal van is tidak memberikanperbedaan yang berarti dengan temperatur pemanasankonstan pacta200 °C dengan lama pemanasan (baking)bervariasi yaitu 15jam, 48 jam clan65 jam. Hasil rotastrukt"r mikro memperlihatkan mikrostruktur refit yangberwama putih clanstruktur mikro peTtityang berwamagelap. Ferit mempunyai sifat yang lebih lunak hiladibandingkan dengan peTtit,hal ini akan menurunkankuat tarik daTibaja.

Untuk pengujian beberapa sifat mekanik sepertitarik, kekerasan clan fatigue, di mana untuk masing-masing spesimendilakukantiga kali, diperolehbasil rata-rata yang memperlihatkan perbaikan sifat-sifat mekaniksetelah dilakukan baking. Tabel3 mempertihatkan basilpengujian kekerasan.

Tabel J. Hasil pengujian kekerasan

Bendauji

anpaGalvanis

HV

GalvanisHV

plsanGalvanis

HVBaking

Data basil pengujian kekerasan pacta Tabel 3memperlihatkanbahwa makin lamawaktu baking (untuktemptratur yang sarna),kekerasan bahan akan menurun.Hal ini O}emberikan arti bahwa kerapuhan bahan

Pengaruh Baking Time Terlladap Hydrogen Embrittlement Pada Material Batang Baja KarbonRendah (Yuli Yetri)

berkurang yang berarti pula bahwa kerusakan ballaD(akibat adanya hidrogen yang terdapat di dalamspesimen) akIn terjadi dalam periode waktu yang lebihlama[5].

Di sini temperatur baking dibatasi pacta200 °Ckarena pactatemperatur yang lebih tinggi dapat merusaklapisan seng yang terbentuk. Penurunan nilai kekerasanbukan disebabkanoleh perubahanstrukturmikro,karenatemperatur baking yang digunakan dalam penelitian inimasih di bawah temperatur transformasi sehingga tidakakIn terjadi perubahan struktur mikro. Diperkirakanpenurunan nilai kekerasan ini disebabkan olehberkurangnya kadar hidrogen dalam spesimen setelahdilakukan pemanasan.

Berdasarkanbasilpengujianstrukturmikro,bendauji mengandung refitclanperIit,di mana refit lebih lunakhiladibandingkandenganpeTtit.Hal inidapatmenurunkankuat tarik baja. Hasil uji tarik memperlihatkan bahwakekuatan tarik clankekuatan luluh benda uji menurundengan meningkatnya waktu baking, sedangkanreganganmeningkat denganmeningkatnyawaktu bakingseperti yang diperlihatkan pactaTabel4 berikut ini.

berdifusi keluarpermukaan.Untuk menunjang pengujian sifat mekanik yang

sudah dibahas di atas, dilakukan pengujian kelelahan(fatigue), yang datanya disajikan dalam Tabel 5. Datatersebut memperlihatkan bahwa semua benda uji yangmengalami putus dalam waktu yang relatif singkat. Halini menunjukkanbahwa sejumlah hidrogen yang berasaldari proses elektroplating yang terper~mgkapdi dalammaterial dapat menggetaskan kisi-kisi kristal sehinggadengan adanya hidrogen di dalam baja akInmengakibatkankeuletanmenjadiberkurangkarena atom-atom hidrogen yang berdifusi ke dalam baja dapatberfungsi sebagai hidrogen embrittlement yang dapatmenggetaskan material. Sesuai dengan litetaturpenunjang, banyaknya hidrogen yang diperlukan untukdapat terjadinya hidrogen embrittlement adalah1-2ppm [2].Dengandilakukannyaproses Bakingsetelahelektroplating diharapkan hidrogen yang terperangkapdi dalam ballaDdapat keluar.

Hasilpengujiankelelahanmemperlihatkanbahwasemakin lama waktu baking (untuk temperatur yangsarna) semakin lama material putus/rusak. Hal ini

Tabel 4. Hasil uji tarik

Keterangan :0 = Oalvanis TO = Tanpa galvanis

Tabel 5. Hasil pengujian kelelahan (fatigue).

Keterangan :T = temperatur

0" = tegangan

t = waktuMb = momenttorsi

Dari basil pengujian tarik diperoleh kekuatan tarikclan kekuatan luluh benda uji menurun denganmeningkatnya waktu baking, sedangkan reganganmeningkat seiring dengan meningkatnya waktu baking.Artinya dengan dilakukannya baking benda uji menjadilebih lunak, keuletannya akan meningkat. Berarti semakin

lama pemanasan semakin banyak hidrogen yang

d = diameter

N= jumlah siklus

disebabkan karena hidrogen yang masuk ketika proseselektroplating berdifusi keluar material selIma prosesbaking.Mekanismemasuknyaatom-atomhidrogen dapatdigambarkandengan reaksikimia berikut ini:

H O+e-~H + OH- ( I)z --ldo

Hodo+ H.do Hz (2)

H.do + HP + c' --=)- Hz + OR (3)

143

Temperatur Waktu Kuat luluh (Mpa) Kuat tarik (Mpa) Regangan;%No

pemanasan Oam) TG G TG G TG G

1 Tanpa 0 674,4 666,2 690,5 682,6 14,9 14,30pemanasan

2 200°C 15 665,5 655,6 686,7 681,0 15,9 15,00

3 200°C 48 644,7 645,6 676,4 678,6 16,0 15,10

4 200°C 65 641,5 637,4 675,3 674,4 16,7 15,50

Benda T t oam) d 0"

Mb (Nm) N t (manit)uji (OC) pemanasan (mm) (N/mm2) perpatahan

Tanpa 0 0 5,87 250 10,01 7800 12,67plating

Plating 0 0 5,93 250 10,23 28633,3 8

Plating 200 15 6,01 250 10,65 29000 19

Plating 200 48 6,02 250 10,70 44366,7 26

Plating 200 65 5,98 250 10,47 21466,7 32,67

Prosiding Pertemaan llmiah Ilma Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99Serpong, 20-21 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

Sumber hidrogen pactakatoda adalah berasaldarimolekul air. Selamaproses elektroplatingakanterbentukHadspacta katoda (reaksi I), di mana Hads tersebutmungkin akan berkombinasi menjadi Hz(reaksi 2) ataubereaksi dengan HP menjadi Hads'Hodsinilahyang dapatberdifusi daD terperangkap di dalam material yangkemudiandapatmenggetaskankisi-kisikristaljikamaterialdiberi beban atau tegangan.

Ternyata basil pengujian kelelahanmemperlihatkan bahwa semakin lama proses bakingsemakin lama waktu perpatahannya untuk temperaturbaking yang sarna. Hal ini disebabkan karena hidrogenyangmasukpactawaktuproses elektroplatingakan keluarpactasaat baking. Oi samping itu dengan meningkatnyawaktu baking, jumlah siklus kelelahan juga semakinmeningkat, tetapi pacta saat waktu baking mencapai65jam,jumlah sikluskelelahanmenurun.Halinimungkindisebabkanolehkarena terjadinyapeningkatankekasaranpermukaan lapisan galvanis.

Pengamatan makrofaktrografi permukaanmenunjukkan bahwa spesimen mengalami patah lelah.Hal ini terlihat pactapermukaan patahan uji tarik daDujikelelahan pacta Gambar 1 daD Gambar 2. Permukaanpatahan dari uji tarik memperlihatkan bahwa spesimensebelum patah mengalami pengecilan penampang(necking), tetapi ~L yang diberikan dari pengecilan ituterlalu keci!. Hal ini menunjukkan bahwa perpatahan dibagian luar bersifat rapuh yang ditunjukkanoleh bentukstruktur perpatahannyayang flat (rata) dan bagiandalam

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 1. Bentuk permukaan patahan hasil ujitarik; (a) tanpa galvanis dan tanpa baking, (b)dengan galvanis dan tanpa baking, (c) dengangalvanis dan baking selama 15 jam, (d) dengangalvanis dan baking selama 48 jam, (e) dengangalvanis dan baking selama 65 jam. Masing-masing baking dilakukan pada temperatur 200"c.

bersifat ulet. Perpatahan rapuh di bagian luar tersebutdisebabkan oleh adanya hidrogen internal yang masukke dalam material selama proses pelapisan dengan Zn.Walaupuntelahdilakukan baking sampai 65jam dengantemperatur200 °Ctemyatabelummampuuntukmengusirhidrogen seluruhnya dari material. Kemudian liatnya

144

Pengaruh Baking Time Terhadap Hydrogen Embrittlement Pada Material Batang Baja KarbonRendah (Yuli Yetri)

fraktural bagian dalam ditunjang oleh basil pengamatanstruktur mikro yang mempertihatkan adanya refit clanper tit, di mana ferit mempunyai sifat yang lebih lunakdaTi perljt sehingga dapat menurunkan klint tarik darimaterial.

Pengamatan makrofraktrografi dari uji kelelahanmenunjukkan bahwa perpatahan bersifat ulet clan getas.Perpatahan ulet ditandai oleh terbentuknya sejumlah garispantai (beach mark), sedangkan perpatahan rapuh yangditunjukkan oleh bentuk struktur perpatahannya yangflat (rata). Berdasarkan data makrofaktografi perpatahantersebut terlihat semakin lama waktu pemanasan semakin

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 2. Bentuk permukaan patahan hasil ujifatigue; (a) tanpa galvanis dan tanpa baking, (b)dengan galvanis dan tanpa baking, (c) dengangalvanis dan baking selama 15 jam, (d) dengangalvanis dan baking selama 48 jam, (e) dengangalvanis dan baking selama 65 jam. Masing-masing baking dilakukan pada temperatur200 "C.

ulet material terse but, ditandai dengan semakinbanyaknya garis pantai yang terbentuk.

KESIMPULAN

Dari basil pengujian clan analisis pengaruhelektrogalvanisasi terhadap sifat mekanik batang bajakarbon rendah dapat diambil kesimpulan bahwaelektrogalvanisasitidakmempengaruhistrukturmikrobajasetelah dipanaskan (baking) pacta temperatur 200 °C,tetapi dapat meningkatkan sifat-sifat mekanik-nya.Terjadinya penggetasan pacta material setelahdielektrogalvanisasi disebabkan oleh adanya hidrogeninternalyang terkandungdalammaterialditambahdenganmasuknyahidrogenkedalammaterialsecaradifusimelaluibak elektroplating yang menggunakan conventionalcyanideyang ditambahkan brightener. Penggetasan olehhidrogen dapat dikurangidengan melakukan pemanasanpactatemperatur tertentu. Kemudian pemanasan dapat

. ...

Pros/ding Pertemaan llndah lima Pengetahuan dan Teknolog/ Bahan '99Serpong, 10-11 Oktober1999 ISSN 1411-11/3

menurunkan kekerasan daDkuat tarik pactatemperaturyang sarna.Semakinlamawaktubaking,semakinbanyakhidrogen yang berdifusi keluar permukaanyang ditandaidenganmeningkatnyasifatmekanik,sepertimenurunnyakekerasan daDkuat tarik sehingga keuletan (ductility)material akan meningkat, akibatnya kerusakan/perpatahanmaterial akibatadanyahidrogen internalakanterjadi dalam periode waktu yang lebih lama. Dengandemikiankegetasandi dalambaja bersifatreversibelyangberarti keuletan dapat dikembalikan atau dipulihkandengan proses baking.

UCAPANTERIMA KASIH

Penulis sangat berterima kasih kepada Ir. NaekPakpahan, M.Si. dari PT. German Motor alaskemurahannya dalam menyediakan sampel, Ir. Mirna,M.Si.,Zainal danNurdin daTiLaboratoriumMetalurgiVIdaDSudrajat dari LVK BPPT Serpong alas bantuannyadalam pengukuran sifat-sifatmekanik daTisampel.

DAFT AR ACUAN

[1]. Suherman Wahid, Pengetahuan Bahan, ITSSurabaya(1987).

[2]. C.A.Zapffeand CE. Sims,HydrogenEmbrittlement,Internal Stress, and Deffects in Steel, Trans. AIME145(I94I)pp.225 -259.

[3]. MetalHandBook, ASM, pp. Ill, 1208- 1948.[4]. JIS Hand Book, Ferrous and Materials Metallurgy

(1985,1993).[5]. A. R. Elsea and E. E. Fletcher, Hydrogen - Induced,

Delayed, Brittle Failures of High-Strength Steel,Defence Metals Information Center, BatvelleMemorialInstituteColombus,Ohio43201 (1964).

[6]. Thelning, K.E., Steel and Its Heat Treatment,Boforts Hand Book. Butta Worths, Bofors (1981).