TM - 023 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 1Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

ANALISA KEGAGALAN PADA POROS BAJA KARBON S45CAPLIKASI KOMPONEN AS SINK ROLL

Cahya Sutowo 1 Budi Priyono 2

csutowo@yahoo.comPusat Penelitian Metalurgi dan Material -LIPI Pusat Penelitian Metalurgi dan Material -LIPI

Kawasan Puspiptek Serpong, Gedung 470,Tangerang 15314

Kawasan Puspiptek Serpong, Gedung 470,Tangerang 15314

ABSTRAK

Telah terjadi kegagalan pada komponen poros baja karbon, kegagalan terjadi pada saat komponendioperasikan. Poros untuk aplikasi as sink roll berfungsi untuk memutar drum, poros atau asdisambungkan dengan drum melalui pengelasan, pada area lasan tersebut terjadinya kegagalan.Untuk mengetahui penyebab terjadinya kegagalan, dilakukan serangkaian pengujian terhadapkomponen as sink roll antara lain : pengamatan visual (fraktografi), pengujian komposisi kimia,pengamatan metalografi, pengujian kekerasan dan pengujian SEM/EDS pada bagian komponenyang mengalami kegagalan. Hasil pengujian menunjukkan material komponen as sink roll sesuaidengan standar JIS G4051 S45C untuk kategori Carbon Steels for Machine Structural Use.Kegagalan yang dialami adalah kegagalan fatique dengan daerah awal retakan berasal dari bagiantepi komponen. Kegagalan ini terjadi disebabkan oleh konsentrasi tegangan pada daerah logam lasselama komponen dioperasikan, adanya mikroporositas di permukaan logam las dan adanyainklusi.

Kata Kunci: poros, baja karbon, S45C, fatique, mikroporositas, inklusi

I. Pendahuluan

Telah terjadi kegagalan pada komponenas sink roll pada saat komponen dioperasikan.As (warna kuning pada Gambar 1) memilikifungsi untuk memutar drum (warna oranye padaGambar 1). As disambungkan dengan drumyang terendam didalam larutan kimia melaluimetode pengelasan (warna hijau pada Gambar1) , dimana merupakan area terjadinyakegagalan.

Gambar 1. Skematik komponen as sink rollyang mengalami kegagalan (a) tampak samping(b) tampak atas/penampang melintang

Dari skematik sesuai Gambar 1 daerahlogam las memiliki konsentrasi tegangan yangbesar, hal ini dikarenakan area tersebutmerupakan satu-satunya daerah kontak dari assink roll untuk dapat memutar drum. Sudutyang terbentuk antara logam las dengan as sinkroll pada bagian luar dapat juga menjadidaerah konsentrasi tegangan selama komponenberoperasi dan memungkinkan munculnya retakmikro.

Untuk mengetahui penyebab terjadinyakegagalan, dilakukan serangkaian pengujianterhadap komponen as sink roll, antara lainpengamatan visual dari permukaan komponenyang mengalami kegagalan (fraktografi),pengujian komposisi kimia pada bagian as danlogam las, pengujian metalografi pada daerahlas, pengujian kekerasan pada daerah las,pengujian SEM/EDS terhadap permukaan danpenampang melintang dari bagian komponenyang mengalami kegagalan.

TM - 023 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 2Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

II. Metodologi PenelitianTahapan analisa kegagalan dimulai dari

preparasi sampel, pengamatan visual, pengujiandan evaluasi hasil pengujian. Pengamatan visualdilakukan pada permukaan komponen yangmengalami kegagalan, pengamatan inidilakukan untuk mencari pola-pola khusus yangmungkin terbentuk dari jenis pembebanan danpatahan tertentu. Daerah awal terjadinyakegagalan dapat diperkirakan melalui prosespengamatan visual.

Pengujian komposisi kimiamenggunakan metode Optical EmmissionSpectrometer (OES). Pengujian ini dilakukan didua titik, yaitu pada daerah as sink roll danlogam las denan tujuan untuk mengetahui jenismaterial komponen sink roll dan logam las.Pengujian kekerasan dilakukan padapenampang melintang komponen as sink rollpada daerah pengelasan, pengujian inimenggunakan alat uji micro vickers beban 200gf dengan waktu pembebanan 30 detik. Standarpengujian yang digunakan adalah ASTM E-384-85.

Pengamatan metalografi dilakukan padaposisi melintang dari komponen as sink rollyang patah / rusak, terutama pada daerahpengelasan, pengamatan dilakukan untukmelihat struktur mikro komponen as sink roll,filler dan logam las. Pengujian ScanningElectron Microscope (SEM) dilakukan untukmelihat jenis patahan pada material dalampembesaran yang lebih besar sehingga diketahuijenis dan penyebab patahan pada komponentersebut. Posisi pengujian SEM pada komponenas sink roll adalah pada permukaan danpenampang melintang area patahan. Sedangkanpengujian Energy Dispersive X-Ray (EDX)pada komponen as sink roll dilakukan untukmengetahui komposisi kimia pada daerahtertentu.

III. Hasil dan PembahasanPada hasil pengamatan visual permukaan

patahan as sink roll Gambar 2, permukaanpatahan halus menunjukkan komponenmengalami patah tanpa adanya pembebananberlebih. Daerah A, B dan C menunjukkanadanya garis-garis halus striasi yang timbulkarena adanya pembebanan berulang (cyclic)yang dialami oleh komponen sebelum patah.Adanya striasi lebih dari satu area dengan pola

dan arah menunjukkan bahwa komponenberotasi selama operasi.

Gambar 2. Permukaan patahan dari as sink roll

Dari hasil pengamatan visual padaGambar 2 pada permukaan patahan komponenas sink roll dapat dikategorikan sebagai patahlelah (fatique), jenis patah ini ditandai denganadanya area awal retakan (crak initiation),perambatan retak (crack propagation) dan finalfracture yang ditandai dengan garis-garis striasihalus pada area tengah permukaan patahan.Permukaan patahan menunjukkan adanya tigaarea berbeda dengan titik pusat lengkunganstriasi masing-masing mengarah pada bagiantepi komponen. Adanya area yang berbeda inidisebabkan karena jenis pembebanan torsi yangdialami komponen selama pengoperasian,sedangkan arah dari titik pusat lengkunganstriasi menunjukkan area awal atau origin dariretakan, yaitu pada daerah logam las.

Posisi pengujian komposisi kimia padasampel komponen as sink roll sebagaimanagambar dibawah, hasil pengujian komposisikimia pada titik-titik tersebut dapat dilihat padaTabel 1.

Tabel 1. Hasil pengujian komposisi kimia assink roll dan logam las

TM - 023 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 3Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

Sesuai dengan Tabel 1 diatas, materialdari as shink roll analog dengan standar JISG4051 S45C yang merupakan standar materialuntuk Carbon Steels for Machine StructuralUse. Proses pengelasan untuk material S45Cmemerlukan perhatian khusus terutama bilakomponen nantinya mengalami pembebananlelah pada saat dioperasikan. Material elektrodauntuk proses pengelasan S45C dengan metodeSMAW sesuai dengan standar AWS adalahA5.1 E7018-1, akan tetapi hasil pengujian padaTabel 1 komposisi kimia logam las memilikiperbedaan kandungan C.

Posisi pengujian kekerasan Vicker’s padadaerah pengelasan as sink roll pada areapenampang melintang dimulai dari areapermukaan (as sink roll) sampai ke dalam(logam lasan) sebagaimana pada tabel 2.

Gambar 3. Grafik hasil pengujian kekerasanterhadap jarak dari permukaan

Hasil pengujian metalografi padapenampang melintang daerah pengelasankomponen as sink roll dapat dilihat padaGambar 4 – Gambar 7. Struktur mikro dari assink roll (base metal) menunjukkan fasa perlit(warna gelap) dan ferit (warna terang) sebagaimatriksnya. Ferit yang terkandung dalammaterial ini termasuk dalam blocky ferit dansebagian merupakan Widmanstatten ferit.Sedangkan struktur mikro pada logam lasmenunjukkan fasa ferite dengan bentukacicular, fasa perlit dan sedikit partikelsementit.

Gambar 4. Strukturmikro as sink roll(base metal), fasaperlit - ferit.Etsa Nital 2%.

Gambar 5. Strukturmikro logam las, fasaferite dengan bentukacicular, perlit dansedikit partikelsementit. Etsa Nital2%.

Gambar 6. Strukturmikro base metal,area HAZ (warnakekuningan) dansedikit logam las. EtsaNital 2%.

Gambar 7. Strukturmikro area HAZ(warna kekuningan)dan logam las (warnaputih).Etsa Nital 2%.

Dari hasil pengujian kekerasan sesuaigrafik pada Gambar 3 terlihat adanya perbedaankekeraan antara material as sink roll (basemetal) dengan logam las. Material logam laslebih keras dibandingkan material as sink roll.Perbedaan kekerasan pada kedua material iniselain karena komposisi kimia yang berbeda,juga karena perbedaan fasa, kandungan fasasementit pada logam las memberikan kekuatanyang lebih tinggi dibanding base metal materialas sink roll.

Hasil pengamatan permukaan retak danpenampang melintang as sink roll pada daerahlas dengan menggunakan SEM dapat dilihatpada Gambar 8 – 13. Gambar 8 menunjukkanhasil fraktografi pada permukaan as sink roll

TM - 023 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 4Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

hasil SEM, menunjukkan adanya garis striasiyang menandakan telah terjadi pembebananberulang. Sedangkan pada Gambar 9menunjukkan hasil fraktografi pada bagian tepipermukaan patahan terlihat adanya morfologicleveagelike fracture (pada area lingkaran).

striasi

striasi

Gambar 8.Fraktografi padapermukaan as sinkroll.

Gambar 9.Fraktografi bagian tepipermukaan patahanlogam las.

striasi

striasi

Gambar 10.Fraktografi padadaerah tepi permukaanpatahan hasil SEM,terlihat adanya striasiyang sangat halus.

Gambar 11.Perbesaran dari arealingkaran warnamerah, terlihat adanyaretakan-retakanmemanjang padabagian tepi permukaanpatahan.

Adanya bentuk cleveagelike fracture ataumenyerupai tangga pada Gambar 9 dan 10merupakan tahap awal dari retak fatique,dimana biasanya bentuk tersebut muncul jikategangan yang dialami komponen rendahdengan siklus perulangan yang tinggi.

Retakan mikro juga teramati pada daerahtepi retakan pada Gambar 11, retakan mikrotersebut akan mengawali terjadinya fatique

pada komponen as sink roll. Pembebananberulang yang dialami komponen selamaoperasi menyebabkan retak mikro yang telahterbentuk menjalar dan akhirnya mencapaidimensi yang cukup signifikan untukmenyebabkan terjadinya patah atau gagal.

Gambar 12.Penampang melintangas sink roll pada arearetak.

Gambar 13.Penampang melintanglogam las pada arearetak, tampak adanyamikroporositas.

Gambar 12 dan Gambar 13menunjukkan hasil pengujian SEM padapenampang melintang material as sink roll danlogam las pada daerah permukaannya terlihatadanya daerah hitam (inklusi) dan lubang-lubang hitam atau mikroporositas.Mikroporositas dan inklusi yang terdapat didalam material memungkinkan munculnyaretak mikro dikarenakan adanyaketidaksinambungan (diskontinyuitas)penyebaran tegangan yang dialami komponenselama operasi.

Hasil pengujian SEM dan EDS padapenampang melintang disekitar daerah logamlas dan HAZ dapat dilihat pada Gambar 14 dantabel data EDS untuk Titik 1, Titik 2 dan Titik3.

002002

0 ,5 m m0 ,5 m m0 ,5 m m0 ,5 m m0 ,5 m m

0 0 1

0 0 3

f ille rlo g a m la s

TM - 023 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 5Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

Gambar 14. Titik pengujian EDS padainklusi yang ditemukan pada penampangmelintang logam las dan HAZ.

Hasil pengujian EDS pada Titik 1 :

Hasil pengujian EDS pada Titik 2 :

Hasil pengujian EDS pada Titik 3 :

Selain itu dari penampang melintangdaerah logam las dan HAZ, ditemukan adanyainklusi yang merupakan persenyawaan oksidaantara unsur-unsur Al, Si, K, Ca, Ti, Mn danFe. Inklusi ini dapat terbentuk pada saat prosespengelasan dilakukan. Hal ini dapat terjadikarena proses pengelasan yang kurang bersih,atau adanya slag yang dihasilkan dari prosespengelasan, dsb.

IV. KesimpulanDari hasil penelitian ini memberikan

kesimpulan sebagai berikut:1. Material komponen as sink roll sesuai

dengan standar JIS G4051 S45C untukkategori Carbon Steels for MachineStructural Use.

2. Elektroda pengelasan SMAW yang sesuaiuntuk S45C adalah A5.1 E7018-1 sesuaistandard AWS.

3. Material logam las tidak sesuai denganstandar AWS A5.1 E7018-1.

4. Kegagalan yang dialami komponen as sinkroll merupakan kegagalan fatigue (lelah)dengan daerah awal retakan (crackinitiation) berasal dari bagian tepikomponen.

5. Kegagalan ini terjadi disebabkan olehkonsentrasi tegangan pada daerah logamlas selama komponen dioperasikan,adanya mikroporositas di permukaanlogam las dan adanya inklusi.

Daftar Pustaka

1. ASM. Metals Hand Book Volume 11.Failure Analysis and Its Prevention.

2. JIS Standard. Handbook. FerrousMaterials and Metallurgy. JapaneseStandard Association.

3. Donald J. Wulpi. Understanding HowComponents Fail. American Society forMetals. Ohio. 1990.

4. Kobelco Welding Handbook 2009.Welding Consumables and Processes.Kobe Steel, Ltd. Japan.