Jumal R & B, Volume 1 Nomor2. SeptemberZffil

PENGARUH GALVANISASI TERHADAP STRUKTUR MIKRO BATANGBAJA KARBON RENDAH

OlehYuli 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 : cornponentadornotirc. But gd\ranizirg ca be hydrogen atorn diffused into lor carbon steel during galrraniZrg. The proc*s for drop outhidrogen to surface, after galtranilng was baked at ternperature 20S C durirq 15 hours, 4€l hours ard 65 hors. And nraterial wasanalyzed with microscopeo$ic and hardness test.

The conclution cf andizing nc{ influence with baking at ternperatur 2000 C because tenperatur bd<ing unde transfonnationtenperature. 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 tersebuttergantung 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

35

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

36

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 langterbentuk dari evolusi elekirolitik hidrogen selama proses

elektroplating dapat berdifusi ke dalam kisi-kisi kristalyang 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 6I

t.apisan f

Subs!ratka*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

37

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 Perseihsec 0.@ Ni 0.089 Co 0.007Si 0.01 Cr 0.047 Ce 0.005Mn 0.58 Mo 0.070 Nb 0.003Y o.0071 cu o.ap Fe 98.91s 0.025 Sn 0.023 W 0.000

Tabel2. Komposisi Kimia Spesimen Uji

Grade Designation

c Si Mn P S

't2(c) STKM12C

o-20max

.350max

600.max

040.max

0.04max

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)

ffiffiffiffiGambar 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

38

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 TanpaGalvanis

Benda Uii

HV1 HV2 HV3 HV Baking

234 234 227 227 Tanpabakino

il 234 223 224 225 15 jqm200uc

lil 224 218 222 221.3 48 jqm200'c

IV 222 218 209 216.3 65 iam200ec

DAFTAR PUSTAKA

L.O. Slim and J.G. Bryne, Study of HydrogenEmbrittlement in 4340 Sfeel Departement ofMetallurgical Enggineering, University of Utah, StatLake City (1989).

Anonymous, Hydrogen Movement in Steed Entry,Difusion, and Ellimination, Defence Metalslnformation 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. AIME145 (1941) pp.225 - 259.

Thelming, K.E., Sfee/ and its Heat Treatmenl, Bofortshand Book. Butta Worths, Bofors (1983).

Horstman, D., Faults in Hot Dip Galvanisasi, VertagStahleisen, Dusseldorf, German (1 983).

Adnyana, D.N.. Logam dan Paduan, Jakarta (1989).

\I!

il F--

t.l

39