Halaman. 1

PENGARUH PREHEAT TERHADAP STRUKTUR MIKRO

DAN KEKUATAN TARIK LAS LOGAM TAK SEJENIS

BAJA TAHAN KARAT AUSTENITIK AISI 304

DAN BAJA KARBON A36

Saifudin1, Mochammad Noer Ilman

2

Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika No.2, Yogyakarta 55281

a) E-mail : fudin_541@yahoo.com

Abstrak

Pengelasan logam tak sejenis baja tahan karat dan baja karbon banyak diterapkan di bidang teknik, diantaranya

kereta api, otomotif, kapal dan industri lain. Baja tahan karat austenitik mempunyai ketangguhan yang tinggi pada suhu

tinggi dan rendah, ketahanan korosi yang baik, mampu bentuk dan mampu las, sedangkan baja karbon rendah

mempunyai sifat mekanik tangguh dan ulet, mampu mesin dan mampu las yang baik. Permasalahan pengelasan baja

tahan karat austenitik adalah penggetasan akibat endapan halus (precipitate) karbida krom (Cr23C6) diantara batas butir austenit. Endapan ini terbentuk karena pendinginan lambat dari temperatur 900oC sampai 450oC. Pada sisi lain, baja

karbon rendah mengalami pengerasan berlebihan pada HAZ jika laju pendinginan pengelasan tinggi, sehingga

menyebabkan turunnya ketangguhan (toughness). Salah satu cara penyelesaiannya adalah dengan preheat, agar laju

pendinginan menjadi lambat. Tujuan penelitian adalah untuk meningkatkan sifat mekanik las melalui pemberian preheat.Pada penelitian ini

baja tahan karat AISI304 disambung dengan baja karbon A36 dengan filler ER308 menggunakan las MIG dengan

tegangan 20 Volt, arus100 Ampere dan heat input 1 kJ/mm. Temperatur preheat 100oC, 200oC dan 300oC. Pengujian

sambungan meliputi sifat mampu las (weldability), uji kekerasan (microhardness), struktur mikro dan uji tarik. Hasil penelitian menunjukkan nilai kekerasan bervariasi sesuai metalurgi las, yaitu daearah las, HAZ dan logam

induk. Preheat menurunkan kekerasan sambungan las disertai dengan peningkatan keuletan las.

Kata kunci : Logam tak sejenis, MIG, toughness, preheat.

Pendahuluan

Baja tahan karat austenitik adalah baja tahan

karat yang pada temperatur kamar berfasa austenit.

Baja jenis ini mengandung 18% Cr – 8% Ni.

Unsur-unsur tersebut merupakan unsur terpenting

yang dapat membuat baja tahan karat ini berfasa

austenit pada temperatur kamar. Material ini

memiliki struktur kristal FCC (face centered cubic).

Struktur ini diperoleh dengan adanya penambahan

unsur paduan yang mampu menstabilkan fasa

austenit pada beberapa kondisi temperatur

kriogenik. Baja tahan karat austenitik memiliki fasa

tunggal, hanya dapat ditingkatkan kekuatannya

melalui solid solution alloying atau dengán work

hardening. Struktur FCC yang dimiliki oleh

austenit, menyebabkan baja tahan karat jenis ini

bersifat non-magnetic dan mempunyai ketangguhan

yang cukup tinggi pada temperatur rendah. Baja ini

mempunyai ketahanan korosi yang baik, mampu

bentuk dan mampu las. Kekurangan baja jenis ini

adalah kecenderungan untuk mengalami : korosi

antar butir, korosi lubang dan korosi retak tegangan

(Stress Corrosion Cracking).

Baja karbon rendah mempunyai sifat mekanis

yang baik ; kekuatan tarik relatif tinggi antara

415 – 550 MPa (60.000 – 80.000 psi), ketangguhan

baik dan relatif ulet (Callister, 2007).

Pada pengelasan dissimilar metals, masalah yang

terjadi disebabkan karena perbedaan titik lebur,

koefisien muai dan sifat metalurgi yang berbeda antara

dua logam sehingga kualitas hasilnya kurang sempurna.

Untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut perlu dilakukan

perlakuan panas. Pada dasarnya sebagian besar baja

tahan karat dapat dilas dengan baja karbon rendah

(Saito dan Surdia, 1995). Pada sambungan dissimilar

metals mengacu pada diagram Schaeffler sesuai pada

Gambar 1. Dengan menghitung Cr-equivalen dan Ni-

equivalen pada logam induk maupun logam pengisi

yang digunakan, maka endapan struktur mikro dapat

diperkirakan. Faktor-faktor yang mempengaruhi

struktur mikro logam las adalah : bentuk dan ukuran

weld pool, kecepatan pengelasan dan siklus thermal.

Analisa struktur mikro pada diagram Schaeffler

berlaku pada berbagai jenis pengelasan seperti GTAW,

GMAW, SAW dan SMAW.

Gambar 1. Diagram Schaeffler, A=baja karbon A36,

B=AISI 304, D=ER308 (Messler, 1999)

Halaman. 2

Pada baja tahan karat austenit atau ferit-

austenit, endapan karbida krom terjadi jika ditahan

pada interval suhu 550-800 oC atau 900-950

oC untuk

baja tahan karat ferit.

Gambar 2. Diagram sensitisasi baja tahan karat (Kou, 1987)

Gambar 2 memperlihatkan diagram TTS (time-

temperature-sensitization) dengan kadar C. Dari

gambar terlihat bahwa kadar C yang tinggi

menyebabkan terjadinya sensitization yaitu

terbentuknya karbida krom pada batas butir.

Preheat adalah pemberian panas pada logam

induk sebelum pengelasan berlangsung. Secara

umum preheat dilaksanakan untuk mengatur laju

pendinginan pada proses pengelasan dengan tujuan

untuk mengurangi atau menghindari transformasi

martensit di daerah HAZ (Wiryosumarto dan

Okumura, 1987). Secara umum preheat

direkomendasikan untuk baja HSLA (Messler, 1999).

Material Penelitian

Material yang dipakai adalah lembaran baja

tahan karat austenik seri AISI 304 dan baja karbon

rendah seri A 36 dan kawat filler ER 308 dengan

komposisi kimia seperti Tabel 1 (ASM Metals

Handbook, 2004) :

Tabel 1. Komposisi kimia material

Material AISI 304 A 36 ER 308

C 0.08 0.10-0.30 ≤ 0.08

Mn 2 0.50-1.0 1.0-2.5

Si 1 0.10-0.25 ≤ 0.60

P 0.045 < 0.04 ≤ 0.03

S 0.03 < 0.05 ≤ 0.03

Cr 18-20 - 19.5-22.0

Ni 8-11 - 9.0-11.0

Prosedur Pengelasan

Proses pengelasan menggunakan mesin las

MIG dengan parameter sebagai berikut : diameter

elektroda 0,8 mm, arus (I) 100 Ampere, tegangan (E)

20 Volt, masukan Panas (q) 1 kJ/mm = 1000 J/mm,

kecepatan (V) 2 mm/s dengan gas pelindung Argon.

Jenis kampuh sambungan alur V dan posisi

heater, seperti Gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Jenis kampuh, posisi heater dan lubang

termokopel.

Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan dilakukan dengan metode

pengujian kekerasan mikroVickers (VHN). Spesimen

uji kekerasan seperti pada Gambar 4. Beban 200 gf

pada jarak antar titik 250 μm dari daerah las sehingga

diperoleh nilai besaran injakan kemudian

dikonversikan atau dihitung menjadi nilai kekerasan.

HV= 1,854 D

Fi ........ (1)

Dengan, HV = Nilai kekerasan spesimen

Fi = Beban indentasi (i = 1, 2, 3, ....)

D = Diagonal injakan sisa

Gambar 4. Spesimen uji kekerasan

Halaman. 3

Pengujian Struktur Mikro

Karakterisasi mikrostruktur dari material akan

dilihat dengan melakukan foto mikro. Untuk

mengetahui bentuk struktur mikro spesimen, yaitu

dengan mengambil penampang permukaan

spesimen untuk dipoles dan dietsa dengan cairan

kimia 2%HNO3 + 98% ethanol untuk baja karbon

dan 25%HNO3 + 75%HCl untuk baja tahan karat.

Pengamatan struktur mikro menggunakan

mikroscop optik dengan pembesaran tertentu.

Pengamatan Struktur mikro adalah salah satu cara

untuk mengetahui metalurgi permukaan benda uji,

sehingga dapat dietahui sifat mekanik dari material

tersebut.

Pengujian Tarik

Dengan uji tarik ini akan diperoleh tentang

sifat mekanis suatu bahan uji antara lain : batas

elastis, kekuatan luluh dan kekuatan tarik yang

besarnya tergantung pada jenis bahan uji itu sendiri.

Gambar 5. Spesimen Uji Tarik Sesuai Standar

JIS 2201, No. 07

Untuk menghitung tegangan teknik

(engineering stress) pada benda uji dapat diberikan

persamaan berikut:

0A

F......................(2)

Dengan, = tegangan (kgf/mm2)

F = beban (kgf)

Ao = luas penampang patah (mm2)

Hasil dan pembahasan

Struktur Mikro

Gambar 6. Struktur makro, SS=Stainless Steel,

CS=Carbon Steel

Dari Gambar 6 dan 7, dapat dijelaskan sebagai

berikut :

Daerah Las : Daerah las adalah daerah

gabungan antara austenit dan

karbida. Struktur mikro daerah

las berupa dendrite columnar.

Daerah HAZ

(Kasar/Halus)

: Daerah pengaruh panas

(HAZ) adalah daerah yang

mengalami siklus termal.

Pada daerah ini terjadi

perubahan struktur mikro.

Struktur mikro pada daerah

HAZ baja karbon adalah bainit,

dan pada HAZ baja tahan karat

adalah pengasaran butir

austenit.

Logam Induk

(CS/SS)

: Logam induk merupkan

daerah yang tidak

terpengaruh terhadap siklus

termal, mikrostruktur maupun

sifat mekanik. Struktur mikro

berupa butiran halus

memanjang searah dengan arah

rol.

SS \ LAS LAS LAS / CS

A

B

C

D

Gambar 7. Struktur mikro, pembesaran 200x

SS=stailess steel, CS=carbon steel

A= tanpa preheat, B=preheat 100oC,

C=preheat 200oC, D=preheat 300

oC

Halaman. 4

Uji Kekerasan

Hasil pengujian kekerasan microVickers

ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8. Distribusi nilai kekerasan (VHN)

CS=carbon steel, SS=stainless steel

Hasil uji kekerasan microvickers didapatkan

distribusi nilai kekerasan yang berbeda pada

masing-masing daerah pengelasan. Untuk HAZ

baja karbon tanpa preheat, kekerasan rata-ratanya

adalah 307 VHN jauh lebih tinggi dibandingkan

dengan preheat 200oC yaitu 215 VHN sehingga

akan mampu menaikkan keuletannya. Sedangkan

nilai kekerasan pada HAZ baja tahan karat dengan

preheat akan semakin naik, hal ini disebabkan

adanya endapan (precipitation) karbida krom

diantara batas butir austenit yang terbentuk karena

pendinginan lambat dari temperatur 900oC sampai

450oC pada saat pengelasan. Presipitat ini mampu

menahan gerakan dislokasi ketika material

menerima beban luar, sehingga mampu menaikkan

nilai kekerasan secara signifikan.

Uji Tarik

Hasil uji tarik daerah las terlihat pada Gambar

9, bahwa spesimen patah pada daerah HAZ halus

baja karbon A36 karena daerah ini mempunyai nilai

kekerasan lebih rendah.

A B C

Gambar 9. Spesimen uji tarik, A. Dearah las,

B. AISI 304, C. Baja karbon A36

Dari Gambar 10 terlihat, rata-rata kekuatan tarik

(tensile strength) dan kekuatan luluh (yield strength)

pada sambungan las dengan preheat semakin

meningkat. Pada preheat 200oC, kekuatan tarik

meningkat dari 480 MPa menjadi 538 MPa. Dan Pada

preheat 300oC, kekuatan luluh meningkat dari 337

MPa menjadi 348 MPa seperti terlihat pada Tabel 2

dan Gambar 10 di bawah ini.

Tabel 2. Hasil pengujian tarik

SPESIMEN TEG.

TARIK (MPa)

TEG. LULUH (MPa)

REGANGAN (%)

LOGAM INDUK

AISI 304 575.2 277.684 44

A 36 441.6 295.788 28

LAS

TANPA PREHEAT 480.0 337.297 24

PREHEAT 100 oC 480.0 345.946 10

PREHEAT 200 oC 537.6 322.560 12

PREHEAT 300 oC 495.2 347.509 14

Gambar 10. Kekutan tarik dan kekuatan luluh

Kesimpulan

1. Dengan perlakuan preheat, akan menurunkan nilai

kekerasan pada HAZ baja karbon dibandingkan

dengan HAZ baja karbon tanpa preheat, sehingga

mampu menaikkan ketangguhannya (toughness).

2. Dengan perlakuan preheat, akan menaikkan nilai

kekerasan pada HAZ baja tahan karat

dibandingkan dengan HAZ baja tahan karat tanpa

preheat, hal ini disebabkan adanya endapan

(precipitation) karbida krom diantara batas butir

austenit.

3. Dengan perlakuan preheat, kekuatan tarik (tensile

strength) dan kekuatan luluh (yield strength) pada

sambungan las semakin meningkat.

CS

LAS SS HAZ

HAZ H-K

Halaman. 5

Saran

Untuk menghindari terjadinya endapan

(precipitation) karbida krom diantara batas butir

austenit karena pendinginan lambat, maka harus

dipilih elektroda dengan kandungan karbon yang

rendah.

Daftar Pustaka

ASM Metals Handbook, Vol. 06. 2004. Welding,

Brazing dan Soldering.

Callister, W.D., 2007. Material Science and

Engineering an Introduction 7ed

. Wiley.

Kou, S 1987. Welding metallurgy. A Wiley-

Interscience Publication. New York.

Messler, RW., 1999. Principles of welding,

Processes, Physics, Chemistry and

Metallurgy. A Wiley-Interscience

Publication. New York.

Saito, S., dan Surdia, T., 1995. Pengetahuan

Bahan Teknik, edisi III PT. Pradnya

Paramita, Jakarta.

Wiryosumarto, H. dan Okumura, T., 1987. Teknik

Pengelasan Logam, edisi VII PT. Pradnya

Paramita, Jakarta.