PERILAKU OKSIDASI UAP AIR BAJA Cr-Mo
advertisement
PERILAKU OKSIDASI UAP AIR BAJA Cr-Mo-Ni MELALUI PELAPISAN Al (Skripsi) Oleh ANGGA ROBY VIRTAJAYA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017 ABSTRACT WATER VAPOUR OXIDATION BEHAVIOR Cr-Mo-Ni STEEL ALUMINIUM COATING By ANGGA ROBY VIRTAJAYA A Cr-Mo-Ni steel is medium carbon low alloy steel that being used for heat exchanger and piping components in steam power plants. However, when the steel was working at high temperatures containing water vapor, thus the high temperature oxidation resistance of steel decreased. Hot-dip aluminum coating can be applied on the surface of the steel by dipping the steel into Al-molten bath at 700○C for 2 minutes to increase of the steel’s oxidation resistance. The aluminized steel spcimens were isothermally oxidized by exposing in the alumina tube containing steam at 750○C for 20 hours periods. Steam came from water boiling at 100○C, and than was flowed into the alumina tube at the atmospheric pressure. The weight change of specimens (mg/mm2) after oxidation test were plotted againts the oxidation time (h) to construct the kinetics curve. The sample of all specimens after being oxidized at a certain time was chosen to being observed using SEM (Scanning Electron Microscope) via surface morphology and cross-sectional specimen examinations. The chemical compositions (at.%) of aluminide layers were examined using Energy Disepersive Spectroscopy (EDS). The weight gain results of aluminized steel oxidized in water vapor and dry air environment at 750○C are respectively about 0.0290350 mg/mm2 and 0.0113499 mg/mm2. Comparison of oxidation resistance on aluminized steel in water vapor environment is as much as three times lower than that of the oxidation of the aluminized steel in a dry air environment. The parabolic rate constant value (Kp) of steel in water vapor environment (2.34×10-8 mg2 mm-4 s-1) is that greater than that the steel oxidized in dry air environment (2.5×10-9 mg2 mm-4 s-1). Formation of Fe-Al intermetallic layer formed during oxidation were dominated by interdiffusion between Fe atoms in the substrate and Al atoms in coating layer during high temperature oxidation. Intermetallic phase formed on the aluminum-coated steel after oxidation is Fe2Al5, FeAl2 and FeAl. Aluminium has two roles during the oxidation takes place, namely as a supply of protective Al2O3 layer formation and diffusion into to the formation of intermetallic layer FeAl2 and FeAl. Keyword : Cr-Mo-Ni Steel, Hot Dipping, coating, high temperatur water vapour oxidation, parabolic constant (Kp), intermetalic, protective layer Al2O3 ABSTRAK PERILAKU OKSIDASI UAP AIR BAJA Cr-Mo-Ni MELALUI PELAPISAN Al Oleh ANGGA ROBY VIRTAJAYA Baja Cr-Mo-Ni merupakan baja paduan sedang yang digunakan untuk komponen sistem penukaran kalor (heat exchanger) dan sistem perpipaan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang bekerja pada temperatur relatif tinggi yang mengandung uap air. Adanya uap air, maka ketahanan oksidasi baja Cr-Mo-Ni menurun. Untuk menaggulanginya perlu penerapan lapisan aluminium dengan metode hot dipping (celup panas) melalui proses pencelupan kedalam cairan aluminium pada temperatur 700○C dengan lama pencelupan 2 menit dengan tujuan untuk meningkatkan ketahanan oksidasi. Penambahan berat (mg/mm2) setelah pengujian oksidasi diplot dengan perbandingan waktu oksidasinya (jam) dan membentuk kurva kinetik. Spesimen yang telah diuji oksidasi dengan perbedaan waktu dipilih untuk observasi menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope). Komposisi kimia (at.%) pada lapisan alumina dilihat menggunakan EDS (Energy Dipersive Spectroscopy). Hasil pengujian baja Cr-Mo-Ni dioksidasi pada lingkungan uap air bertemperatur 750○C yang dilapisi Al dengan perbandingan perubahan berat dengan baja A238 (Cr-Mo-Ni) yang dioksidasi pada lingkungan kering bertemperatur 750○C yang dilapisi Al yaitu: 0,0290350 mg/mm2 dan pada lingkungan kering 0,0113499 mg/mm2. Perbandingan ketahanan oksidasi pada baja Cr-Mo-Ni pada lingkungan uap air sebanyak 3 kali lebih rendah dibandingkan dengan oksidasi baja Cr-Mo-Ni pada lingkungan udara kering. Nilai konstanta parabolik (Kp) baja pada lingkungan uap air sebesar 2,34 × 10−8 mg2 mm−4 s−1 lebih besar dibandingkan dengan baja yang dioksidasi pada lingkungan udara kering yaitu sebesar 2,5 ×10−9 mg2 mm−4 s−1. Pembentukan lapisan intermetalik Fe-Al selama oksidasi berlangsung didominasi oleh interdifusi antara atom Fe dalam substrat dan juga atom Al di lapisan coating selama oksidasi suhu tinggi. Fasa intermetalik yang terbentuk pada baja setelah oksidasi yaitu Fe2Al5, FeAl2 dan FeAl. Aluminium mempunyai dua peranan selama oksidasi berlangsung yaitu sebagai suplai pembentukan lapisan protektif Al2O3 dan difusi kedalam untuk pembentukan lapisan intermetalik FeAl2 dan FeAl. Kata kunci : Baja Cr-Mo-Ni, celup panas, pelapisan, oksidasi uap air bertemperatur tinggi, konstanta parabolik (Kp), intermetalik, lapisan protektif Al2O3 PERILAKU OKSIDASI UAP AIR BAJA Cr-Mo-Ni MELALUI PELAPISAN Al Oleh Angga Roby Virtajaya Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA TEKNIK pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Karang Endah pada tanggal 22 September 1991, sebagai anak pertama dari dua bersaudara, dari pasangan Bapak Sarimun dan Ibu Saptariyah. Penulis menyelesaikan pendidikan di Sekolah Dasar Gula Putih Mataram pada tahun 2004, Sekolah Menengah Pertama Gula Putih Mataram pada tahun 2007, dan Sekolah Menengah Atas Sugar Group School pada tahun 2010. Setelah itu penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung pada tahun 2010 melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN) Tertulis. Selama menjadi mahasiswa, penulis menjadi Pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM). Pada bidang akademik, penulis melaksanakan Kerja Praktek (KP) di PT Gula Putih Mataram divisi mill boiler tahun 2014 dengan mengambil judul ”Analisis Perhitungan Keausan Dan Usia Pakai Sproket DK 60304-9T Pada Intermediate Carrier I Di PT.Gula Putih Mataram”. Kemudian sejak bulan Januari 2016 penulis mulai melakukan penelitian tugas akhir yang berjudul “Perilaku Oksidasi Uap Air Baja Cr-Mo-Ni Melalui Pelapisan Al” di bawah bimbingan Bapak Dr. Mohammad Badaruddin,S.T.,M.T selaku pembimbing utama dan Bapak Zulhanif, S.T.,M.T selaku pembimbing pendamping. MOTTO “Jika seseorang bepergian dengan tujuan untuk ilmu, maka Allah SWT menjadikan perjalanannya bagaikan menuju surga” (Nabi Muhammad SAW) “Tiadanya keyakinanlah yang membuat orang takut menghadapi tantangan, dan saya percaya pada diri saya sendiri” (Muhammad Ali) “Manusia tidak merancang untuk gagal, mereka gagal untuk merancang” (William J. Siegel) “Usaha, Sabar, Tawakal” (Me) “Kebanggaan kita yang terbesar adalah bukan tidak pernah gagal, tetapi bangkit kembali setiap kali kita jatuh” (Confusius) PERSEMBAHAN Bismillahirohmanirrohim Atas ridho Allah SWT dan segala kerendahan hati, Kupersembahkan karya kecilku ini sebagai wujud bhakti untuk orang-orang yang kusayangi Bapak dan Ibu (Sarimun & Saptariyah) Untuk semua pengorbanan yang telah dilakukan, doa, kesabaran, serta cinta dan kasih sayang. Semoga Allah SWT senantiasa melindungi dan menyayangi kalian My Lovely (Ayu Nur Fasa) Untuk doa, kesabaran dan semangat yang telah diberikan Almamaterku Tercinta Universitas Lampung SANWACANA Assalamu’alaikum Wr. Wb. Alhamdulillaahirabbil’aalamiin, puji Syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT. Karena-Nya penulis diberi banyak nikmat dan rahmat sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung. Shalawat serta salam juga penulis sampaikan kepada Nabi Muhammad SAW yang dinantikan syafa’atnya di yaumil akhir nanti. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang selama ini telah membantu, mendukung, dan membimbing hingga selesainya skripsi ini, Oleh karena itu, sebagai wujud rasa hormat, penulis menyampaikan terima kasih kepada pihak-pihak sebagai berikut : 1. Kedua orang tuaku tercinta bapak Sarimun dan ibu Sarptariyah, yang senantiasa memberi semangat, do’a yang tulus serta mencurahkan segenap tenaga untuk keberhasilanku dalam menyelesaikan studi di Universitas Lampung. 2. Bapak Prof. Dr. Suharno, M.Sc., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung. 3. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T., sebagai Kepala Jurusan Teknik Mesin Unila. 4. Bapak Dr. Mohammad Badaruddin, S.T., M.T selaku Pembimbing I, yang telah banyak memberikan banyak pelajaran baru dan bimbingan dalam kelancaran skripsi ini. 5. Bapak Zulhanif, S.T., M.T., selaku Pembimbing II, yang telah banyak meluangkan waktu berdiskusi untuk kelancaran skripsi ini; 6. Bapak Harnowo Supriadi, S.T., M.T., selaku Penguji, yang telah memberikan koreksi dan masukan untuk kelayakan skripsi ini. 7. Bapak Dr. Amrul, S.T., M.T selaku Pembimbing Akademik yang telah banyak memberikan masukan selama menempuh perkuliahan. 8. Bapak/ibu dosen yang telah memberikan ilmunya kepada penulis, sehingga penulis dapat mengaplikasikan ilmunya di dalam skripsi ini. 9. Mas Marta yang telah membantu baik dalam proses seminar. 10. Untuk motivatorku terkasih Ayu Nur Fasa. terimakasih untuk support, perhatian, dan kesabarannya yang telah diberikan kepada penulis. 11. Teman Seperjuangan pada saat penelitian, Tomi, Mario dian, atas kebersamaan, bantuan, serta sumbangan fikiran dan motivasi selama melakukan penelitian. 12. Orang-orang terdekatku, Faldi Ikhsan (Mangoh), M. Fathliansyah (Begek), Muchlis Mutaqqin, Liwanson Jaya, Hendy Riyanto, Robertus dian, Riski, Lilik, Hanif yang selalu memberikan dukungan dan masukan. 13. Teman-teman Teknik Mesin Unila yang menjadi teman penulis dari awal mengenyam pendidikan di Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung selama ini. 14. Mas Ruwanto asisten Laboratorium Material Teknik Mesin Universitas Lampung yang telah banyak membantu selama penelitian. 15. Pihak-pihak lain yang telah banyak membantu penulis dalam penyelesaian skripsi yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa banyak kekurangan yang terdapat pada skripsi ini. Karenanya, penulis mengharapkan kritikan dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Penulis juga mengharapkan skripsi yang sederhana ini dapat memberikan inspirasi dan berguna bagi kalangan civitas akademik maupun masyarakat Indonesia. Aamiiiin. Wassalamu’alaikum Wr. Wb. Bandar Lampung, Februari 2017 Penulis, Angga Roby Virtajaya DAFTAR ISI I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ............................................................................................. 1 1.2. Tujuan Penelitian ......................................................................................... 3 1.3. Batasan Masalah ........................................................................................... 3 1.4. Sistematika Penulisan .................................................................................. 4 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Baja Paduan................................................................................................ 6 2.1.1. Baja Paduan Rendah ........................................................................ 6 2.1.2. Baja Paduan Tinggi ......................................................................... 7 2.2. Diagram Fasa ............................................................................................. 7 2.3. Celup Panas (Hot Dipping) ........................................................................ 9 2.4. Hot Dipping Aluminium .......................................................................... 10 2.5. Proses Pelapisan Aluminium Pada Baja Karbon ..................................... 11 2.6. Oksidasi.................................................................................................... 12 2.6.1. Rasio Pilling Bedworth.................................................................. 12 2.6.2. Penebalan Lapisan Oksida............................................................. 13 III. METODE PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian..................................................................................... 16 3.2. Tempat Penelitian..................................................................................... 16 3.3. Alat dan Bahan Penelitian........................................................................ 16 3.3.1. Alat Penelitian ............................................................................... 16 3.3.2. Bahan Penelitian ............................................................................ 22 3.4. Prosedur Kerja.......................................................................................... 24 3.4.1. Proses Pembuatan Spesimen ........................................................ 24 3.4.2. Pemotongan Spesimen Uji............................................................. 25 3.4.3. Cleaning......................................................................................... 25 3.4.3.1. Proses Polishing ............................................................... 25 3.4.3.2. Proses Pencucian Lemak.................................................. 25 3.4.3.3. Proses Pembilasan............................................................ 25 .3.4.4. Pickling......................................................................................... 26 3.4.5. Fluxing .................................................................................................. 26 3.4.6. Dipping.................................................................................................. 26 3.4.7. Cooling.................................................................................................. 26 3.5. Karakterisasi............................................................................................. 27 3.6. Pengumpulan Data ................................................................................... 27 3.7. Diagram Alir ............................................................................................ 28 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kinetika Oksidasi ..................................................................................... 29 4.2. Karakterisasi Fasa Intermetalik................................................................ 33 4.3. Observasi Surface Morfologi ................................................................... 36 V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1. Simpulan .................................................................................................. 39 5.2 Saran.......................................................................................................... 40 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Daftar pengujian untuk baja Cr-Mo-Ni dilapisi aluminium ................. 24 Tabel 4.1. Hasil pengujian oksidasi uap air .......................................................... 29 Tabel 4.2. Hasil pengujian oksidasi tanpa uap air ................................................. 30 Tabel 4.3. Hasil EDS spektrum dari Gambar 4.3 .................................................. 34 Tabel 4.4. Hasil EDS spektrum dari Gambar 4.4c ................................................ 37 Tabel 4.5. Hasil EDS spektrum dari Gambar 4.4d ................................................ 37 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Diagram Fasa Fe-Fe3C ......................................................................... 8 Gambar 2.2. Lapisan oksida berpori ......................................................................... 14 Gambar 2.2. Lapisan oksida tidak berpori ................................................................ 14 Gambar 2.3. Lapisan oksida tidak berpori ............................................................... 15 Gambar 3.1. Tungku furnace ................................................................................... 17 Gambar 3.2. Amplas listrik ...................................................................................... 17 Gambar 3.3. Jangka sorong ...................................................................................... 18 Gambar 3.4. Mistar .................................................................................................. 18 Gambar 3.5. Mesin bor listrik .................................................................................. 19 Gambar 3.6. Ultrasonic Cleaner .............................................................................. 19 Gambar 3.7. Kawat stainless steel dan tang ............................................................. 20 Gambar 3.8. Pinset .................................................................................................... 20 Gambar 3.9. Timbangan analitik .............................................................................. 21 Gambar 3.10. Termocouple ...................................................................................... 21 Gambar 3.11. Hairdryer ........................................................................................... 22 Gambar 3.12. Spesimen baja Cr-Mo-Ni .................................................................. 22 Gambar 3.13. Larutan kimia .................................................................................... 23 Gambar 3.14. Flux ................................................................................................... 23 Gambar 3.15. Aluminium ........................................................................................ 24 Gambar 3.16. Diagram alir ....................................................................................... 28 Gambar 4.1. Plot kinetika oksidasi .......................................................................... 31 Gambar 4.2. Akar kuadrat lama oksidasi ................................................................. 32 Gambar 4.3. SEM penampang permukaan baja Cr-Mo-Ni lapis Al morfologi oksidasi yang terbentuk dan hasil EDS spektrum analisa pada baja dengan (a) pelapisan Al celup panas dan setelah dioksidasi pada temperatur 750○C selama periode (b) 1 jam, (c) 4 jam, dan (d) 9 jam ............................................................................................ 33 Gambar 4.4. Foto SEM morfologi (a) permukaan spesimen oksidasi lingkungan uap air 750○C selama 20 jam (b) permukaan spesimen oksidasi udara kering suhu 750○C selama 20 jam (c) perbesaran dari Gambar a (d) perbesaran dari Gambar b ................. 36 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Baja paduan sedang dengan kandungan Cr 2%, 0,25 Mo dan sedikit Ni banyak diaplikasikan pada komponen sistem penukar kalor pada sistem perpipaan pembangkit listrik tenaga uap. Pada temperatur tinggi dan lingkungan yang mengandung uap air, pemilihan bahan yang tepat diperlukan untuk menunjang dukungan bahan terhadap serangan oksidasi maupun korosi. Kemampuan baja dalam menahan serangan oksidasi uap air ditentukan oleh kandungan Cr. Bila temperatur kerja ditingkatkan maka kemampuan baja dalam serangan oksidasi mengakibatkan penurunan Cr. Peranan penurunan Cr diteliti oleh Asteman, pada lingkungan H2O degradasi Cr akan meningkat membentuk kromium (VI) oksihidroksida. Reaksi yang terjadi (Asteman. dkk, 2002) : Cr2O3 (S) + O2 (g) + 2H2O (g) ↔ 2CrO2(OH)2 (g) (1.1) Reaksi yang terjadi merupakan penguapan Cr yang membentuk lapisan Cr oksida di lingkungan air (H2O). Penguapan kromium dapat menyebabkan penipisan pelindung oksida yang mengakibatkan pembentukan buruk pada Fe dengan demikian tingkat oksidasi meningkat. Bedasarkan penelitian Lepingle, dkk (2008), uji ketahanan oksidasi baja 12% Cr dan baja feritik 9-13% Cr dalam uap air pada temperatur 600-650 oC dengan rentang waktu 5376 jam. Perbandingan hasil yang didapatkan ketahanan oksidasi pada baja ditentukan oleh pengaruh unsur paduan utama Cr, Si, Mn, Mo. Salah satu metode untuk meningkatkan ketahanan baja pada lingkungan uap air dengan menerapkan pelapisan aluminium celup panas sebagai teknologi yang murah dan efektif dibandingkan dengan metode pelapisan lainnya. Aluminium celup panas dilakukan dengan proses mencelupkan baja kedalam bak aluminium yang mencair. Lapisan aluminium yang terbentuk akan menjadi pelindung selama baja ter-expose pada temperatur tinggi dengan membentuk lapisan protektif alumina (Al2O3). Temperatur untuk ketahanan oksidasi dengan pelapisan aluminium mencapai 700o - 800o C (Wang & Badaruddin, 2010). Penguraian tersebut sebagai masalah yang akan diteliti oleh peneliti dengan judul “PERILAKU OKSIDASI UAP AIR BAJA Cr-Mo-Ni MELALUI PELAPISAN Al” 2 1.2. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari pelaksanan tugas dan penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Meningkatkan ketahanan oksidasi dalam lingkungan uap air. 2. Menentukan laju kinetika (kp) baja Cr-Mo-Ni yang dilapisi Aluminium. 3. Mempelajari fasa-fasa yang terbentuk selama oksidasi isotermal. 1.3. Batasan Masalah Berdasarkan latar belakang dan perumusan masalah diatas agar proses yang dilakukan bisa berjalan dengan sesuai maka peneliti membatasi masalah penelitiannya sebagai berikut : 1. Pelapis yang digunakan adalah Al-7%Si. 2. Baja yang digunakan adalah baja Cr-Mo-Ni. 3. Lama proses aluminasi adalah 2 menit. 4. Pengujian oksidasi dilakukan pada temperatur 750 oC dalam lingkungan uap air dengan rentang waktu 1 sampai 20 jam 3 1.4. Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisannya adalah sebagai berikut : I PENDAHULUAN Pada bab ini menguraikan latar belakang, tujuan penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, sistematika penulisan. II TINJAUAN PUSTAKA Pada bab ini menguraikan kajian pustaka yang dijadikan landasan teori untuk mendukung penelitian ini. III METODOLOGI PENELITIAN Pada bab ini menjelaskan metode tentang langkah-langkah, alat dan bahan yang dilakukan untuk mencapai hasil yang diharapkan dalam penelitian ini. IV DATA DAN PEMBAHASAN Pada bab ini menguraikan hasil dan pembahasan yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan. V PENUTUP Pada bab ini menyimpulkan dari hasil akhir dan pembahasan sekaligus mamberi saran yang dapat menyempurnakan penelitian ini. 4 DAFTAR PUSTAKA Berisikan mengenai literatur-literatur atau referensi yang diperoleh penulis untuk mendukung dalam penyusunan tugas akhir ini. LAMPIRAN Berisikan beberapa hal yang mendukung penelitian. 5 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Baja Paduan Baja paduan merupakan paduan dari besi dengan penambahan satu unsur atau lebih seperti karbon, mangan, silikon, nikel, molibdenum dan vanadium. Baja paduan dikatagorikan seperti baja paduan rendah, baja tahan karat dan baja tahan panas. Kegunaan unsur-unsur paduan yang terkandung pada baja paduan memiliki fungsi tersendiri. Nikel memberi kekuatan dan membantu dalam pengerasan baja dengan perlakuan pendinginan ataupun tempering heat treatment. Krom ditemukan pada baja paduan tahan karat yang mempunyai perilaku untuk meningkatkan ketahanan korosi pada baja paduan tersebut. Molibdenum mempunyai perilaku yang hampir sama dengan Cr yaitu membantu dalam pengerasan pada baja paduan rendah. Vanadium pada baja paduan memiliki prilaku sebagai penguat baja dengan membentuk endapan vanadium carbonitride. Vanadium memiliki ukuran kemampuan untuk membentuk fasa martensit (hadenability) yang cukup tinggi. Baja paduan terdiri dari baja paduan rendah dan baja paduan (Bruce, 2006). 2.1.1. Baja paduan rendah (Low Alloy Steel) tergolong jenis baja karbon yang memiliki tambahan unsur paduan seperti nikel, chromium dan molibdenum. Total unsur paduannya 2,07%-2,5%. Fungsi utama dari baja paduan rendah yaitu untuk menambah kekerasan yang diinginkan untuk meningkatkan kemampuan mekanik dan keuletannya setelah dilakukan proses perlakuan panas. Pada beberapa kondisi, penambahan unsur paduan digunakan untuk mengurangi efek degradasi lingkungan terhadap pemakaian. Baja paduan rendah dapat diklasifikasikan lagi, sebagai berikut : a. Menurut komposisi kimia, seperti : baja nikel, baja nikel-krom, baja molibdenum, baja kromium molibdenum. b. Menurut proses perlakuan panas, seperti : quenched and tempered (QT), normalized and tempered (NT), annealed (A) dan lain-lain. 2.1.2. Baja paduan tinggi (High Alloy Steel) yaitu baja paduan dengan kadar unsur paduan yang tinggi, mempunyai sifat khusus seperti baja tahan karat (Stainless Steel), baja perkakas (Tools Steel) sebagai contoh High Speed Steel (HSS), baja tahan panas (Heat Resisting Steel) dan lain-lain 2.2. Diagram Fasa Diagram Fasa (FeFe3C) memperlihatkan perubahan fasa pada laju pemanasan dan laju pendinginan yang cukup lambat. Dari diagram fasa ini dapat diamati pengaruh temperatur terhadap perubahan struktur. Struktur baja dapat ditentukan oleh kandungan unsur didalam baja dan kadar unsur karbonnya. Pada Gambar 2.1 menunjukkan jika kadar karbon baja yang melebihi 0.20 wt.% dimana pada 7 temperatur 760 C ferrite mulai terbentuk dan mengendap dari austenit turun. Baja dengan kadar karbon 0.80 wt.% biasanya disebut baja eutectoid dan struktur baja eutectoid ini terdiri dari ferit () dan pearlite (+Fe3C), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Temperatur eutectoid merupakan temperatur terendah pada logam, dimana pada logam terjadi perubahan struktur didalam keadaan padat dan merupakan temperatur kesetimbangan terendah dimana austenit berubah menjadi ferrite dan sementit. Jika kadar karbon baja lebih besar dari temperatur eutectoid, harus diperhatikan garis yang berada pada diagram besi karbida yang bertanda Acm. Dimana garis ini menyatakan bahwa karbida besi mulai terpisah dari austenit. Karbida besi dengan rumus Fe3C biasa disebut sementit. 8 Gambar 2.1. Diagram fasa Fe-Fe3C (Callister and Rethwisch, 2009) Baja yang memiliki kadar karbon kurang dari komposisi eutectoid (0.76 wt.%) di sebut dengan baja hipoeutectoid, dan baja yang berkadar karbon lebih dari komposisi eutectoid disebut baja hypereutectoid. Pada temperatur antara 723-1130 (C) terdapat satu fasa yang terbentuk yaitu fasa austenit dan sementit. Pada temperatur 723 C butiran fasa tunggal bertransformasi dibawah keseimbangan bentuk α dan Fe3C dalam satu butiran yang besatu dengan baik, dan lapisan seratserat bajanya yang terbentuk disebut pearlite (Van Vlack, 2000). 2.3. Celup panas (hot dipping) Pelapisan hot dipping adalah pelapisan logam dengan cara mencelupkan pada sebuah material yang terlebih dahulu dilebur dari bentuk padat menjadi cair pada sebuah pot atau tangki menggunakan energi dari gas pembakaran atau menggunakan energi alternative seperti panas listrik. Titik lebur yang digunakan pada pelapisan material ini adalah biasanya beberapa ratus derajat celcius tetapi tidak melebihi 1000oC. proses hot dipping perlu dilakukan persiapan permukaan, komposisi kimia yang berhubungan dengan larutan kimia dan material logam (kemurnian dan komposisi campuran) juga temperatur. Sebelum dilapisi dalam proses hot dipping permukaan benda kerja bebas dari lemak, oksida dan kotoran lain. Lapisan yang terbentuk relatif tipis. Adapun syarat yang harus dipenuhi untuk melakukan proses hot dipping, yaitu: 9 A. Permukaan benda kerja yang dilapisi bersih dan bebas dari kororan. Oleh karena itu benda kerja dibersihkan terlebih dahulu dengan larutan pembersih yang digunakan untuk hot dipping. B. Logam yang akan dilapisi mempunyai titik lebur yang lebih tinggi dan untuk logam pelapis (timah, seng atau aluminium) mempunyai titik lebur yang lebih rendah. C. Jumlah deposit logam yang akan melapisi permukaan benda hendaknya proposiona (Dede, 2012). 2.4. Hot Dipping Aluminium Dalam pemanfaatan logam terutama aluminium untuk pelapisan, ada dua jenis pelapisan hot dipping aluminium yaitu : 2.4.1. Pelapisan aluminium type 1 ( Pelapisan Al-Si). Lapisan ini adalah lapisan yang tipis yaitu dengan ketebalan menurut kelasnya. Untuk kelas 40 tebal lapisannya adalah 20-25 µm dan untuk kelas 25 biasanya untuk kepentingan tertentu yaitu pelapisan 12 µm. Silikon yang dicampurkan pada type 1 ini rata-rata adalah 5-11% untuk perintah mencegah pembentukan lapisan tebal antara logam besialuminium, dimana akan merusak pelekatan lapisan dan kemampuan untuk membentuk. 2.4.2. Pelapisan aluminium type 2 (Al Murni). 10 Lapisan ini adalah lapisan yang ketebalnya 30-50 µm. Aluminium yang digunakan adalah aluminium murni. Produk yang dihasilkan bisanya digunakan pada kontruksi luar ruangan yaitu : atap rumah, pipa air bawah tanah, menara yang memerlukan ketahanan korosi udara. Pada lingkungan perairan laut, pelapisan ini sangat baik ketahannya terhadap korosi celah. 2.5. Proses Pelapisan Aluminium Pada Baja Karbon Rendah Baja karbon rendah yang mengalami pelapisan dengan cara pencelupan dengan menggunakan aluminium yang telah dicairkan dengan menggunakan berbagai waktu pencelupan dengan titik lebur aluminium 660 oC akan menambah pelapisan pada baja karbon rendah. Hasil penelitian menunjukan bahwa lapisan aluminium terdiri atas lapisan luar aluminium yaitu FeAl3 dan lapisan utamanya Fe2Al5. Baja karbon rendah yang mengalami proses hot dipping dengan menggunakan aluminium umumnya menggunakan tungku pada temperatur lingkungan, yang berkaitan dengan pembentukkan Al2O3 yang baik sebagai lapisan permukaan pada baja karbon rendah. Hal ini berguna untuk mencegah proses oksidasi ketika baja digunakan pada temperatur yang tinggi. Struktur mikro yang terbentuk melindungi baja karbon rendah yang terdiri dari komposisi pada saat pencelupan lapisan aluminium yang dibentuk oleh baja dan aluminium yang mengalami interdifusi sepanjang proses pencelupan. Dalam pengujian pelapisan aluminium pada baja karbon rendah bertujuan untuk mengetahui ketebalan lapisan dari proses hot dipping dengan waktu tahan yang 11 telah ditentukan akan didapat tebal lapisan oksida, yang menunjukan dimana untuk tiap stripnya mewakili 5 µm. Dari ketebalan yang akan diperoleh akan menghasilkan ketahanan terhadap korosi yang terjadi. 2.6. Oksidasi Oksidasi merupakan sebuah proses terjadinya pengkaratan yang biasanya terjadi pada logam yang disimpan terlalu lama. Oksidasi secara kimia yaitu pengurangan kandungan ion, molekul dan atom. Penambahan oksigen pada unsur lain dikenal dengan oksidasi dan unsur yang menyebabkan oksidasi dinamakan unsur pengoksidasi. Sebaliknya jika terjadi penambahan unsur oksigen pada sebuah logam disebut reduksi dan unsur yang meyebakan reduksi dinamakan unsur pereduksi. Oksidasi sangat dipengaruhi dengan keadaan lingkungan udara sekitar, apabila lingkungan udara sekitar lembab maka akan mempercepat terjadinya oksidasi. Reaksi yang terdiri dari peristiwa reduksi dan oksidasi atau reaksi perubahan bilangan oksidasi disebut redoks. Reaksi redoks melibatkan tranfer elektron dimana elektron yang dilepas oleh unsur yang mengalami oksidasi akan diterima oleh unsur yang melami reduksi. 2.6.1. Rasio Pilling-Bedworth 12 Pada natrium, kalium, magnesium memili lapisan oksida berpori pada permukaannya, adapun yang rapat atau tidak berpori sepert besi, tembaga, nikel. Muncul atau tidaknya pori pada lapisan oksida berkolerasi dengan perbandingan volume oksida yang terbentuk dengan volume material yang teroksidasi. Perbandingan ini dikenal dengan Pilling-Bedworth Ratio, dimana (Pilling & Bedworth, 1923) : = = (2.1) Keterangan : M : berat molekul oksida (dengan rumus MaOb) D : Kerapatan Oksida a : Jumlah atom material per molekul oksida m : berat atom material d : kerapatan material Apabila rasio volume oksida material kurang dari satu, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori. Jika rasio volume oksida material mendekati satu atau sedikit lebih dari satu maka lapisan oksida yang terbentuk adalalh rapat 13 tidak berpori dan apabila rasio jauh lebih besar dari lapisan oksida akan retak-retak. 2.6.2. Penebalan Lapisan Oksida Lapisan oksida yang terbentuk pada permukaan cenderung menebal. Beberapa kemungkinan mekanisme yang terjadi, yaitu: a. Lapisan oksida terbentuk berpori, maka molekul oksigen bisa masuk melalui pori-pori dan bereaksi dengan material. Lapisan oksida bertambah tebal. Terjadi jika volume oksida material kurang dari satu. Sifat dari lapisan oksida ini non-proteksi tidak memberika perlindungan pada material yang dilapisinya terhadap proses oksidasi setelahnya. Gambar 2.2. Lapisan oksida berpori b. Lapisan oksida tidak berpori, ion material menembus lapisan oksida menujung bidang batas oksida udara secara difusi. Pada perbatasan oksida udara material bereaksi dengan oksigen dann menambah tebal 14 lapisan yang telah ada. Elektron bergerak dengan arah yang sama agar pertukaran elektron dalam reaksi dapat terjadi. Gambar 2.3. Lapisan oksida tidak berpori c. Lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapat berdifusi menuju bidang batas material oksida dan bereaksi dengan material di batas bidang material oksida. Elektron yang bebas dari permukaan logam tetap bergerak ke arah bidang batas oksida udara. Gambar 2.4. lapisan oksida tidak berpori d. Beberapa kemungkinan yang terjadi adalah gabungan antara lapisan berpori dengan tidak berpori dimana ion material dan elektron bergerak 15 kearah luar sedangkan ion bergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di dalam lapisan oksida (Sudaryanto & Utari, 2011). 16 III. METODE PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian Dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian ketahanan oksidasi baja CrMo-Ni di lingkungan uap air yang dilapisi aluminium pada temperatur 750○C. 3.2. Tempat Penelitian Pengerjaan, pengujian serta observasi spesimen dalam penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Material Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung dan pengujian morfologi dilakukan di Pusat Penelitian Metalurgi LIPI 3.3. Alat dan Bahan Penelitian Adapun alat dan bahan yang digunakan, yaitu sebagai berikut : 3.3.1. Alat Penelitian a. Tungku (Furnace Elektrik) Digunakan sebagai proses pelapisan dengan metode hot dipping dan proses oksidasi Gambar 3.1. Tungku Furnace b. Amplas listrik (Grinding) Digunakan untuk menghaluskan permukaan spesimen menggunakan amplas dengan kekasaran 240-500-1000-1200. Gambar 3.2. Amplas Listrik (Grinding) 17 c. Jangka Sorong Digunakan untuk membantu dalam pengukuran Gambar 3.3. Jangka Sorong d. Mistar Digunakan untuk membantu dalam pengukuran spesimen Gambar 3.4. Mistar e. Mesin Bor Listrik Digunakan untuk melubangi spesimen dengan diameter 1 mm 18 Gambar 3.5. Mesin Bor Listrik f. Ultrasonic Cleaniner Digunakan sebagai pembersih sisa kotoran dan lemak pada spesimen Gambar 3.6. Ultrasonic Cleanner g. Kawat Stainless Steel dan Tang Digunakan sebagai pembuat gantungan spesimen uji ketika dicelup kedalam bak aluminium 19 Gambar 3.7. Kawat Stainless Steel dan Tang h. Pinset/Penjepit Digunakan untuk mengambil spesimen Gambar 3.8. Pinset/ Penjepit i. Timbangan Analitik Digital Digunakan untuk menimbang spesimen sebelum dan sesudah proses oksidasi dengan ketelitian 0,1 mg 20 Gambar 3.9. Timbangan Analitik Digital j. Thermocouple Digunakan sebagai pengukur suhu dalam tungku furnace sebelum melakukan proses hot dipping. Gambar 3.10. Thermocouple 21 k. Pengering (Hair Dryer) Digunakan sebagai pengering spesimen yang telah diberikan flux Gambar 3.11. Hair Dryer 3.3.2. Bahan Penelitian a. Baja Cr-Mo-Ni Digunakan sebagai spesimen pengujian dalam penelitian ini. Gambar 3.12. Spesimen Uji Baja Cr-Mo-Ni 22 b. Larutan kimia Larutan kimia yang terdiri dari aceton, etanol, NaOH, H3PO4 dan aquades yang digunakan sebagai proses pencucian atau pembersihan sisa kotoran pada spesimen uji baja Cr-Mo-Ni. Gambar 3.13. Larutan Kimia c. Flux Digunakan sebagai proses pelumuran baja Cr-Mo-Ni sebelum dicelupkan ke bak aluminium. Gambar 3.14. Flux 23 d. Aluminium Digunakan sebagai bahan proses pelapisan Al pada baja Cr-Mo-Ni Gambar 3.15. Aluminium 3.4. Prosedur Kerja 3.4.1. Proses Pembuatan Spesimen Spesimen atau benda uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja paduan rendah Cr-Mo-Ni. Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam pembuatan spesimen ini adalah sebagai berikut : Tabel 3.1. Daftar pengujian untuk baja Cr-Mo-Ni dilapisi aluminium Waktu Oksidasi (jam) SEM/EDS 1 jam 4 jam 9 jam 20 jam 24 3.4.2. Pemotongan Spesimen Uji Pemotongan specimen uji dilakukan dengan menggunakan gergaji besi. Dengan ukuran specimen 10 x 20 x 2 mm2 . Dimana bentuk potongan yang dihasilkan masih panjang dan kasar. 3.4.3. Cleaning Yang dimaksud dengan cleaning yaitu pembersihan permukaan logam yang bertujuan menghilangkan kotoran dan bentuk struktur permukaan spesimen yang baik. Dalam hal ini ada beberapa proses yang dilakukan antara lain : 3.4.3.1. Proses Polishing Ialah proses pengamplasan pada permukaaan baja dengan menggunakan amplas nomor 200-1500. Dengan tujuan menghaluskan bagian sisi-sisi permukaan. 3.4.3.2. Proses Pencucian Lemak Pencucian lemak dengan menggunakan etanol dimaksudkan agar benda kerja bebas dari lemak atau minyak yang dapat mengganggu daya rekat hasil pelapisan. 3.4.3.3. Proses Pembilasan Proses pembilasan dengan menggunakan air yang berfungsi untuk menghilangkan sisa-sisa etanol yang masih ada pada permukaan benda kerja. 25 3.3.4. Pickling Proses pickling adalah proses pembersihan material setelah proses cleaning dengan menggunakan bahan kimia yang mengandung asam. Dalam hal ini ada beberapa proses yang dilakukan antara lain : 3.3.4.1. Pencucian dengan 10% NaOH dan 5% HPO3 Proses pencucian dilakukan pada permukaan benda kerja yang masih mengandung lemak atau minyak. Merendam benda kerja ke dalam larutan NaOH + HPO3 + air dengan perbandingan 1:1:1 . 3.3.5. Fluxing Proses dimana baja sebelum dicelupkan ke aluminium cair terlebih dahulu dilumuri dengan aluminium flux yang bertujuan agar logam dapat tertutupi semua bagian luarnya sehingga oksidasi dengan udara luar tidak terjadi. Tahapan akhir perlakukan awal ini adalah pengering baja tersebut di dalam udara dengan temperatur kamar selama 10 menit. 3.3.6. Dipping Proses dipping adalah proses akhir yang dilakukan dengan mencelupkan baja ke dalam Aluminium cair. Untuk waktu pencelupan yang akan dilakukan dalam proses pelapisan ini adalah 2 menit. 3.3.7. Cooling 26 Proses ini adalah proses pendinginan material yang telah melalui proses Hot dipping dengan cara mencelupkan ke dalam air agar lapisan logam yang melapisi segera mendingin. 3.4. Karakterisasi Setelah melalui proses pengujian oksidasi maka specimen akan melalui tahapan pengujian karakterisasi. Proses yang akan dilakukan adalah XRD (X-Ray Diffraction) SEM (Scanning Elektron Microscopy) atau EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectrometer) untuk mengetahui fasa dan struktur mikro baja. 3.6. Pengumpulam Data Pengumpulan data-data yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yang akan dilakukan ialah melakukan perhitugan massa dari specimen, untuk mendapatkan perbandingan antara massa (∆ ) per satuan luas (A) dan waktu pengujian (t). Dengan menggunakan rumus berikut : Dimana : ∆ = − (3.1) W1 = Berat benda uji setelah oksidasi (mg) W0 = Berat benda uji sebelum oksidasi (mg) Dan perhitungan luas permukaan benda uji : A=2(pxl+pxt+lxt) (3.2) Dimana : A = luas permukaan spesimen (cm2) 27 p = Panjang spesimen (cm) l = Lebar spesimen (cm) t = Tinggi spesimen (cm) 3.7. Diagram Alir Studi literatur dan survey Persiapan bahan baja Cr-Mo-Ni Proses hot dipping Pengujian Oksidasi Analisa Sampel SEM / EDS Analisa data Proses hot dipping Kesimpulan dan Saran Selesai Gambar 3.16. Diagram Alir. 28 V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1. Simpulan Dari hasi pengujian oksidasi pada lingkungan uap air yang bertemperatur 750 0C selama rentang waktu 1- 20 jam, menghasilkan beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut : 1. Keberadaan lapisan Al pada baja Cr-Mo-Ni yang dilapisi aluminium 7% Si berpengaruh besar sebagai lapisan pelindung terhadap oksidasi lingkungan uap air. 2. Didapatkan hasil penambahan berat (weight gaint) untuk baja Cr-Mo-Ni yang dilapisan aluminium setelah oksidasi lingkungan uap air selama 20 jam adalah sekitar 0,0290350 mg/mm2. Sedangkan untuk baja pada lingkungan udara kering setelah dioksidasi dengan waktu yang sama adalah sekitar 0,0113499 mg/mm2. Nilai penambahan berat berbanding terbalik dengan ketahanan oksidasi. Semakin tinggi nilai penambahan berat, maka semakin rendah ketahanan oksidasinya dan juga sebaliknya. 3. Dari hasil perhitungan diperoleh data hasil regresi linier nilai konstanta parabolik untuk baja Cr-Mo-Ni dilapisi aluminum di udara uap air adalah Kp = 2,34 × 10−8 mg2 mm−4 s−1 dan untuk baja yang dioksidasi di lingkungan udara kering adalah kp = 2,5 ×10−9 mg2 mm−4 s−1 . Nilai konstanta parabolik berbanding terbalik terhadap ketahanan oksidasi. Semakin rendah nilai konstanta parabolik maka ketahanan oksidasi semakin tinggi dan juga sebaliknya. 4. Fasa intermetalik yang terbentuk dari baja Cr-Mo-Ni yang dilapisi Al yaitu Fe2Al5, FeAl2 dan FeAl. Penambahan lapisan protektif Al2O3 disuplai oleh atom-atom Al dari fasa Fe2Al5 dan FeAl2 5. Lapisan protektif Al2O3 yang tipis dan padat memberikan perlindungan yang besar pada baja Cr-Mo-Ni dipanaskan pada suhu 750○C lingkungan basah. 5.2. Saran Berdasarkan pembahasan dan hasil pengujian yang diperoleh, masih perlu dilakukan beberapa pemecahan masalah lebih lanjut, terkait dengan ketahanan oksidasi udara basah pada suhu tinggi. Ketahan oksidasi tergantung dengan lingkungan udara, temperatur dan juga waktu, sehingga perlu dilakukan pengujian lebih lanjut untuk mengetahui perubahan ketahanan oksidasi sebagai fungsi suhu pada masing-masing material. Selain itu juga, pengaruh kondisi baja sebelum oksidasi diperlukan untuk mengetahui perubahan ketahanan dan kinetika oksidasi. pengaruh waktu lebih lama cukup besar pada oksidasi untuk melengkapi data pengujian lebih lanjut. Sehingga, nantinya akan didapat hasil pengujian yang menjadi bahan pertimbangan dalam menentukan kualitas material tahan korosi udara basah bertemperatur tinggi. 40 DAFTAR PUSTAKA Bruce, Bramfitt. 2006. Mechanical Engineers’ Handbook : Materials and Mechanical Design. Reprint from Handbook materials selection, wiley, New York . vol. 1. Edition 3rd C.J.Wang and S.M. Chen. 2006. The High Temperatur Oxidation Behavior of Hot Dipping Al-Si Coating on Low Carbon Steel, Surf. Coat. Vol.200,6601 Callister. W.D, and Rethwisch. D.G, Jr., 2009, Materials science and engineering: an introduction. 8th Ed., John Wiley & Sons, Inc. USA, pp. 122-126, 252319. H. Asteman, J.E. Svensson, L.G. Johansson. 2002. Evidence for Chromium Evaporation Influence the Oxidation of 304L the Effect of Temperature and Flow Rate. Oxidation Met. Vol 57, pp. 193-216 M. Halvarsson, J.E. Tang, H. Asteman, J.E. Svensson dan L.G. Johansson. 2006. Microstructural Investigation Of The Breakdown Of The Protective Oxide Scale On A 304 Steel In The Presence Of Oxygen And Water Vapour At 600o C. Corrosion Science. Vol. 48, pp. 2014-2035 M. Khamdun. 2015. Ketahanan Oksidasi Baja A238 yang Dilapisi Aluminium pada Temperatur 7500C. Universitas Lampung. Lampung N.B. Pilling, R.E. Bedworth. 1923. The Oxidation of Metals at High Temperatures. J. Ins. Met. P529-591 N.K. Othman, N. Othman, J. Zhang dan D.J. Young. 2009. Effect Of Water Vapour On Isothermal Oxidation Of Chromia-Forming Alloys in Ar/O2 And Ar/H2 Athmospheres. Corrosion Science. Vol. 51, pp 3039-3049 Pieraggi,B.1987. Calculation of parabolic Reaction Rate Constants. Oxidation of Metals, Vol.27, P177-185 Prasongko, Dede Yudo. 2012. Optimasi Parameter Pelapisan Celup Panas Baja AISI 1020 dengan Aluminium. Universitas Lampung. Bandar Lampung S. Paldey, S.C. Deevi. 2003. Cathodic Arc Deposited FeAl coatings : Properties and Oxidation Characteristics. Materials Science and Engineering. Vol.355, P208-215 Sudirham. S, Utari. N, 2011. Mengenal Sifat – Sifat Material. Eecafedotnet. Files. Wordpress.com/2011/08/oksida-dan-korosi.pdf diakses pada tanggal 23 April 2016 V. Lepingle, G. Louis, D. Allue, B. Lefebvre dan B. Vandenberghe. 2008. Steam Oxidation Of New 12% Cr Steels : Comparison With Some Other Ferritic Steels. Corrosion science. Vol.50, pp. 1011-1019 Van Vlack. L.H, 2000. Elemen-elemen dan Rekayasa Material. Edisi keenam. Erlangga : Jakarta. Wang, Chaur Jeng. Badaruddin, Mohd. 2010. The Dependence Of High Temperature Resistance Of Aluminized Steel Exposed To Water-Vapour Oxidation. Surface & Coating Technology. Vol. 205, pp. 1200-1205 M.P. Brady, Y. Yamamoto, M.L. Santella dan L.R. Walker. 2009. Composition, microstructure and water vapour Effect on Internal/External Oxidation of Alumina Forming Austenitic Stainless Steels. Oxid. Met. Vol.72. P311