Makalah Ilmiah Ku (korosi material baja karbon dan stainless steel)

Karakterisasi perbandingan material baja karbon rendah dan baja nirkarat di lingkungan 5% klorida dengan uji kabut garam

Gadang Priyotomo dan Hartati Soeroso

Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI

Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang

Banten 15134

Abstrak

Lingkungan agresif yang mengandung ion klorida mengakibatkan korosi pada logam. Pemilihan material diperlukan untuk mencegah terjadinya korosi pada lingkungan yang mengandung ion klorida. Pengujian kabut garam dengan standar ASTM B 117 dilakukan dengan waktu ekspos 24, 48, 72, 96, 168 jam terhadap logam baja karbon rendah, AISI 304 dan AISI 316L.

Baja karbon rendah rentan terhadap korosi dengan laju korosi 143,6726 mdd. Laju korosi logam AISI 304 lebih tinggi (0,132613 mdd) dibandingkan AISI 316L (0,102045 mdd). Urutan ketahanan korosi logam yaitu Baja karbon rendah <>

Kata kunci : Uji kabut garam, Baja karbon rendah, AISI 304, AISI 316L, klorida, laju korosi

Abstract

Aggresive environment containing ion of chloride result metal corrosion. Material selection needed to prevent the happening of corrosion at environment containing chloride ion. Examination of salt fog with standard of ASTM B 117 conducted with time of exposure 24, 48, 72, 96, 168 hours towards low carbon steel, AISI 304 and AISI 316L

Low carbon steel is susceptible to corrosion with corrosion rate 143,6726 mdd. Corrosion rate of AISI 304 is higher (0,132613 mdd) than AISI 316L (0,102045 mdd). Series of metal corrosion resistance are low carbon steel <>

Keyword: Salt fog testing, low carbon steel, AISI 304, AISI 316L, chloride, corrosion rate

Pendahuluan

Biaya untuk metode kontrol korosi dan servis akibat proses korosi pada seluruh logam komersial di Amerika Serikat pada tahun 1998 berjumlah 7,7 milyar dolar amerika. Di Jepang, pada tahun 1997 biaya untuk penggantian logam akibat proses korosi sekitar 443,24 milyar yen. Sedangkan di Indonesia belum ada nilai biaya pasti akibat proses korosi.

Pada baja karbon rendah dengan kadar pemadu terbatas umumnya di bawah 2% dari total logam dasar Fe, logam tersebut sangat rentan terjadinya korosi karena rendahnya unsur – unsur pemadu untuk meningkatkan ketahanan korosi. Unsur-unsur pemadu tersebut adalah tembaga,krom, nikel, molybdenum dan fosfor dalam jumlah tertentu. Setiap logam mempunyai unsur ikutan dengan nilai yang sangat rendah sehingga tidak berpengaruh terhadap ketahanan korosi.

Faktor penting dalam korosi lingkungan adanya hujan, kabut atau pengembunan akibat kelembaban relatif yang tinggi. Dalam suatu struktur harus diperhatikan rancangan struktur agar mengalir dengan bebas air dan cukup ventilasi untuk mengeringkan seluruh permukaan. Kabut dan pengembunan bisa mengakibatkan korosi membasahi seluruh permukaan. Selapis tipis air yang tidak kelihatan sudah cukup membuat suatu sel korosi yang baik. Adanya tiga faktor sel korosi yaitu anoda, katoda dan elektrolit. Lapisan tipis embun yang terbentuk dari embun dari kabut atau dari kelembaban tinggi mudah jenuh dengan oksigen dari udara sehingga terjadi daerah katodik. Laju atau tingkat keparahan suatu logam pada korosi lingkungan umumnya ditentukan konduktivitas elektrolit yang terlarut. Salah satunya yaitu lingkungan yang mengandung ion-ion klorida atau lingkungan laut.

Pada lingkungan laut dengan kadar garam hingga 3,5% atau lingkungan dengan mempunyai kadar ion klorida uang cukup tinggi, baja karbon rendah mengalami kegagalan material akibat korosi yang menyeluruh ke seluruh permukaan logam tergantung dari konsentrasi elektrolit di lingkungan. Aplikasi baja karbon rendah di lingkungan dengan kadar ion klorida lebih dari 3% banyak di pakai pada shipbuilding dan marine equipment. Korosi lingkungan (atmospheric corrosion) harus diperhatikan dalam spesifikasi logam baja karbon khususnya adanya ion klorida.

Pencegahan korosi pada korosi lingkungan dilakukan dengan perbagai cara yaitu dengan pemilihan logam tahan korosi dan lapis lindung. Salah satu pencegahan yang di bahas dalam penelitian ini adalah pemilihan logam tahan korosi. Logam tahan korosi antara lain baja nirkarat AISI 304 dan AISI 316L. baja nirkarat tersebut. Logam–logam tersebut sangat tahan terhadap korosi lingkungan khususnya lingkungan yang mengandung ion-ion klorida hingga 3,5%wt. Ini disebabkan adanya unsur-unsur pemadu kromium lebih dari 4 % yang akan meningkatkan ketahanan korosi pada lingkungan agresif, unsur nikel juga meningkatkan ketahanan korosi. Pada logam AISI 316L, unsur nikel lebih banyak ditambahkan dibandingkan logam AISI 304 dan juga unsur molibdenum untuk meningkatkan ketahanan korosi suhu tinggi serta tahan terhadap proses pickling larutan asam. Gambar 1 memperlihatkan urutan ketahanan logam pada lingkungan laut atau kadar ion klorida lebih dari 3%.

Gambar 1. Deret galvanik berbagai logam dalam lingkungan klorida.

Penelitian ini untuk melihat secara awal ketahanan korosi baja karbon rendah, AISI 304 dan AISI 316L di lingkungan agresif NaCl 5% melalui pengujian kabut garam dengan interval 24, 48, 72, 96 dan 168 jam berturut-turut sehingga dihasilkan suatu indikator awal kerusakaan secara kualitatif dan secara kuantitatif melalui nilai kehilangan berat setiap waktu ekspos dan laju korosi logam tersebut. Namun pengujian kabut garam kurang representatif dalam kuantifikasi laju korosi . Dari hasil-hasil ini menyebutkan laju korosi akan turun seiring dengan waktu ekspos menjadikan penelitian ini sebagai bahan referensi untuk mewakili secara nyata di lingkungan pantai karena kondisi yang konstan dan ekstrem saat pengujian.

Metodologi Penelitian

Pada penelitian tersebut, prosedur penelitian ini menjadi 2 bagian utama yaitu :

1. Preparasi benda uji dan perhitungan

2. Pengujian kabut garam

Preparasi benda uji

· Benda uji berupa pelat dengan ketebalan 7 mm dipotong dengan jig saw dengan ukuran 4 cm x 6 cm sebanyak 5 sampel untuk setiap jenis logam uji.

· Benda uji tersebut dibersihkan dari kotoran (lemak dan debu) dan karat-karat di permukaan logam dengan metode pickling sesuai standar ASTM G1-99.

1. Baja karbon rendah dibersihkan dengan 500 ml Asam klorida (HCl) ditambah inhibitor 3,5 gram Hexamethylene tetramine dengan alat ultrasonic cleaner.

2. Baja nirkarat AISI 304 dan AISI 316L dibersihkan dengan larutan asam nitrat 100 mL dan dilarutkan di dalam aquades hingga 1000 mL kemudian dipanaskan hingga temperatur 60⁰C dengan alat ultrasonic cleaner.

· Semua sampel yang masuk ke larutan pembersih kemudian dibersihkan dengan aquades dan metanol kemudian dikeringkan dengan alat pengering.

· Setelah itu ditimbang berat awal masing-masing sampel sebelum diuji.

Pengujian kabut garam

Pengujian kabut garam memakai standar ASTM B 117-97. Langkah-langkah persiapan alat uji kabut garam (fog salt testing) yaitu:

1. Posisikan sampel pelat hingga 30⁰ terhadap garis vertikal dan ditempatkan pada rak-rak yang terbuat dari polimer.
2. Larutan uji 5%wt sodium klorida (NaCl) dari total larutan sesuai spasifikasi standar ASTM D19 - 93.
3. Temperatur uji dijaga 35⁰ C(95⁰ F) dengan pH 6,5 – 7,2 dan tekanan sebelum ke nozzle antara 69 – 172 kPa/m².
4. Waktu ekspos sampel uji 24, 48, 72, 96 dan 168 jam secara periodik.
5. Setiap interval pengujian diambil 3 sampel uji yang berbeda. Sampel uji di foto secara makro perbesaran 2 X kemudian dibersihkan melalui proses pickling, setelah itu ditimbang untuk mendapatkan berat setelah pengujian.
6. Setiap interval diulang hingga 168 jam

Perhitungan kehilangan berat (weight loss) dilakukan dengan melakukan perhitungan selisih antara berat awal dan berat akhir terlihat pada rumus perhitungan berikut :

DW = W_O – W_A

DW = Selisih berat (gram)

W_O = Berat sebelum uji

W_A = Berat setelah uji

Perhitungan laju korosi dapat dilakukan dengan melihat rumus laju korosi secara umum.

Laju korosi = (K x W) / (A x T xD)

K = Konstanta (2,40x 10⁶ x D)

T = Waktu ekspos (jam)

A = Luas permukaan logam (cm²)

W = Kehilangan berat (gram)

D = Densitas logam (gram/cm²)

Hasil dan Pembahasan

Korosi lingkungan khususnya lingkungan dengan kadar ion klorida lebih dari 3% sangat berbahaya terhadap logam yang rentan terhadap korosi. Pada logam baja karbon rendah dengan kadar karbon di bawah 0,02%, krom <>

Proses elektrokimia berperan besar terjadinya korosi. Adanya empat komponen terjadinya korosi dalam sel yaitu adanya anoda, katoda, elektrolit dan hubungan listrik. Pada pengujian kabut garam, kondisi pH sekitar 6,5 hingga 7,2 mendekati netral di atmosfer menyebabkan proses reduksi terjadi. Pada baja lunak dengan kadar karbon rendah hingga 0,02%wt sangat rentan terjadinya proses korosi. Pada pengujian kabut garam dengan standar ASTM B 117, baja karbon diekspos interval 24, 48, 72, 96 dan 168 jam di ruang kabut garam dengan kondisi temperatur 35⁰C.

Tabel 1. Kehilangan berat dan laju korosi baja lunak dengan pengujian kabut garam

Waktu ekspos (jam)	Berat awal (gram)	Berat akhir (gram)	Kehilangan berat (gram)	Laju korosi (mdd)
24	18,5595	18,3891	0,1704	50,71429
48	19,1145	18,8428	0,2717	80,8631
72	18,6527	18,2	0,4527	134,7321
96	18,8569	18,2916	0,5653	168,244
168	19,3364	18,3828	0,9536	283,8095

Pada Tabel 1 terlihat bahwa makin lama waktu ekpos semakin besar namun laju korosi fluktuasi mendekati turun. Pada waktu ekspos 24 jam, kehilangan berat 0,1704 gram (0,918%) sedangkan waktu ekspos 168 jam sekitar 0,9536 ( 4,93 % berat total). Ini merupakan indikasi awal bahwa baja karbon rendah ini mengalami kerusakan korosi dengan kategori parah terlihat dari laju korosi antara 50,71429 mdd – 3283,8095 mdd.

Kerusakan tersebut disebabkan adanya lingkungan yang berisi kabut air garam yang mengandung ion-ion klorida. Pada Gambar 2, konsumsi oksigen pada reaksi katoda normal dalam larutan netral menyebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi oksigen dalam elektrolit. Daerah basah yang berdekatan dengan udara atau antarmuka elektrolit menerima oksigen dari difusi lebih banyak dibandingkan daerah di tengah butiran air yang kurang kadar oksigen. Perbedaan konsentrasi antara daerah tengah dan daerah di pinggir butir air mengalami polarisasi anodik sehingga terlarut menjadi ion-ion logam (Fe⁺²)

Fe à Fe²⁺ + 2e^-

Ion-ion hidroksil terjadi di daerah katoda, terdifusi ke arah dalam dan bereaksi dengan ion-ion besi yang terdifusi kearah luar. Hasil produk yang tidak larut dalam air di sekeliling lubang akibat lepasnya logam menjadi ion logam sehingga menghambat difusi oksigen dan mempercepat proses anodik di daerah tengah butir air. Proses korosi ini dipercepat dengan adanya ion-ion klorida sebagai katalis. Di bawah ini merupakan reaksi lengkap dari mekanime proses korosi di daerah butir air.

Fe²⁺ + 2(OH)^- à Fe(OH)₂ ¯ (Ferro hidroksida)

Atau 4Fe + 6H₂O + 3O₂ à 4Fe(OH)₃ ¯

Berubah menjadi ferrous oksida dengan lepasnya air :

2Fe(OH)₃ à Fe₂O₃ ¯ + 3H₂O

2Fe(OH)₂ + Fe²⁺ + 2H₂O à Fe₃O₄ + 6H⁺ (Magnetit)

Fe(OH)₂ + (OH)^- à FeO (OH) ¯ + H₂O

Gambar 2. Sel korosi pada butir air di permukaan logam

Secara teori, jika proses elektrokimia terjadi secara simultan dengan menganggap lingkungan yang tetap dan tidak ada perubahan internal pada logam sehingga laju oksidasi konstan akan menurunkan laju korosi pada logam karena lapisan oksida menutupi seluruh permukaan logam sehingga tidak ada ion-ion agresif berdifusi masuk ke dalam logam. Namun kenyataan di lapangan bahwa logam tersebut mengalami perlakuan alam dari luar seperti hujan, angin dan kabut serta internal logam sendiri.

Pada pengujian ASTM B 117, cukup mewakili keadaan tersebut dengan menyemprotkan butir-butir air yang mengandung 5% garam keseluruh ruang uji dengan tekanan dan ukuran butir air tertentu sehingga tekanan di ruang uji lebih tinggi di banding tekanan di luar ruang, terlihat pada Gambar 3, keadaan permukaan benda uji. Produk-produk korosi secara teoritis tersebut berupa di permukaan baja karbon. Pada baja lunak terekpsos 48 jam, permukaan baja mulai tertutup, hanya sedikit yang tidak tertutup dan semakin tebal karat yang terjadi. Saat 72 jam ekspos warna karat mulai bermunculan ditandai warna hitam yang merupakan produk hematit dari reaksi fero hidroksida dan ion besi karena ion besi diberi kesempatan untuk bereaksi dengan senyawa fero hidroksida. Produk karat semakin tebal namun ada sedikit yang tidak tertutup oleh karat.

Gambar 3. Korosi baja lunak dengan uji kabut garam dengan interval 24, 48, 72, 96 dan 168 jam.

Pada ekspos 96 jam, warna hitam produk korosi semakin banyak dan hingga waktu ekspos 168 jam semakin pekat dan banyak. Produk korosi dengan waktu ekspos 168 jam semakin tebal dengan lapisan terdalam Ferro Hidroksida, lapisan kedua hematit dan terluar lapisan feri oksida.

Pencegahaan korosi lingkungan dilakukan dua hal yaitu pemilihan material tahan korosi dan lapis lindung pada logam. Pemilihan material dilakukan dengan melihat spesifikasi dari material tersebut, pada umumnya di lihat dari komposisi pemadu unsur-unsur di dalam logam untuk meningkatkan ketahanan korosi. Logam alternatif antara lain logam AISI 304 dan AISI 316L.

Logam AISI 304 merupakan jenis baja austenitik dengan unsur krom 18% dan 8% nikel yang dikombinasikan dengan 0.08% maksimum karbon terlihat pada Tabel 2.Logam ini merupakan baja nonmagnetik yang tidak bisa diproses perlakuan panas, tetapi hanya bisa melalui proses pengerjaan dingin untuk mendapatkan kekuatan tarik tinggi. Unsur pemadu krom berfungsi untuk meningkatkan ketahanan oksidasi dan korosi. Unsur nikel 8% juga meningkatkan ketahanan korosi untuk media lingkungan reduksi.

Tabel 2. Komposisi kimia AISI 304

Carbon	0.08% max.	Silicon	1.00% max.
Manganese	2.00% max.	Chromium	18.00-20.00%
Phosphorus	0.045% max.	Nickel	8.00-10.50%
Sulfur	0.030% max.

Tabel 3. Kehilangan berat dan laju korosi AISI 304 dengan pengujian kabut garam

Waktu ekspos (jam)	Berat awal (gram)	Berat akhir (gram)	Kehilangan berat (gram)	Laju korosi (mdd)
24	19,4129	19,4124	0,005	0,127551
48	18,7751	18,7748	0,003	0,076431
72	19,2094	19,209	0,004	0,102041
96	18,8332	18,8329	0,0003	0,076431
168	19,0186	19,0175	0,0011	0,280612

Pada Tabel 3, nilai kehilangan berat sangat kecil. Pada waktu ekspos 24 jam hanya 0,005 gram (0,02575% dari total berat awal) sedangkan saat waktu ekspos 168 jam sekitar 0,0011 gram (0,00578% dari total berat awal). Faktor laju korosi pada AISI 304 digolongkan tidak parah karena nilai sangat kecil sekitar 0,076431 mdd – 0,280612 mdd.

Faktor ketahanan korosi terhadap lingkungan agresif klorida hingga 5% disebabkan adanya lapisan pasif yang dibentuk karena adanya aerasi oksigen di lingkungan yang mengandung ion klorida. Unsur krom hingga 20% merupakan unsur utama terbentuknya lapisan protektif di permukaan stainless steel. Lapisan protektif tersebut dapat terbentuk dengan nilai minimal 10,5% krom. Namun dengan kadar hingga 20% krom dapat meningkatkan keefektifan lapisan pelindung saat di dalam lingkungan agresif. Unsur krom mempunyai afinitas terhadap oksigen yang tinggi sehingga dapat menghasilkan suatu senyawa oksida krom yang transparan, sangat tipis dan tidak larut. Adanya oksigen dan unsur krom dalam jumlah tertentu dapat mempertahankan dan memperbaiki secara cepat pada temperatur kamar. Nilai kadar karbon rendah maksimal 0,08% juga penentu bertahannya lapisan tersebut karena dapat bersenyawa dengan krom menjadi krom karbida.

Terlihat pada Gambar 4, secara makrostruktur tidak terjadi perubahan warna, tekstur dan nilai kehilangan berat rendah. Indikasi awal bahwa logam AISI 304 dengan interval ekspos 24, 48,72, 96, dan 168 jam tidak mengalami korosi.

Gambar 4. Korosi AISI 304 dengan uji kabut garam dengan interval 24, 48, 72, 96 dan 168 jam.

Pemilihan material lainnya sebagai bahan alternatif yaitu AISI 316L. AISI 316L merupakan baja nirkarat austenitic, non magnetic dan tidak dapat diperlakukan panas (heat treatment). Kadar karbon sangat rendah 0,03%, krom 16 – 18 %.Adanya unsur molibdenum hingga 3% dapat meningkatkan ketahanan korosi, unsur tersebut juga menghambat terjadinya sumuran akibat ion klorida terlihat pada Tabel 4.

Tabel 4. Kehilangan berat dan laju korosi AISI 316L dengan pengujian kabut garam

Carbon	0.03% max.	Silicon	1.00% max.
Manganese	2.00% max.	Chromium	16.00-18.00%
Phosphorus	0.045% max.	Nickel	10.00-14.00%
Sulfur	0.030% max.	Molybdenum	2.00-3.00%

Tabel 5. Kehilangan berat dan laju korosi AISI 316L dengan pengujian kabut garam

Waktu ekspos (jam)	Berat awal (gram)	Berat akhir (gram)	Kehilangan berat (gram)	Laju korosi (mdd)
24	35,7009	35,7005	0,0004	0,102041
48	35,8879	35,8876	0,0003	0,0765531
72	35,6574	35,6572	0,0002	0,05102
96	35,5169	35,5166	0,0003	0,076531
168	35,27	35,2692	0,0008	0,204082

Pada tabel 5, rata-rata setiap interval waktu eskpos pengujian, nilai kehilangan berat sangat rendah. Waktu ekspos pengujian 24 jam sekitar 0,0004 gram ( 0,00112% dari total berat awal) sedangkan waktu ekspos pengujian 168 jam sekitar 0,0008 gram (0,00226% dari total berat awal). Laju korosi logam AISI 316L antara 0,05102 mdd – 0,204082 mdd. Indikasi tersebut membuktikan logam AISI 316L tahan terhadap lingkungan agresif ion klorida. Peran lapisan krom oksida juga meningkatkan ketahanan korosi walaupun kadar krom 2% lebih rendah dibandingkan logam AISI 304.

Pada Gambar 5 terlihat bahwa tidak ada kerusakan berarti akibat serangan korosi di lingkungan ion klorida 5%. Tidak ada perubahan warna, tekstur dan nilai selisih berat yang lebih rendah dibandingkan logam AISI 304 dan baja karbon rendah.

Gambar 5. Korosi AISI 316L dengan uji kabut garam dengan interval 24, 48, 72, 96 dan 168 jam.

Unsur pemadu suatu logam merupakan faktor sangat penting dalam ketahanan korosi di lingkungan klorida pada nilai laju korosi rata-rata logam terlihat pada Gambar 6..

Gambar 6. Grafik laju korosi rata-rata pada pengujian kabut garam 5%

Pada Gambar 6, laju korosi paling tinggi adalah baja karbon rendah 143,6726 mdd, laju korosi paling rendah adalah logam AISI 316 0,102045 mdd. Ini mengindikasikan urutan ketahanan korosi pada lingkungan 5% garam dengan Baja karbon rendah > AISI 304 > AISI 316L.

Kesimpulan

Salah satu faktor penting untuk menghindari korosi lingkungan adalah pemilihan logam yang baik. Logam baja lunak lebih rentan terhadap korosi lingkungan (143,6726 mdd), logam AISI 316L dengan laju korosi rata-rata 0,102045 mdd lebih tahan terhadap korosi dibandingkan logam AISI 304 dengan laju korosi rata-rata 0,132613 mdd. Logam pemadu krom, nikel dan molybdenum berpengaruh dalam peningkatan ketahanan korosi.

Daftar Pustaka

1. American Society For Testing and Materials.1999, G1 Practice For Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens, ASTM Standards Vol.03.02, ASTM Society.
2. American Society For Testing and Materials.1999, B 117 Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus, ASTM Standards Vol.03.02, ASTM Society.
3. Bryson,James.1999, Corrosion of Carbon Steels, ASM Handbook Vol.13,ASM International.
4. Chamberlain. 1988, Corrosion for Students of Science and Engineering, Longman Group, UK
5. Fontana. 1978, Corrosion Engineering. McGraw-Hill International, New York.
6. Jaffre Dick.2003. Effect of The Elements on Steel Properties (summary),VP Raw Material,Texas
7. Widharto Sri. 2001. Karat dan Pencegahannya, Pradnya Paramita, Jakarta