Makalah tentang Ikatan Kimia

Abstrak

Artikel ini menjelaskan studi tentang penerapan teknik ikatan roll untuk perpaduan potongan MS90 (CuZn₁₀) dan lembaran baja menggunakan interlayer chromized. Ditemukan bahwa keseluruhan ikatan antara kedua logam dihasilkan dari dua jenis obligasi: ikatan blok, menghubungkan paduan potongan MS90 dan lapisan topcoating kromium , dan ikatan kosong, menghubungkan paduan potongan MS90 dan permukaan baja tanpa lapisan di daerah tersebut di mana lapisan kromium telah terfragmentasi. Penelitian ini meneliti efek dari waktu pelapisan pada ketebalan lapisan coating dan dari fraksi daerah ikatan kosong pada kekuatan ikatan. keseluruhan kekuatan ikatan terutama tergantung pada kekuatan dan fraksi luas ikatan kosong. Terdapat model hubungan linier antara kekuatan ikatan secara keseluruhan dan fraksi luas ikatan kosong. Kekuatan ikatan ikatan kosong delapan kali lebih besar dari pada ikatan blok. Fraksi area ikatan kosong meningkat dengan meningkatkan ketebalan lapisan hingga 55 pM, tetapi setelah itu menurun karena rotasi dari blok kromium.

 ファジャ ヌグラハ ワヒュ

Pendahuluan

Proses ikatan bergulir dingin ini bertempat pada suhu kamar dan tanda dari tidak padatnta serta menggatinya struktut pada antarmuka mengindikasikan bukan cairan atau fasa logam yang dibentuk dan oleh karena itu iktan langsung muncul pada keadaan padatan. Tekanan dari luar, kerja mekanik dan penguraian plastic diaplikasikan pada daerah antarmuka menyediakan energi aktivasi untuk ikatan berulang dingin. Ikatan berulang merupakan pembentukan ikatan antar atom antara dua bagianuntuk disatukan melalui kontak intim antara area bebas kontaminasi. Selama 3 dekade terkhir, produksi dari lembar  lapisan melalui proses rolling, sangat efisien dan lebih ekonomis dibandingkan dengan proses yang lain, telah terjadi peningkatan penting dari penelitian yang lalu. Lembaran logam ganda dan lembar logam dan campuran tembaga merupakan tipe yang paling sukses dari paduan lapisan didalam penggunaan karena dari sifat komprehensif diturunkan dari bahan-bahan komponen. Bagaimanapun, produksi dari paduan logam campuran tembaga dan baja menggunakan fasa padat teknik dingin berulang masalah penting dari ikatan primer yang lemah, terjadi reduksi yang luar biasa untuk memastikan baiknya ikatan dan pengerasan yang tinggi, yang ketika dikombinasikan menyajikan batas dari aplikasi lebih lanjut. Kondisi panas penempelan menyajikan solusi yang menjanjikan tetapi kejadian dari lapisan oksida pada permukaan lapisan baja mencegah terbentuknya ikatan yang kuat jika operasi dilakukan dilingkungan tanpa pelindung gas. Elektro platting secara luas digunakan untuk maningkatkan ketahanan oksidasi lapisan baja saat suhu diturunkan. Tentunga, ini dimaksudkan agar efek dari perbedaan proses pelapisan pada kekuatan komposit yang diproduksi berubah-bubah.

Dalam pelajarannya lapisan atas kromium memiliki lapisan oksida di permukaannya. Bagaimanapun lapisan oksida ini sangat tipis dan melekat erat, tidak seperti pada baja. Dengan demikian masalah terkait dari lapisan oksida yang rapuh ketika mencoba penempelan dapat diatasi untuk tingkat baik melalui penggunaan lapisan atas sebagai lapisan antara. Tujuan utama dari jurnal ini adalah untuk menginvestigasi mekanisme pengikatan antarmuka dan untuk mengurangi faktor yang mempengeruhi kekuatan ikatan dia logam yang dibentuk oleh rolling lembaran alloy MS90 dan lembaran baja yang dikromisasi.

Eksperimen

a)      Fabrikasi dari campuran logam MS90 dan lembaran baja yang dikromisasi keras.

Campuran logam dasar, Cu-10,2 % Zn-0,07 % Fe -0,05 % Pb, dimasukkan kedalam tempat pencairan logam, dijaga didalam tungku vertical dengan panas yang tetap. Ketika meleleh pada suhu 1100^OC dicetak pada cetakan baja. Kemudian diekstrusi menjadi lembaran dengan tebal 0,4 mm dan lebar 45 mm pada suhu 800 ^oC. Lembaran baja dengan komposisi Fe–0.54% C–0.35%, Mn–0.0220%, P–0.0014% dipotong menjadi lembaran dengan panjang 75 mm, lebar 50 mm dan tebal 3 mm. Kemudian didegrease, difluxe dan di hilangkan karatnya. Dibilas dengan air deionisasi kemudian dicelup kedalam bak plating kromium yang berisikan anoda Pb-Sb 2,5%, 300 g / l trioksida kromat, 3 g / l asam sulfat pada 53^oC dan 28 A/dm2 untuk waktu yang berbeda (10-60menit). Setelah itu dipotong menjadi bentuk persegi panjang dengan luas 25 mm^2. Dipoles ujung-ujung dari tiap lembar baja yang telah dikromisasi tersebut. Setelah itu dietsa dengan nital 3% dan larutan 25, g FeCl3 20 ml HCl, 100 ml H2O untuk memperjelas lapisan coating yang akan diukur. Kemudian Tebal lapisan diukur dengan menggunakan mikroskop cahaya nikon.

b)      Ikatan dengan metode penggilingan dari lembaran MS90 dan lembaran baja yang telah dikromisasi

Langkah utama untuk proses ini adalah sebagai berikut:

1.      Permukaan dari MS90 dan lembaran baja dibersihkan untuk menghilangkan kontaminasi di permukaannya

2.      MS90 dan lembarab baja disatukan segaris lurus.

3.      Disatukan dengan cara digiling (gambar 1) untuk menghasilkan kontinuitas metal antar lapisan

Untuk pengelasan tekanan yang dipakai adalah 1000-3400 MPa dengan penurunan. Penurunan ambang sangat tergantung pada pengobatan permukaan dan besaran parameter bergulir seperti kekasaran diameter, kekakuan dan ketebalan permukaan, roll awal dari setiap lapisan sebelum rolling dan geometri zona deformasi. Sebagian kecil dari permukaan di salah satu ujung lembaran baja chromized menghadapi strip paduan MS90 kemudian diolesi dengan grafit. Hal ini dilakukan untuk mencegah ikatan antara strip dan lembaran pada antarmuka tertentu selama bergulir berikutnya. Akhirnya, salah satu lembaran baja ditempatkan di antara dua strip paduan MS90, dan segera digulung bersama dengan pengurangan keseluruhan dari 56% untuk membuat piring tripleks. Lempengan 3 lembaran tadi ditempelkan pada suhu 700^oC. Jumlah kekuatan ikatan lembaran logam berpakaian diukur dengan menggunakan tes mengupas menurut ASTM-D903-93. Hasil mengupas strip tripleks sepanjang garis ikatan hanya tergantung pada sifat metalurgi nyata obligasi. Pada uji mengupas melanggar dari kekuatan diukur sebagai berikut:

Tes pengelupasan dilakukan dengan menggunakan mesin pengujian kekuatan tarikan instron dengan load cell 1 KN. Kekuatan pengelupasan rata-rata dikur dengan konfigurasi japitan seperti yang diilustrasikan pada gambar 3. Kecepatan crosshead yang dipakai pada tes ini adalan 5 mm/menit. Kedapatulangan tes dan sensitivitas loadcell masing-masing 0,5 N dan 0,1 N.

Gambar 2. gaya pengelupasan dan jarak pengelupasan serta metode pengukuran rata-rata dari gaya pengelupasan

Gambar 3. konfigurasi dari test pengelupasan yang digunakan dalam penelitian ini.

Hasil dan pembahasan

1.      Morfologi dari lapisan keras kromium

Setelah proses kromisasi pada suhu 53^oC untuk berbagai waktu, lapisan yang telah dikromisasi diperiksa diberbagai bagian. Ketebalan dari lapisan tersebut diukur dan diketahui peningkatannya dengan peningkatan waktu penyelaman. Data yang didapat berbentuk parabolic yang menyatakan hubungan antara ketebalan dan waktu penyelaman, mirip dengan yang diperoleh untuk proses alumunisasi yang dilakukan oleh peneliti lain. Keterkaitan dari kekuatan ikatan dalam ketebalan pelapisan didiskusikan pada bagian 3b.

Gambar 4. Variasi didalam ketebalan dari lapisan dengan waktu penyelaman

2.      Kekuatan ikatan

Variasi kekuatan ikatan (dengan waktu penyelaman untuk MS90/specimen baja ditampilkan pada gambar 5. Di table tersebut memperlihatkan peningkatan kekuatan ikatan dengan waktu penyelaman sampai 40 menit dan penurunannya pada waktu yang lebuh panjang. Diselidiki bahwa waktu penyelaman tidak memiliki dampak bagi peristiwa antar logam dan kompisisinya tetapi hanya dari ketebalannya saja (gambar 4) dari percobaan ini. Jadi maksudnya bahwa hubungan antara kekuatan ikatan dan ketebalan pelapis mungkin lebih kepada kekuatan ikatan dan waktu pencelupan. Oleh karena itu, variasi dalam kekuatan ikatan dengan ketebalan pelapisan ditunjukkan pada gambar 6. Hal ini jelas bahwa kekuatan ikatan dari MS90/spesi baja menigkat dengan ketebalan kromium keran sampai 55μm. Tetapi kemudian mengalami penurunan.

Gambar 5. Variasi dari gaya pengelupasan dengan waktu pencelupan.

Gambar 6. Variasi dari kekuatan pengelupasan dengan ketebalan dari laisan pelapis

3.      Mekanisme pengikatan

Gambar 71 menunjukkan bagian longitudinal dari spesi ikatan dari MS90 alloy/lembar baja yang dikromisasi. Jelas bahwa dalam arah berputar, lapisan pelapis terputus menjadi blok-blok dan terbentuk bagian kosong antara keduanya. Gambar 7b dan pembesaran yang rendah (gambar 7c) merupakan gambar mikro SEM dari bagian antar permukaan yang retak pada sisi baja. Kekosongan yang lebar dlam sisi dari perguliran adalah paralel untuk satu sama lain diseluruh permukaan dari substrat baja. Disitu adalah bagian kosong yang sempit yang tegak lurus dengan sisi perguliran.

Bentuk dari kekosongan ini adalah wajar peperti itu, selama berlangsungnya ikatan, substrat baja memanjang di sisi perguliran tetapi lapisan pelapis rusak menjadi balok-balok kecil, menjadi tidak mungkin untuk mengalami pemanjangan dengan subr=strat baja karena itu rapuh. Prektek yang sama terjadi untuk bagian kosong yang tegak lurus pada sisi perguliran. Dalam situasi percobaan ini, panjang dari bagian kosong yang membujur lebuh baik dibandingkan dengan bagian kosong sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 7b. oleh karena itu, didalam proses perguliran, masing-masing lembar alloy MS90 dan lapisan atas kromium berdekatan pada lapisan baja yang diperpanjang didalam sisi perguliran dan secara berkelanjutan diekstruksi menjadi bagian kosong untuk diisi mereka. Posisi antar muka yang dimaksud diatas disketsakan dalam gambar 8. Jadi, secara keseluruhan kekuatan ikatan tergantung pada perbedaan dua ikatan, contohnya kekuatan ikatan dari ikatan kosong dan ikatan pembatas. Sejauh ini, beberapa model teori mikroskopik dikembangkan untuk pengikatan berkelanjutan (6,8,18,19). Untuk instannya, vaidyanath dan kawan-kawan menyatakan persamaan berikut untuk memprediksi kualitas ikatan yaitu

Keterangan:

Sw= jumlah kekuatan ikatan

Sm= kekuatan dari logam dasar

Rf= reduksi akhir saat berakhirnya perubahan.

Didalam model ini, dengan memperhatikan detail mikroskopik, jumlah kekuatan ikatan dapat ditunjukkan oleh kekuatan dari dua perbedaan jenis ikatan dalam persamaan berikut:

Keterangan:

S= jumlah kekuatan ikatan

Sb= kekuatan ikatan dari ikatan kosong

Sc= kekuatan ikatan dari ikatan pembatas

Fb= fraksi area dari ikatan kosong

Fc= fraksi area dari ikatan pembatas.

Fraksi area didapat melalui persamaan:

Keterangan:

A= keseluruhan area yang berikatan

Ab= area ikatan kosong

Ac= area ikatan pembatas

Untuk menentukan nilai Fb dan Fc, asumsinya adalah dibuat kontribusi dari area kosong yang melintang ke area total diabaikan karena hal tersebut sangat sempit daripada sisi kosong yang tegak lurus, dimana lebar dari sisi kosong yang tegak lurus dan ikatn-ikatannya kira-kira sama. Dengan mempertimbangkan sisi kosong yang tegak lurus dengan penampang melintang dari substrat baja, maka digunakan persamaan berikut:

Keterangan:

l= jarak total dari ikatan antarmuka

lb= jarak dari area kosong

lc= jarak dari area pembatas pada bagian atas dari lapisan kromium

Semua panjanng ini didalam sisi perguliran

Untuk mengukur l, lb dan lc digunakan persamaan berikut:

Keterangan:

I= tiap kromium pembatas atau kosong antara kroumium pembatas seperti yang ditunjukkan dalam gambar 8.

N= jumlah nomor dari pembatas dan kosong yang termasuk delam jarak dari l.

Nilai lbi dan lci diukur pada specimen dengan menggunakan mikroskop cahaya dengan 400 kali perbesaran diakhirnya. Pada penelitian ini, dengan mempertimbangkan kelayakan dan presisi dari data percobaan lb dab lc, n dipilih 30.

Gambar 7. Struktur mikroskop dari ikatan antarmuka: (a) gambar mikri cahaya dari bagian tegak lurus alloy MS90/lembar baja yang dikromisasi pada 53^oC selama 40 menit; (b) gambar mikro dari fraktur antarmuka pada sisi baja; (c) gambar mikro SEM yang menunjukkan sisi paralel yang kosong penampang fraktur melintang dari sisi baja.

Gambar 8. Diagram skematik yang menunjukkan posisi dari MS90/ lapisan atas kromium antarmuka dan lapisan atas kromium/antarmuka baja setelah perguliran.

Gambar 9. Variasi didalam fraksi area dari ikatan kosong dengan ketebalan dari lapisan pelapis

Gambar 9 menunjukkan fraksi area dari ikatan kosong meningkat dengan ketebalan antarmuka sampai 55 μm, tetaoi menurun saat nilai ketebalannya bertambah. Jumlah kekuatan ikatan dapat ditampilkan oleh persamaan berikut:

Berdasarkan rumus diatas, dapat ditarik hubungan garis lurus antara S dan Fb, dengan S meningkat, Fbpun meningkat. Variasi secara nyata didalam kekuatan ikatan dengan fraksi area dari inakat kosong untuk MS90/lembaran baja yang dikromisasi dengan krom keras ditunjukkan dalam gambar 10. Berdasarkan persamaan diatas, titik data sesuai hubungan linear. Nilai dari Sb dan Sc dapat diperoleh dari titik ordinat dlam gambar 10. Ketika area ikatan spenuhnya terdiri dari ikatan pembatas, nilai Fb adalan 0 dan S sama dengan Sc. Demikian pula ketika area ikatan sepenuhnya terdiri dari ikatan kosong, nilai Fb menjadi 1 dan nilai F menjadi sama dengan Sb. Oleh kerana itu dari gambar 10, nilai Sb dan Sc masing-masing sama dengan 767,8 dan 92,45.

Gambar 10. Hubungan linear antara gaya pengelupasan dan fraksi area dari ikatan kosong

Dengan demikian kekuatan ikatan dari ikatan kosong 8 kali lebih baik daripada ikatan pembatas dan jumlah kekuatan ikatan bergantung terutama pada kekuatan ikatan dan fraksi area dari ikatan kosong. Fraksi area dari ikatan kosong meningkat dengan ketebalan antarmuka kroumium sampai 55 μm tetapi menurun setelahnya. Hasil ini mungkin dari 2 faktor yang mempengaruhinya. Pertama setika ketebalan lapisan kromium meningkat dan substrat baja mulai mengalami deformasi selama bergulirnya pengikatan, area fraktur dari lapisan kromium meningkat.  Ini sesuai dengan fakta bahwa modulus geser saat substrat dan lapisan kromium adalah sangat berbeda dan kromium keras pada permukaan substrat tidak dapat mengalir secara berkelanjuran dengan substrat, dengan demikian itu sangat terfragmentasi.

Gambar11. (a) gambar mikro menunjukkan rotasi dari pembatas pelapisan (contoh diditempelkan untuk 1 hari pada suhu 700^oC, (b), (c) diagram skematik dari penurunan di fraksi area dari ikatan kosong dikarenakan rotasi.

Pada saat yang sama, pembatas dengan lapisa kromium yang terfragmentasi mulai berotasi dari posisi awal hamper tegak lurus terhadap antarmuka kosong ke posisi lain yang cenderung menbentuk sebuah sudut terhadap antarmuka kosong. (lihat gambar 7a dan 11 a). lapisan kromium yang tebal, dengan sudut rotasi yang besar dan pembatas antar lapisan mengambil alih lebih banyak ikatan antarmuka seperti yang terlihat pada gambar 11b. dan sebagai hasilnya fraksi area dari ikatan kosong menurun (). Sementara itu, dambar 12 mengkonfirmasi bahwa disebabkan kekuatan yang tinggi dari antarmuka, jumlah yang besar dari partikel Fe dibandingkan dengan beberapa bagian Cr yang didorong keluar oleh lapisan kulit MS90 selama tes kulit. Faktor lain adalah ikatan antara substrat yang diterbangkan didalam retakan yang muncul karena proses fragmentasi dari lapisan Cr dan sisi dari pembatas antarmuka.

Gambar 12. Peta sinar X yang diambil dari permukaan kulit MS90 dari contoh yang ditambahkan pada suhu 700^oC

Area ini mengabaikan perkiraan nilai didalam analisis awal karena ikatan alami atas dari pembatas berbeda daripada sisi dari pembatas kromium didalam proses pengikatan . inilah salah satu ikatan logam dan ikatan mekanik lainnya. Sisi dari pembatas kromium yang memiliki efek yang lebih kecil pada kekuatan ikatan daripada atas dari pembatas kromium. Tak pelak lagi,  lepisan kromium yang tipis meningkat, area total (atas dan samping) meningkat.  Selain itu, jarak pembatas meningkat, area kosong berkurang. Dengan demikian, situasi ini meningkatkan kompleks ketebalan lapisan kromium berubah. Mekanisme tentang variasi di fraksi area dari ikatan kosong membutuhkan lebih lanjut.

Kesimpulan

Dari studi mengenai kekuatan ikatan antar permukaan antara campuran logam MS90 dan lembaran baja ini menghasilkan beberapa kesimpulan yaitu

1.      Ikatan antara lembaran MS90 dan lembaran baja yang telan dikromisasi dapat dilakukan dengan cara menggilingnya secara bersama-sama melalui mekanisme  yang melibatkan blank bond dan block bond

2.      Secara keseluruhan dalam metode ini, kekuatan ikatan meningkat seiring dengan peningkatan ketebalan antar lapisan sampai tebalnya 55 µm dan menurun setelahnya. Ini mirip dengan hubungan antara fraksi area dari blank bond dengan ketebalan kromium.

3.      Kekuatan ikatan dari blank bond delapan kali lebih kuat daripada kekuatan ikatan pada block bond. Ini berarti total kekuatan ikatan yang terjadi berasal dari kekuatan ikatan dan fraksi area dari blank bond .

4.      Terdapat hubungan yang linear antara keseluruhan kekuatan ikatan dengan fraksi area dari blank bond.

DAFTAR PUSTAKA

Granjun, H. (1991). Fundamentals of welding metallurgy. Cambridge Abington Publishing, Vol.

Welding Handbook, (1991). 8thEdition, American Welding Society, Vol., p. 900.

 Thomas, K. & Petri, M. (1994). Roll welding, ASM Welding Handbook, Vol. 6, p. 312.

 Kreye, H. & Thomas, K. (1977). Electron microscopically test and bonding mechanism of cold pressure welding. Journal of Welding and Cutting, Vol. 29, p. 249.

Bay, N. (1986). Cold pressure welding; characteristics, bonding mechanism, bond strength. Journal of Metal Construction, Vol. 18, No. 8, p. 369.

Vaidyanath, L. R., Nicholas, M. G. & Milner, D. R. (1959). Pressure welding by rolling. British WeldingJournal, Vol. 6, No. 13.

Cave, J. A. & Williams, J. D. (1973). The mechanism of cold pressure welding by rolling. Journal of the Institute of Metals, VOL. 101, No. 8, p. 203.

Wright, P. K., Snow, D. A. & Tay, C. K. (1978). Interfacial conditions and bond strength in cold pressure welding by rolling. Metals Technology, Vol. 5, No. 1, p. 24.

Hwang, Y. M., Hsu, H. H. & Lee, H. J. (1995). Analysis of sandwich sheet rolling by stream function method. International Journal of Mechanic Science, Vol. 37, No. 3, p. 297.

Hawkins, R. & Wright, J. C. (1972). Observation on the deformation properties of sandwich materials. International Journal of Mechanic Science, Vol. 14, p. 875.

Butlin, I. J. & Mackay, C. A. (1979). Experiment on the roll-bonding of tin coatings to non-ferrous substrates. Sheet Metal Industry, p. 1063.

 Narima-zadeh, N., Darvizeh, A. & Gharababaei, H. (2003). Modeling and prediction of process parameters in explosive welding of plates using GMDH-type neural network and singular value decomposition. Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, Vol. 27, No. B3, p. 551.

 Pan, D., Gao, K. & Yu, J. (1989). Cold roll bonding of bimetallic sheets and strips. Material Science and Technology, Vol. 5, p. 934.

Clemensen, C. & Julstarp, O. (1986). Cold welding: Influence of surface preparation on bond strength. Journal of Metal Construction, Vol. 18, No. 10, p. 625.

Tylecote, R. (1968). The solid phase welding of metal. Edward Arnold Publishers, p. 8.

 EI-Mahallawy, N. A., Shady, M. A. & EI-Sissi, A. R. (1997).Analysis of coating layer formed on steel strips during aluminizing by hot dipping in Al-Si baths. Material Science Technology, Vol. 13, p. 832.

Yongbing, L., Jian, A. & Darn, S. (2000). Interfacial bonding strength of Al-Pb bearing alloy strips and hot dip aluminized steel sheets by hot rolling. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 10, p. 625.

Bay, N. (1986). Cold welding1, characteristics, bonding mechanism, bond strength. Metal Construction, Vol. 18, No. 8, p. 369.

Zhang, W. & Bay, N. (1997). Cold welding –theoretical modeling of the weld formation. Welding Journal, Vol. 76, No. 10), p. 417.

Karimi Taheri, A. (1993). Analytical study of drawing of non-bounded trimetallic strips. International Journal of Mechanic and Tools Manufacturing, Vol. 33, No. 1, p. 71.