Minggu, 25 Mei 2008

PENGARUH TEMPERATUR PEMANASAN

Pemakaian baja dalam kehidupan mensyaratkan beberapa faktor seperti kekuatan, kekerasan, tahan panas, tidak cepat aus, dan sebagainya. Banyak upaya untuk meningkatkan kualitas baja yang salah satunya dengan proses perlakuan panas (heat treatment). Proses Hardening mampu meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja, tetapi baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cocok untuk digunakan sehingga perlu pengerjaan lanjut yaitu dengan tempering. Pengujian dilakukan baik pada sifat fisis ( komposisi, struktur mikro dan fotomakro) maupun sifat mekanis (kekerasan dan kekuatan tarik).

Hasil penelitian memperoleh kekuatan tarik raw materials sebesar 73,45 kg/mm2 dengan VHN sebesar 190, setelah mengalami proses hardening 8250C kekuatan tarik menjadi 185,07 kg/mm2 dengan VHN sebesar 737,67. Low tempering

berkekuatan tarik 123,43 kg/mm2 dengan VHN sebesar 562, medium tempering mempunyai kekuatan tarik 114,14 kg/mm2 dengan VHN sebesar 446,3 sedangkan

high tempering berkekuatan tarik 87,73 kg/mm2 dengan VHN sebesar 283. Semakin tinggi suhu pemanasan pada proses tempering kekuatan tarik dan kekerasan semakin menurun, sebaliknya keuletannya meningkat sehingga disesuaikan dengan keperluan.

Pemakaian baja dalam kehidupan mensyaratkan faktor keuletan, kekerasan, tahan aus dan sebagainya. Peningkatan kualitas baja ini dapat dilakukan dengan penambahan unsur paduan atau dengan perlakuan panas. Perlakuan panas (heat treatment) pada baja mempunyai peran yang sangat penting dalam upaya mendapatkan sifat-sifat tertentu yang

diinginkan sesuai dengan kebutuhan. Proses ini meliputi pemanasan baja pada suhu tertentu dan dipertahankan pada waktu tertentu serta didinginkan pada media tertentu pula. Perlakuan panas mempunyai tujuan untuk meningkatkan keuletan, menghilangkan tegangan internal (internal stress), menghaluskan ukuran butir kristal dan meningkatkan kekerasan atau tegangan tarik logam. Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi perlakuan

panas, yaitu suhu pemanasan, waktu yang diperlukan pada suhu pemanasan, laju pendinginan dan lingkungan atmosfir. Menurut Fox (1999), bahwa fatigue crack growth rate (FCGR) pada material Ti 24 yang diuji pada temperatur 723’C di dalam argon lebih tinggi dibandingkan dengan didalam temperetur ruang. Baja yang telah dikeraskan (quench) bersifat rapuh dan tidak cocok untuk digunakan, akibat pengejutan akan menjadi sangat keras (sekeras gelas) dan getas. Melalui proses tempering kekerasan dan kerapuhan dapat diturunkan sampai memenuhi persyaratan penggunaan karena beban yang kecil saja akan mengakibatkan pecah. Proses ini bertujuan untuk mendapatkan baja yang keras dan ulet atau tercapainya keuletan setinggi-tingginya pada kekerasan yang memadai, sebab sebagian kekerasan baja akan berkurang oleh proses pemanasan, contohnya pada pahat, palu, mata bor, tap dan sebagainya. Berdasarkan uraian di atas permasalahan utama yang akan diungkap dalam penelitian ini adalah: berapa besar kekuatan tarik baja C1045 akibat

perubahan suhu pemanasan pada proses tempering.

Perlakuan untuk menghilangkan tegangan dalam dan menguatkan baja dari kerapuhan isebut dengan memudakan (tempering). Tempering didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan pada temperatur tempering (di bawah suhu kritis), yang dilanjutkan dengan proses pendinginan (Koswara, 1999). Prosesnya adalah memanaskan kembali berkisar antara suhu 150 – 6500C dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja tersebut, menurut Schonmetz (1985) tujuan proses tempering dibedakan sebagai berikut:

a. Tempering pada suhu rendah (150- 300oC) Perlakuan ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan kerut dan kerapuhan dari baja, biasanya untuk alat-alat kerja yang tidak mengalami beban berat seperti alat-alat potong,

mata bor dan sebagainya.

b. Tempering suhu menengah (300- 550oC) Bertujuan untuk menambah keuletan,

dan kekerasannya sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang mengalami beban berat, misalnya palu, pahat, pegas.

c. Tempering pada suhu tinggi (550- 650oC) Tempering pada suhu tinggi bertujuan

untuk memberikan daya keuletan yang besar dan sekaligus kekerasannya menjadi agak rendah, misalnya pada roda gigi, poros, batang penggerak dan sebagainya.

Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis suatu logam dan paduannya. Pengujian ini paling sering dilakukan karena merupakan dasar pengujian-pengujian dan studi mengenai kekuatan bahan. Hasil yang diperoleh dari proses pengujian tarik adalah grafik tegangan-regangan, parameter kekuatan dalam dan keliatan material pengujian dalam prosen perpanjangan, kontraksi dan bentuk permukaan patahannya. Bentuk penampang patah dapat diklasifikasikan menurut bentuk tesktur dan warna. Jenis-jenis perpatahan mengenai bentuknya adalah simetri, kerucut mangkok (cup cone), rata (flat), dan tak teratur (irregular). Bermacam-macam deskripsi tekstur adalah silky (seperti sutera), butir halus, butir kasar atau granular, berserat (fibrous), kristalin, seperti kaca (glassy) dan pudar. Proses pengujian logam kekerasan dapat diartikan sebagai kemampuan

suatu bahan terhadap pembebanan dalam perubahan yang tetap. Harga kekerasan bahan tersebut dapat dianalisis dari besarnya beban yang diberikan terhadap luasan bidang yang

menerima pembebanan. Pengujian kekerasan logam ini secara garis besar ada tiga metode yaitu penekanan, goresan dan dinamik (Koswara, 1991). Pengujian kekerasan yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan metode penekanan yaitu Vickers.

METODE

Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon C1020 normalisasi dari American Iron and steel Institute (AISI) yang berarti C adalah hasil dapur open hearth steel, 10 adalah baja karbon biasa dan 20 adalah kandungan karbon 0,20 %. Spesimen uji tarik, foto struktur mikro dan kekerasan didasarkan pada standar JIS Z2201 No. 14. Urutan dalam penelitian ini dimulai dari uji komposisi bahan untuk mengetahui kandungan unsur di dalamnya yang digunakan untuk menentukan suhu pemanasan. Bahan dibentuk spesimen

sesuai standar yang ditentukan dan memenuhi persyaratan spesimen sejumlah 15 buah, yaitu masing-masing 3 buah sebagai pembanding utama (raw materials), sebagai kontrol hardening, untuk tempering suhu rendah, untuk tempering suhu sedang dan untuk tempering suhu tinggi. Perlakuan panas dilakukan dalam dapur pemanas, yang pertama yaitu proses hardening pada suhu 8250C (sesuai kadar karbon bahan). Spesimen selain raw

material dikenai proses ini, suhu pemanasan dilakukan bertahap mulai suhu kamar, suhu 1500C ditahan sekitar 15 menit, meningkat pada suhu 4500C, dilanjutkan suhu yang dituju yaitu 8250C. Pada suhu akhir ini dipertahankan selama 30 menit dengan maksud agar pemanasan benar-benar merata pada seluruh lapisan spesimen, kemudian dicelup dalam air yang mengalir agar spesimen benar-benar mengalami pendinginan kejut dan spesimen sampai benar-benar dingin.

Proses tempering merupakan pengulangan dari hardening yang didinginkan dengan perlahan. Spesimen yang dikenai tempering dimasukkan dalam dapur pemanas lalu distel dari suhu kamar ke suhu 2750C untuk perlakuan tempering suhu rendah, pendinginan dilakukan dalam udara bebas. Proses tempering suhu sedang pada suhu 4250C dan tempering suhu tinggi pada suhu 6000C, masing-masing ditahan selama 30 menit. Spesimen untuk foto struktur mikro dan kekerasan diratakan dan dihaluskan permukaannya

sampai memenuhi syarat spesimen, dietsa dengan larutan alkohol dan asam nitrat 2,5% kemudian dilihat dengan mikroskop logam. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan metode Vickers, setiap spesimen dikenai dua titik penekanan. Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui kekuatan, keliatan dan regangan yang dimiliki bahan dari masingmasing perlakuan. Melalui pengujian ini dapat diketahui karakteristik bahan dari masing-masing perlakuan. Peralatan Penelitian Alat penelitian merupakan piranti bantu

dalam proses penelitian, yaitu:

a. Mesin bubut.

b. Mesin uji komposisi.

c. Dapur pemanas.

d. Mikroskop logam.

e. Mesin uji kekerasan.

f. Mesin uji tarik servopulser.

Desain Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode deskriptif, yang bertujuan untuk membuat suatu deskripsi, gambaran atau lukisan secara sistematis faktual dan akurat mengenai faktor–faktor serta hubunganhubungan antar fenomena yang diselidiki atau diteliti. Pola eksperimen dilakukan dengan 3 buah spesimen untuk masing-masing kelompok perlakuan (treatment) yaitu untuk 3 kali kelompok eksperimen (3 variasi suhu) dan sekali untuk kelompok kontrol yaitu hardening serta sekali untuk kontrol utama atau raw materials. Teknik Pengumpulan Data Lembar pengamatan sangat diperlukan dalam suatu penelitian. Langkah ini akan mempermudah dalam proses pengolahan data selanjutnya. Wawancara dengan ahli metalurgi akan memberikan gambaran umum mengenai penelitian yang dilakukan, untuk itu perlu konsultasi dengan pakar/ahli metalurgi sebelum melakukan penelitian dan persiapan bahan serta instrumen lainnya. Analisis Data Teknik analisis data yang dipakai dalam penelitian ini menggunakan statistika deskriptif yang dilakukan dengan cara melukiskan dan merangkum pengamatan dari penelitian yang dilakukan. Data yang dihasilkan digambarkan secara grafis dalam histogram atau poligon frekuensi sehingga lebih mudah dibaca. Pengujian struktur mikro dilakukan dengan cara pengamatan, yaitu membandingkan hasil foto struktur mikro sehingga dapat dianalisis mengenai struktur, ukuran dan bentuk butiran dari masing-masing kelompok perlakuan. Foto makro bentuk penampang patahan juga

dapat dianalisis bentuk dan perambatan retak masing-masing perlakuan.

HASIL PENELITIAN

Berbagai macam jenis baja ditentukan berdasarkan pada unsur karbon yang terkandung dalam suatu material tersebut. Pengklasifikasian baja seperti dikemukakan oleh Khurmi (1980), bahwa baja karbon terbagi dalam empat klasifikasi yang terdiri dari dead mild steel

dengan kandungan unsur karbon 0 - 0,15 %, low carbon steel dengan kandungan unsur karbon 0,15 - 0,45 %, medium carbon steel dengan kandungan unsur karbon 0,45 - 0,80 % dan high carbon steel dengan kandungan unsur karbon 0,8 - 1,5 %. Berdasarkan pengklasifikasian material baja terhadap kandungan unsur karbon yang terkandung di dalamnya, maka dapat digeneralisasikan bahwa material baja karbon yang digunakan adalah baja karbon sedang (medium carbon steel). Seperti tercantum pada tabel 1.

Kekerasan

Pengujian kekerasan yang dilakukan menggunakan mesin Universal Hardness Tester yang bekas injakannya dilihat dengan mikroskop logam. Setiap spesimen dikenai tiga titik injakan yang menghasilkan data seperti pada gambar berikut ini:

VHN material baja karbon sedang sebesar 190. Setelah proses hardening meningkat 288,5 % menjadi sebesar 737,67, mengalami kenaikan 195,79 % setelah proses tempering 2750C menjadi sebesar 562, mengalami kenaikan 134,89 % setelah proses tempering 4250C sebesar 446,3, dan mengalami kenaikan 48,95 % setelah proses tempering 6000C menjadi

sebesar 283. Kekerasan spesimen hardening mengalami penurunan 23,81 % terhadap proses tempering 2750C, penurunan terjadi 39,5 % terhadap proses tempering 4250C dan terjadi penurunan 61,64 % terhadap proses tempering 6000C. Proses tempering 2750 kekerasannya mengalami penurunan 20,59 % terhadap proses tempering 4250C dan mengalami penurunan 49,64 % terhadap proses tempering 6000C, sedangkan kekerasan proses tempering 4250C mengalami penurunan 36,59 % terhadap proses tempering 6000C. Menurut Sato (1988) dalam pengujiannya pada material Fe 31 %wt dan Fe 29 %wt pada

kondisi temperatur 823’C, waktu 50 jam dan H2/N2 = 9 menunjukkan bahwa distribusi kekerasan mengalami penurunan setelah ketebalan 100 μ m dan kekerasan tertinggi dicapai pada material Fe 31 %wt

Foto Mikro

Struktur mikro raw materials dilihat dengan mikroskop logam untuk diambil gambarnya. Bahan yang digunakan mempunyai kandungan 0,473% berat karbon yang terdiri dari perlit dan ferit, dimana kandungan perlit sebesar 57,8% dan ferit 42,19%. Gambar di bawah ini menunjukkan pada bagian warna terang adalah ferit dan warna gelap adalah perlit.

Pada suhu 825 0C bahan sudah berada pada suhu austenit (g) yang pada proses pendinginan akan kembali menjadi ferit (a). Seluruh karbon baja tersebut larut dalam austenit (g), sedangkan ferit (a) hanya mampu melarutkan 0,025% karbon maka terbentuklah struktur ferit (a) diperlebar atau karbon dipaksa masuk/larut dalam ferit (a) atau sering disebut struktur martensit. Perlakuan tempering bertujuan mengubah martensit (hasil dari quenching) menjadi ferit dan karbida (M®a + C ).


Pada suhu 2750C pengendapan karbon dari martensit bukanlah sementit, tetapi epsilon (e) karbida yang kandungan karbonnya lebih tinggi dari sementit dengan senyawa kimianya 2 4 Fe C . Epsilon karbida merupakan martensit metastabil dengan ukuran partikel yang sangat halus sehingga kekerasan dan kekuatannya menurun dari proses hardening. Pada pemanasan dengan suhu 4250C menahan bentuk austenit ke bainit, bainit ini berbeda dari bainit biasanya. Bainit pada suhu ini terdiri dari ferit dan epsilon karbida. Keliatan meningkat oleh perlakuan ini sesuai dengan menurunnya kekuatan dan kekerasan bahan. Dengan adanya ferit bahan lebih lunak dari pada low temperature tempering. Pada suhu ini baja dapat menghasilkan sifat elastis yang maksimal. Proses tempering dengan suhu 6000C

sering disebut high temperature tempering yang menghasilkan bentuk campuran ferit dan sementit. Martensit berubah menjadi ferit dengan melepas karbonnya, sehingga karbon bebas larut dengan epsilon karbida yang akan kembali membentuk sementit. Struktur ini lebih kasar dari kedua perlakuan tempering sebelumnya, sehingga kekuatan dan kekerasannya menurun. Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari material baja karbon sedang sebagai material uji dalam penelitian ini. Hasil pengujian tarik pada umumnya adalah parameter kekuatan tarik (ultimate strength) maupun luluh (yield strength), parameter keliatan/keuletan yang ditunjukkan dengan adanya prosen perpanjangan (elongation) dan prosen kontraksi atau reduksi penampang (reduction of area) maupun bentuk penampang patahannya

.

Data pengujian ini diperoleh dalam tiga kelompok pengujian yaitu spesimen raw materials, hasil proses hardening dan tempering Kekuatan tarik material baja karbon sedang sebesar 73,45 kg/mm2, setelah proses hardening menjadi 185,07 kg/mm2

atau mengalami peningkatan 151,96%. Setelah proses tempering 2750C menjadi sebesar 123,43 kg/mm2 atau meningkat 68,04%, setelah proses tempering 4250C

menjadi sebesar 114,14 kg/mm2 atau meningkat 55,4% dan setelah proses tempering 6000C menjadi sebesar 87,73 kg/mm2 atau mengalami peningkatan 19,44%.


Spesimen tanpa perlakuan mempunyai kekuatan luluh 46,34 kg/mm2, setelah proses hardening menjadi 90,035 kg/mm2 meningkat 94,29%. Setelah proses tempering 2750C menjadi sebesar 88,07 kg/mm2 atau meningkat 90,05%, setelah tempering 4250C menjadi 75,9 kg/mm2 atau meningkat 63,79% dan menjadi 70,84

kg/mm2 setelah tempering 6000C atau meningkat 52,87%.


Perpanjangan spesimen raw materials sebesar 23,43% menjadi 0,8% setelah proses hardening atau menurun 96,59%, setelah proses tempering 2750C menjadi sebesar 2,43% atau menurun 89,63%. Setelah proses tempering 4250C menjadi sebesar 11,48% atau menurun 51% dan setelah proses tempering 6000C menjadi sebesar 15,39% atau menurun 34,31%. Gambar 6. Prosen perpanjangan Sedangkan kontraksi spesimen raw materials sebesar 50,57%, menjadi sebesar 2,53% setelah proses hardening atau menurun 94,99%. Setelah proses tempering 2750C menjadi sebesar 8,5% atau menurun 83,19%, setelah proses tempering 4250C menjadi sebesar 38,09% atau menurun 24,68% dan setelah proses tempering 6000C kontraksi menjadi 49,53% atau menurunan 2,05%.

Bentuk Penampang Patahan

Treatment dengan proses tempering pada suhu 2750C menghasilkan bentuk patahan star fracture dengan tekstur kristalin, sekilas tampak rata (flat) tetapi terdapat sobekan tak beraturan di pinggir diameter ukur dan butirannya seperti kristal. Bentuk penampang patahan pada spesimen dengan proses tempering suhu

4250C adalah partial cup-cone dengan butiran halus, menujukkan bahan mempunyai perpanjangan atau mulai mempunyai keuletan sehingga harga


kekuatan dan kekerasannya sedikit menurun. Proses tempering dengan suhu pemanasan 6000C memperoleh penampang patahan yang berbentuk partial cup-cone dengan butiran agak kasar, menunjukkan perpanjangan bahan lebih besar dari pada kedua proses tempering sebelumnya.

PEMBAHASAN HASIL PENELITIAN

Data hasil penelitian yang ditabulasikan dalam bentuk diagram batang dan gambar struktur mikro serta penampang patahan diketahui ada perbedaan karakteristik kekuatan tarik statis dari spesimen penelitian antara raw materials, proses hardening dengan suhu 8250C dan yang mengalami proses tempering dengan variasi suhu pemanasan: 2750C, 4250C dan 6000C yang menggunakan waktu penahanan 30 menit. Hasil kekuatan tarik pada kelompok spesimen raw materials sebesar 73,45

kg/mm2 dengan VHN sebesar 190, berpenampang patah partial cup-cone tekstur granular yang menandakan bahan mempunyai keuletan sehingga perpanjangan dan reduksi penampangnya besar. Strukturnya terdiri dari ferit dan perlit, karena mempunyai kandungan 0,473 % berat karbon. Peningkatan kekerasan dan kekuatan bahan akan dapat dicapai dengan proses hardening. Proses hardening menghasilkan bahan dengan kekuatan tarik 185,07 kg/mm2 dengan kekerasan sangat tinggi, yaitu VHN sebesar 737,67. Harga ini sangat tinggi sehingga penampang patahnya berbentuk flat dengan butiran halus, berarti kekuatan tariknya besar sehingga keuletan (perpanjangan dan reduksi penampang) hampir tidak ada. Kekuatan semakin besar sudah pasti kekerasannya juga tinggi, karena struktur yang terbentuk setelah dicelup adalah martensit. Struktur martensit mempunyai kelemahan yaitu getas, sehingga harus di-temper agar dapat dipakai dalam peralatan maupun konstruksi mesin yang mensyaratkan keuletan. Kelompok spesimen tempering dengan suhu 2750C (low temperature tempering) mempunyai kekuatan tarik sebesar 123,43 kg/mm2 dengan VHN sebesar 562, perpanjangan dan reduksi penampang mulai ada sehingga keuletan bahan sedikit bertambah. Pemanasan pada suhu ini menghasilkan epsilon karbida yang sangat halus sehingga kekerasan dan kekuatannya turun dari pada proses hardening, penampang patah terlihat rata (flat) tetapi pada pinggirannya terdapat sobekan yang

tidak teratur dan sering disebut star fracture dengan tekstur kristalin karena bagian kulitnya mulai lunak. Proses tempering 4250C (medium temperature tempering) mempunyai kekuatan tarik dan kekerasan sebesar 114,14 kg/mm2 dengan VHN sebesar 446,3. Nilai perpanjangan dan reduksi penampang bertambah besar, sehingga penampang patahannya berbentuk partial yang terbentuk adalah bainit yang terdiri dari ferit dan epsilon karbida, sehingga kekerasan mengalami penurunan dari proses sebelumnya.

Suhu temper dinaikkan sampai 6000C (high temperature tempering) akan mengubah martensit menjadi ferit dan sementit, dengan lepasnya karbon dari martensit dan bergabung dengan epsilon karbida yang membentuk sementit lagi. Perpanjangan bertambah berarti keuletan bahan naik dan kekuatan tariknya turun,

sehingga penampang patahan akan membentuk partial cup-cone dengan butiran lebih kasar lagi. Kekuatan tarikmenjadi sebesar 87,73 kg/mm2 dengan VHN sebesar 283. Dengan melihat analisis data yang telah diperoleh di atas menunjukkan bahwa

perubahan suhu temper sangat mempengaruhi karakteristik baja karbon sedang ditinjau dari kekuatan tarik, kekuatan luluh, perpanjangan, reduksi penampang, struktur mikro, penampang patahan dan kekerasannya. Fenomena semacam ini menunjukkan bahwa dengan proses hardening bahan akan sangat kuat dan keras tetapi cenderung getas sehingga perpanjangan dan reduksi penampang hampir tidak ada dan bentuk penampang patahnya flat. Spesimen mengalami penurunan kekuatan tarik dan kekerasan jika dilanjutkan pada proses tempering, perpanjangan dan reduksi penampangnya mulai ada walaupun sedikit serta bentuk penampang patahnya tidak lagi flat. Semakin tinggi suhu tempering maka kekuatan tarik semakin menurun karena butiran yang terbentuk semakin kasar yang menjadikan ikatan antar butir berkurang, perpanjangan dan reduksi penampangnya semakin meningkat sehingga bentuk patahannya menuju cup cone. Artinya bahan akan semakin liat dengan kekerasan yang sedikit berkurang.

KESIMPULAN

Besarnya harga kekuatan tarik raw materials adalah 73,45 kg/mm2 dengan VHN sebesar 190, sedangkan setelah proses hardening menjadi 185,07 kg/mm2 dengan VHN sebesar 737,67. Tempering 2750C menghasilkan 123,43 kg/mm2 dan VHN sebesar 562, sedangkan 114,14 kg/mm2 dan VHN sebesar 446,3 dihasilkan pada suhu 4250C dan pada suhu 6000C menjadi 87,73 kg/mm2 dan VHN sebesar 283. Beberapa saran yang dapat diberikan adalah perlu adanya penelitian lanjut melihat efek tegangan dalamnya (internal stress), pengamatan permukaan perpatahan dengan fraktografi (Scanning Electron Microscope) dan lain-lain.

Tidak ada komentar: