BAB III PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN

Transkripsi

1 BAB III PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN Percobaan ini dilakukan untuk mendapatkan data energi impak dan kekerasan pada baja AISI H13 yang diberi perlakuan panas hardening dan tempering. Berdasarkan data tersebut kemudian diamati pengaruh beberapa variabel perlakuan panas (temperatur austenitisasi, temperatur tempering, dan jumlah tempering) terhadap ketangguhan dan kekerasan baja. Selain itu juga dilakukan pengamatan terhadap kondisi struktur mikro untuk mempelajari mekanisme dan faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya perubahan energi impak dan kekerasan pada setiap variabel tersebut. Sampel untuk uji impak yang berjumlah 18 sampel dipotong sesuai dengan standar ASTM E 23 dengan ukuran 55 mm x 10 mm x 10 mm. Sembilan buah sampel akan ditemper sebanyak satu kali (single tempering) sedangkan sembilan sampel lainnya ditemper hingga tiga kali (triple tempering). Sampel untuk uji kekerasan dan pengamatan struktur mikro yang berjumlah 21 sampel dipotong dengan ukuran 10 mm x 10 mm x 7 mm. Tiga buah sampel hanya diberi perlakuan hardening untuk mengamati struktur mikro dan kekerasan baja tanpa tempering dan sisanya diberi perlakuan hardening dan tempering dengan variasi temperatur austenitisasi, temperatur tempering, dan jumlah tempering. Prosedur percobaan secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar MATERIAL UJI Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja Bohler W302 (AISI H13) berbentuk pelat yang diperoleh dari salah satu perusahaan pembuat baja Jerman, yakni Bohler. Baja ini diproduksi dalam kondisi annealed. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 47

2 Tabel 3.1 Komposisi Kimia Baja Bohler W302 (5) Unsur Pemadu C Si Mn Cr Mo V Komposisi (% berat) Tabel 3.2 Sifat Fisik Baja Bohler W302 (5) Temperatur (20 o C) (500 o C) (600 o C) Densitas (kg/dm 3 ) Koefisien Termal Ekspansi Tempering temperatur tinggi Per o F dari 68 o F Per o C dari 20 o C x x 10-6 Konduktivitas Termal W/m.K (hardened dan tempered) Modulus Elastisitas N/mm Specific Heat (J/kg.K) Tabel 3.3 Perbandingan Sifat Mekanik Baja Bohler W302 Terhadap Beberapa Baja Perkakas Pengerjaan Panas Lainnya (17) BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 48

3 Baja Perkakas Bohler W302 (AISI H13): 55 mm x 10 mm x 10 mmj (Uji Impak (UI), 18 sampel) 10 mm x 10 mm x 7 mm (Uji kekerasan (UK), 21 sampel) Austenitisasi Austenitisasi Austenitisasi (13 Sampel, 6 UI+7 UK) (13 Sampel, 6 UI+7 UK) (13 Sampel, 6 UI+7 UK) T = 1020 o C T = 1050 o C T = 1080 o C t = 30 menit t = 30 menit t = 30 menit Air Cooling Single Tempering Single Tempering Single Tempering (12 Sampel, 6 UI + 6UK) (12 Sampel, 6 UI + 3UK) (12 Sampel, 6 UI + 6 UK) T = 540 o C T = 590 o C T = 620 o C t = 2 jam t = 2 jam t = 2 jam Air Cooling Air Cooling Air Cooling Double Tempering Double Tempering Double Tempering Air Cooling Air Cooling Air Cooling Uji Kekerasan, Uji Impak & Pengamatan Struktur Mikro (6 Sampel, 3 UI + 3UK) Uji Kekerasan, Uji Impak & Pengamatan Struktur Mikro (6 Sampel, 3 UI + 3UK) Triple Tempering (6 Sampel, 3 UI + 3UK) T = 540 o C t = 2 jam Triple Tempering (6 Sampel, 3 UI + 3UK) T = 590 o C t = 2 jam Triple Tempering (6 Sampel, 3 UI + 3UK) T = 620 o C t = 2 jam Pendinginan Udara Hingga Temperatur Kamar Uji Impak (9 Sampel) Uji Kekerasan (9 sampel) Pengamatan Struktur Mikro Gambar 3.1 Diagram Alir Percobaan BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 49

4 3.2 PERLAKUAN PANAS BAJA PERKAKAS AISI H Hardening Hardening dilakukan dengan tujuan untuk memperkeras baja AISI H13 karena baja tersebut diperoleh pada kondisi annealed, yaitu kondisi baja paling lunak. Pada penelitian ini hardening dilakukan pada tiga temperatur austenitisasi yang berbeda, yaitu 1020 o C, 1050 o C, dan 1080 o C. Austenitisasi dilakukan dengan cara memanaskan baja dari temperatur kamar hingga temperatur austenitisasi. Waktu tahan (soaking time) pada temperatur austenitisasi adalah 30 menit. Untuk menghindari terjadinya retakan akibat thermal shock maka proses austenitisasi dilakukan melalui beberapa tahap pemanasan awal (pre-heating). Selain untuk menghindari terjadinya retakan akibat thermal shock, pre-heating juga berguna untuk memperpanjang masa pakai tanur. Pada percobaan ini pre-heating dilakukan dalam empat tahap, masingmasing pada temperatur 200 o C, 400 o C, 600 o C, dan 850 o C (17). Pada temperatur 200 o C dan 400 o C baja ditahan selama 10 menit sedangkan pada temperatur 600 o C dan 850 o C baja ditahan selama 15 menit. Setelah proses austenitisasi selesai, baja kemudian didinginkan dengan air cooling, yaitu dengan mengeluarkan sampel dari dalam tanur dan mendinginkannya pada temperatur kamar. Teknik hardening seperti ini merupakan teknik standar yang umum dilakukan untuk memperkeras baja perkakas AISI H13. Alat yang digunakan untuk memanaskan baja hingga mencapai temperatur austenitisasi adalah tube furnace. Untuk menghindari terjadinya karburisasi selama proses hardening, tube furnace dihubungkan dengan tabung gas argon. Gas argon dialirkan dengan laju rata-rata aliran gas sekitar 5 ml/menit. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.2. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 50

5 Seluruh sampel untuk uji impak dan uji kekerasan dimasukkan ke dalam tanur pada temperatur kamar kemudian sedikit demi sedikit temperatur dinaikkan. Temperatur yang ingin dicapai pertama kali adalah 200 o C. Pada temperatur ini baja ditahan selama sekitar 10 menit. Kemudian baja dipanaskan hingga 400 o C dan ditahan selama 10 menit. Pada temperatur 600 o C dan 850 o C baja ditahan lebih lama, yakni 15 menit. Hal ini dilakukan dilakukan untuk memastikan seluruh panas terdistribusi merata ke seluruh baja. Setelah pre-heating selesai, tahap selanjutnya adalah austenitisasi. Baja yang telah dipanaskan sampai temperatur 850 o C lalu dipanaskan lagi hingga temperatur austenitisasi, yakni 1020 o C, 1050 o C, dan 1080 o C. Pada temperatur ini baja ditahan selama 30 menit. Selama proses pre-heating dan austenitisasi gas argon tetap dialirkan. Tahap terakhir adalah air cooling, yaitu pengeluaran baja dari tanur dan mendinginkannya pada udara hingga temperatur kamar. Pendinginan udara ini dilakukan dengan bantuan kipas angin agar proses pendinginan berlangsung lebih cepat. Gambar 3.2 Tube Furnace Gambar 3.3 memperlihatkan secara skematik tahapan proses hardening pada baja perkakas AISI H13 yang dilakukan pada percobaan ini. Variasi proses hardening dapat dilihat pada tabel 3.4. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 51

6 Tabel 3.4 Variasi Temperatur Hardening Temperatur Waktu Tahan Pendinginan Austenitisasi 1020 o C 30 menit Air Cooling 1050 o C 30 menit Air Cooling 1080 o C 30 menit Air Cooling T Gambar 3.3 Skema Proses Pengerasan t Tempering Tabel 3.5 memperlihatkan variasi perlakuan panas tempering pada percobaan ini. Tabel 3.5 Variasi Temperatur dan Jumlah Tempering Temperatur Jumlah Waktu Tahan Pendinginan Tempering Tempering (Soaking Time) 540 o C Single 2 jam Air Cooling Triple 2 jam Air Cooling 590 o C Single 2 jam Air Cooling Triple 2 jam Air Cooling 620 o C Single 2 jam Air Cooling Triple 2 jam Air Cooling BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 52

7 Pada percobaan ini seluruh sampel uji impak yang berjumlah 18 sampel diberi perlakuan panas tempering dengan variasi temperatur dan jumlah tempering (single dan triple tempering). Sembilan sampel ditemper sebanyak satu kali sedangkan sembilan sampel lainnya ditemper sebanyak tiga kali dengan waktu tahan selama dua jam untuk setiap tahap tempering. Sampel untuk uji kekerasan dan pengamatan struktur mikro yang berjumlah 21 buah juga diberi perlakuan panas yang sama dengan sampel uji impak. Tiga buah sampel hanya diberi perlakuan hardening saja untuk melihat struktur mikro dan kekerasan baja setelah pengerasan. Tempering dilakukan pada muffle furnace dengan kondisi udara terbuka. Gambar 3.4 memperlihatkan alat yang digunakan untuk melakukan tempering. Gambar 3.4 Muffle Furnace Untuk lebih jelasnya, proses hardening dan tempering secara keseluruhan disajikan pada tabel 3.6. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 53

8 Tabel 3.6 Parameter Perlakuan Panas Hardening dan Tempering T austenitisasi T tempering Jumlah Tempering 1020 o C (Sampel Nomor 1, 2, 3, 4, 5, 6 ) 1050 o C (Sampel Nomor 7, 8, 9, 10, 11, 12) 1080 o C (Sampel Nomor 13, 14, 15, 16, 17, 18) Single (Sampel 1) 540 o C Triple (Sampel 2) Single 593 o C (Sampel 3) Triple (Sampel 4) Single 620 o C (Sampel 5) Triple (Sampel 6) Single 540 o C (Sampel 7) Triple (Sampel 8) Single 593 o C (Sampel 9) Triple (Sampel 10) Single 620 o C (Sampel 11) Triple (Sampel 12) Single 540 o C (Sampel 13) Triple (Sampel 14) 593 o C 620 o C Single (Sampel 15) Triple (Sampel 16) Single (Sampel 17) Triple (Sampel 18) BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 54

9 3.3 PENGUJIAN KETANGGUHAN Prosedur Percobaan Jumlah sampel yang digunakan untuk pengujian ketangguhan adalah 18 buah sampel. Sampel-sampel tersebut diperoleh dari baja perkakas yang berbentuk pelat dengan ukuran 300 mm x 150 mm x 30 mm. Pelat ini kemudian dipotong menjadi 18 buah sampel berukuran 55 mm x 10 mm x 10 mm dengan jari-jari takikan (notch) sebesar 2,5 mm (gambar 3.5). Semua sampel tersebut kemudian diaustenitisasi pada temperatur 1020 o C, 1050 o C, dan 1080 o C dan kemudian didinginkan melalui pendinginan udara. Setelah didinginkan sembilan buah sampel kemudian ditemper sebanyak satu kali sedangkan sisanya ditemper sebanyak tiga kali pada temperatur 540 o C, 590 o C, dan 620 o C. Takikan (Notch) Gambar 3.5 Spesimen Untuk Uji Impak Pengujian ketangguhan dilakukan pada temperatur kamar dengan menggunakan mesin uji Charpy Impact Karl Frank GMBH di B4T Bandung. Kapasitas maksimum mesin ini adalah 48 ft-lb. Prosedur dan mesin yang digunakan untuk melakukan pengujian ketangguhan ini dapat dilihat pada gambar berikut ini. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 55

10 Gambar 3.6 Mesin Uji Charpy Impact Karl Frank GMBH Gambar 3.7 Mekanisme Uji Impak Charpy BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 56

11 3.3.2 Hasil Percobaan Hasil pengujian ketangguhan pada setiap variabel perlakuan panas dapat dilihat pada tabel 34 dibawah ini. Tabel 3.7 Hasil Uji Impak T austenitisasi T tempering Jumlah Energi Impak Energi Impak Tempering (kgf-m) (Joule) Single 1,4 13, o C Triple 1,8 17, o C Single 2,0 19, o C Triple 3,6 35,30 Single 3,1 30, o C Triple 4,5 44,13 Single 0,8 7, o C Triple 1,4 13, o C Single 2,0 19, o C Triple 2,9 28,44 Single 3,0 29, o C Triple 3,7 36,28 Single 0,4 3, o C Triple 0,7 6, o C 593 o C 620 o C Single 0,5 4,90 Triple 0,9 8,83 Single 0,8 7,85 Triple 1,4 13,73 BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 57

12 3.4 PENGUJIAN KEKERASAN Prinsip Pengujian Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan alat Leco Micro Hardness Tester. Sistem yang digunakan adalah Vickers. Indentor yang digunakan adalah intan berbentuk prisma dengan sudut 136 o (Gambar 3.9). Indentor dengan beban statik sebesar 300 GramForce ditekankan pada permukaan material yang diuji selama 10 detik. Pengujian dilakukan di tiga titik yaitu satu buah di tengah dan dua buah di pinggir (seperti pada gambar 3.10) kemudian hasilnya dirata-ratakan. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data yang akurat. Gambar 3.8 merupakan gambar alat yang digunakan untuk menentukan besarnya kekerasan. Pada Gambar 3.9 diperlihatkan secara skematik bagaimana prinsip indentasi dan perhitungan kekerasan berdasarkan Vickers. Gambar 3.8 Leco Micro Hardness Tester BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 58

13 d 1 d 2 ¼ d 2 ½ d 2 permukaan logam uji sin68 o ) 136 o 68 o (d 2)/(4 Gambar 3.9 Model Pengujian Kekerasan Vickers Gambar 3.10 Posisi Titik-Titik Pengujian Kekerasan Catatan : d = (d 1 + d 2 ) / 2 (3.1) BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 59

14 Persamaan yang digunakan dalam menghitung kekerasan adalah Persamaan 3.2. Persamaan 3.2 diperoleh dengan penurunan seperti yang ditunjukkan pada persamaan selanjutnya yaitu Persamaan 3.3 hingga ,854 P HV = 2 d (3.2) HV : kekerasan (HVN) P : berat beban (kg) d : panjang jejak (mm) HV = 0,102 F / A = P / A (3.3) A = 4 A = 4 kali luas bagian prisma (3.4) 1 A = d 2 1 d sin68 (3.5) 2 d A = 0 2 sin68 = d 2 (3.6) 1,854 P 1,854 P HV = P A = = (3.7) 2 d 2 d 1,854 Hasil uji kekerasan yang masih dalam sistem Vickers (HVN) kemudian dikonversikan ke dalam sistem Rockwell C (HRC). Caranya adalah dengan cara meregresikan data yang tersedia dari dua sistem pengukuran kekerasan, Vickers dan Rockwell C. Untuk lebih jelasnya mengenai hal ini dapat dilihat pada lampiran a Hasil Percobaan Hasil pengujian kekerasan pada setiap variabel perlakuan panas disajikan pada lampiran b. BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 60

15 3.5 FOTO STRUKTUR MIKRO Preparasi dan Prosedur Percobaan Sampel dipreparasi dengan teknik metalografi standar yaitu dengan cara mengamplasnya dari grit 100 hingga 2000 kemudian dipoles dengan mesin poles mekanik menggunakan serbuk alumina. Selama proses pengamplasan dan pemolesan kondisi permukaan dipantau dengan mikroskop optik (Gambar 3.11) untuk menghindari overpolishing yang justru akan membuat permukaan tidak rata. Sampel yang telah halus permukaannya kemudian dietsa dengan larutan nital 5% yaitu campuran larutan HNO 3 5% dan larutan etanol 95% sebagai pelarutnya. Sampel kemudian dicelupkan ke dalam larutan nital selama sekitar 1 hingga 2 menit. Sampel yang telah di etsa kemudian diamati kembali dengan mikroskop optik. Jika hasil pengamatan bagus, artinya struktur mikronya dapat terlihat dengan baik, selanjutnya diambil foto struktur mikro dengan perbesaran 300X, 500X, dan 600X. Gambar 3.11 Mikroskop Optik Gambar 3.12 Mesin Poles Mekanik BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 61

16 3.5.2 Hasil Percobaan Gambar 3.13 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C, Tanpa Tempering. 600X Gambar 3.14 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C, Tanpa Tempering. 600X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 62

17 Gambar 3.15 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 o C dan Single Tempering 540 o C. 600X Gambar 3.16 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 o C dan Single Tempering 593 o C. 600X Gambar 3.17 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 o C dan Single Tempering 620 o C. 600X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 63

18 Gambar 3.18 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Single Tempering 540 o C. 300X Gambar 3.19 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Single Tempering 593 o C. 300X Gambar 3.20 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Single Tempering 620 o C. 600X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 64

19 Gambar 3.21 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C dan Single Tempering 540 o C. 300X Gambar 3.22 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C dan Single Tempering 593 o C. 300X Gambar 3.23 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 o C dan Triple Tempering 620 o C. 300X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 65

20 Gambar 3.24 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Triple Tempering 540 o C. 300X Gambar 3.25 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Triple Tempering 593 o C. 300X Gambar 3.26 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Triple Tempering 620 o C. 300X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 66

21 Gambar 3.27 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C dan Triple Tempering 540 o C. 300X Gambar 3.28 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C dan Triple Tempering 593 o C. 300X Gambar 3.29 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C, Tanpa Tempering. 300X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 67

22 Gambar 3.30 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C, Single Tempering 620 o C. 500X. Gambar 3.31 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 o C dan Single Tempering 540 o C. 300X Gambar 3.32 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 o C dan Single Tempering 593 o C. 300X BAB III Percobaan dan Hasil Percobaan 68