METODE PENINGKATAN TEGANGAN TARIK DAN KEKERASAN PADA BAJA KARBON RENDAH MELALUI BAJA FASA GANDA Ahmad Supriyadi & Sri Mulyati Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H. Sudarto, SH., Tembalang, Kotak Pos 6199, Semarang 50329 Telp. 7473417, 7499585, 7499586 (Hunting), Fax. 7472396 Abstrak Baja fasa ganda merupakan hasil proses laku panas pada temperatur pemanasan daerah campuran antara ferrit dan austenit (α + γ) yang didinginkan dengan laju pendinginan di atas laju pendinginan kritisnya, dengan tujuan merubah sifat mekanik bahan, antara lain tegangan tarik dan kekerasan bahan. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan pada baja karbon rendah melalui baja fasa ganda dengan parameter utama temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang tepat. Untuk mendapatkan metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah, maka pada langkah proses pembuatan baja fasa ganda dibuat spesimen untuk masing-masing temperatur pemanasan 732 C, 770 C, 810 C dengan variasi waktu penahan 5 menit, 10, 20, dan 30 menit Sebelum melakukan proses fasa ganda seluruh spesimen dinormalkan pada temperatur 900 C waktu penahanan 20 menit terlebih dahulu guna mendapatkan kondisi awal struktur yang homogen. setelah pembentukan fasa ganda, selanjutnya setup spesimen ditemper pada temperatur 200 C waktu penahanan 20 menit untuk mengurangi tegangan dalam dan menaikkan keuletannya, dan selanjutnya dilakukan pengerasan regang untuk menaikkan tegangan tarik dan kekerasannya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan pembentukan fasa ganda pada baja karbon rendah ST 37 terdapat peningkatan 83 % tegangan tariknya yaitu dari 310 [N/mm 2 ] menjadi 567 [N/mm 2 ] dan peningkatan kekerasan 40 % yaitu dari 133,1 RM menjadi 186,6 RM, sedangkan ST 60 dari 460 [N/mm 2 ] menjadi 501 [N/mm 2 ] dan kekerasan dari 165 HV menjadi 178 HV. Kenaikan pada ST 37 dicapai dengan hasil perlakuan pada temperatur pemanasan 770 C dengan waktu penahan selama 20 menit, sedangkan pada ST 60 temperatur 810 C waktu penahanan 20 menit. Sedang, dalam rekayasa perbaikan sifat mekanik pada baja karbon rendah, metode hasil penelitian ini dapat dijadikan sebagai pertimbangan untuk digunakan. Kata kunci : baja karbon rendah, baja fasa ganda. 1. Pendahuluan Penggunaan baja karbon rendah sangat banyak digunakan meskipun terbatas pada cara ini yang tidak membutuhkan tegangan tarik dan kekerasan relatif tinggi, hal tersebut dikarenakan harganya relatif murah dan mudah pembentukkannya. Untuk memperluas penggunaan baja karbon rendah, diperlukan peningkatan sifat mekaniknya terutama dari segi sifat mekanik (tegangan tarik dan kekerasan) tetapi harganya masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lainnya. Salah satu alternatif untuk perbaikan sifat mekanik baja karbon rendah adalah dengan menjadikannya baja fasa ganda dengan metode perlakuan yang tepat agar peningkatan tegangan tarik dan kekerasan dapat dicapai. Jika proses pembentukan baja karbon fasa ganda dengan metode yang tepat maka fasa ganda yang dihasilkan memiliki kombinasi struktur martensit yang keras dan ferrite yang lunak, sehingga selain mudah dalam proses pembentukan juga adanya peningkatan tegangan tarik dan kekerasannya dibandingkan dengan pra fasa ganda baja karbon rendah. Pada proses pembuatan baja karbon fasa ganda, variabel yang menentukan peningkatan tegangan tarik serta nilai kekerasan adalah temperatur pemanasan dan waktu penahanan pada daerah campuran ferit dengan austenit (α + γ). Temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang menghasilkan tegangan tarik dan kekerasan yang tertinggi merupakan metode terbaik untuk peningkatan kekuatan baja karbon rendah melalui proses baja fasa 11
ganda. Untuk mendapatkan temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang tepat guna mencapai maksud tersebut maka diperlukan uji coba dan memberikan variasi temperatur pemanasan dan waktu penahanan di daerah (α + γ). Variasi temperatur pemanasan dipilih sesuai dengan kondisi baja karbon rendah yaitu dimulai dari 732 C, 770 C dan 810 C, sedangkan waktu penahanan masingmasing selama 5 menit, 10 menit, 20 menit dan 30 menit. Untuk memperluas penggunaan baja karbon rendah, diperlukan peningkatan sifat mekaniknya (tegangan tarik dan kekerasan) tetapi harganya masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lainnya. Hal tersebut diperlukan karena belum ada metode yang tepat untuk meningkatkan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah. Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk medapatkan metode terbaik untuk peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah ST 37 dan ST 60 melalui baja fasa ganda dengan harapan penggunaan baja karbon rendah menjadi lebih luas dengan pertimbangan harga masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lain. Baja Karbon Rendah Baja karbon rendah adalah salah satu jenis baja karbon, dimana prosentase unsur karbonnya dibawah 0,25 %, untuk lebih jelas ditunjukkan pada Tabel 1, sedangkan unsur pembentuk lainnya seperti Mn tidak lebih dari 0,8 %, Si tidak lebih dari 0,5 %, demikian pula unsur Cu tidak lebih dan 0,6 %. Disamping jenis baja karbon berdasarkan kandungan karbonnya, juga dikelompokkan berdasarkan komposisi prosentase unsur pemandu karbonnya seperti yang perlihatkan pada diagram fasa F e - C (Gambar l), baja hypoeutektoid kurang dari 0,8 %C, baja eutektoid 0,8 % C, sedangkan baja hypoeutektoid lebih besar dari 0,8 % C. 12 Tabel 1. Klasifikasi Baja Karbon Berdasar Kandungan Karbon No Jenis Baja Karbon Prosentase Unsur Karbon (% C) 1 Baja karbon rendah 0,25 % 2 Baja karbon medium 0,25 % 0,55% 3 Baja karbon tinggi 0,55 % Dengan memperhatikan diagram fasa tersebut maka baja karbon rendah adalah jenis baja hypoeutektoid karena prosentase unsur pemandu karbonnya tidak melebihi 0,8 % dan hanya mengandung 0,112 % C. (Yureman Zain, 1993). Komposisi kimia lembaran pelat baja karbon rendah produk PT. Krakatau Steel sebagai spesimen penelitian ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Komposisi Kimia Baja Karbon Rendah Unsur Prosentase Unsur Prosentase (%) C 0,112 Ni 0,0143 Si < 0,117 Mo 0,0065 Mn 0,443 Cu 0,0176 P < 0,0008 Al 0,0381 S < 0,0002 Fe 99,350 Cr 0,0085 Sumber : hasil penelitian Gambar 1. Diagram F e C Sumber : hasil penelitian Perlakuan Panas Perlakuan panas (heat treatment) didefinisikan sebagai kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan yang terkontrol dalam keadaan
padat untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu pada baja/logam atau paduan. Terjadinya perubahan sifat tersebut dikarenakan terjadi perubahan struktur mikro selama proses pemanasan dan pendinginan, dimana sifat baja/logam atau paduan sangat dipengaruh oleh struktur mikronya. Perlakuan panas dibedakan : (a) proses laku panas dengan kondisi equilibrium, seperti proses anil, normalising, (b) proses laku panas non-equilibrium, seperti pengerasan (hardening). Proses annealing untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur kritisnya A 3, lihat gambar 1 (25 0 C 50 0 C di atas temperatur A 3 ), dan ditahan beberapa saat pada temperatur tersebut, kemudian didinginkan dengan laju pendinginan lambat di dalam dapur. Stfat baja basil proses annealing adalah menjadi lebih lunak dan ulet. (tegangan tarik dan kekerasannya menurun). Proses normalising untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur proses anil yaitu mencapai 50 C di atas temperatur kritis A 3 dengan laju pendinginan lebih cepat dari annealing yaitu pendinginan dengan udara terbuka. Hasil proses normalising baja akan berbutir lebih halus, lebih homogen dan lebih keras dari hasil proses anil. Proses pengerasan baja hypoeutektoid dilakukan pada temperatur pemanasan atas temperatur kritisnya atau berada di fase austenit, dan didinginkan dengan sangat cepat menggunakan air garam, air, oli sehingga hasilnya diperoleh struktur martensit yang keras dan menjadikan sifat baja tersebut keras dan rapuh. Proses tempering adalah pemanasan kembali hasil proses hardening, pemberian panas pada 50 C - 100 C di bawah temperatur kritis A 1 dan membiarkannya atau menahan temperatur tersebut beberapa saat, kemudian didinginkan dengan pendinginan lambat pada media udara terbuka. Tempering adalah menghilangkan tegangan sisa dan mengembalikan sebagian keuletan dan ketangguhan bahan meskipun kekerasan dan tegangan tariknya menurun. Pengerasan Regang Pengerasan regang (strain hardening) merupakan salah satu proses pengerasan yang dilakukan pada logam yang sukar dikeraskan dengan proses perlakuan panas. Proses pengerasan regang yaitu membebani logam mencapai beban luluhnya (F Y ) atau di daerah tegangan luluh (yield stress = σ Y ). Konsep pengerasan regang adalah dislokasi yang menumpuk di bidang slip dalam styruktur kristal, tumpukan tersebut menghasilkan tegangan balik (back stress) yang melawan tegangan pada bidang slip, atau dislokasi yang berinteraksi satu sama lain dengan penghalang (barriers) yang menghalangi gerak dalam sisi kristal. Baja Fasa Ganda Baja hypoeutektoid dipanaskan antara temperatur kritis atas (A 3 ) dan temperatur kritis bawah (A 1 ) (lihat Gambar 1 diagram F e - C ), kemudian didinginkan dengan cepat melebihi laju pendinginan kritisnya (lihat Gambar 2 diagram continuous cooling transformation [CCT] baja hypoeutektoid), maka akan didapat baja fasa ganda (dual phase). Sebagai contoh baja dengan kadar karbon 0,2% dipanaskan sampai temperatur 800 C maka baja tersebut setelah kesetimbangan akan terdiri dari 50 % ferrit (σ) dan 50 % austenit (γ) yang mengandung 0,4 % C seperti terlihat pada Gambar 5. Pendinginan cepat dari temperatur 800 C akan menghasilkan struktur martensit dalam matrik ferit, dimana butir ferit yang terbentuk setelah proses pembentukan fasa ganda adalah poligonal (memiliki sisi banyak). Struktur martensit dalam bentuk matrik ferit memiliki ciri atau sifat tegangan luluhnya rendah akibat adanya tegangan sisa dari proses transformasi austenit ke martensit dan penguatan regang yang mengikat. 13
Transformation time, seconds Gambar 2.CCT Diagram Baja Hypoeutektoid Sumber : hasil penelitian Pada temperatur kamar, baja hypoeutektoid terdiri dari butiran kristal ferit dan pearlit. Apabila temperatur pemanasan mencapai tempertaur kritis bawah A, maka pearlit akan mengalami reaksi eutektoid sehingga laurellaurel ferit dan sementit dari pearlit akan bereaksi menjadi austenit. Transformasi austenit didahului dengan pengintian yang selanjutnya diikuti pertumbuhan kristal austenit (ferrit BCC menjadi austenit FCC) dan setelah temperatur mencapai A 3 seluruh ferit akan menjadi austenit, lihat Gambar 3 skema perubahan struktur mikro selama pemanasan. Gambar 3. Skema Perubahan Struktur Mikro Selama Pemanasan Gambar 4. Diagram Stress-Strain Fasa Ganda dan Baja Karbon 14 Gambar 5. Pemanasan Equilibrium pada 800 0 C Baja 0,2% C Mengandung 50% σ dan 50% γ 2. Metode Penelitian Sebelum proses pembentukan fasa ganda seluruh spesimen terlebih dahulu dinormalkan pada temperatur 900 C dengan waktu penahanan 20 menit guna mendapatkan kondisi struktur bahan yang homogen. Kemudian melakukan pembentukan fasa ganda untuk masing-masmg kelompok spesimen, yaitu kelompok pemanasan temperatur 732 C, kelompok pemanasan temperatur 770 C, dan kelompok pemanasan temperatur 810 C, dengan waktu penahanan masing-masing kelompok spesimen dikelompokkan juga, yaitu kelompok waktu. penahan 5 menit, kelompok 10 menit, kelompok 20 menit, dan kelompok 30 menit. Seluruh spesimen hasil proses pemanasan didinginkan dengan cepat (diquench) dalam air tanpa agitasi, selanjutnya semua spesimen di temper pada temperatur 200 C dengan waktu penahanan selama 20 menit dan langkah terakhir spesimen di keraskan dengan pengerasan regang. Setelah baja karbon fasa ganda terbentuk maka dilakukan pengujian tarik pengujian kekerasan. Tolok ukur keberhasilan penelitian adalah adanya peningkatan tegangan tarik dan nilai kekerasan baja karbon rendah paska fasa ganda lebih besar dari pra fasa ganda yaitu tegangan tarik lebih besar dari 310 [N /mm 2 ] dan nilai kekerasan lebih besar dari 133,1 [HV]. Untuk lebih jelasnya metode penelitian ditunjukkan diagram alir penelitian Gambar 6.
Gambar 6. Diagram Alir Penelitian 3. Hasil dan Pembahasan Hasil pengujian untuk meningkatkan tegangan tarik dan kekerasan bahan baja karbon rendah jenis ST 37 dan ST 60 melalui proses baja fasa ganda dapat ditunjukkan Tabel 1 sampai dengan Tabel 3. Tabel 1 data tegangan tarik dan kekerasan bahan ST 37 dan ST 60 sebelum perlakuan, sedangkan Tabel 2 adalah data tegangan tarik dan kekerasan untuk bahan ST 37 setelah proses baja fasa ganda, dan Tabel 3 merupakan data tegangan tarik dan kekerasan untuk bahan ST 60 setelah proses baja fasa ganda. 15
Tabel 1. Data Tegangan Tarik Bahan ST 37 dan ST 60 Sebelum Perlakuan Spesimen A 0 (mm) F y (N) σ Y 2 (N/mm) Fu σ u 2 (N/mm ) V (HV) 16 A o ST 37 A o ST 60 28 6500 232,1 8200 292,8 130,1 28 7000 250,0 8700 310,0 137,2 28 6900 246,4 8600 307,1 132,0 Rata-rata 242,8 310 133,1 44,8 16000 357,1 20800 464,3 165 44,8 15800 352,7 20500 457,6 170 44,8 15600 349,8 20400 457,4 160 Rata-rata 353 460 165 Tabel 2. Data uji tarik dan nilai kekerasan baja fasa ganda setelah pengerasan untuk jenis bahan ST 37 Spesimen Tempratur ( 0 C) Fu (N) σ u 2 (N/mm σ u rata-rata V (FM V Fy (N) σ y 2 (N/mm) 11700 417,8 165,0 9200 328,6 A, 732 B I 770 C i 810 A2 732 B2 770 C2 810 A 3 732 B3 770 C 3 810 A4 732 B4 770 C4 810 10900 389,3 407,13 167,0 8700 310,7 11600 414,3 8800 314,3 13300 475,0 165,0 10600 378,6 12900 460,7 467,8 175,0 169,3 9300 332,1 13100 467,8 10400 371,4 13200 471,4 165,0 10400 371,4 12900 460,7 464,3 178,0 170,3 9600 342,8 12900 460,7 9700 346,4 12300 439,3 175,0 9500 339,3 13200 471,4 461,03 172,0 172,7 10300 367,8 13200 472,4 171,0 9600 342,8 13600 495,7 175,0 10200 364,3 12900 460,7 485,5 172,0 174,0 10400 371,4 14000 500.0 175,0 11200 400,0 14000 500,0 175,0 10900 389,3 13000 464,3 489,3 164,0 166,7 10700 382,1 14100 503,6 161,0 11100 396,4 13900 496,4 172,0 10800 385,7 12800 457,1 467,8 180,0 173,3 9900 353,6 12600 450,0 10500 375,0 15500 553,6 188,0 11900 425,0 15900 567,8 550 192,0 186,6 12600 450,0 14800 528,6 180,0 11500 410,7 12800 457,1 165,0 10300 367,8 14000 500,0 467,8 169,3 10500 375,0 12500 446,4 175,0 9800 350,0 13100 467,8 1g0'0 10300 367,8 13600 485,7 478,5 172,0 11100 396,4 13500 482,1 10400 371,4 15200 542,6 175,0 12400 442,8 15600 557,1 542,8 180,0 179,0 12600 450,0 14800 528,6 182,0 10700 362,1 13700 489,3 9800 350,0 13700 489,3 483,33 175,0 171,6 9800 350,0 13200 471,4 172,0 9500 339,3 Keterangan : Tegangan tarik rata-rata 567 (N/mm) dengan nilai kekerasan yang tinggi 186,6 (HV) terdapat pada hasil proses B 3 yaitu baja fasa ganda temperatur 770 C dengan waktu penahanan 20 meni
Tabel 3. Data uji tarik dan nilai kekerasan baja fasa ganda setelah pengerasan Untuk jenis bahan ST. 60 Spesimen Tempratur ( 0 C) Fu (N) σ u 2 (N/mm σ u rata-rata V (FM) V Fy (N) σ y 2 (N/mm) 22.200 476,5 150 19.000 407,8 A i 732 27.800 563,7 512 160 155 20.000 405,5 23.000 495,7 155 19.200 413,8 B 1 770 C 1 810 A2 732 B 2 770 C2 810 A3 732 B3 770 C3 810 A 4 732 B 4 770 C 4 810 25.200 514,3 190 19.000 387,8 24.400 502 501 170 173 17.800 366,3 22.800 487,2 170 16.600 354,7 20.000 439,6 180 14.500 318,7 19.800 454,1 444,9 175 178 14.200 325,7 20.200 441 180 15.000 327,5 20.100 448,7 160 15.800 352,7 20.800 512,3 474,3 155 158,3 15.800 389,2 20.600 461,9 150 15.400 345,3 19.600 486,2 175 15.000 372,1 20.000 471,7 487,3 170 178 15.400 363,2 21.200 504 190 15.500 369 22.000 473,3 200 15.800 331,3 22.000 483,5 477,6 190 14.600 230,9 190 22.000 476,2 180 15.100 326,8 20.800 464,3 165 16.000 357,1 20.500 457,6 459,8 170 165 15.800 352,7 20.400 457,4 160 15.600 349,8 21.000 464,9 170 15.600 345,3 22.000 483,5 473 175 171,7 16.200 365 20.800 470,6 170 15.400 348,4 22.000 483,5 200 15.000 329,7 22.000 484,5 471 200 193,3 15.000 328,9 20.800 470,6 180 15.000 339,4 20.000 432,9 165 15.200 329 21.200 481,6 457,2 165 166,7 15.600 354,4 20.200 457 170 15.200 343,9 20.000 439,6 175 15.600 342,9 20.000 446,4 445 175 175 15.200 339,3 20.200 448,9 175 15.000 333,3 22.000 490,5 175 15.900 354,5 22.000 491,1 492 180 181,6 15,200 339,3 22.200 493,3 190 16.000 355,6 Keterangan : Tegangan tarik rata-rata 483 (N/mm) dengan nilai kekerasan yang tinggi 190 (HV) terdapat pada hasil proses C 2 yaitu baja fasa ganda temperatur 810 C dengan waktu penahanan 20 menit Pembahasan Dari data hasil pengujian tersebut dapat dibuat grafik kekerasan fungsi temperatur dan waktu penahanan (Gambar 1), serta Tegangan tarik fungsi temperatur dan waktu penahanan (Gambar 2). 4. Kesimpulan Dari data dan grafik ditarik kesimpulan bahwa metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah jenis ST 37 dan ST 60 dapat digunakan, karena kedua bahan tersebut terjadi peningkatan. 17
Dengan metode baja fasa ganda yang menggunakan baja karbon rendah dapat meningkatkan tegangan tarik baja karbon rendah untuk ST 37 yang semula 310 [N/mm 2 ] menjadi 567,6 [N/mmJ, dan kekerasan meningkat dari 133,1 (HV) menjadi 186,6 (HV). Sedangkan untuk ST 60 tegangan tariknya dari 460 [N/mm 2 ] menjadi 500 [N/MM 2 ], kekerasan dari 165 [HV] menjadi 170 (HV). 5. Daftar Pustaka George E. Dieter, 1996, Mechanical Metallurgy 2 d ed, Mc Graw Hill, Kagokusho Ltd, Sigapore. Herman W. Pollack, 1991, Materials Science And Metallurgy, Reston Publising Company, Virginia. Japanese Standard Association, 1980, JIS Hand Book, Akosaka 4 Chome, Minatuko, Tokyo, Japan. Karl-Eric Thelning,1994, Steel And Its Heat Treatment, Second Edition, Buffer Warth & Co, Boston, London. Sidney H. Avner, 1994, Introduction To Physical Metallurgy, Second Edition, Mc Graw Hill Book Company, New York. Wahid Superman, 1990, Ilmu Logam I, Teknik Mesin Fakultas Teknik Industri ITS, Surabaya. Yureman Zain, 1993, Laporan Hasil Analisa Komposisi Kimia Baban Baja, Lab QC/QA Foundry Politeknik Manufaktur Bandung, Bandung. 18