PENINGKATAN MUTU BAJA PEGAS DAUN DENGAN METODE PROSES HEAT TREATMENT Margono Sugeng, Abim_2605@yahoo.com Abstrak Pegas daun digunakan sebagai suspensi kendaraan darat baik untuk kendaraan roda empat atau kendaraan roda enam. Pegas daun adalah salah satu komponen utama yang digunakan untuk meredam getaran atau guncangan yang ditimbulkan oleh eksitasi-eksitasi gaya luar saat kendaraan bergerak. Karena itu bila komponen pegas ini tidak diperhitungkan dengan baik akan menimbulkan efek negatif terhadap kenyaman penumpangnya. Tulisan ini membatasi pada analisis komposisi kimia, fasa penyusunan struktur mikro, nilai kekerasan dari raw material maupun hasil perlakuan panas dengan variasi kecepatan pendinginan dari bahan baja pegas daun. Material uji yang digunakan adalah pegas daun dengan pengujian meliputi uji komposisi kimia, kekerasan dan struktur mikro dengan variasi kecepatan pendiningnan. Dari hasil uji komposisi kimia, bahan pegas daun termasuk baja karbon sedang (C = 0,3 %). Hasil struktur mikro material dasar didapatkan martensit temper, pada quenching air didapatkan fasa martensit halus yang mengalami retak pada tepi dengan intergranular cracking, sedangkan pada quenching oli didapatkan fasa martensit halus tetapi tidak terjadi keretakan pada benda uji. Berdasar hasil pengujian kekerasan didapatkan kekerasan rata-rata tertinggi pada specimen quenching air (non temper) sebesar 826 HV dan berturutturut menuju posisi terendah yaitu: specimen quenching oli (non temper) sebesar 767 HV, specimen quenching airtemper sebesar 453 HV, specimen raw material sebesar 418 HV, specimen quenching oli-temper sebesar 394 HV, specimen annealing sebesar 227 HV. Kata Kunci: Pegas Daun, Perlakuan Panas, Kecepatan Pendinginan Abstract Leaf spring suspension is used as road vehicles are good for four-wheel vehicle or a six-wheeled vehicles. Leaf spring is one of the main components that are used to dampen vibrations or shocks caused by external force excitations while the vehicle is moving. Because it's spring when the component is not accounted for properly will cause a negative effect on passenger comfort. This paper limits the analysis of chemical composition, phase preparation of micro structure, hardness value of raw material and heat treatment results with a variation rate of cooling of the steel leaf spring. Test material used is a leaf spring with testing involves testing the chemical composition, hardness and micro structure with a variable speed cooling. From the test results of chemical composition, material including carbon steel leaf spring is (C=0.3%). The results of the micro structure of the base material obtained tempered martensite, the martensite phase obtained water quenching finely fractured by intergranular cracking at the edges, whereas the oil quenching martensite phase obtained subtle but no cracks in the test specimen. Based on the results of hardness testing hardness obtained the highest average in the specimen water quenching (non tempered) amounted to 826 HV and consecutive to the lowest position ie: specimen quenching oil (non tempered) amounted to 767 HV, water quenching-tempered specimens at 453 HV, specimens of 418 HV raw materials, oil quenching-tempered specimens of 394 HV, 227 HV for annealed specimens. Key word: Leaf spring, Heat Treatment, speed cooling Bab 1: Pendahuluan Pegas daun banyak digunakan sebagai suspensi kendaraan darat, khususnya untuk 313
kendaraan roda empat atau lebih. Pegas daun adalah salah satu komponen utama yang digunakan untuk meredam getaran atau guncangan yang ditimbulkan oleh gaya luar saat kendaraan bergerak. Karena itu bila komponen pegas ini tidak diperhitungkan dengan baik akan menimbulkan efek negatif terhadap kenyamanan penumpangnya. Bahan pegas daun termasuk ke dalam golongan baja pegas, yang sebenarnya tidak mempunyai kekerasan yang tinggi. Baja ini dapat dikeraskan dan ditingkatkan keuletannya dengan beberapa cara, antara lain melalui proses perlakuan panas. Proses perlakuan panas dapat membentuk sifat baja dari yang mudah patah menjadi lebih kuat dan ulet atau juga dapat mengubah sifat baja dari yang lunak menjadi sangat keras dan sebagainya. Proses perlakuan panas merupakan salah satu bagian dari proses industri, namun biasanya ini dipasang terpisah dari rangkaian produksi. Perlakuan panas merupakan proses kombinasi antara pemanasan dan pendinginan terhadap logam atau baja dalam dalam jangka waktu tertentu yang dimaksud untuk memperoleh sifat-sifat tertentu pada baja. Pembentukan sifat-sifat inilah yang sangat diperlukan untuk memperoleh baja yang betul-betul sesuai dengan kebutuhan dan fungsinya. Tulisan ini membahas perlakuan panas yang dilakukan terhadap benda uji baja pegas daun dengan temperatur austenisasi 950 0 C, ditahan selama 15 menit, kemudian dilanjutkan pendinginan dengan kecepatan yang bervariasi, yaitu melalui pencelupan ke dalam oli, air atau dilakukan pendinginan lambat yaitu dengan tetap mendiamkan di dalam dapur. Salah satu proses perlakuan panas pada baja adalah pengerasan (hardening) yaitu proses pemanasan baja sampai suhu di daerah austenit disusul dengan pendinginan yang cepat dinamakan quenching. Akibat proses hardening pada baja, maka timbul tegangan dalam (internal stresses), dan rapuh (brittle), sehingga baja tersebut belum cocok untuk segera digunakan. Oleh karena itu pada baja tersebut perlu dilakukan proses lanjut yaitu tempering dengan suhu 480 0 C ditahan 45 menit, kemudian dilanjutkan pendinginan lambat di udara. Dengan proses tempering kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan sampai memenuhi syarat penggunaan, namun kekuatan tarik naik serta keuletan dan ketangguhan meningkat. Untuk bahan baja pegas daun sudah ada standar baku dan berpedoman pada JIS (Japan Industrial Standar). Dalam tulisan ini dilakukan kembali untuk menganalisa dan meningkatkan mutu bahan pegas daun yang sudah berpedoman pada JIS melalui proses pemanasan. Bahan baja pegas daun yang digunakan adalah baja karbon menengah SUP 9 dengan komposisi karbon (0,3-0,5) % yang digunakan pada kendaraan roda empat, sehingga bisa didapatkan mutu baja pegas daun yang baik dari pegas daun yang sudah ada. Oleh karena itu, tulisan ini bermaksud menganalisis peningkatan mutu baja pegas daun, menganalisis struktur mikro dan permukaan material baja pegas daun setelah proses perlakuan panas. Bab 2: Tinjauan Pustaka Pegas daun merupakan suatu komponen yang banyak digunakan pada kendaraan bermotor sebagai bagian dari sistem suspensi. Komponen ini biasanya terdiri dari beberapa pelat datar yang dijepit bersama untuk mendapatkan efisiensi dan daya lenting yang tinggi seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. 314
Gambar 1: Pegas Daun Tegangan pegas daun terjadi pada ujung yang dijepit, pegas daun diharapkan terdefleksi secara teratur pada saat menerima beban. Adapun fungsi pegas adalah memberikan gaya, melunakkan tumbukan dengan memanfaatkan sifat elastisitas bahannya, menyerap dan menyimpan energi dalam waktu yang singkat dan mengeluarkanya kembali dalam jangka waktu yang lebih panjang, serta mengurangi getaran. Cara kerja pegas adalah kemampuan menerima kerja lewat perubahan bentuk elastis ketika mengendur, kemudian menyerahkan kerja kembali ke dalam bentuk semula, hal ini disebut cara kerja pegas. Perlakuan panas pada baja merupakan kombinasi proses pemanasan dan pendinginan terhadap baja pada temperatur austenit, ditahan beberapa lama, kemudian didinginkan dengan kecepatan pendinginan tertentu, yang secara diagram ditunjukkan pada gambar-2. Gambar 2: Kurva siklus perlakuan panas Dari diagram ini ditunjukkan bahwa baja dipanaskan sampai temperatur tertentu, kemudian ditahan beberapa lama, dengan maksud akan berpengaruh terhadap struktur baja yang dikeraskan. Selanjutnya baja didinginkan pada kecepatan tertentu, dengan menggunakan media pendingin tertentu. Proses hardening (Pengerasan) diawali dengan memanaskan baja sampai temperatur austenite, kemudian ditahan beberapa lama, selanjutnya didinginkan dengan cepat dengan cara mencelupkan ke dalam air atau oli. Proses Anil dilakukan dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenite, ditahan beberapa lama kemudian didinginkan secara lambat di dalam furnace. Terhadap baja yang telah diproses hardening, dapat dilakukan proses tempering, yaitu dengan cara memanaskan kembali di bawah temperatur transformasi, kemudian ditahan beberapa lama, selanjutnya didinginkan dengan kecepatan tertentu. Tujuan proses tempering adalah untuk menghilangkan tegangan dalam yang ada di dalam baja, dan meningkatkan keuletan tanpa mengurangi kekuatan dan kekerasan baja. Secara skematis proses tempering ditunjukkan pada gambar-3. Nilai kekerasan bisa diketahui dengan jalan mengukur ketahanan baja terhadap penekanan, yaitu dengan jalan penekanan bola baja yang dikeraskan atau suatu piramida intan pada permukaan permukaan baja, lalu ukuran bekasnya diukur berdasarkan beban penekanan dan ukuran dari bola atau piramida, sehingga luas dari bekasnya memberikan suatu perbandingan nilai kekerasan. Nilai kekerasan baja ini 315
mempunyai implikasi terhadap (1) Kekuatan bahan terhadap penetrasi, (2) Kekuatan bahan terhadap goresan, (3) Kekuatan bahan terhadap beban impak, (4) Ukuran daya tahan bahan terhadap deformasi plastis, dan (5) Ukuran ketahanan bahan terhadap lekukan. Gambar-3: Diagram Proses Tempering Pengamatan struktur mikro untuk mengetahui susunan fasa benda uji. Struktur mikro dan sifat paduannya dapat diamati dengan berbagai cara bergantung pada sifat informasi yang dibutuhkan. Salah satu cara dalam mengamati struktur suatu bahan yaitu dengan teknik metalografi (pengujian mikroskopik). Pengujian komposisi kimia untuk mengetahui kandungan unsur kimia yang terdapat pada benda uji. Komposisi kimia logam sangat penting untuk menghasilkan sifat logam yang baik. Spectrometer adalah alat yang mampu menganalisa unsur-unsur logam induk dan campurannya dengan akurat, cepat dan mudah dioperasikan. Prinsip dasar dari diketahuinya kandungan unsur dan komposisinya pada alat ini adalah apabila suatu logam dikenakan energi listrik atau panas maka kondisi atom-atomnya akan menjadi tidak stabil. Elektron-elektron yang bergerak pada orbital atomnya akan melompat ke orbital yang lebih tinggi. Apabila energi yang dikenakan dihilangkan maka elektron tersebut akan kembali ke orbit semula dan energi yang diterimanya akan dipancarkan kembali dalam bentuk sinar. Sinar yang terpancar memiliki panjang gelombang tertentu sesuai dengan jenis atom unsurnya, sedangkan intensitas sinar terpancar sebanding dengan kadar konsentrasi unsur. Hal ini berarti bahwa jenis suatu unsur dan kadarnya dapat diketahui melalui panjang gelombang dan intensitas sinar yang terpancar. Bab-3: Metode Pengamatan Untuk melakukan penelitian ini dilakukan kegiatan pengamatan dan pengumpulan data yang mengikuti diagram alir seperti ditunjukkan pada gambar-1. 316
Baja Pegas Daun Pembuatan Benda uji Pemanasan pada 950 0 C Selama 15 menit dan Dilanjutkan pendinginan Quench air Quench Oli Dalam Dapur (Anil) Temper 480 0 C Selama 45 menit Temper 480 0 C Selama 45 menit Raw Material Uji Struktur mikro Dan kekerasan Uji komposisi kimia Analisa Data Kesimpulan Gambar 3: Diagram alir pengamatan Benda uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja pegas daun LJ410 berbentuk pelat memanjang, yang dipotong dengan panjang 5 cm, lebar 5 cm, dan tebal 5 mm, dengan jumlah 6 buah, masing-masing 5 buah untuk proses perlakuan panas dan 1 buah raw 317
material sekaligus digunakan untuk pengamatan struktur mikro dan uji kekerasan. Perlakuan panas menggunakan dapur pemanas, pada temperatur pemanasan 950 0 C dan waktu tahan 15 menit kemudian dicelup langsung 2 specimen ke dalam air, 2 specimen ke dalam oli, 1 specimen didinginkan dalam dapur pemanas. Proses selanjutnya adalah proses tempering, merupakan pengulangan dari proses quenching akan tetapi tempering di dinginkan dengan secara perlahan. Specimen yang dikenai tempering dimasukan ke dalam dapur pemanas, lalu di panaskan sampai temperatur 480 0 C kemudian ditahan selama 45 menit dengan tujuan agar pemanasan benar-benar merata pada seluruh lapisan specimen, pendinginan dilakukan dalam udara bebas. Pengamatan Struktur Mikro dilakukan di bawah mikroskop optic Metalloplan Microscope Leitz Wetzlar, dengan pembesaran 500 x, sedangkan untuk pemotretan dilakukan dengan tambahan alat Peralatan mikroskop makro. langkah menyiapkan specimen untuk sifat fisis (struktur mikro) dengan cara memotong salah satu ujung specimen untuk sampel sepanjang 2 cm lalu meratakan dan menghaluskan permukaannya sampai memenuhi syarat specimen, dietsa (dibersihkan) dengan larutan alcohol dan asam nitrat 2% kemudian dilihat menggunakan mikroskop untuk mendapatkan struktur mikronya. Pengujian kekerasan menggunakan uji kekerasan macro hardness Vickers. Alat yang digunakan adalah Alat Uji kekerasan HV Frank Finotest yang digunakan berupa piramida intan dengan bermacam-macam diameter. Diagonal-diagonal pyramid yang digunakan adalah d 1 (mm) dan d 2 (mm), sedangkan beban penekanan yaitu 5 kgf dengan waktu pembebanan selama ±15 detik Bab-4: Hasil dan Pembahasan Dari hasil uji komposisi, tabel-1 diketahui bahwa spesimen mempunyai kandungan karbon sebesar 0,3 % sehingga material tersebut tergolong dalam medium carbon steel atau baja karbon sedang. Presentase kandungan karbon tersebut dijadikan sebagai dasar pengambilan suhu dalam proses perlakuan panas. Tabel-1: Hasil Pengujian Komposisi Kimia Nama Unsur Simbol Presentase unsur (%) Iron/Ferro Fe 97,07 Silicon Si 1,292 Manganese Mn 0,735 Tungsten W 0,040 Carbon C 0,300 Chromium Cr 0,220 Nikel Ni 0,152 Copper Cu 0,122 Molybdenum Mo 0.031 Sulfur S 0,013 314
Niobium Nb 0,010 Phosphorus P 0,004 Dari hasil uji kekerasan yang dilakukan dengan menggunakan metode Vickers diperoleh hasil seperti tabel-2 dan Tabel-2: Nilai kekerasan benda uji secara grafik yang ditunjukkan pada gambar- 4. NILAI KEKERASAN, HV No. Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3 Sampel 4 Sampel 5 Sampel 6 1 418 223 826 767 447 386 2 418 236 826 767 460 396 3 418 223 826 767 454 401 Rata-rata 418 227 826 767 453 394. Gambar-4: Grafik Nilai Kekerasan Berdasarkan gambar-4 dan hasil pengujian mikro struktur menunjukkan bahwa nilai kekerasan raw material sebesar 418 HV, dengan struktur mikro cenderung martensit temper, sedangkan setelah raw material mengalami proses annealing mengalami penurunan sebesar 227 HV, hal ini relevan dengan struktur mikro yang dihasilkan dari proses Annealing yaitu berupa matrik perlitik dan austenite berwarna putih. Sedangkan pada proses hardening dengan temperature pemanasan 950 0 C yang kemudian diquenched ke dalam air didapat nilai kekerasan 826 HV, lalu untuk proses quenching oli didapat nilai kekerasan 767 HV, hal ini relevan dengan struktur mikro yang dihasilkan yaitu berupa martensit halus dan pada bagian tepi baja pegas daun terlihat 315
adanya retak. Pada benda uji yang mengalami proses quenching dengan media air yang dilanjutkan dengan proses temper pada temperatur 480 0 C didapat nilai kekerasan 453 HV, dengan mikro struktur berupa martensit halus dan austenite sisa, dan pada pada bagian tepi benda uji juga terlihat adanya retak. Selanjutnya nilai kekerasan yang didapat pada proses quenching dengan media oli lalu ditemper mengalami penurunan dengan nilai 394 HV, dengan mikro struktur berupa martensit halus dan austenite sisa berwarna putih. Berdasarkan uraian tersebut diketahui ada perbedaan karakteristik dari masingmasing benda uji antara raw materials,annealing, proses quenching air, quenching oli dengan suhu 950 0 C ditahan selama 15 menit dan yang mengalami proses tempering dengan temperatur pemanasan 480 0 C yang menggunakan waktu penahan 45 menit. Struktur mikro proses annealing yang tampak ini sesuai dengan kadar karbon yang terkandung bahan yaitu 0,3 %C. bentuk berupa matrik perlitik dan austenit (putih), Hasil kekerasan yang dimiliki raw material sebesar 418 HV.hasil kekerasan yang didapat pada proses annealing sebesar 227 HV. Proses perlakuan panas quenching air, quenching oli, quenching air-temper, quenching oli-temper dilakukan untuk mengetahui seberapa perbedaan perubahan kondisi bahan dan kekuatan kekerasan sebagai treatment awal pada penelitian ini. dengan media quenching air, oli, udara struktur mikro yang dihasilkan menunjukkan kekerasan menurun dengan adanya struktur baru ini (martensit halus), tetapi ketangguhannya meningkat terhadap raw materials. Struktur mikro pada quenching air terlihat retak-retak pada sisinya yang disebabkan karena temperatur yang terlalu tinggi berupa martensit halus dengan intergranular cracking sehingga mempunyai kekerasan tinggi dan ketangguhannya rendah, karena struktur yang telah terbentuk setelah di celup adalah martensit.sedangkan pada proses quenching oli tidak terjadi retakan pada specimennya.struktur martensit halus mempunyai kelemahan yaitu getas, sehingga harus di temper agar dapat dipakai dalam peralatan maupun konstruksi mesin yang mensyaratkan keuletan. Hasil kekerasan quenching air (non temper) yang dimiliki sebesar 826 HV sedangkan pada quenching oli (non temper) nilai kekerasan yang dimiliki sebesar 767 HV sehingga terlihat terjadinya penurunan tingkat kekerasan. Struktur mikro pada quenching airtemper terlihat juga keretakan pada sisi tepinya yang disebabkan temperatur yang terlalu tinggi berupa martensit halus dengan intergranular cracking sehingga mempunyai kekerasan yang tinggi dan ketangguhan yang rendah dengan nilai kekerasan 453 HV,sedangkan pada quenching oli-temper berupa martensit halus dan austenite sisa (putih) pada specimen tidak mengalami keratakan,mempunyai kekerasan 394 HV.dapat dilihat dari proses quenching airtemper dengan quenching oli-temper mengalami penurunan nilai kekerasan dan meningkat ketangguhannya. Bab-5: Simpulan Berdasarkan uraian tersebut diatas dapat ditarik simpulan sebagai berikut : 1. Dari pengamatan komposisi kimia pegas daun termasuk baja karbon sedang (C = 0,3%) dengan unsur penyusun utama adalah besi (Fe) = 97,07 %, silicon (Si) = 1.292%, dan mangan (Mn) = 0,735 %. 2. Dari Hasil pengamatan struktur mikro specimen raw material didapatkan martensit temper, quenching air 314
didapatkan fasa martensit halus yang mengalami retak pada tepi dengan intergranular cracking, quenching oli didapatkan fasa martensit halus tetapi tidak terjadi keretakan pada specimen, quenching air-temper didapatkan fasa martensit halus dan austenite sisa terjadi keretakan juga pada tepi dimana didaerah retak terdapat oksidasi, quenching oli-temper didapatkan fasa martensit halus dan austenite sisa pada specimen tidak terjadi keretakan yang terlihat, annealing didapatkan fasa matrik perlitik dan austenit. 3. Dari hasil pengujian kekerasan didapatkan harga kekerasan rata-rata tertinggi pada specimen quenching air (non temper) sebesar 826 HV dan berturut-turut menuju posisi terendah yaitu: specimen quenching oli (non temper) sebesar 767 HV, specimen quenching air-temper sebesar 453 HV, specimen raw material sebesar 418 HV, specimen quenching oli-temper sebesar 394 HV, specimen annealing sebesar 227 HV. DAFTAR PUSTAKA A TEXT BOOK OF MCHINE DESIGN, R.S KURMI & GUPTA 1980. ASM HANDBOOK VOLUME 4 HEAT TREATING. Elemen Mesin jilid 1, Penerbit Erlangga 1994. GEORGE KRAUSS, STEELS: HEAT TREATMENT AND PROCESSING PRINCIPLES, ASM INTERNATIONAL, 1995. SIDNEY H. AVNER, INTRODUCTION TO PHYSICAL METALLURGY, Second Edition, McGraw-Hill International Editions. THOMAS H.COURTNEY, MECHANICAL BEHAVIOR OF MATERIALS, McGRAW.HILL INTERNATIONAL EDITIONS 315