PENGARUH TEMPER DENGAN QUENCHING MEDIA PENDINGIN OLI MESRAN SAE 40 TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN STRUKTUR MIKRO BAJA ST 60 Jeni Fariadhie Fakultas Teknik, Teknik Mesin, Universitas Sultan Fatah Demak ABSTRAK This study aims to determine the effect of tempering with quenching media Mesran Oil SAE 40 for tensile strength and the microstructure of steel ST 60. Temperature tempering process carried out by quenching at a temperature of 6000C to 8300C. The method used in this study was descriptive using raw material for steel ST 60 specimens were produced by PT. Bhineka BAJANAS. Tensile test specimens using the standard ASTM E8 A48. The test results showed the composition of the basic material is included in the class of medium carbon steel or high carbon steel with carbon content of 0.452%. The tensile strength of steel ST 60 67.74 kg/mm2 and an increase of 28.26% when the quenching process is carried out with a maximum voltage of 86.88 kg/mm2 with an increase of 20.09% in the specimens tempered with a tensile strength of 81, 35%. The results of tensile testing which ended with a fracture of the specimen showed extension of the raw material 12.38%, 9.80% on quenching, and 14.06% in the temper. Greatest contraction occurred in the specimens tempered at 49.15% has decreased by 44.16% on quenching specimens, and 46.88% in raw materials. Testing shows the microstructure of the microstructure consists of ferrite rawmaterials and perlite with a large crystal form and a balanced according to the carbon content of 0.452%. A. Latar Belakang Masalah Seiring dengan perkembangan jaman dan teknologi,banyak kalangan dunia industri yang menggunakan logam sebagai sebagai bahan utama operasional atau sebagai bahan baku produksinya. Baja karbon banyak digunakan terutama untuk membuat alat-alat perkakas, alatalat pertanian, komponenkomponen otomotif, kebutuhan Pengaruh Temper dengan Quenching Media 126
rumah tangga. Aplikasi pemakaiannya, semua struktur logam akan terkena pengaruh gaya luar berupa tegangan-tegangan gesek sehingga menimbulkan deformasi atau perubahan bentuk. Usaha menjaga agar logam lebih tahan gesekan atau tekanan adalah dengan cara perlakuan panas pada baja, hal ini memegang peranan penting dalam upaya meningkatkan kekerasan baja sesuai kebutuhan. Proses ini meliputi pemanasan baja pada suhu tertentu, dipertahankan pada waktu tertentu dan didinginkan pada media tertentu pula. Perlakuan panas mempunyai tujuan untuk meningkatkan keuletan, menghilangkan tegangan internal, menghaluskan butir kristal, meningkatkan kekerasan, meningkatkan tegangan tarik logam dan sebagainya, tujuan ini akan tercapai seperti apa yang diinginkan jika memperhatikan faktor yang mempemgaruhinya, seperti suhu pemanasan dan media pendingin yang digunakan. Salah satu proses perlakuan panas pada baja adalah pengerasan (hardening), yaitu proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau diatas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat dinamakan quench. Akibat proses hardening pada baja, maka timbulnya tegangan dalam (internal stresses), dan rapuh (britles), sehingga baja tersebut belum cocok untuk segera digunakan. Oleh karena itu pada baja tersebut perlu dilakukan proses lanjut yaitu temper. Dengan proses temper kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan sampai memenuhi syarat penggunaan, kekuatan tarik turun sedangkan keuletan dan ketangguhan meningkat. Namun yang menjadi permasalahan sejauh mana sifat sifat yang memenuhi syarat yang diinginkan ini dapat dicapai melalui proses temper. Pengkajian lebih lanjut dampak dari faktor perbedaan media quenching-temper, dapat dilakukan melalui beberapa uji bahan. Pengujian bahan yang digunakan untuk proses quenching-temper adalah uji kekuatan tarik, dan uji struktur mikro. Penggunaan pelumas sebagai media pendingin akan menyebabkan timbulnya selaput karbon pada spesimaen tergantung dari besarnya viskositas pelumas. Atas dasar tujuan untuk memperbaiki sifat baja tersebut, maka peneliti memilih perlakuan panas temper dengan quenching media Oli Mesran SAE 40. Perubahan sifat pada baja dapat diketahui dengan cara melakukan pengujian tarik, kekerasan, Pengaruh Temper dengan Quenching Media 127
ketangguhan dan muai panas. Mengingat banyaknya jenis baja karbon dan pelumas maka dalam penelitian ini akan dibatasi pada baja karbon menengah, yaitu baja dengan kadar karbon antara 0,25 0,65%C dan pelumas Mesran SAE 40, alasan dipilihnya media pendingin Oli Mesran SAE 40.adalah karena. B. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, permasalahan utama yang akan diungkap dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana pengaruh temper dengan quenching media pendingin Oli Mesran SAE 40 terhadap kekuatan tarik baja ST 60. 2. Bagaimana pengaruh temper dengan quenching media pendingin Oli Mesran SAE 40 terhadap foto mikro. C. Tujuan Penelitian Penelitian ini mempunyai tujuan yang akan dicapai, yaitu : 1. Mengetahui pengaruh temper dengan quenching media pendingin Oli Mesran SAE 40 terhadap kekuatan tarik baja ST 60. 2. Mengetahui pengaruh quench-temper dengan media pendingin Oli Mesran SAE 40 terhadap struktur mikro. D. Manfaat Penelitian Dari penelitian ini diharapkan akan memberi manfaat dalam kontribusinya terhadap pembangunan nasional serta ilmu pengetahuan dan teknologi yaitu: 1. Memberikan kontribusi terhadap pengetahuan tentang karakteristik struktur mikro dan kekuatan tarik pada bahan baja ST 60 yang dihasilkan dari proses temper dengan quench media Oli Mesran SAE 40. 2. Dapat membantu mengatasi masalah-masalah yang ada pada industri nasional, khususnya yang berhubungan dengan elemen - elemen mesin dan industri logam. 3. Memberikan kontribusi terhadap pengembangan ilmu bahan dan konstruksi. 4. Memberikan wawasan baru bagi perancangan suatu produk yang membutuhkan kekuatan suatu bahan yang tinggi. E. Landasan Teori Baja Karbon Baja merupakan salah satu jenis logam ferro dengan unsur carbon (C) 1,7%. Di samping itu baja juga mengandung unsur-unsur Pengaruh Temper dengan Quenching Media 128
lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), mangan (Mn), dan sebagainya yang jumlahnya dibatasi. Sifat baja pada umumnya sangat dipengaruhi oleh prosentase karbon dan struktur mikro. Struktur mikro pada baja karbon dipengaruhi oleh perlakuan panas dan komposisi baja. Karbon dengan unsur campuran lain dalam baja membentuk karbid yang dapat menambah kekerasan, tahan gores dan tahan suhu baja. Perbedaan prosentase karbon dalam campuran logam baja karbon menjadi salah satu cara mengklasifikasikan baja. Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi menjadi tiga macam, yaitu : 1. Baja karbon rendah Baja kabon rendah (low carbon steel) mengandung karbon dalam campuran baja karbon kurang dari 0,3%. Baja ini bukan baja yang keras karena kandungan karbonnya yang rendah kurang dari 0,3%C. Baja karbon rendah tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnya tidak cukup untuk membentuk struktur martensit (Amanto, 1999). 2. Baja karbon menengah Baja karbon sedang mengandung karbon 0,3%C 0,6%C (medium carbon steel) dan dengan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon sedang lebih keras serta lebih lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah (Amanto, 1999). 3. Baja karbon tinggi Baja karbon tinggi mengandung 0,6%C 1,5%C dan memiliki kekerasan tinggi namun keuletannya lebih rendah, hampir tidak dapat diketahui jarak tegangan lumernya terhadap tegangan proporsional pada grafik tegangan regangan. Berkebalikan dengan baja karbon rendah, pengerasan dengan perlakuan panas pada baja karbon tinggi tidak memberikan hasil yang optimal dikarenakan terlalu banyaknya martensit sehingga membuat baja menjadi getas. Sifat mekanis baja juga dipengaruhi oleh cara mengadakan ikatan karbon Pengaruh Temper dengan Quenching Media 129
dengan besi. Menurut Schonmetz (1985) terdapat 2 bentuk utama kristal saat karbon mengadakan ikatan dengan besi, yaitu : 1. Ferit, yaitu besi murni (Fe) terletak rapat saling berdekatan tidak teratur, baik bentuk maupun besarnya. Ferit merupakan bagian baja yang paling lunak, ferrit murni tidak akan cºcok digunakan sebagai bahan untuk benda kerja yang menahan beban karena kekuatannya kecil. 2. Perlit, merupakan campuran antara ferrit dan sementit dengan kandungan karbon sebesar 0,8%. Struktur perlitis mempunyai kristal ferrit tersendiri dari serpihan sementit halus yang saling berdampingan dalam lapisan tipis mirip lamel. Quenching Menurut Edih Supardi (1999) dasar pengujian pengerasan pada bahan baja yaitu suatu proses pemanasan dan pendinginan untuk mendapatkan struktur keras yang disebut martensit. Martensit yaitu fasa larutan padat lewat jenuh dari karbon dalam sel satuan tetragonal pusat badan atau mempunyai bentuk kristal Body Centered Tetragonal (BCT). Gambar 1. Diagram besi karbon Pengaruh Temper dengan Quenching Media 130
Makin tinggi derajat kelewatan jenuh karbon, maka makin besar perbandingan satuan sumbu sel satuannya, martensit makin keras tetapi getas. Martensit adalah fasa metastabil terbentuk dengan laju pendinginan cepat, semua unsur paduan masih larut dalam keadaan padat. Pemanasan harus dilakukan secara bertahap (preheating) dan perlahan-lahan untuk memperkecil deformasi ataupun resiko retak. Setelah temperatur pengerasan (austenitizing) tercapai, ditahan dalam selang waktu tertentu (holding time) kemudian didinginkan cepat. Baja canai panas dengan cara pendinginan lambat mempunyai struktur perlit dengan ferit bebas atau sementit bebas, hal ini tergantung pada kandungan karbon (Doan, G.E., 1952). Tahap pendinginan lambat pada baja mengakibatkan suatu keadaan yang relatif lunak atau plastis. Untuk menambah kekerasan baja, dapat dilakukan dengan pengerjaan yang dimana baja dipanaskan sampai suhu 830ºC kemudian didinginkan secara cepat (quenching) (Djafrie, 1985). Tempering Perlakuan untuk menghilangkan tegangan dalam dan menguatkan baja dari kerapuhan disebut dengan memudakan (tempering). Tempering didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan pada temperatur tempering (di bawah suhu kritis), yang dilanjutkan dengan proses pendinginan (Koswara,1999:134). Baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cºcok untuk digunakan, melalui proses tempering kekerasan dan kerapuhan dapat diturunkan sampai memenuhi persyaratan penggunaan. Kekerasan turun, kekuatan tarik akan turun pula sedang keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Meskipun proses ini menghasilkan baja yang lebih lunak, proses ini berbeda dengan proses anil (annealing) karena di sini sifat-sifat fisis dapat dikendalikan dengan cermat (Amstead, 1997 : 148). Pada suhu 200 C sampai 300 C laju difusi lambat hanya sebagian kecil karbon dibebaskan, hasilnya sebagian struktur tetap keras tetapi mulai kehilangan kerapuhannya. Di antara suhu 500 C dan 600 C difusi berlangsung lebih cepat, dan atom karbon yang berdifusi di antara atom besi dapat membentuk sementit. Perubahan sifat mekanis akibat temper martensit baja Pengaruh Temper dengan Quenching Media 131
karbon 0,452 %C. Prosesnya adalah memanaskan kembali berkisar antara suhu 150 C 650 C dan didinginkan secara perlahan-lahan terganutng sifat akhir baja tersebut. Media Pendingin Media pendingin yang digunakan untuk mendinginkan baja bermacammacam. Berbagai bahan pendingin yang digunakan dalam proses perlakuan panas antara lain : 1. Air, pendinginan dengan menggunakan air akan memberikan daya pendinginan yang cepat. Biasanya ke dalam air tersebut dilarutkan garam dapur sebagai usaha mempercepat turunnya temperatur benda kerja dan mengakibatkan bahan menjadi keras. 2. Minyak, minyak yang digunakan sebagai fluida pendingin dalam perlakuan panas adalah yang dapat memberikan lapisan karbon pada kulit (permukaan) benda kerja yang diolah. Selain minyak yang khusus digunakan sebagai bahan pendingin pada proses perlakuan panas, dapat juga digunakan minyak bakar atau solar. 3. Udara, pendinginan udara dilakukan untuk perlakuan panas yang membutuhkan pendinginan lambat. Untuk keperluan tersebut udara yang disirkulasikan ke dalam ruangan pendingin dibuat dengan kecepatan yang rendah. F. Metode Penelitian Bahan yang dipilih dalam penelitian ini adalah baja karbon menengah baja ST 60 dengan kadar karbon 0,452%C. Baja karbon ini dibentuk menjadi spesimen kekuatan tarik dan struktur mikro. 1. Spesimen Uji Kekuatan Tarik Spesimen pengujian tarik (gambar 2) mengacu pada specimen berpenampang bulat menggunakan standard pengujian ASTM E8 A48 dengan jumlah 9 buah yang terdiri dari 3 buah pembanding utama (raw material),3 buah sebagai kontrol quenching dan 3 buah sebagai kontrol tempering. Pengaruh Temper dengan Quenching Media 132
Gambar 2. Benda kerja uji tarik r = 30 mm d = 12 mm D = 18 mm h = 50 mm 2. Alur Penelitian Perlakuan panas dilakukan dalam dapur pemanas, yang pertama yaitu proses quenching pada suhu 830 ºC (0,452%C sesuai bahan). Spesimen selain raw material dikenai proses ini, suhu pemanasan dilakukan bertahap mulai suhu kamar, suhu 400 ºC /jam selama 98 menit kemudian ditahan sekitar 30 menit (holding time), diharapkan suhu telah mencapai 650 ºC pemanasan awal (pree heating) dilanjutkan sampai suhu yang dituju yaitu 830 ºC. Pada suhu terakhir ini dipertahankan selama 30 menit (holding time) dengan maksud agar pemanasan benar-benar merata pada seluruh lapisan spesimen, kemudian dicelup dalam Oli Mesran SAE 40 yang mengalir agar spesimen benar-benar mengalami p = 10 mm m = 10 mm Lo = 60 mm Lt = 200 mm pendinginan kejut dan specimen sampai benar-benar dingin. Proses selanjutnya adalah proses tempering, karena tempering merupakan pengulangan dari quenching akan tetapi didinginkan dengan perlahan. Spesimen yang dikenai tempering dimasukkan dalam dapur pemanas, lalu distel dari suhu kamar ke suhu 600 ºC untuk perlakuan tempering kemudian di tahan selama 75 menit dengan tujuan agar pemanasan benar-benar merata pada seluruh lapisan spesimen, pendinginan dilakukan dalam udara bebas. Langkah berikutnya adalah menyiapkan spesimen sifat fisis (foto struktur mikro) dengan cara memotong salah satu ujung spesimen untuk sample sepanjang 2 cm lalu meratakan dan menghaluskan permukaanya Pengaruh Temper dengan Quenching Media 133
sampai memenuhi syarat spesimen, di etsa (dibersihkan) dengan larutan alkohol dan asam nitrat 2,5% kemudian dilihat dengan mikroskop logam 3. Peralatan penelitian Alat penelitian merupakan piranti bantu dalam proses penelitian, yaitui : a. Alat uji tarik : Mesin uji tarik Serpopulzer b. Alat uji struktur mikro : Mikroskop optik merk Olympus c. Quenching-Temper : Oven Hofman, tang penjepit,bak berisi air, d. Alat spesimen : Mesin sekrap, kikir, ragum, amplas, gergaji G. Hasil dan pembahasan Penelitian ini menghasilkan data-data yang berupa angka dalam Tabel 1. Hasil pengujian tarik tabel, gambar grafik dan foto yang digunakan dalam penelitian dengan pengamatan struktur mikro dan hasil pengujian tarik. Hasil pengujian tarik pada umumnya adalah parameter kekuatan tarik (ultimate strength) maupun luluh (yield strength), parameter kaliatan/keuletan yang ditunjukan dengan adanya prosen perpanjangan (elongation) dan prosen kontraksi atau reduksi penampang (reduction of area) Uji tarik Data ini diperoleh dalam tiga kelomok pengujian yaitu spesimen raw materials, hasil proses quenching Oli Mesran SAE 40 dan hasil dari proses tempering 600ºC. Hasil pengujian tarik ditunjukan dalam tabel di bawah ini Pembacaan informasi dari data tersebut di atas akan lebih mudah jika dilihat dalam bentuk grafik diagram batang seperti di bawah ini : Pengaruh Temper dengan Quenching Media 134
Gambar 3. Hasil kekuatan tarik baja karbon sedang. Berdasarkan hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa kekuatan dan setelah proses tempering 600ºC menjadi sebesar 81,35 kg/mm 2 atau spesimen raw materials sebesar mengalami kenaikan 20,09 %. 67,74 kg/mm 2 setelah proses Kekuatan tarik spesimen quenching quenching Oli Mesran SAE 40 Oli Mesran SAE 40 turun 6,37% menjadi 86,88 kg/mm 2 atau terhadap tempering 600ºC. mangalami peningkatan 28,26% Gambar 4. Prosentase perpanjangan hasil pengujian tarik. Berdasarkan gambar diatas sebesar 14,06% atau naik 13,53 %. dapat dilihat perpanjangan Kenaikan perpanjangan sebesar spesimen raw materials sebesar 43,42% terjadi dari spesimen 12,38% menjadi 9,80% setelah quenching Oli Mesran SAE 40 proses quenching Oli Mesran SAE terhadap spesimen proses 40 atau menurun 20,84%, setelah tempering 600ºC. proses tempering 600 ºC menjadi Pengaruh Temper dengan Quenching Media 135
Gambar 5. Prosentase dari kontraksi uji tarik Gambar prosentasi kontraksi di atas menunjukkan bahwa kntraksi spesimen raw materials sebesar 46,88% menjadi sebesar 44,16% setelah proses quenching atau menurun 5,80% dan setelah perlakuan proses temper 600 ºC, kontraksi menjadi 49,15% atau meningkat 4,86%. Struktur Mikro a. Raw Materials Struktur mikro raw materials dilihat dengan mikroskop logam tampak strukturnya adalah perlit dan ferit, dimana perlit berwarna gelap dan ferit berwarna putih. Susunan kristal sesuai dengan kadar karbon yang dikandung bahan yaitu 0,473 % C. Pada struktur mikro raw materials jumlah butir kristalnya dalam satu satuan luas adalah.± butir seperti terlihat pada gambar. Gambar 6. Foto mikro spesimen raw materials Pengaruh Temper dengan Quenching Media 136
b. Hardening dengan Quenching Oli Mesran SAE 40 830 ºC Struktur mikro quenching terlihat struktur perlit dan ferit, dimana perlit berwarna gelap dan ferit berwarna putih. Gambar 7. Foto mikro spesimen quenching. c. Tempering 600 ºC temperature tempering yang Proses tempering 600 ºC menghasilkan bentuk sering disebut high campuran ferit dan sementit Gambar 8. Foto mikro spesimen temper 600 ºC Proses perlakuan panas quenching Oli Mesran SAE 40 dilakukan untuk mengetahui seberapa perbedaan perubahan kondisi bahan sebagai treatment awal pada penelitian ini. dengan media quenching Oli Mesran SAE 40. Struktur mikro yang dihasilkan menunjukkan kekerasan tinggi dengan adanya struktur baru ini (martensit) yang seperti jarum. Ferrit dengan bongkahan besar dan tersebar tidak teratur, diantara perlit dan martensit yang baru terbentuk Pengaruh Temper dengan Quenching Media 137
pada proses ini. Struktur martensit mempunyai kelemahan yaitu getas, sehingga harus di temper agar dapat dipakai dalam peralatan maupun konstruksi mesin yang mensyaratkan keuletan (Amstead,1997). Proses tempering dengan suhu 600 ºC (high temperature tempering) akan mengubah martensit menjadi ferrit dan sementit, dengan lepasnya karbon dari martensit akan membentuk sementit lagi. H. Simpulan Berdasarkan hasil penelitian dari pengujian dan evaluasi data serta pembahasan pada proses quenching Oli Mesran SAE 40 dan temper maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Kekuatan uji tarik pada carbon ST 60 : raw materials adalah 67,74 kg/mm 2, setelah proses quenching menjadi 86,88 kg/mm 2. Pada proses temper 600ºC menghasilkan 81,35 kg/mm 2. 2. Struktur mikro pada proses tempering 600ºC mempunyai struktur perlit dan ferit, proses quenching dengan media Oli Mesran SAE 40 campuran ferit dan sementit. DAFTAR PUSTAKA Amstead, BH, 1997, Jakarta, Erlangga : Teknologi Mekanik jilid 1 Bradbury.EJ, 1990, Jakarta, Gramedia Pustaka Utama : Dasar Metalurgi untuk Rekayasawan Djafri, Sriati, 1983, Terjemahan dari Manufacturing Processes, Jakarta,Erlangga : Teknologi Mekanik Jilid I. Djafri, Sriati. 1987.. Terjemahan dari Mechanical Metallurgy. Jakarta, Erlangga : Metalurgi Mekanik. Doan, G.E. 1952. The Principles of Physical Metallurgy New York: Mc Graw Boo Company. Amanto, Hari, I999, Jakarta, Bumi Aksara : Ilmu Bahan Koswara, Engkos, 1999, Bandung, Humaniora Utama Press : Pengujian Bahan Logam Rajan, TJ, Sharma, 1997, New Delhi, Prentice Hall of India Private Limited : Heat Treatment Principlea and Techniques Schonmentz, Gruber, 1985, Bandung, Aksara : Pengetahuan Bahan Dalam Pengerjaan Logam Soejdono. 1978, Departemen Pendidikan dan Pengaruh Temper dengan Quenching Media 138
Kebudayaan : Pengetahuan Logam 1. Supardi, Edih, 1999, Bandung, Angkasa : Pengujian Logam, Pengaruh Temper dengan Quenching Media 139