BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Baja perkakas (tool steel) merupakan baja yang biasa digunakan untuk aplikasi pemotongan (cutting tools) dan pembentukan (forming). Selain itu baja perkakas juga banyak digunakan pada komponen-komponen mesin dan konstruksi bangunan. Sejak awal abad 20 berbagai jenis baja perkakas dengan komposisi dan sifat mekanik yang berbeda-beda telah banyak dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan dunia industri. Salah satu contoh baja perkakas yang banyak digunakan didunia industri adalah baja perkakas Bohler W302 (AISI H13) yang diproduksi oleh salah satu perusahaan pembuat baja Jerman yang bernama Bohler. Baja AISI H13 dikelompokkan ke dalam baja perkakas pengerjaan panas (hot work tool steel). Baja ini biasa digunakan untuk membuat die, mould, dan blade. Baja perkakas AISI H13 yang dijual di pasaran biasanya berada dalam kondisi annealed. Baja yang berada pada kondisi annealed biasanya memiliki struktur spheroidite, dengan matrik berstruktur FCC (Face Centered Cubic). Struktur FCC ini mengakibatkan baja menjadi lunak dan mudah dibentuk melalui proses permesinan. Baja dalam kondisi annealed ini tentunya sangat tidak cocok digunakan pada berbagai aplikasi baja AISI H13 yang sebagian besar membutuhkan kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang baik seperti pada die dan mould. Ketangguhan sangat berperan dalam meningkatkan ketahanan terhadap mechanical failure dan thermal fatigue sedangkan kekerasan akan menentukan ketahanan aus material dan ketahanan terhadap deformasi plastis. Kedua sifat mekanik ini sangat menentukan umur pakai (life time) dan mengurangi kemungkinan terjadinya kegagalan pada BAB I Pendahuluan 1
perkakas. Oleh karena itu, untuk mendapatkan baja dengan kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang baik tersebut maka perlu dilakukan modifikasi struktur mikro baja. Salah satu caranya adalah dengan memberikan perlakuan panas (heat treatment) pada baja. Salah satu perlakuan panas yang sering diterapkan pada baja perkakas AISI H13 adalah hardening dan tempering. Hardening merupakan sebuah siklus perlakuan panas dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenitisasi kemudian didinginkan cepat menuju temperatur kamar. Melalui pendinginan cepat tersebut akan diperoleh peningkatan kekerasan akibat terbentuknya fasa martensit. Akan tetapi fasa martensit ini bersifat getas dan banyak memiliki tegangan sisa sehingga rentan terhadap penjalaran retakan dan perpatahan ketika mengalami pembebanan. Oleh karena itu, diperlukan perlakuan panas lanjutan yang disebut dengan tempering. Tempering bertujuan untuk men-temper martensit hasil pendinginan cepat sehingga didapatkan kombinasi antara kekerasan dan ketangguhan yang optimal. Untuk menghasilkan baja perkakas dengan kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang baik tersebut maka diperlukan penelitian mengenai berbagai pengaruh variabel pada proses hardening dan tempering. Pemilihan variabel perlakuan panas yang tepat akan menghasilkan baja perkakas dengan sifat mekanik yang diinginkan tanpa mengakibatkan penurunan yang signifikan terhadap sifat mekanik yang lainnya. Adapun variabel-variabel perlakuan panas hardening dan tempering yang bisa mempengaruhi sifat-sifat mekanik baja antara lain temperatur dan waktu tahan hardening (austenitisasi), media quenching, laju pendinginan, temperatur dan waktu tempering, dan jumlah tempering (single, double, dan triple tempering). Double dan triple tempering diperlukan pada aplikasi baja perkakas yang memerlukan ketahanan lebih terhadap pembebanan dan tumbukan. Melalui penelitian ini ingin diketahui pengaruh perlakuan panas hardening dan tempering dengan variasi temperatur hardening, temperatur tempering, dan jumlah BAB I Pendahuluan 2
tempering (single tempering dan triple tempering) terhadap ketangguhan dan kekerasan baja AISI H13. Tujuannya adalah untuk menentukan kondisi optimal proses perlakuan panas hardening dan tempering sehingga dihasilkan kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang optimal. 1.2 TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh perlakuan panas hardening dan tempering terhadap perubahan struktur mikro baja perkakas AISI H13. 2. Mempelajari pengaruh temperatur austenitisasi, temperatur tempering, dan jumlah tempering (single tempering dan triple tempering) terhadap ketangguhan dan kekerasan. 3. Menentukan kondisi optimal proses perlakuan panas hardening dan tempering agar dihasilkan kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang baik. 1.3 RUANG LINGKUP PENELITIAN Ruang lingkup penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Studi literatur Studi literatur dilakukan untuk mengetahui segala sesuatu yang berhubungan dengan penelitian ini, mencakup sifat baja yang digunakan, mekanisme proses hardening dan tempering, transformasi fasa akibat perlakuan panas, dan penggunaan alat-alat pengukuran sesuai dengan standar ASTM. 2. Percobaan Untuk mendapatkan sampel baja yang representatif, perlu dipersiapkan sampel baja dengan ukuran tertentu dan dilakukan perlakuan panas dengan akurasi yang baik. Tahap-tahap proses persiapan sampel adalah sebagai berikut. a. Sampel dipotong sesuai dengan dimensi yang diinginkan dan dibersihkan permukaannya. BAB I Pendahuluan 3
b. Sampel diaustenisasi pada beberapa temperatur austenitisasi. c. Sampel didinginkan pada udara terbuka hingga temperatur kamar. d. Sampel kemudian di-temper dengan variasi temperatur dan jumlah tempering. 3. Pengukuran dan analisis hasil pengujian. Pengukuran yang dilakukan adalah pengukuran kekerasan dan ketangguhan, serta analisa fasa dengan foto struktur mikro. Pengukuran kekerasan dilakukan dengan menggunakan microhardness tester dengan sistem HVN sedangkan pengukuran ketangguhan dilakukan dengan Charpy Impact Test. 1.4 METODOLOGI PENELITIAN Untuk mempelajari perilaku ketangguhan dan kekerasan baja perkakas, maka dilakukan percobaan terhadap sampel yang merepresentasikan pengaruh perlakuan panas terhadap kombinasi ketangguhan dan kekerasan baja. Percobaan dilakukan dalam skala laboratorium. Sebelum melakukan percobaan terlebih dahulu dilakukan studi literatur yang bertujuan untuk mempelajari baja perkakas, perlakuan panas, struktur mikro baja, dan sifat mekanik baja, terutama ketangguhan dan kekerasan. Selain studi literatur, juga dilakukan peninjauan kelapangan untuk memastikan ketersediaan bahan dan alat-alat yang diperlukan dalam penelitian ini. Pengumpulan informasi tersebut menjadi dasar dalam penentuan langkah-langkah percobaan. Sampel yang digunakan pada penelitian ini adalah baja perkakas bohler W302 (AISI H13). Pemilihan baja perkakas AISI H13 sebagai material pada penelitian ini didasarkan pada ketangguhannya yang lebih baik jika dibandingkan dengan beberapa baja perkakas pengerjaan panas lainnya. Selain itu baja ini banyak digunakan di lapangan dan lebih mudah didapatkan dipasaran jika dibandingkan dengan baja lainnya dalam kelompok ini. BAB I Pendahuluan 4
Percobaan dilakukan dengan cara memanaskan seluruh sampel pada tiga temperatur austenitisasi yang berbeda kemudian didinginkan di udara terbuka (air cooling) hingga temperatur kamar. Perlakuan ini adalah perlakuan standar yang umumnya dilakukan pada baja perkakas AISI H13 untuk meningkatkan kekerasan atau hardenability-nya. Untuk mengamati pengaruh temperatur austenitisasi terhadap kekerasan dan hardenabilitas baja, maka dilakukan pengujian kekerasan pada tiga sampel dari setiap temperatur austenitisasi. Dari sini diharapkan terjadi peningkatan kekerasan yang cukup signifikan dibandingkan kekerasan baja pada kondisi annealed. Peningkatan kekerasan ini merupakan indikasi bahwa proses hardening (pengerasan) melalui transformasi austenit menjadi martensit berlangsung dengan baik. Oleh karena martensit yang dihasilkan setelah proses hardening bersifat getas, maka perlu dilakukan tempering atau pemanasan kembali di bawah temperatur rekristalisasi untuk meningkatkan ketangguhan baja. Adapun variabel yang digunakan adalah temperatur dan jumlah tempering. Diharapkan dengan peningkatan temperatur dan jumlah tempering akan meningkatkan ketangguhan baja tanpa mengakibatkan penurunan yang signifikan pada kekerasan. Sampel yang telah di-hardening dan di-tempering diuji kekerasan dan ketangguhannya. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan sistem HVN (Hardness Vickers Number) yang kemudian dikonversikan menjadi HRC (Hardness Rockwell C). Hal ini dilakukan karena umumnya untuk baja perkakas menggunakan sistem Rockwell sedangkan alat yang tersedia di laboratorium Metalurgi Fisika menggunakan sistem Vickers. Sedangkan pengujian ketangguhan dilakukan dengan uji impak Charpy di B4T. Dari data kekerasan dan ketangguhan tersebut akan ditentukan variabel proses perlakuan panas yang memberikan kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang paling optimum. BAB I Pendahuluan 5
STUDI LITERATUR - Mempelajari sifat dan karakteristik baja perkakas - Mempelajari perlakuan panas pada baja perkakas - Perhitungan ketangguhan dan kekerasan baja - Mempelajari kaitan antara struktur mikro terhadap ketangguhan dan kekerasan PENINJAUAN KELAPANGAN Ketersediaan alat dan bahan PERCOBAAN Perlakuan panas Variabel Temperatur Austenitisasi (Hardening) Variabel Temperatur Tempering Variabel Jumlah Tempering Pengujian ketangguhan, kekerasan, dan pengamatan struktur mikro Data dan Analisis Kesimpulan dan Saran Gambar 1.1 Diagram Alir Metodologi Penelitian BAB I Pendahuluan 6
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Penulisan tugas akhir ini dibagi menjadi lima bab, yaitu : 1. Bab I Pendahuluan, berisi tentang latar belakang, tujuan, ruang lingkup, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan. 2. Bab II Tinjauan Pustaka, diambil dari berbagai literatur dan hasil penelitian terkait yang telah dilakukan sebelumnya, sebagai dasar dalam melakukan penelitian. Bab ini berisi tentang teori dasar mengenai baja perkakas, perlakuan panas, dan ketangguhan serta kekerasan. 3. Bab III Percobaan dan Hasil Percobaan, berisi tentang prosedur percobaan yang dilakukan, parameter percobaan yang digunakan, hasil pengujian, dan foto struktur mikro. 4. Bab IV Pembahasan, memuat pembahasan mengenai hasil-hasil percobaan yang diperoleh. Pembahasan hasil penelitian ini diantaranya meliputi pengaruh temperatur austenitisasi, temperatur tempering, dan jumlah tempering terhadap kekerasan dan ketangguhan serta perubahan struktur mikro yang terjadi. 5. Bab V Kesimpulan dan Saran, memuat ringkasan penelitian yang telah dilakukan dan saran-saran yang diajukan demi perbaikan untuk penelitian lebih lanjut di masa mendatang. BAB I Pendahuluan 7