JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika Vol. 4 No.02, Juli Tahun 2016 Pengaruh Heat Treatment dengan Variasi Media Quenching Air dan Oli terhadap Struktur Mikro dan Nilai Kekerasan Baja Pegas Daun AISI 6135 Indah Retno Astrini 1, Pulung Karo karo 1, dan Yayat Iman Supriyatna 2 1 Jurusan Fisika FMIPA Unila, 2 Balai Penelitian Teknologi Mineral-LIPI Jl. Sumantri Brojonegoro 1, Bandar Lampung 35144. Email : indahretno301@gmail.com Diterima (27 Mei 2016), direvisi (10 Juni 2016) Abstract.This research was conducted to determine the effect of heat treatment with a variety of water and oil quenching media to microstructure and hardness values of leaf spring steel AISI 6135. This research used a former steel leaf springs with a quench-temper treatment. Collecting data includes test chemical composition, hardness, and microstructure with preheating at 600 C with a holding time of 30 minutes is then performed heating temperature austenisasi (hardening), is 800 C was held for 60 minutes after it is done quenching using 100% water and mix 50% water and 50% oil. Finally process, that is tempering, using a temperature of 600 C for 40 minutes. The test results show that the chemical composition of the steel leaf springs that used relatively chromvanadium steel. Tests carried out using the method of Rockwell hardness, hardness obtained raw material namely 42,18 HRc higher than the quench-tempered water 36,6 HRc and quenchtempered mix of water and oil 34,99HRc. Hardness value decreased evidenced by the quenchtempered microstructure formed tempered martensite phase and ferrite, pearlite and ferrite phase while contained in the raw material. Keywords.Leaf spring, hardness, heat treatment, microstructures, quenching. Abstrak.Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh heat treatment dengan variasi media quenching air dan oli terhadap struktur mikro dan nilai kekerasan baja pegas daun AISI 6135. Penelitian ini menggunakan baja pegas daun bekas dengan perlakuan quench-temper. Pengambilan data meliputi uji komposisi kimia, kekerasan, dan struktur mikro dengan pemanasan awal pada suhu 600 C dengan waktu tahan 30 menit selanjutnya dilakukan pemanasan suhu austenisasi (hardening), yaitu 800 C ditahan selama 60 menit setelah itu dilakukan quenching menggunakan 100% air dan campuran 50% air : 50% oli. Proses akhir, yaitu tempering, menggunakan temperatur 600 C selama 40 menit. Hasil uji komposisi kimia menunjukkan bahwa baja pegas daun yang digunakan tergolong chrom-vanadium steel. Pengujian kekerasan dilakukan menggunakan metode Rockwell, diperoleh kekerasan raw material yakni 42,18 HRc lebih tinggi dibandingkan quenchtemper100% air 36,6 HRc dan quench-temper campuran air dan oli 34,99 HRc. Nilai kekerasan yang menurun dibuktikan dengan struktur mikro quench-temperyang terbentuk fasa yaitu martensit temper dan ferit, sedangkan fasa perlit dan ferit terdapat pada raw material. Kata Kunci. Baja pegas daun,heat treatment, nilai kekerasan,quenching, struktur mikro. PENDAHULUAN Industri-industri yang ada di Indonesia menggunakan logam baik dalam bentuk jadi maupun setengah jadi contohnya seperti baja. Menurut Setiadji (2007), baja merupakan suatu material campuran yang terdiri dari besi (Fe) dan karbon (C) serta mengandung unsur campuran lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), danmangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi 195
Indah Retno Astrini dkk : Pengaruh Heat treatment dengan Variasi Media Quenching Air dan Oli terhadap Struktur Mikro dan Nilai Kekerasan Baja Pegas Daun AISI 6135 (Amanto dan Daryanto, 1999). Struktur logam dalam aplikasinya akan terkena pengaruh gaya luar berupategangantegangan gesek sehingga menimbulkan deformasi atau perubahan bentuk. Usaha untuk menjaga agar logam lebih tahan gesekan atau tekanan dengan cara perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan panas mempunyai tujuan untuk meningkatkan keuletan, menghilangkan tegangan internal, menghaluskan butir kristal, meningkatkan tegangan tarik logam dan lainnya. Tujuan ini akan tercapai seperti apa yang diinginkan jika memperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhinya seperti suhu pemanasan dan media pendingin (Djaprie, 1990). Min Shan HTUN, dkk (2008) sebelumnya telah melakukan penelitian menggunakan temperatur hardening 870 C, quenching air dan oli selanjutnya tempering 400-550 C (1,2, 3 jam). Struktur mikro menunjukkan austenit sisa yang lebih banyak terbentuk dari quenching oli daripada air. Quenching merupakan suatu proses perlakuan panas terhadap baja. Proses ini dilakukan dengan memanaskan baja sampai suhu austenit dan dipertahankan dalam jangka waktu tertentu pada suhu austenit tersebut, lalu didinginkan secara cepat di dalam media pendingin berupa air, air+larutan garam, oli, larutan alkohol dan sebagainya. Pada umumnya baja yang telah mengalami proses quenching memiliki kekerasan yang tinggi serta dapat mencapai kekerasan yang maksimum tetapi bersifat rapuh. Sifat rapuh ini dapat dikurangi atau dihilangkan dengan melakukan proses lebih lanjut yakni tempering (Mulyadi dan Sunitra, 2010). Media pendingin yang digunakan untuk mendinginkan baja diantaranya terdapat air yang memberikan pendinginan sangat cepat. Air membeku pada suhu 273 K= 0 C dan menguap dibawah tekanan normal pada suhu 373 K = 100 C (Gary, 2011). Selain air terdapat juga oli sebagai media pendingin lebih lunak jika dibandingkan dengan air. Oli atau biasa disebut dengan pelumas tersebut mampu menghilangkan panas yang dihasilkan baik dari gesekan atau sumber lain seperti pembakaran (Sukirno,2010). Pada penelitian ini, baja diberi perlakuan panas quench-temper dan variasi media pendingin dengan harapan memperoleh sifat fisis dan mekanik yang maksimal. Baja dipanaskan pada suhu 800 C dengan waktu tahan 60 menit kemudian didinginkan secara cepat (quenching) dengan persentase media pendingin air murni dan campuran 50% air dan 50% oli. Selanjutnya baja dilakukan tempering pada temperatur 600 C selama 40 menit. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Balai Penelitian Teknologi Mineral (BPTM) - LIPI. Waktu pelaksanaan penelitian dimulai pada bulan Januari sampai Maret 2016. Secara garis besar, penelitian ini mencakup tiga tahapan kegiatan, yaitu preparasi sampel, proses perlakuan panas serta uji sifat mekanik, dan fisis.proses preparasi sampel dimulai dengan memotong baja dengan alat pemotong sesuai dengan ukuran. Sebelum dilakukan pengujian sifat pada baja, sampel yang telah dipreparasi diberikan perlakuan panasdengan pre-heating 600 C dengan holding time selama 30 menit. Tujuan dilakukannya pre heating atau pemanasan awal agar tidak terjadi pengejutan baja saat proses hardening. Selanjutnya, menaikkan suhu austenisasi pada 800 C ditahan selama 60 menit. Tujuan memanaskan dan menahannya pada temperatur austenisasiadalah untuk melarutkan sementit kemudian dilanjutkan dengan proses quenchingke dalam media air dan campuran air dan oli. Media pendingin 196
Nilai kekerasan (HRc) JURNAL Teori dan AplikasiFisika Vol. 04, No.02, Juli Tahun 2016 campuran air dan oli diharapkan dapat memperoleh sampel baja yang bersifat lebih ulet dengan penyerapan panas yang cepat. Proses heat treatment selanjutnya adalah temperingyang dilakukan untuk menurunkan kekerasan sampai memenuhi syarat penggunaan tanpa banyak mengurangi kekuatan (Darmawan, 2008). Tempering dilakukan pada suhu 600 C dengan suhu ruang ditahan selama 40 menit. Sampel hasil temperingkemudian didinginkan dengan udara terbuka (normalizing). Setelah itudilakukan pengujian komposisi, kekerasan, dan pengamatan struktur mikro. HASIL DAN PEMBAHASAN Unsur kimia yang terkandung di dalam baja dapat diketahui dengan uji komposisi kimia menggunakanoptical Emission Spectroscopy (OES). Berdasarkan hasil pengujian yang ditampilkan pada Tabel 1,2, dan 3 menunjukkan bahwa komposisi baja pegas daun yang telah diuji jika dibandingkan dengan Tabel 4 menurut (ASM Metals Handbook, 1993) termasuk ke dalam jenis baja AISI 6135, yaitu chromium-vanadium steel. Komposisi kimia baja pegas daun sebelum dan setelah heat treatment mengalami perubahan komposisi sekitar 0,004% dari komposisi heat treatment100% air dan 0,00003% dari komposisi heat treatmentcampuran 50% air dan 50% oli. Hal ini membuktikan bahwa perlakuan panas ternyata tidak mempengaruhi hasil uji komposisi kimia yang dikerjakan pada suatu baja. Hasil uji kekerasan rata-rata pada tiap sampeldengan dan tanpa perlakuan panas ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan data yang diperoleh bahwa sampel quench-temper campuran air dan oli mengalami penurunan nilai kekerasan yang terbesar dibandingkan sampel lainnya. 46 44 42 40 38 36 34 32 30 42,18 36,60 34,99 RM QT air QT campuran Sebelum dan sesudah perlakuan panas Gambar 1. Diagram nilai kekerasan dengan dan tanpa perlakuan panas Tabel 1. Komposisi kimia raw material Cr 1,1033 V 0,1127 Mn 0,8363 P 0,0219 C 0,3353 S 0,0062 Si 0,2733 Tabel 2. Komposisi kimia heat treatment 100% air Cr 1,0767 V 0,1247 Mn 0,8523 P 0,0143 Si 0,2893 S 0,0053 C 0,2717 Tabel 3. Komposisi kimia heat treatment campuran 50% air dan 50% oli Cr 1,1 V 0,1150 Mn 0,8377 P 0,0244 Si 0,2713 S 0,0064 C 0,3147 Tabel 4. Komposisi kimia baja SAE 6135 (ASM Metals Handbook, 1993) Cr 0,8-1,1 V 0,15 Mn 0,6 0,9 P 0,04 Si 0,15 0,3 S 0,05 C 0,3 0,4 197
Indah Retno Astrini dkk : Pengaruh Heat treatment dengan Variasi Media Quenching Air dan Oli terhadap Struktur Mikro dan Nilai Kekerasan Baja Pegas Daun AISI 6135 Hal ini dikarenakan oli Mesran SAE 40 memiliki titik didih 225 C lebih tinggi dari titik didih air 100 C sehingga membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mencapai titik didihnya dan berubah menjadi uap. Proses penguapan memerlukan energi panas dalam jumlah yang besar. Selain titik didih larutan, viskositas juga berpengaruh terhadap laju pendinginan pada sampel. Menurut Syaefudin(2001), semakin kecil viskositas menyebabkan kecepatan quenching meningkat. Besarnya viskositas oli Mesran SAE 40 menurut American Petroleum Institute (API) yakni 15,5 mm 2 /s atau 15,5 cst lebih tinggi dari air yakni 3x10-3 mm 2 /s atau 3x10-3 cst sehingga menyebabkan penyerapan panas oleh campuran air dan oli lebih lambat.hal ini menghasilkan baja yang lunak dan ulet.secara persentase kekerasanquenchtemper air menurun 7,90% dari raw materialdan semakin menurun dengan 50% air dan 50% oli hingga mencapai 10,13% dari kekerasan raw material. Hasil uji struktur mikro baja pegas daun sebelum dan setelah perlakuan panas dengan variasi media quenching ditampilkan pada Gambar 3 (a) sampai 3 (c). Struktur mikro raw material diperoleh ferit dan perlit pada perbesaran 10 mikron. Struktur yang berwarna gelap atau hitam merupakan bentuk dari perlit sedangkan struktur ferit berwarna terang atau putih. Ferit mempunyai sifat lunak seperti ditampilkan pada Gambar 3 (a). Gambar 3 (b) merupakan hasil uji struktur mikro proses quench-temper air menunjukkan lebih banyak austenit sisa dan ferit. Austenit sisa bersifat rapuh sedangkan ferit bersifat lunak serta ulet sehingga dengan quench-temperair diperoleh kekerasan menurun dari raw material tetapi rapuh. Gambar 3 (a). Hasil uji struktur mikro raw material Martensit temper Gambar 3 (b). Hasil uji struktur mikro quenchtemper 100% air Martensit temper Perit Ferit Austenit sisa Austenit sisa Ferit Gambar 3 (c). Hasil uji struktur mikro quenchtemper50% air dan 50% oli KESIMPULAN Ferit Hasil pengujian komposisi kimia, menunjukkan baja pegas daun termasuk termasukjenis chrom-vanadium steel, setelah perlakuan panas tidak mengalami perubahan komposisi kimia.perlakuan 198
JURNAL Teori dan AplikasiFisika Vol. 04, No.02, Juli Tahun 2016 panas mempengaruhi nilai kekerasan menjadi semakin menurun ditunjukkan dengan struktur mikro setelah perlakuan panas yakni martensit temper, austenit sisa dan ferit dikarenakan quench temper campuran air dan oli mengalami pendinginan lebih lambat dibandingkan quench temper air. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Balai PenelitianTeknologi Mineral(BPTM)-LIPIuntuk fasilitas laboratoriumsehinggaterselesaikannya penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA ASM Handbook. 1993. Properties and Selection: Iron Steels and High Performance Alloys. Metal handbook. Volume 1. Halaman 249-257. Amanto, H. dan Daryanto. 1999. Ilmu Bahan. Bumi Aksara. Jakarta. Darmawan, Agung Setio. 2008. Pengaruh Normalizing dan Tempering pada SCMnCr2 untuk memenuhi Standar JIS G 5111. Jurnal Media Mesin. Volume 9. Nomor 2. Halaman 49-55. Djaprie, Sriati. 1990. Teknologi Mekanik. Erlangga. Jakarta. Halaman 35-50. Gary, Marhaindra. 2011.Heat treatment. Makalah Proses Produksi. Universitas Sriwijaya. Palembang. Mulyadi dan Sunitra, Eka. 2010. Kajian Perubahan Kekerasan dan Difusi Karbon Sebagai Akibat Proses dari Proses Karburisasi dan Proses Quenching pada Material Gigi Perontok Power Thresher. Jurnal Teknik Mesin. Volume 7. Nomor 1. Halaman 33-49. Sardjono KP, Koos. 2009. Pengaruh Hardening pada Baja JIS G 4051 Grade S45C Terhadap Sifat Mekanis dan Struktur Mikro. Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia. Volume 11. Nomor 2. Halaman 95-100. Setiadji, Widya Mukti. 2007. Perubahan Ketangguhan Bahan ST-40 yang Telah Mengalami Proses Double Hardening Dengan Carburizing. Skripsi. Universitas Negeri Semarang. Semarang. Halaman22-23. Sukirno. 2010. Kuliah Teknologi Pelumas 3. Universitas Indonesia. Jakarta. Syaefudin. 2001. Pengerasan Baja Karbon Rendah dengan Metode Nitridasi dan Quenching. Skripsi. Universitas Diponegoro. Semarang. 199
Indah Retno Astrini dkk : Pengaruh Heat treatment dengan Variasi Media Quenching Air dan Oli terhadap Struktur Mikro dan Nilai Kekerasan Baja Pegas Daun AISI 6135 200