Pengaruh Variasi Media Quenching Air, Oli, dan Angin Kompresor Terhadap Struktur Mikro dan Kekerasan Pada Baja AISI 1045 Yudi Asnuri*, Ihsan Saputra* and Fedia Restu* Batam Polytechnics Mechanical Engineering Study Program Jl. Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: yudi.asnuri2@gmail.com Abstrak Baja AISI 1045 memiliki kandungan karbon berkisar antara 0.42-0.50% C, 0.6-0.9% Mn, 0.04% P(max), dan 0.05% S(max). Untuk menunjang fungsi dari benda kerja terkadang dibutuhkan proses hardening, yaitu proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau diatas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat atau quench. Heat treatment mempunyai tujuan untuk meningkatkan keuletan, menghilangkan tegangan internal, menghaluskan butir kristal, meningkatkan kekerasan, meningkatkan tegangan tarik logam dan sebagainya. Tujuan penelitian ini dilakukan untuk melihat perbandingan struktur mikro dan kekerasan pada baja AISI 1045 apabila media pendinginnya divariasikan. Pada penelitian ini baja AISI dipanaskan ke dalam tungku dengan suhu 850 o C dan holding time 30 menit lalu didinginkan secara cepat menggunakan variasi media pendingin yang berbeda seperti, air, oli, dan angin kompesor. Spesimen dengan media quenching air adalah spesimen yang memiliki kekerasan tertinggi yaitu mencapai 60,7 HRC dibanding dengan media quenching oli dan angin kompresor yang masing-masing bernilai 31,57 HRC dan 22,91 HRC. Struktur mikro yang terbentuk oleh spesimen dengan media quenching oli dan spesimen dengan media quenching air adalah martensite dan bainite. Kata kunci: Baja AISI 1045, Hardening, Heat Treatment, Struktur Mikro Abstract The AISI 1045 steel has a carbon content ranging from 0.42-0.50% C, 0.6-0.9% Mn. 0.04% P (max), and 0.05% S (max). To support the function of the workpiece is sometimes required hardening process, process of heating the steel to the temperature in the area or over a critical area followed by rapid cooling or quench. Heat treatment has the purpose of improving the ductility, removing internal stress, smoothing crystal grains, increasing hardness, increasing metal tensile stress and so on. The purpose of this study was to look at the comparison of microstructure and hardness in AISI 1045 steel when the cooling medium was varied. In this study AISI steel was heated into a furnace with a temperature of 850 o C and holding time 30 minutes and then cooled rapidly using different cooling media variations such a water, oil, and wind compressor. Specimens with water quenching media are the highest hardness specimens of 60.7 HRC compared to the quenching solids wind compressor medium each valued at 31,57 HRC and 22,91 HRC. The microstructure formed by specimens with oil quenching media and specimens with quenching water medium is martensite and bainite. Keywords: AISI 1045 Steel, Hardening, Heat Treatment, Microstructure 1 Pendahuluan Baja AISI 1045 merupakan salah satu jenis material yang sering digunakan terutama untuk pembuatan komponen mesin baik berupa poros ataupun roda gigi. Baja AISI 1045 memiliki kandungan karbon berkisar antara 0.42-0.50% C, 0.6-0.9% Mn, 0.04% P(max), dan 0.05% S(max). Untuk menunjang fungsi dari benda kerja terkadang dibutuhkan proses hardening [1], yaitu proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau diatas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat atau quench. Heat treatment 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 parameter yang mempengaruhinya, seperti suhu pemanasan dan media pendingin yang digunakan [2]. Dengan bantuan diagram fasa yang merupakan landasan untuk perlakuan panas bagi logam dan diagram fasa
besi-karbon diberlakukan untuk baja. Memahami diagram fasa menjadi sebuah tuntutan karena terdapatnya hubungan antara struktur mikro dengan sifat-sifat mekanis suatu material, yang semuanya berhubungan dengan karakteristik diagram fasanya. Diagram fasa juga memberikan informasi penting tentang titik leleh, titik kristalisasi, dan fenomena lainnya [3]. Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimum dari suatu bahan pada proses hardening dengan menahan temperatur pengerasan untuk memperoleh pemanasan yang homogen pada struktur austenite atau terjadi kelarutan karbida kedalam austenite dan difusi karbon dan unsur paduannya [4]. Tujuan penelitian ini dilakukan untuk melihat perbandingan struktur mikro dan kekerasan pada baja AISI 1045 apabila media pendinginnya divariasikan. Pada penelitian ini baja AISI dipanaskan ke dalam tungku dengan suhu 850 o C dan holding time 30 menit lalu didinginkan secara cepat menggunakan variasi media pendingin yang berbeda seperti, air, oli, dan angin kompesor. Gambar 2: Diagram Alir Penelitian Tempat Penelitian Pengambilan data uji pada penelitian ini dilakukan di Laboratorium Metal Politeknik Negeri Batam. Alat-alat penelitian Alat-alat dan bahan sebagai pendukung dalam penelitian ini antara lain : 1. Mesin sawing 2. Mesin bubut 3. Mesin surface grinding 4. Tungku Heat Treatment 5. Mesin poles (polisher) 6. Metallurgical Microscope 7. Alat uji kekerasan Rockwell Hardness Tester Gambar 1: Diagram Fasa Fe-Fe3C 2 Metodologi Penelitian Penelitian ini dimulai dari proses permesinan untuk membentuk spesimen sesuai dengan dimensi menggunakan mesin konvensional yang ada dilaboratorium manufaktur seperti mesin sawing, mesin bubut, dan mesin surface grinding, proses hardening dan quenching dengan media pendingin yang berbeda yaitu air, oli, dan angin kompresor, lalu melakukan pemolesan permukaan menggunakan mesin polishing agar bagian permukaan spesimen dapat dietsa, dan yang terakhir adalah melihat struktur mikro menggunakan mikroskop dan uji kekerasan dari masing-masing spesimen menggunakan rockwell hardness tester. Proses tersebut bisa dilihat dari gambar diagram alir penelitian sperti dibawah ini. Pembentukan Spesimen Uji Adapun dimensi spesimen berdiameter 25 mm dan tebal 10 mm sesuai dengan Gambar 3: Gambar 3: Gambar Kerja Spesimen Uji
Proses Quenching Proses quenching terdiri dari 2 (dua) tahap, yaitu proses pemanasan dan proses pendinginan. Spesimen dipanaskan dengan suhu 850 o C dan di tahan dalam waktu 30 menit. Proses pemanasan pada spesimen menggunakan tungku heat treatment dan proses pendinginan cepat dengan perlakuan yang berbeda-beda, yaitu menggunakan media dari air, oli, dan angin kompresor. Dari proses quenching ini akan didapatkan 3 jenis perlakuan quenching pada spesimen uji, yaitu: 1. Spesimen dengan media quenching angin kompresor. 2. Spesimen dengan media quenching oli. 3. Spesimen dengan media quenching air. Pengamatan Struktur Mikro Pengujian struktur mikro dilakukan dengan mengamati daerah baja yang telah mengalami proses quenching dengan melakukan foto mikro dengan perbesaran 500x menggunakan mikroskop metallurgi. Untuk mengetahui bentuk struktur mikro dilakukan dengan mengambil penampang permukaan spesimen untuk dietsa dengan larutan asam nitrat (HNO3). Gambar 5: Foto Struktur Mikro Media Quenching Angin Dengan Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan menggunakan rockwell hardness tester dengan metode Rockwell C dengan pembebanan 150 kg untuk mengetahui kekerasan hasil quenching. Setiap spesimen diambil sepuluh titik untuk diuji kekerasannya, kemudian ditarik garis linearnya untuk melihat perbedaan antara tiap titik pengujian. Struktur Mikro 3 Analisa dan Pembahasan Berikut adalah hasil struktur mikro yang diamati melalui mikroskop dengan perbesaran 500x seperti tampak pada Gambar 4 Gambar 7. Gambar 6: Foto Struktur Mikro Media Quenching Oli Dengan Gambar 4: Foto Struktur Mikro Raw Material Dengan Gambar 7: Foto Struktur Mikro Media Quenching Air Dengan
Pembahasan pengamatan struktur mikro adalah sebagai berikut : 1. Spesimen raw material (non heat treatment) Struktur mikro baja karbon menengah dengan spesimen raw material seperti dilihat pada gambar 4 terlihat bahwa yang terbentuk adalah, perlite (berwarna gelap atau hitam) dan ferrite (berwarna terang). TABEL I TABEL UJI KEKERASAN HRC 2. Spesimen dengan media quenching angin kompresor Struktur mikro baja karbon menengah dengan spesimen media quenching angin kompresor seperti dilihat pada gambar 5 struktur mikro yang terbentuk tidak jauh berbeda dengan spesimen raw material, yaitu adalah perlite dan ferrite hanya saja ukuran struktur mikronya lebih kecil dikarenakan proses pendinginannya menggunakan tekanan angin kompresor. 3. Spesimen dengan media quenching oli Pada foto struktur mikro spesimen dengan media quenching oli seperti terlihat pada gambar 6 bahwa struktur yang terbentuk adalah martensite (bentuk jarum) dan bainite (putih). Pendinginan cepat dengan media quenching oli, dari fasa austenite bertransformasi menjadi fasa martensite. 4. Spesimen dengan media quenching air Pada foto struktur mikro spesimen dengan media quenching air seperti terlihat pada gambar 7 bahwa struktur yang terbentuk adalah martensite (bentuk jarum) lebih dominan dibandingkan dengan bainite (putih) sehingga menghasilkan nilai kekerasan yang tinggi dibandingkan spesimen dengan media quenching oli ataupun spesimen dengan media quenching angin kompresor yang pendinginannya cenderung lambat dibandingkan dengan air. Berikut adalah grafik uji kekerasan apabila ditarik garis linearnya pada 10 titik pengujian sesuai dengan Gambar 8. Kekerasan Hasil uji kekerasan memperlihatkan bahwa terdapat peningkatan nilai kekerasan yang cukup signifikan antara material yang tidak mengalami proses quenching (raw material) dengan material yang telah diberi perlakuan quenching. Perlakuan quenching pada material baja AISI 1045 menunjukkan kenaikan kekerasan tertinggi terjadi pada proses quenching dengan media air yang mencapai 60.7 HRC, sedangkan peningkatan kekerasan quenching pada media oli dan media angin kompresor tidak sebesar pada media quenching air. Quenching dengan media oli mengalami peningkatan kekerasan mencapai 31.57 HRC, dan media angin kompresor mengalami peningkatan kekerasan yang paling sedikit yaitu 22.91 HRC. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1. Gambar 8: Grafik Hasil Uji Kekerasan 4 Kesimpulan Dari data-data dan hasil pembahasan penelitian maka dapat disimpulkan :
Proses quenching dapat meningkatkan nilai kekerasan material. Media pendingin pada proses quenching dapat mempengaruhi bentuk struktur mikro dan nilai kekerasan material baja yang di uji. 1. Pada spesimen dengan media quenching air adalah spesimen yang memiliki kekerasan tertinggi yaitu mencapai 60,7 HRC dengan struktur mikro yang terbentuk adalah martensit dan bainite. Jumlah struktur martensite pada spesimen dengan media quenching air adalah yang paling mendominasi. 2. Lalu spesimen dengan media quenching oli mempunyai kekerasan diurutan ke dua 31,57 HRC. Struktur mikro yang terbentuk oleh spesimen dengan media quenching oli adalah martensite dan bainite sama seperti spesimen dengan media quenching air, hanya saja struktur martensite yang terbentuk tidak terlalu mendominasi. 3. Kekerasan terendah didapat oleh spesimen dengan media quenching angin kompresor sebesar 22,91 HRC. Untuk spesimen dengan media quenching angin kompresor struktur mikro yang didapat sama pada spesimen raw material yaitu ferrite dan perlite hanya saja ukuran struktur mikronya lebih kecil. 7. Callister, William D. 1940. Materials Science and Engineering. United States of America: Departement of Metallurgical Engineering The University of Utah. Referensi 1. Fauzi Rachman, Fikry. 2014. Analisis Pengaruh Variasi Temperatur Media Quenching Pada Proses Hardening Terhadap Kekerasan Permukaan dan Tingkat Distorsi Baja AISI 1045. Bandung: Politeknik manufaktur Negeri Bandung. 2. Rizal, Yose. 2014. Analisa Pengaruh Media Quench Terhadap Kekuatan tarik Baja AISI 1045. Riau: Universitas Pasir Pangaraian. 3. Nugroho, Sri, dan Gunawan Dwi Haryadi. 2005. Pengaruh Media Quenching Air Tersirkulasi (Circulated water) Terhadap Struktur Mikro dan Kekerasan Pada Baja AISI 1045. Semarang: Universitas Diponegoro. 4. Handoyo, Yopi. 2015. Pengaruh Quenching dan Tempering Pada Baja JIS Grade S45C Terhadap Sifat Mekanis dan Struktur Mikro Crankshaft. Bekasi: Universitas Islam 45 Bekasi. 5. Widodo, Edi, dan Miftahul Huda. 2016. Optimasi Holding Time Untuk Mendapatkan kekerasan Baja S45C. Sidoarjo: Universitas Muhammadiyah Sidoarjo. 6. Yunaidi, dan Saptyaji Harnowo. 2016. Pengaruh Viskositas Oli Sebagai Cairan Pendingin Terhadap Sifat Mekanis Pada Proses Quenching Baja ST 60. Yogyakarta: Politeknik LPP Yogyakarta.