PENGARUH VARIASI MEDIA QUENCHING HASIL PENYISIPAN BAJA BEARING, PIRINGAN CAKRAM, DAN PEGAS DAUN PADA SISI POTONG ( CUTTING EDGE ) TERHADAP SIFAT KEKERASAN PRODUK PANDE BESI Wawan Trisnadi Putra 1*, Kuntang Winangun 2 1,2 Prodi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Ponorogo Jl. Budi Utomo no. 10 Ronowijayan, Ponorogo, Jawa Timur * Email: wawantrisnadi@umpo.ac.id Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh heat treatment dengan variasi media quenching air, air garam dan air kapur terhadap nilai kekerasan produk tempa ( Pande besi ) yang telah dilakukan penyisipan baja bearing AISI 52100, piringan cakram AISI 1045, dan pegas daun AISI 1095 pada sisi potong (Cutting edge). Proses pemanasan dilakukan pada temperatur 800 selama 30 menit, lalu proses quenching dengan variasi media pendingin 100% air, air garam, dan air kapur. Hasil uji kekerasan sampel dengan media quenching air pada sisipan baja bearing, cakram, dan pegas daun masing masing sebesar 70,6 HRc, 16 HRc, 59,3 HRc pada media quenching air garam masing masing sebesar 75 HRc, 22,6 HRc, 67 HRc, dan pada media quenching air kapur nilai kekerasan masing masing sebesar 73,6 HRc,17,6 HRc,dan HRc. Pendinginan menggunakan media quenching air garam terbentuk fasa ferit, austenite dan martensit yang lebih rapat dan menyebar merata dibandingkan sampel uji media quenching air dan Air kapur sehingga nilai kekerasanya meningkat. Kata kunci: Tempa, Baja Bearing AISI 52100, piringan cakram AISI 1045, pegas daun AISI 1095, quenching, uji kekerasan 1. PENDAHULUAN Industri kecil di bidang logam yang menggunakan sistem tempa (forging) untuk membentuk berbagai jenis peralatan sering disebut juga Pande besi/ tukang besi. Produk Pande besi sangat luas penggunaanya dalam kehidupan sehari-hari. Banyak produk alat-alat perkakas rumah tanngga dan peralatan pertukangan seperti : arit, cangkul, pisau, pahat, linggis, kapak, cetok dan lain-lain dihasilkan oleh pande besi. Baja karbon biasanya sering digunakan sebagai bahan dasar produk pande besi, karena baja jenis ini mudah untuk dibentuk dan dimachining. Banyak masalah yang sering dialami pada kualitas produk pande besi, terutama pada sifat mekaniknya seperti kekerasan dan kekuatan. Sebenarnya hal tersebut dapat diatasi dengan banyak cara, bisa dengan perlakuan panas, (hardening dan tempering), quencing dan pengerasan permukaan, (carburising, nitriding cyaniding, dan flame hardening) atau bisa juga dengan cara menyisipkan logam lain yang lebih keras sifatnya dibandingkan logam induk dari produk pande besi. Melihat bahan bahan bekas seperti Bearing, Piringan cakram, Pegas Daun yang sangat melimpah dan harganya sangat murah maka sangat memungkinkan untuk memanfaatkan bahan bekas tersebut sebagai bahan dasar untuk industri kecil tempa Pande besi. Dengan bahan bahan yang sangat murah tersebut bisa didapatkan produk tempa yang berkualitas dan dengan harga yang sangat murah. Proses perlakuan panas 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, tegangan tarik logam dan sejenisnya. Tujuan tersebut akan tercapai jika memperhatikan faktor yang mempengaruhinya, seperti suhu pemanasan dan media pendingin yang digunakan (Djafrie, 1985), Kualitas produk pande besi sangat dipengaruhi oleh sifat mekanik, seperti kekuatan dan kekerasan yang berpengaruh pada ketajaman mata potong dari produk. Berdasarkan penelitian diatas, peneliti akan menggunakan sampel hasil penyisipan baja pegas daun, piringan cakram, dan bearing pada mata potong pahat berbahan baja karbon rendah yang dipanaskan mencapai suhu 800 selama 30 menit kemudian dilakukan quenching dengan media 382
air, air garam ( NaCl ), dan air kapur ( Ca (OH)2.Dengan sistem ini diharapkan produk pande besi akan meningkat kekerasanya pada sisi potong,dengan kekuatan dan keuletan yang tetap baik. 2. METODOLOGI Penelitian Sebelumnya Pada penelitian terdahulu, Pramuko (2009) tentang peningkatan kekerasan baja pegas daun dengan suhu pemanasan 950 C dan waktu tahan 30 menit menyimpulkan bahwa nilai kekerasan rata-rata tertinggi pada sampel quenching air garam sebesar 598, 75 VHN dan berturut-turut ke posisi terendah yaitu quenching air sebesar 592,98 VHN, sampel quenching oli sebesar 569,63VHN, sampel raw material sebesar 409,31 VHN dan paling rendah sampel annealing sebesar 222,179 HVN. Hasil struktur mikro baja pegas daun quenching air garam menghasilkan fasa martensit halus dan merata, sampel quenching air menghasilkan fasa martensit kasar danendapan karbida pada batas butir, sampel quenching oli didapatkan sedikit fasa martensit dan banyak endapan karbida pada batas butir serta austenit sisa dan sampel annealing didapatkan fasa perlit dan ferit. Berdasarkan hasil penelitian Kirono dan Saputra (2009) tentang pengaruh proses tempering 0 C, setelah quenching dengan media oli dan air garam terhadap sifat mekanis dan struktur mikro menyimpulkan nilai kekerasan dengan media air garam dan oli berturut-turut yaitu sebesar 30,9 HRC dan 29,5 HRC pada temperatur 850 selama 45 menit. Kekerasan benda kerja hasil proses hardening tergantung pada temperatur pemanasan, lama waktu pemanasan, laju pendinginan, komposisi kimia, kondisi permukaan, ukuran dan berat benda kerja (Mubarok, Fahmi, 2008). Hasil penelitian Desty (2013) tentang pengaruh lama pemanasan, pendinginan secara cepat, dan tempering 0 C dengan suhu pemanasan temperatur 780 C selama 40 dan menit terhadap sifat ketangguhan pada baja pegas daun menyimpulkan bahwa nilai ketangguhan meningkat setelah proses heat treatment dimana ketangguhan awal 0,23 J/mm2 dan setelah ditempering menjadi sebesar 0,803 J/mm2. Prihanto dkk ( 2015 ) melakukan penelitian untuk mengetahui kekerasan pisau produk pande besi dengan bahan baku baja menengah setelah dilakukan hardening dan quenching dengan media air, air garam, oli, dan udara. Pada penelitian ini material yang digunakan untuk membuat pisau adalah baja pegas daun truk bekas, untuk baja jenis ini mempunyai kandungan karbon 0,50 % sampai 0,65 % dan termasuk jenis baja 51. Rata rata nilai kekerasan pada pendingin air 652,4 HV, air garam 836,56 HV, oli 0 HV, dan udara 335,44 HV. Prosedur Penelitian 1. Benda uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon sebagai logam induk ukuran 500 mm x 40 mm tebal 4 mm, dan baja pegas daun, baja bearing, dan piringan cakram yang dibentuk dalam ukuran 45 mm x 15 mm dan tebal 3 mm sebagai logam sisipan. 2. Setelah itu logam di panaskan pada tungku pemanas menggunakan bahan bakar arang dengan tekanan hembusan udara hingga mencapai suhu tempa/ forging. 3. Lalu logam induk di tempa menjadi bentuk pahat sepanjang 200 mm pada bagian ujung bahan dan setelah itu di panaskan kembali. 4. Kemudian baja bearing, piringan cakram yang telah dipanaskan di letakkan pada sisi potong bentukan pahat, dan di tempa sampai menyatu dengan logam induk kemudian didinginkan dengan udara. 5. Lalu bahan dipotong pada sisi bentukan pahatnya sepanjang 200 mm. 6. Dilakukan proses finising, dengan penggerindaan dan dihaluskan dengan kertas gosok. Setelah itu dilakukan pemanasan kembali sampai mencapai suhu quenching selam 30 menit, kemudian dilakukan pendinginan dengan media air, Air garam dan air kapur 383
START Studili teratur Pemilihan bahan Logam sisipan Logam induk Forgin g Ya Variasi Quenching Uji Kekerasan (Rockwe Analisa Data Kesimpulan FINISH Gambar 1. Diagram alir Penelitian Gambar 2. Gambar kerja dan Produk Logam Sisipan 384
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 1. Rata rata hasil pengujian pada media pendinginan air NO Sampel uji ( baja sisipan ) Hasil Pengujian kekerasan ( HRC ) 1 Bearing 70,6 2 Piringan Cakram 16 3 Pegas Daun 59,3 Tabel 2. Rata rata hasil pengujian pada media pendinginan air garam NO Sampel uji ( baja sisipan ) Hasil Pengujian kekerasan ( HRC ) 1 Bearing 75 2 Piringan Cakram 22,6 3 Pegas Daun 67 Tabel 3. Rata rata hasil pengujian pada media pendinginan air kapur NO Sampel uji ( baja sisipan ) Hasil Pengujian kekerasan ( HRC ) 1 Bearing 73,6 2 Piringan Cakram 17,6 3 Pegas Daun Nilai kekerasan ( HRC ) 80 70.6 59.3 40 20 0 16 Bearing Cakram Pegas daun Gambar 3. Grafik Hasil pengujian pada media pendinginan air Nilai kekerasan ( HRC ) 80 75 67 40 20 0 22.6 Bearing Cakram Pegas daun Gambar 4. Grafik Hasil pengujian pada media pendinginan air garam 385
Nilai kekerasan ( HRC ) 80 73.6 40 17.6 20 0 Bearing Cakram Pegas daun Gambar 5. Grafik Hasil pengujian pada media pendinginan air kapur Dari Tabel 1 dan dari Gambar grafik 3 diketahui nilai kekerasan rata - rata masing - masing sampel uji dengan pendinginan air adalah, pada sisipan bearing sebesar 70,6 HRc, pada piringan cakram 16 HRc, dan pada pegas daun sebesar 59,3 HRc. Hal ini membuktikan adanya pengaruh media pendinginan terhadap hasil kekerasan sampel uji. Dari data ini menunjukkan nilai kekerasan yang cukup tinggi pada sisipan bearing, hal ini disebabkan karena baja bearing mempunyai unsur paduan yang cukup baik apabila dibandingkan dengan piringan cakram dan pegas daun. Dalam suatu proses laku panas, setelah pemanasan mencapai temperatur yang ditentukan dan diberi holding time secukupnya maka dilakukan pendinginan dengan laju tertentu maka sifat mekanik yang terjadi setelah pendinginan akan tergantung pada laju pendinginan (Suherman, 1988). Kemudian pada Tabel 2 dan pada Gambar grafik 4 diperoleh nilai kekerasan masing - masing pada sisipan bearing sebesar 75 HRc, sisipan cakram sebesar 22,6 HRc, dan pada sisipan pegas daun sebesar 67 HRc tampak pada media pendinginan air garam menunjukkan peningkatan kekerasan pada sisipan bearing dibandingkan dengan media pendinginan air, hal ini sesuai dengan teorigaram memiliki sifat mendinginkan yang teratur dan cepat. Bahan yang didinginkan di dalam cairan garam akan mengakibatkan ikatanya menjadi lebih keras karena pada permukaan benda kerja tersebut akan mengikat zat arang dan proses pendinginan suhunya merata pada semua bagian permukaan, tidak ada oksidasi, karburasi atau dekarburasi. Kemudian pada Tabel 3 dan Gambar grafik 5 diperoleh nilai kekerasan masing - masing pada sisipan bearing sebesar 75 HRc, sisipan cakram sebesar 22,6 HRc, dan pada sisipan pegas daun sebesar 67 HRc tampak pada media pendinginan air garam menunjukkan peningkatan kekerasan pada sisipan bearing dibandingkan dengan media pendinginan air, hal ini sesuai dengan teori Garam memiliki sifat mendinginkan yang teratur dan cepat. Bahan yang didinginkan di dalam cairan garam akan mengakibatkan ikatanya menjadi lebih keras karena pada permukaan benda kerja tersebut akan mengikat zat arang dan proses pendinginan suhunya merata pada semua bagian permukaan, tidak ada oksidasi, karburasi atau dekarburasi. Hasil penelitian yang didapat didukung oleh hasil penelitian yang dilakukan oleh ( Rizal 2005), yaitu tingkat kekerasan hasil perlakuan panas tertinggi dicapai pada media pendingin larutan garam dibandingkan dengan menggunakan air, tergantung pada banyaknya kadar garam yang terlarut pada suatu larutan. Semakin banyak kadar garam dalam suatu larutan maka tingkat kekerasan yang dicapai semakin tinggi pula. Sehingga dapat disimpulkan bahwa penggunaan media pendingin larutan garam akan menghasilkan nilai kekerasan pisau yang lebih tinggi daripada menggunakan media pendingin air. Seperti diketahui bahwa hal yang sangat mempengaruhi hasil kekerasan adalah viskositas (kekentalan) dan densitas (massa jenis) dari media pendingin yang digunakan. Viskositas merupakan tingkat kekentalan yang dimiliki suatu fluida. Semakin tinggi angka viskositasnya, maka semakin lambat laju pendinginannya. Misalnya pada oli atau air garam, dimana air garam memiliki tingkat viskositas yang lebih rendah, namun massa jenisnya tinggi sehingga laju pendinginannya lebih cepat dibandingkan oli yang memiliki tingkat viskositas yang tinggi sehingga panas sulit menguap dengan cepat sehingga laju pendinginannya lambat. Densitas merupakan massa jenis yang dimiliki media pendingin (fluida). Semakin tinggi densitas yang dimiliki suatu 386
media pendingin maka semakin cepat laju pendinginannya. Berikut nilai viskositas dan densitas dari media pendingin yang digunakan (Streeter,1992). 1. Air (ρ = 1000 kg/m3, v = 0,0080 Pa.s ) memiliki viskositas 2. Air Garam (ρ = 1025 kg/m3, v = 1,01 Pa.s) Air garam memiliki viskositas yang rendah sehingga laju pendinginannya cepat. Massa jenisnya juga lebih besar dibandingkan dengan media pendingin lain seperti air, solar, oli dan udara. 3. Air kapur (ρ = 1442 kg/m3, v = 3,67 Pa.s ) Kemudian Menurut Azizah (2012) mengenai media pendinginan dengan air secara umum digunakan dalam pendinginan dengan karakteristik yang ideal, karena proses pendinginan dengan air berlangsung dengan cepat. Ini akan berpengaruh terhadap salah satu sifat logam yang ingin diperoleh, yaitu sifat kekerasan logam. Semakin cepat proses pendinginan maksimal kekerasan juga semakin meningkat. Akan tetapi diikuti juga kecenderungan terjadinya kerusakan (distorsi) yang berlebihan pada sisipan cakram dan pegas daun tampak pada media pendinginan air nilai kekerasanya cenderung menurun dibandingkan dengan media pendingian air garam dan air kapur, hal ini dimungkinkan karena pergeseran butir atau dislokasi akibat proses tempa dan viskositas air yang lebih rendah dibanding air garam da air kapur, juga pada proses penggerindaan dimungkinkan lapisan pengerasan terpotong oleh proses penggerindaan. Quenching merupakan proses pengerjaan logam dengan pendinginan secara cepat. Sehingga melalui quenching akan mencegah adanya proses yang dapat terjadi pada pendinginan lambat seperti pertumbuhan butir. Secara umum, quenching akan menyebabkan menurunnya ukuran butir dan dapat meningkatkan nilai kekerasan pada suatu paduan logam. Laju quenching tergantung pada beberapa factor yaitu medium, panas spesifik, panas pada penguapan, konduktifitas termal medium, viskositas, dan agritasi (aliran media pendingin). Seperti yang kita lihat dalam data dan grafik diatas diketahui semua hasil proses quenching dari semua jenis sissipan baja, produk tempa pande besi nilai kekerasanya terlihat naik sesuai teori dan penelitian sebelumya bahwa viskositas media pencelupan mempengaruhi nilai kekerasan pada proses quenching. Tampak bahwa viskositas air garam rendah namun namun densitasnya tinggi sehingga, begitu juga air murni, dan air kapur densitas dan viskositasnya selisihnya tidak terpaut tinggi sehingga sesuai dengan teori dan penelitian terdahulu, pada penelitian ini tampak selisih nilai kekerasan hasil quenching media air dengan air garam dan serta air kapur tidak terpaut jauh. Seperti kita lihat pada data tersebut diatas bahwa nilai kekerasan tertinggi dimiliki oleh sisipan baja bearing yaitu masing masing pada media quenching air sebesar 70 HRc, air garam 75 HRc, dan air kapur sebesar 73,6 HRc, dari sini tampak tidak terpaut perbedaan nilai kekerasan yang mencolok. Begitu juga pada sisipan baja Pegas daun sebesar 59,3 pada pendinginan media air, HRc 67 HRc pada pendinginan media air garam, HRc pada pendinginan media air kapur, demikian juga pada sisipan baja cakram juga tidak terlihat selisih yang signifikan diantara media ketiga media quenching. Jadi diantara tiga media pendingin tersebut relatif baik untuk pembuatan produk tempa (pande besi) karena berdasarkan data diatas tidak ada perbedaan yang terlalu mencolok pada nilai kekerasan hasil quenchingnya. Namun diantara ketiga media quenching tersebut air garam yang paling tinggi menghasilkan nilai kekerasan. 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian, kesimpulan yang diperoleh adalah: 1. Hasil uji kekerasan pada Sampel uji sisipan baja Bearing, cakram, pegas daun dengan media quenching air masing masing sebesar 70HRc, 16 HRc, 59,3 HRc, Sedangkan Pada media quenching air garam masing masing sebesar 75 HRc, 22,6 HRc, 67 HRc, dan pada media quenching air kapur masing masing jenis sisipan sebesar 73,6 HRc, 17,6 HRc dan HRc. Proses quenching meningkatkan nilai kekerasanya itu untuk media quenching air garam yang mempunyai nilai kekerasan tertinggi yaitu 75 HRc pada sisipan baja bearing, 22,6 HRc pada sisipan baja cakram, dan 67 HRc pada sisipan baja pegas daun. 2. Nilai kekerasan tertinggi dimiliki oleh sisipan baja bearing yaitu masing masing pada media quenching air sebesar 70 HRc, air garam 75 HRc, dan air kapursebesar 73,6 HRc. 387
3. Nilai kekerasan terendah dimiliki oleh sampel uji pada sisipan baja cakram yaitu sebesar 16 HRc pada media quenching air, 22,6 HRc pada media quenching air garam dan sebesar17,6hrc. DAFTAR PUSTAKA Avner. 1987. Introduction to Physical Metallurgy, 2nded. New York: Mc. Graw-Hill Book Company. Azizah, Y. 2012. Pengaruh Kadar GaramDapur (NaCl) Dalam Media PendinginTerhadap Tingkat KekerasanPada Proses Pengerasan Baja St. Mubarok, Fahmi. 2008. Metallurgy I.LaboratoriumMetalurgiInstitutTeknologiSepuluhNopember Surabaya. Surabaya Smallmandan Bishop.1999. MetalurgiFisik Modern danrekayasa MaterialStreeter. 1992. Fluid Mechanics, McGraw Hill, New York Suherman. 1988. IlmuLogam III. TeknikMesinInstitutTeknologiSepuluhNopember Surabaya. Surabaya Rizal, Taufan. 2005. Pengaruh Kadar GaramDapur (NaCl) dalam Media PendinginTerhadap Tingkat KekerasanPada Proses Pengecoran Baja V155 Supriyatna, Yayat 2016.Pengaruh Heat Treatment Variasi media Quenching Air Dan OliTerhadapStrukturMikro Dan NilaiKekerasan Baja PegasDaun AISI 6135.SkripsiJurusanFisika PMIPA Unila.Lampung. Mersilia, Anggun 2016.Pengaruh heat Treatment denganvariasi Media QuenchingAir garamdanoliterhadapstrukturmikrodannilaikekerasanbajapegasdaun AISI6135.SkripsiJurusanFisika PMIPA Unila.Lampung. 388