FISIKA LABORATORIUM - HEAT TREATMENT 2015 1-5 1 Pengaruh Perlakuan Panas (Heat Treatment) terhadap Perubahan Sifat Mekanik Batangan Tembaga (Cu) Puji Kumala Pertiwi, Pulung Subuh Nur Baity, Roihatur Rohmah dan Gontjang Prajitno, M.Si Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: pujikumala15@gmail.com Abstrak Telah dilakukan percobaan pengaruh perlakuan panas(heat Treatment) terhadap perubahan sifat mekanik batangan tembaga(cu). Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas terhadap sifat mekanik tembaga(cu) dan untuk menentukan nilai HV(uji kekerasan) pada tembaga(cu) dengan menggunakan metode Vickers. Prinsip pada percobaan ini adalah heat treatment, viskositas, sifat mekanik material. Percobaan ini menggunakan 4 batang tembaga ukuran 2,5cm, menggunakan variasi fluida oli, larutan garam dan air, percobaan ini diawali dengan mengaplas tembaga dengan digrinding sampai halus dan mengkilat, setelah itu di panaskan di tube furnice lalu didinginkan dengan variasi fluida lalu di amplas lagi dan di ukur kekerasannya menggunakan uji kekerasan/vickers. Hasil yang didapatkan pada percobaan ini adalah Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa proses heat treatment pada logam tembaga menyebabkan nilai kekerasannya berbeda-beda tergantung dari fluida yang digunakan untuk pendinginan. Tembaga yang dicelupkan pada air garam memiliki nilai HV yang paling tinggi, sedangkan HV terendah terdapat pada tembaga yang dicelupkan ke oli. Kata Kunci Heat Treatment, sifat mekanik material, uji kekerasan dan viskositas. S I. PENDAHULUAN etiap material atau bahan memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Setiap bahan memiliki sifat yang berbedabeda mulai dari sifat fisis, sifat mekanis dan sifat kimiawi. Sifat mekanis material salah satunya adalah kekerasan. Pengujian sifat mekanis material dapat dilakukan dengan banyak cara, salah satunya adalah Heat Treatment. Logam mengalami proses pemanasan, logam akan mengalami pendinginan cepat dengan menggunakan fluida. Dalam hal ini fluida berpengaruh terhadap lamanya proses pendinginan. Dalam percobaan kali ini akan ditentukan nilai kekerasan logam dengan menggunakan beberapa jenis fluida yang berbeda-beda Heat Treatment atau yang biasa disebut dengan perlakuan panas. Heat Treatment merupakan suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik, dan kadang-kadang sifat kimia dari suatu material. Heat Treatment meliputi beberapa proses yaitu heating, colding, dan cooling. Heating adalah proses pemanasan sampai temperatur tertentu dan dalam periode waktu. Tujuannya untuk memberikan kesempatan terjadinya perubahan struktur dari atom-atom dapat menyeluruh. Holding adalah proses penahanan pemanasan pada temperatur tertentu, bertujuan untuk memberikan kesempatan agar terbentuk struktur yang teratur dan sama dengan sebelum proses pendinginan. Cooling adalah proses pendinginan dengan kecepatan tertentu, bertujuan untuk mendapatkan struktur dan sifat fisik maupun sifat mekanis yang diinginkan [1]. Viskositas atau yang biasa disebut dengan kekentalan pada fluida. Fluida yang dimaksud adalah zat cair dan zat gas. Viskositas adalah salah satu sifat fluida dimana menggambarkan penolakan dalam fluida kepada aliran karena adanya gesekan pada partikel partikel zat fluida. Air memiliki viskositas yang rendah sehingga nilai kekentalan cairan kurang, sehingga laju pendinginan cepat dan massa jenisnya lebih besar dibandingkan dengan media pendingin lainnya seperti air,solar,oli,udara, sehingga kecepatan media pendingin besar dan makin cepat laju pendinginannya [2]. Ada beberapa proses-proses pada perlakuan panas (Heat Treatment) yaitu : pengerasan (Quenching), proses quenching atau pengerasan adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit memerlukan waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat logam tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja. Ini mencegah proses suhu rendah, seperti transformasi fase, dari terjadi hanya menyediakan jendela sempit waktu di mana reaksi ini menguntungkan kedua termodinamika dan kinetis diakses, dapat mengurangi kristalinitas dan dengan demikian meningkatkan ketangguhan dari kedua paduan dan plastik (dihasilkan melalui polimerisasi). Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit untuk mengadakan pergerakan difusi dan bentuk sementitoleh karena itu terjadi fase lalu yang mertensit, imi berupa fase yang sangat keras dan bergantung pada keadaan karbon. Selajutnya ada heat treatment dengan proses Anneling, proses anneling atau melunakkan logam merupakan proses pemanasan baja di atas temperature kritis ( 723 C ) kemudian dibiarkan beberapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperature bagian luar dan dalam kira-kira samahingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan
FISIKA LABORATORIUM - HEAT TREATMENT 2015 1-5 2 menggunakan media pendingin udara. Tujuan proses anneling : melunakkan material logam, menghilangkan tegangan dalam / sisa, memperbaiki butir-butir logam, normalizing. Normalizing adalah suatu proses pemanasan logam hingga mencapai fase austenit yang kemudian diinginkan secara perlahan-lahan dalam media pendingin udara. Hasil pendingin ini berupa perlit dan ferit namunhasilnya jauh lebih mulus dari anneling. Prinsip dari proses normalizing adalah untuk melunakkan logam. Namun pada logam karbon tinggi atau baja paduan tertentu dengan proses ini belum tentu memperoleh logam yang lunak. Mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung dari kadar karbon. Selanjutnya heat treatment dengan proses tempering adalah pemanasan logam sampai temperature sedikit di bawah temperature kritis, kemudian didiamkan dalam tungku dan suhunya dipertahankan sampai merata selama 15 menit. Selanjutnya didinginkan dalam media pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalamhal ini keuletan dan ketangguhan logam akan meningkat. Meskipun proses ini akan menghasilkan baja yang lebih lemah. Proses ini berbeda dengan anneling karena dengan proses ini belum tentu memperoleh logam yang lunak, mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung oleh kadar karbon [3]. Atom-atom yang menempati titik kisi digambarkan sebagai sebuah titik. Bila atom-atom itu digambarkan sebagai sebuah bola yang saling bersinggungan dengan atom tetangga terdekatnya, akan didapat susunan mampat ( packing structure). Khusus untuk satuan sel heksagonal terdapat dua jenis susunan mampat, yaitu heksagonal mampat (HCP) dan kubus mampat ( cubic close-packed = CCP). Untuk mengetahui besarnya penggunaan ruang sel oleh atom-atom didefinisikan faktor pemampatan atom ( atomic packing factor = APF), yang menyatakan perbandingan antara volume ruang yang ditempati atom dan volume total sel satuan [1]. Sifat mekanik adalah sifat yang menyatakan kemampuan suatu material / bahan untuk menerima beban, gaya dan energi tanpa menimbulkan kerusakan pada material / komponen tersebut. Beberapa sifat mekanik yang penting antara lain yaitu : Kekuatan (strength) merupakan kemampuan suatu material untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan material menjadi patah. Berdasarkan pada jenis beban yang bekerja, kekuatan dibagi dalam beberapa macam yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan torsi, dan kekuatan lengkung. Kekerasan (hardness ) merupakan ketahanan material terhadap penekanan atau indentasi / penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance) yaitu ketahanan material terhadap penggoresan atau pengikisan. Kekakuan (stiffness ) adalah kemampuan suatu material untuk menerima tegangan/beban tanpa mengakibatkan terjadinya deformasi atau difleksi. Kegetasan (brittleness) adalah suatu sifat bahan yang mempunyai sifat berlawanan dengan keuletan. Kerapuhan ini merupakan suatu sifat pecah dari suatu material dengan sedikit pergeseran permanent. Material yang rapuh ini juga menjadi sasaran pada beban regang, tanpa memberi keregangan yang terlalu besar. Contoh bahan yang memiliki sifat kerapuhan ini yaitu besi cor. Kekenyalan (elasticity) didefinisikan sebagai kemampuan meterial untuk menerima tegangan tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan, atau dengan kata lain kemampuan material untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah mengalami deformasi (perubahan bentuk). Plastisitas (plasticity ) adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastik (perubahan bentuk secara permanen) tanpa mengalami kerusakan. Material yang mempunyai plastisitas tinggi dikatakan sebagai material yang ulet (ductile), sedangkan material yang mem punyai plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang getas (brittle). Keuletan (ductility) adalah sutu sifat material yang digambarkan seprti kabel dengan aplikasi kekuatan tarik. Material ductile ini harus kuat dan lentur. Keuletan biasanya diukur dengan suatu periode tertentu, persentase keregangan. Sifat ini biasanya digunakan dalam bidan perteknikan, dan bahan yang memiliki sifat ini antara lain besi lunak, tembaga, aluminium, nikel, dll. Ketangguhan (toughness) merupakan kemampuan material untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Kelelahan (fatigue) merupakan kecenderungan dari logam untuk menjadi patah bila menerima beban bolak-balik (dynamic load) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekakuan elastiknya. Melar ( creep) merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik bila pembebanan yang besarnya relatif tetap dilakukan dalam waktu yang lama pada suhu yang tinggi [4]. II. METODOLOGI PERCOBAAN Pada percobaan pengaruh perlakuan panas (Heat Treatment) terhadap perubahan sifat mekanik batangan tembaga(cu) alat dan bahan yang digunakan adalah 4 buah batang tembaga(cu) berukuran 2,5 cm, ada 3 fluida yaitu air, oli, larutan NaCl berfungsi sebagai cairan untuk mendinginkan tembaga, alat pemanas (tube furn ace) untuk memanaskan tembaga, mesin grinder untuk menggrinding tembaga agar permukaan tembaga bisa halus dan mengkilat, kertas gosok (amplas) dengan mes 220, 600, 800 dan 1000 gunanya untuk menghaluskan tembaga dan mesin uji kekerasan Vickers untuk mengetahui nilai kekerasan tembaga. Gambar 2.1 Variasi fluida
FISIKA LABORATORIUM - HEAT TREATMENT 2015 1-5 3 menggunakan tisu, setelah benar-benar kering logam tembaga digrinding lagi untuk menghilangkan endapan yang masih menempel pada tembaga. Proses grinding kedua ini, hanya menggunakan kertas gosok dengan mess 600, 800, dan 1000. Setelah logam tembaga kembali halus dan mengkilap, kemudian dilakukan uji kekerasan dengan Vickers. Uji ini akan menghasilkan nilai HV logam tembaga tersebut. Gambar 2.2 Mesin Grander Start Tembaga dipotong menjadi 4 dengan ukuran 2,5 cm Tembaga digrinding sampai halus dan mengkilap Tembaga dimasukkan ke dalam mesin Tube Furnace dengan suhu 400 o C selama 30 menit Tembaga didinginkan dengan fluida Gambar 2.3 Mesin Tube Furnace Tembaga digrinding lagi sampai halus dan mengkilap Tembaga di uji kekerasan dengan uji vickers Didapatkan nilai HV untuk tiap Tembaga finish Gambar 2.5 flowchart metodologi percobaan Gambar 2.4 Logam Tembaga Tembaga(Cu) adalah sampel yang diuji sifat mekaniknya dengan menggunakan heat treatment, batang tembaga cm dipotong dengan panjang 2.5 cm sebanyak 4 potong. Setelah dipotong, keempat sampel aluminium digrinding dengan menggunakan mesin grinder yang piringannya di lapisi kertas amplas, setiap batang tembaga mengalami 4 tingkatan mes diawali dengan mes 220, kemudian mes 600, lalu mes 800 dan mes 1000. Keempat batangan tembaga tersebut digrinding dan diamplas sampai permukaannya halus dan mengkilat. Setelah permukaannya mengkilat maka batangan tembaga tersebut dipanaskan sekitar 30 menit dengan tube furnace, setelah itu didinginkan dengan menaruhnya ke fluida. Satu sampel tembaga di didingan tanpa fluida atau pada keadaan normal. Ketiga sampel tembaga di taruh di fluida cair, satu sampel dimasukkan ke CaCo 3, kemudian ada satu sampel lagi yang dimasukkan ke air dan juga ada satu sampel yang dimasukkan ke oli. Kemudian tembaga itu didinginkan dilakukan selama ± 1 menit hingga logam tembaga memiliki suhu ruangan (30 C). setelah tembaga benar-benar dingin, kemudian membersihkan larutan yang masih menempel pada tembaga dengan III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan percobaan tersebut maka didapatkan nilai HV dari logam tembaga untuk tiap media pendinginan yang berbeda yaitu : Tabel 3.1 nilai HV untuk tiap-tiap logam tembaga No Perlakuan pendinginan Kekerasan (HV) 1 Air 66,3 2 air garam 69,6 3 Oli 64,7 4 tanpa perlakuan 67,5 Berdasarkan tabel diatas dapat diketahui bahwa kekerasan pada logam tembaga meningkat dan menurun setelah mengalami proses heat treatment. Nilai kekerasan yang didapatkan berbeda beda tergantung pada jenis fluida. Pada perlakuan pendinginan menggunakan air garam kekerasannya yaitu 69,6 di mana nilainya lebih besar dari nilai kekerasan normal yaitu 67,5. Sedangkan pada perlakuan pendinginan menggunakan air dan oli kekerasannya yaitu 66,3 dan 64,7 di
FISIKA LABORATORIUM - HEAT TREATMENT 2015 1-5 4 mana nilainya lebih kecil dari nilai kekerasan normal. Nilai kekerasan tembaga berbeda-beda untuk jenis fluida yang berbeda-beda. Hal itu dipengaruhi oleh viskositas fluida tersebut Semakin besar nilai viskositasnya maka kemampuannya untuk menyerap panas semakin berkurang sehingga kekerasannya semakin berkurang sebab waktu yang dibutuhkan untuk mendinginkan tembaga semakin lama. Berdasarkan hasil tersebut, nilai kekerasannya pada oli memiliki nilai kekerasan terendah sedangkan air garam memiliki nilai kekerasan paling besar. Penyebab lain yang mempengaruhi nilai HV yakni konduktivitas termal. Konduktivitas termal akan memperlambat laju pendinginan,sehingga kekerasan pun juga kecil. Proses ini yang disebut sebagai perlakuan panas yang bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik material seperti tensile strength, resistance, elongation, impact resistance, dan hardness, ketika material dipanaskan pada temperatur dan waktu tertentu, lalu didinginkan dengan cepat maka struktur mikro material akan mengalami perubahan yang signifikan dimana struktur yang baru memiliki kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada sebelumnya. Saat dilakukan pemanasan maka temperatur logam tembaga akan naik. Setelah mencapai suhu tinggi, atom atom akan bergerak keluar dari struktur dari permukaan logam tembaga. Kemudian setelah didinginkan dengan media pendingin maka dengan cepat temperature logam tembaga akan menurun. Pada awalnya berada pada fase austenit stabil. Saat temperature logam tembaga turun diantara suhu + 700C 250C terbentuk austenit yang tidak stabil, kemudian pada saat logam temperaturnya dibawah 250C terbentuk austenit dan martensit. Martensit ini terbentuk karena atom atom karbon yang ada pada permukaan tidak sempat berdifusi kembali kedalam struktur logam sebagai akibat pendingin yang cepat dan struktur logamnya merapat. Terbentuk martensit karena adanya pengaruh kadar karbon, sifatnya keras dan ulet. Kecepatan pendingin yang dipengaruhi oleh massa jenis dan viskositas, yaitu semakin keras massa jenis dari media pendingin maka kecepatan pendinginan dari logam akan cepat. Hal ini disebabkan panas dari logam cepat didistribusikan karena pada partikel media pendingin saling berdekatan. pelaksanaan briefing jurnal. Serta tidak lupa terimakasih kepada teman-teman satu team atas kerjasamanya dalam melaksanakan praktikum tentang heat treatment ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Callister, W.D., Jr., 2001, Fundamental of Materials Science and Engoneering, Departement of Metallurgical Engineering, John Wiley & Sons, inc, New York. [2] Halliday, D., Resnick, R. & Walker, J., 2011. Fundamentals of Physics. 9 th ed. USA : John Wiley & Sons, Inc.. [3] Surdia, T. dan Saito, S., 1992, Pengetahuan Bahan Teknik, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. [4] Crankovic, G.M.: Materials Characterization, ASM International, USA, (1986). IV. KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa proses heat treatment pada logam tembaga menyebabkan nilai kekerasannya berbeda-beda tergantung dari fluida yang digunakan untuk pendinginan. Tembaga yang dicelupkan pada air garam memiliki nilai HV yang paling tinggi, sedangkan HV terendah terdapat pada tembaga yang dicelupkan ke oli. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium fisika laboratorium, Pulung Subuh Nur Baity, Roihatur Rohmah untuk percobaan tentang Heat Treatment ini, yang telah membimbing jalannya praktikum serta menyalurkan ilmu yang sangat dibutuhkan oleh penulis serta dalam
FISIKA LABORATORIUM - HEAT TREATMENT 2015 1-5 5 LAMPIRAN Gambar 1. HV Tanpa Fluida (Normal) Gambar 2. HV dengan fluida Air Gambar 3. HV dengan fluida air garam Gambar 4. HV dengan fluida oli