PROSES HARDENING PADA BAJA CrMoV Di Kerjakan Oleh: MELTOM A. TAMPAI F 331 07 019
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TADULAKO 2011
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Bahan-bahan Bahan-bahan pada saat sekarang khususnya khususnya logam semakin b aik dan rumit, digunakan pada peralatan modern yang memerlukan bahan dengan kekuatan impak dan ketahanan fatigue yang tinggi disebabkan meningkatnya kecepatan putar dan pergerakan pergerakan linear serta peningkatan frekwensi pembebanan pada komponen. Untuk mendapatkan kekuatan kekuatan dari bahan tersebut dapat dilakukan dengan proses perlakuan panas. Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat sifat-sifat fisis logam l ogam tersebut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butiran dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan dapat ditingkatkan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Besi dan baja mempunyai kandungan kandungan unsur utama yang sama yaitu Fe, hanya kadar karbon lah yang membedakan besi dan baja, penggunaan besi dan baja dewasa ini sangat luas mulai dari perlatan yang sepele seperti jarum, peniti sampai dengan alat – alat dan mesin berat.
B. Rumusan Masalah
1. Apakah baja CrMoV dapat di tingkatkan nilai kekerasannya kekerasannya dengan proses hardening? 2. Media pendingin apa yang paling baik meningkatkan kekerasan?
C. Tujuan
1. Menguji peningkatan nilai kekerasan baja CrMoV. 2. Membandingkan Membandingkan macam-macam media pendingin pada p roses hardening.
BAB II TEORI DASAR Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan sebuah benda (benda kerja) terhadap penetrasi/daya tembus dari bahan lain yang kebih keras penetrator). Kekerasan merupakan suatu sifat dari bahan yang sebagian besar d ipengaruhi ipengaruhi oleh un-sur-unsur paduannya paduannya dan kekerasan kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan cold worked seperti pengerolan, pengerolan, penarikan, p enarikan, pemakanan pemakanan dan d an lainlain serta kekerasan keke rasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan panas. Proses hardening atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam dengan cara dipanaskan kemudian didinginkan secara cepat. Tujuannya adalah untuk mendapatkan struktur martensit, semakin banyak unsur karbon, maka struktur martensit yang terbentuk juga akan semakin banyak. Karena martensit terbentuk dari fase austenit yang didinginkan secara cepat. Proses hardening atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan logam Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan dan fatigue limit/ strength yang lebih baik. b aik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan kekerasan yang terjadi akan tergantu te rgantung ng pada temperatur pemanasan (temperatur autenitising), autenitising), holding time t ime dan laju l aju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras banya b anyak k tergantung pada hardenability.
Langkah-langkah proses hardening adalah sebagai berikut : 1. melakukan pemanasan (heating)
Lakukan pemanasan diatas Ac-1 pada diagram Fe-Fe3C, misalnya pemanasan sampai suhu 850, tujuanya adalah untuk mendapatkan struktur Austenite, yang salah sifat Austenite tidak stabil pada suhu di bawah Ac-1,sehingga dapat ditentukan ditentukan struktur yang diinginkan. Dibawah ini diagram d iagram Fe-Fe3C Fe-Fe3C
2. Penahanan suhu (holding)
Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimum dari suatu bahan pada proses hardening dengan menahan pada temperatur pengerasan pengerasan untuk memperoleh pemanasan pemanasan yang homogen sehingga struktur austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam austenit dan diffusi karbon dan unsur paduannya. paduannya. Pedoman untuk menentukan holding time dari berbagai jenis baja: • Baja Konstruksi Kon struksi dari Baja Karbon dan Baja Paduan Rendah Rendah Yang mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan diperlukan holding time yang singkat, 5 - 15 menit setelah mencapai temperatur pemanasannya dianggap sudah memadai.
• Baja Konstruksi Kon struksi dari Baja Paduan Menengah Dianjurkan menggunakan menggunakan holding time 15 -25 menit, tidak tergantung ukuran ukuran benda kerja. • Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat, agar kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan menggunakan menggunakan 0,5 menit per milimeter tebal benda, atau 10 sampai 30 menit. • High Alloy Chrome Steel Membutuhkan holding time yang paling panjang di antara semua baja perkakas, perkakas, juga ju ga tergantung pada temperatur pema-nasannya. pema-nasannya. Juga diperlukan kom-binasi temperatur dan holding time yang tepat. Biasanya dianjurkan menggunakan menggunakan 0,5 menit permilimeter tebal benda dengan minimum 10 menit, maksimum 1 jam. • Hot-Work Tool Steel Mengandung karbida yang sulit larut, baru akan larut pada 10000 C. Pada temperatur ini kemungkinan terjadinya pertumbuhan butir sangat besar, karena itu holding time harus dibatasi, 15-30 menit. High Speed Steel Memerlukan temperatur pemanasan yang sangat tinggi, 1200-13000C.Untuk 1200-13000C.Untuk mencegah terjadinya pertumbuhan butir holding time diambil hanya beberapa menit saja. Misalkan kita ambil waktu holding adalah selama 15 menit pada suhu 8500 .
3. Pendinginan.
Untuk proses Hardening kita melakukan pendinginan secara cepat dengan menggunakan menggunakan media air. Tujuanya adalah untuk mendapatkan struktur martensite, semakin banyak unsur karbon,maka struktur martensite yang terbentuk jug a akan semakin banyak. Karena martensite terbentuk dari fase Austenite yang didinginkan secara cepat. Hal ini disebabkan disebabkan karena atom karbon tidak sempat berdifusi keluar dan terjebak dalam struktur kristal dan membentuk struktur tetragonal yang ruang kosong antar atomnya ato mnya kecil,sehingga kekerasanya kekerasanya meningkat.
kurva 6 kurva pendinginan pada diagram TTT
Dari diagaram pendinginan diatas dapat dilihat bahwa dengan pendinginan cepat (kurva 6) akan menghasilkan struktur martensite karena garis pendinginan lebih cepat daripada kurva 7 yang merupakan laju pendinginan kritis (critical cooling rate) yang nantinya akan tetap terbentuk fase austenite (unstable). Sedangkan Sedangkan pada p ada kurva 6 lebih cepat daripada kurva 7,sehingga terbentuk struktur martensite yang kekerasanya berkisar antara 600 BHN-750 BHN, tetapi be rsifat rsifat rapuh karena tegangan tegangan dalam yang besar.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Temperatur Pemanasan
Dengan
melihat gambar 2-3, temperatur temperatu r pemanasan sebesar 1000ºC
yaitu
pemberian
panas
sampai temperatur yang telah ditentukan ditentukan pada
proses
perlakuan
panas
sampai mencapai temperatur tempe ratur transformasi yang
dilakukan.
temperatur penahanan penahanan ( holding time temperature)
Besarnya
yang digunakan diguna kan untuk mencapai daerah transformasi
tertentu
berpengaruh
terhadap terh adap penyebaran ferit dan sementit. Untuk mendapatkan penyebaran ferit dan sementit sement it yang baik, pemanasan pemanas an diusahakan berjalan perlahan, perlahan , sehingga transformasi
berjalan linier linie r bersama naiknya temperatur tempe ratur yang timbul pada pada
baja. B. Waktu Penahanan
Dengan
melihat gambar 2-3, waktu penahanan penahanan ( holding time) selama 1 jam,
dilakukan setelah sete lah temperatur pemanasan telah tel ah mencapai temperatur yang dikehendaki. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan bentuk struktur kristal yang sempurna pada temperatur transformasi sesuai dengan deng an kebutuhan pengujian
serta
sehingga disesuaikan disesuai kan
waktu
tahan ditentukan
dengan spesifikasi
material yang akan diuji. C. Kecepatan Pendinginan
Dengan
melihat
gambar gambar 2-3, kecepatan
ditunjukkan dengan garis putus-putus putus-putus dari
kiri
pendinginan atas
contohnya : 1000ºF/second. 1000 ºF/second. Kecepatan Ke cepatan pendinginan
ke
( cooling kanan
berpengaruh
rate)
bawah, terhadap
hasil transformasi dan sifat mekanik. mekani k. Dalam hubungan tersebut terseb ut dipakai suatu diagram transformasi (TTT diagram = Time Temperature Transformation diagram) (Pollack,
1977),
untuk
meramalkan meramalkan struktur
yang
terjadi
bila
baja
didinginkan dari temperatur austenite dengan kecepatan pendinginan tertentu. Kecepatan Kece patan pendinginan yang lebih tinggi akan lebih cepat terjadinya kelarutan
karbida.
Dengan
demikian
perlu direncanakan direncanakan
dan dan
diketahui diketahui
proses
pendinginan pend inginan yang akan dilakukan serta media med ia pendingin yang akan dipakai. Kesalahan Kesala han dalam dalam menggunakan media media pendingin dapat berakibat fatal pada p ada material uji. D. Perlakuan Panas Celup
Dengan Dengan merujuk merujuk pada pada Gambar Gambar 2-3, 2-3, perlakuan pe rlakuan panas ini dilakukan dengan memanaskan
sampel
sampai temperatur austenisasi 1000ºC, diper-
uji
tahankan beberapa beberapa saat pada temperatur temperatur tersebut, terse but, beberapa
media
pendingin
lalu
didinginkan didingin kan
dalam
(air, oli, udara). Pada Pa da temperatur tempe ratur pemanasan
1000ºC (sumbu tegak Gambar 2-2) larutan padat CrMoV ditahan selama 1 jam kemudian dicelup dicelup dengan cepat dan dan waktu pendingina pendinginan n sangat cepat cepat (sumbu datar Gambar 2-2) selama ± 2 detik. Kecepatan detik). Gambar 2-2 mempunyai korelasi yang
pendinginan pendinginan
saling
±
menguatkan
1000ºF/ dengan
Gambar 2-3. E. Perubahan Struktur mikro saat transformasi
Terbentuknya Terben tuknya
struktur
mikro fasa pada saat transformasi dari fasa
austenit ada dua macam yaitu :
Pembentukan Ferit dan Perlit
Bila austenit pada baja hipereutektoid didinginkan sampai temperatur kritis, maka akan terjadi perubahan fasa dari austenit ke perlit yang dimulai dengan terbentuknya ferit kemudian
baru terbentuk perlit.
Pembentukan Martensit
Bila austenit pada baja hipereutektoid dipanaskan austenisasi (> 723º C) dan ditahan untuk
sampai
beberapa
lama,
temperatur kemudian
dicelup dengan dengan cepat ke dalam media pendingin pendingin (air atau oli) maka austenit akan berubah menjadi martensit yang sangat keras. Pada Gambar 2-2 pendinginan dari suhu 1000º C dengan penurunan penurunan temperatur temperatur sebesar 1000º F/detik (Gambar 2-2 sumbu tegak) akan akan memotong kurva kurva S pada pada daerah martensit awal dan martensit akhir sehingga fasa yang terbentuk adalah fasa yang keras ( martensite ).
Diagram TTT (Time Temperature Transformation)
METODE PENGUJIAN A. Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian
komposisi
kimia dimaksudkan dimaksudk an
baja yang yan g sesuai sesu ai agar dapat da pat menentukan perlakuan
panas.
“Spektrometer “Spektromete r
untuk
temperatur temperatur
mendapatkan bahan
yang
sesuai untuk untu k
Pengujian komposisi dilakukan dengan menggunakan
Emisi”.
Dengan penembakan sebanyak dua dua kali pada sampel
uji berukuran (30 x 30 x 10)mm dan diambil harga rata-ratan rata-ratanya. ya.
B. Pengujian Kekerasan
Pengujian kekerasan kekerasan dimaksudkan untuk untu k
mengetahu menge tahuii
kekerasan kekeras an
dari
masing-masing masing-masing sampel sampel uji, yaitu: yaitu: awal, pendinginan air, pendinginan pendinginan oli dan pendinginan udara. Pengujian dilakukan terhadap 4 buah sampel uji berukuran (10x10x10)mm. (10x10x10)mm. Satu buah sampel uji tanpa perlakuan perlakuan panas dan 3 buah sampel uji dengan perlakuan panas. Sampel masing-masing masing-mas ing
1
buah
sampel
dengan
perlakuan perlakuan
panas
uji ditahan 1000ºC selama 1 jam kemudian
dicelup dalam oli SAE 40 sebanyak 1 liter, lite r, 1 buah sampel uji ditahan 1000ºC selama 1 jam kemudian dicelup dalam air sebanyak 1 liter dan 1 buah sampel uji ditahan 1000ºC kemudian dibiarkan di udara luar. Pengujian
kekerasan dilakukan di laboratorium Jurusan Metalurgi UI
menggunakan
mesin
uji
Micr o Hardness Hardne ss Tester Te ster ), kekerasan Vickers ( Micro ), dengan
beban uji u ji (P) sebesar 1000 gr, jarak antara jejak 250 mikron. Pengukuran Pengukuran kekerasan kekerasan dilakukan dilakukan terhadap 4 buah buah sampel uji kekerasan dan terhadap masing-masing sampel uji dilakukan 5 kali penjejakan. Bekas jejak penekanan diukur diagonal rata-ratanya. [đ = (d 1 + d2)/2]. (mm) Nilai kekerasa kekerasan n dihitung dihitung dengan dengan rumus (Surdia,1 (Surdia,1992): 992): H V =
,
( )
(
)
Gambar sampel uji vickers
C. Pengujian Metalografi
Sampel uji metalografi disiapkan dis iapkan sebanyak
4
buah,
1
buah
tanpa
perlakuan panas dan 3 buah dengan perlakuan panas. Sampel uji dengan perlakuan
panas
1
buah
dengan pemanasan pada 1000ºC selama 1 jam
kemudian didinginkan didinginkan dalam oli SAE 40 sebanyak sebanyak
1
liter,
1
pemanasan pemanas an pada 1000ºC selama 1 jam kemudian
didinginkan
sebanyak 1 liter dan 1 buah dengan pemanasan
pada
buah
1000ºC
dengan
dalam
air
kemudian
didinginkan didin ginkan di udara luar. Pengujian Penguj ian metalografi dimaksudkan untuk mengetahui struktur yang didapat
dari
sampel
uji:
awal, pendinginan pend inginan
air, ai r,
pendinginan oli dan pendinginan udara. Ukuran sampel uji (10x10x10)mm dimounting dengan resin epoksi dalam cetakan cetakan diameter 20 mm tebal untuk
15
mm
memudahkan
pengampelasan. pengampelasan. Permukaan Permukaan sampel uji setelah setelah dibentuk, digosok digosok dengan dengan kertas ampelas mulai dari no 200 s.d no. 2000 menggunak menggunakan an kemudian kemud ian
keringkan
dengan
serbuk
alumina,
kain flannel hingga permukaan permuka an sampel uji
mengkilat seperti cermin. Sampel uji yang siap diuji diberi diberi larutan larutan etsa 3 % yang akan difoto dengan
pembesaran pembesaran 500 kali.
BAB IV PEMBAHASAN Untuk mendapatkan hasil yang terbaik terb aik
maka
dilakukan
beberapa
percobaan dan pengujian laboratorium. Di bawah ini akan diuraikan mengenai hasil
pengujian
komposisi
kimia, pengujian kekerasan, dan pengujian
metalografi. A. Hasil Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian dilakukan dilakukan pada sebuah sampel sampe l uji,
dengan
nilai
komposisi
paduan baja CrMoV ditampilkan ditampilkan pada Tabel di bawah.
Berdasarkan Berdasarkan Tab T abel el 4-1 Komposisi Baja Baja mengandung mengandung
CrMoV
ternyata
baja
ini
karbon sejumlah 1,4% berat keseluruhan. keseluruhan. Baja ini termasuk termasuk
baja karbon hipereutektik hipereutektik (kandungan (kandungan karbon > o,8 % C) B. Hasil Pengujian Kekerasan
Nilai kekerasan kekerasan tertinggi sebesar sebesar ~909,84HV diperoleh sampel uji S2 dengan perlakuan panas pendingin air. Untuk
sampel uji S1 (awal) hanya
memberikan nilai kekerasan kekerasan rata-rata rata-rata sebesar ~278,42 ~278,42 HV. Untuk sampel uji S3 perlakuan perlakua n panas dengan pendingin oli memberikan nilai kekerasan rata-rata sebesar ~848,62 ~84 8,62 HV. Untuk sampel uji
S4 perlakuan perlaku an panas pendinginan udara
memberikan memberi kan nilai kekerasan rata-rata rata-rata sebesar sebe sar ~ 798,66 HV. Nilai kekerasan rata-rata sampel uji S2 sebesar ~909,42 HV, terjadi peningkatan nilai kekerasan kekerasan 2,3 kali dari nilai kekerasan awal. Demikian pula pada sampel sampel uji S3 nilai kekerasan rata-rata rata-rata ~848,62 HV, terjadi peningkatan nilai kekerasan sebesar 2,05 kali dari kekerasan keke rasan awal. Hal ini dimungkinkan karena adanya fasa martensit martensi t yang terjadi dengan sel satuan BCT (Body Centered Cen tered Tetragonal) dimana atom atom karbon belum sempat berdifusi karena cepatnya pendinginan
Awal (S1)
oli (S2)
air (S3)
Pendinginan
C. Hasil Pengujian Metalografi
udara (S4)
Dari gambar 4-2 sampai 4-5 menunjukan struktur mikro dari masing-masing sampel uji untuk berbagai macam media pendingin Dari Dari foto foto metalografi Gambar 4-3 sampel uji S2 pendinginan pendinginan air dan Gambar Gambar 4-4 sampel uji S3 pendinginan pendinginan oli terlihat terl ihat adanya garis-garis halus menyerupai menyerup ai jarum khas struktur
martensit martensi t
dengan
yang
merupakan
ciri
latar belakang be lakang terang. Sedang pada
sampel uji S1 (awal) tidak diberikan perlakuan panas Gambar 4-2 terlihat struktur ferit dan
perlit.
Pada
sampel
uji
S4 pendingan udara Gambar 4-5
karena waktu pendinginan yang lama, maka fasa yang terbentuk terben tuk adalah ad alah fasa ferit dan perlit.
BAB V KESIMPULAN
Baja CrMoV ini dapat ditingkatkan nilai kekerasannya kekerasann ya menjadi men jadi 2,3 kali lipat dari kekerasan awal (sebelum diberi dibe ri perlakuan panas) dengan nilai kekerasan pendinginan pendinginan
sebesar celup
278,42 di
air
HV, perlakuan pe rlakuan
panas
hardening, hardening ,
dan
mengakibatkan mengakibatkan nilai kekerasan naik menjadi
sebesar ~909,84 HV.
Peningkatan Pening katan
nilai
diakibatkan diakiba tkan
karena
kekerasan
ini (dengan
terbentuknya struktur struktu r
dengan banyaknya garis-garis halus.
media martensit
pendingin yang
air)
ditandai dit andai
DAFTAR PUSTAKA
John,
Vernon,
1983.
Introduction in Engineering Materials , Mc. Graw Hill
Inc., New York York . Pollack, Pollack, H.W., 1977. Phy sical Metallurgy , Reston Reston Publish ing, Virginia. Surdia, Tata, dan dan Shinr oku Saito, 1992. Pengetahuan Pradn ya Parami tha, Jakar ta. Surdia, Tata, dan Kenji Chijiwa,1980. Teknik Pradnya Paramitha, Jakarta.
Bahan
Teknik ,
Pengecoran
Logam ,
Van Vlack, L., 1991. Ilmu dan Teknologi Bahan , Erlangga, Jakarta.
