METODE PENINGKATAN TEGANGAN TARIK DAN KEKERASAN PADA BAJA KARBON RENDAH MELALUI BAJA FASA GANDA Ahmad Supriyadi & Sri Mulyati Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H. Sudarto, SH., Tembalang, Kotak Pos 6199, Semarang 50329 Telp. 7473417, 7499585, 7499586 (Hunting), Fax. 7472396 Abstrak Baja fasa ganda merupakan hasil proses laku panas pada temperatur pemanasan daerah campuran antara ferrit dan austenit (α + γ) yang didinginkan dengan laju pendinginan di atas laju pendinginan kritisnya, dengan tujuan merubah sifat mekanik bahan, antara lain tegangan tarik dan kekerasan bahan. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan pada baja karbon rendah melalui baja fasa ganda dengan parameter utama temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang tepat. Untuk mendapatkan metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah, maka pada langkah proses pembuatan baja fasa ganda dibuat spesimen untuk masing-masing temperatur pemanasan 732°C, 770°C, 810°C dengan variasi waktu penahan 5 menit, 10 , 20, dan 30 menit Sebelum melakukan proses fasa ganda seluruh spesimen dinormalkan pada temperatur 900°C waktu penahanan 20 menit terlebih dahulu guna mendapatkan kondisi awal struktur yang homogen. setelah pembentukan fasa ganda, selanjutnya setup spesimen ditemper pada temperatur 200°C waktu penahanan 20 menit untuk mengurangi tegangan dalam dan menaikkan keuletannya, dan selanjutnya dilakukan pengerasan regang untuk menaikkan tegangan tarik dan kekerasannya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan pembentukan fasa ganda pada baja karbon rendah ST 37 terdapat peningkatan 83 % tegangan tariknya yaitu dari 310 [N/mm2] menjadi 567 [N/mm2] dan peningkatan kekerasan 40 % yaitu dari 133,1 RM menjadi 186,6 RM, sedangkan ST 60 dari 460 [N/mm2] menjadi 501 [N/mm2] dan kekerasan dari 165 HV menjadi 178 HV. Kenaikan pada ST 37 dicapai dengan hasil perlakuan pada temperatur pemanasan 770°C dengan waktu penahan selama 20 menit, sedangkan pada ST 60 temperatur 810°C waktu penahanan 20 menit. Sedang, dalam rekayasa perbaikan sifat mekanik pada baja karbon rendah, metode hasil penelitian ini dapat dijadikan sebagai pertimbangan untuk digunakan. Kata kunci : ”baja karbon rendah”, ”baja fasa ganda”.
1. Pendahuluan Penggunaan baja karbon rendah sangat banyak digunakan meskipun terbatas pada cara ini yang tidak membutuhkan tegangan tarik dan kekerasan relatif tinggi, hal tersebut dikarenakan harganya relatif murah dan mudah pembentukkannya. Untuk memperluas penggunaan baja karbon rendah, diperlukan peningkatan sifat mekaniknya terutama dari segi sifat mekanik (tegangan tarik dan kekerasan) tetapi harganya masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lainnya. Salah satu alternatif untuk perbaikan sifat mekanik baja karbon rendah adalah dengan menjadikannya baja fasa ganda dengan metode perlakuan yang tepat agar peningkatan tegangan tarik dan kekerasan dapat dicapai.
Jika proses pembentukan baja karbon fasa ganda dengan metode yang tepat maka fasa ganda yang dihasilkan memiliki kombinasi struktur martensit yang keras dan ferrite yang lunak, sehingga selain mudah dalam proses pembentukan juga adanya peningkatan tegangan tarik dan kekerasannya dibandingkan dengan pra fasa ganda baja karbon rendah. Pada proses pembuatan baja karbon fasa ganda, variabel yang menentukan peningkatan tegangan tarik serta nilai kekerasan adalah temperatur pemanasan dan waktu penahanan pada daerah campuran ferit dengan austenit (α + γ). Temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang menghasilkan tegangan tarik dan kekerasan yang tertinggi merupakan metode terbaik untuk peningkatan kekuatan baja karbon rendah melalui proses baja fasa 11
ganda. Untuk mendapatkan temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang tepat guna mencapai maksud tersebut maka diperlukan uji coba dan memberikan variasi temperatur pemanasan dan waktu penahanan di daerah (α + γ). Variasi temperatur pemanasan dipilih sesuai dengan kondisi baja karbon rendah yaitu dimulai dari 732°C, 770°C dan 810°C, sedangkan waktu penahanan masingmasing selama 5 menit, 10 menit, 20 menit dan 30 menit. Untuk memperluas penggunaan baja karbon rendah, diperlukan peningkatan sifat mekaniknya (tegangan tarik dan kekerasan) tetapi harganya masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lainnya. Hal tersebut diperlukan karena belum ada metode yang tepat untuk meningkatkan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah. Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk medapatkan metode terbaik untuk peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah ST 37 dan ST 60 melalui baja fasa ganda dengan harapan penggunaan baja karbon rendah menjadi lebih luas dengan pertimbangan harga masih relatif murah dibandingkan dengan jenis baja karbon lain.
Tabel 1. Klasifikasi Baja Karbon Berdasar Kandungan Karbon No
Jenis Baja Karbon
1 2 3
Baja karbon rendah Baja karbon medium Baja karbon tinggi
Prosentase Unsur Karbon (% C) 0,25 % 0,25 % ÷ 0,55% 0,55 %
Dengan memperhatikan diagram fasa tersebut maka baja karbon rendah adalah jenis baja hypoeutektoid karena prosentase unsur pemandu karbonnya tidak melebihi 0,8 % dan hanya mengandung 0,112 % C. (Yureman Zain, 1993). Komposisi kimia lembaran pelat baja karbon rendah produk PT. Krakatau Steel sebagai spesimen penelitian ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Komposisi Kimia Baja Karbon Rendah Unsur C Si Mn P S Cr
Prosentase 0,112 < 0,117 0,443 < 0,0008 < 0,0002 0,0085
Unsur Ni Mo Cu Al Fe
Prosentase (%) 0,0143 0,0065 0,0176 0,0381 99,350
Sumber : hasil penelitian
Baja Karbon Rendah
Baja karbon rendah adalah salah satu jenis baja karbon, dimana prosentase unsur karbonnya dibawah 0,25 %, untuk lebih jelas ditunjukkan pada Tabel 1, sedangkan unsur pembentuk lainnya seperti Mn tidak lebih dari 0,8 %, Si tidak lebih dari 0,5 %, demikian pula unsur Cu tidak lebih dan 0,6 %. Disamping jenis baja karbon berdasarkan kandungan karbonnya, juga dikelompokkan berdasarkan komposisi prosentase unsur pemandu karbonnya seperti yang perlihatkan pada diagram fasa Fe - C (Gambar l), baja hypoeutektoid kurang dari 0,8 %C, baja eutektoid 0,8 % C, sedangkan baja hypoeutektoid lebih besar dari 0,8 % C.
12
Gambar 1. Diagram Fe – C Sumber : hasil penelitian Perlakuan Panas Perlakuan panas (heat treatment) didefinisikan sebagai kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan yang terkontrol dalam keadaan
padat untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu pada baja/logam atau paduan. Terjadinya perubahan sifat tersebut dikarenakan terjadi perubahan struktur mikro selama proses pemanasan dan pendinginan, dimana sifat baja/logam atau paduan sangat dipengaruh oleh struktur mikronya. Perlakuan panas dibedakan : (a) proses laku panas dengan kondisi equilibrium, seperti proses anil, normalising, (b) proses laku panas non-equilibrium, seperti pengerasan (hardening). Proses annealing untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur kritisnya A3, lihat gambar 1 (250C – 500C di atas temperatur A3), dan ditahan beberapa saat pada temperatur tersebut, kemudian didinginkan dengan laju pendinginan lambat di dalam dapur. Stfat baja basil proses annealing adalah menjadi lebih lunak dan ulet. (tegangan tarik dan kekerasannya menurun). Proses normalising untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur proses anil yaitu mencapai 50°C di atas temperatur kritis A3 dengan laju pendinginan lebih cepat dari annealing yaitu pendinginan dengan udara terbuka. Hasil proses normalising baja akan berbutir lebih halus, lebih homogen dan lebih keras dari hasil proses anil. Proses pengerasan baja hypoeutektoid dilakukan pada temperatur pemanasan atas temperatur kritisnya atau berada di fase austenit, dan didinginkan dengan sangat cepat menggunakan air garam, air, oli sehingga hasilnya diperoleh struktur martensit yang keras dan menjadikan sifat baja tersebut keras dan rapuh. Proses tempering adalah pemanasan kembali hasil proses hardening, pemberian panas pada 50°C - 100°C di bawah temperatur kritis A1 dan membiarkannya atau menahan temperatur tersebut beberapa saat, kemudian didinginkan dengan pendinginan lambat pada media udara terbuka. Tempering adalah menghilangkan
tegangan sisa dan mengembalikan sebagian keuletan dan ketangguhan bahan meskipun kekerasan dan tegangan tariknya menurun. Pengerasan Regang Pengerasan regang (strain hardening) merupakan salah satu proses pengerasan yang dilakukan pada logam yang sukar dikeraskan dengan proses perlakuan panas. Proses pengerasan regang yaitu membebani logam mencapai beban luluhnya (FY) atau di daerah tegangan luluh (yield stress = σY). Konsep pengerasan regang adalah dislokasi yang menumpuk di bidang slip dalam styruktur kristal, tumpukan tersebut menghasilkan tegangan balik (back stress) yang melawan tegangan pada bidang slip, atau dislokasi yang berinteraksi satu sama lain dengan penghalang (barriers) yang menghalangi gerak dalam sisi kristal. Baja Fasa Ganda Baja hypoeutektoid dipanaskan antara temperatur kritis atas (A3) dan temperatur kritis bawah (A1) (lihat Gambar 1 diagram Fe - C ), kemudian didinginkan dengan cepat melebihi laju pendinginan kritisnya (lihat Gambar 2 diagram continuous cooling transformation [CCT] baja hypoeutektoid), maka akan didapat baja fasa ganda (dual phase). Sebagai contoh baja dengan kadar karbon 0,2% dipanaskan sampai temperatur 800°C maka baja tersebut setelah kesetimbangan akan terdiri dari 50 % ferrit (σ) dan 50 % austenit (γ) yang mengandung 0,4 % C seperti terlihat pada Gambar 5. Pendinginan cepat dari temperatur 800°C akan menghasilkan struktur martensit dalam matrik ferit, dimana butir ferit yang terbentuk setelah proses pembentukan fasa ganda adalah poligonal (memiliki sisi banyak). Struktur martensit dalam bentuk matrik ferit memiliki ciri atau sifat tegangan luluhnya rendah akibat adanya tegangan sisa dari proses transformasi austenit ke martensit dan penguatan regang yang mengikat. 13
Gambar 5. Pemanasan Equilibrium pada 8000C Baja 0,2% C Transformation time, seconds Mengandung 50% σ dan 50% γ Gambar 2.CCT Diagram Baja Hypoeutektoid Sumber : hasil penelitian 2. Metode Penelitian Pada temperatur kamar, baja hypoeutektoid terdiri dari butiran kristal ferit dan pearlit. Apabila temperatur pemanasan mencapai tempertaur kritis bawah A, maka pearlit akan mengalami reaksi eutektoid sehingga laurellaurel ferit dan sementit dari pearlit akan bereaksi menjadi austenit. Transformasi austenit didahului dengan pengintian yang selanjutnya diikuti pertumbuhan kristal austenit (ferrit BCC menjadi austenit FCC) dan setelah temperatur mencapai A3 seluruh ferit akan menjadi austenit, lihat Gambar 3 skema perubahan struktur mikro selama pemanasan.
Gambar 3. Skema Perubahan Struktur Mikro Selama Pemanasan
Gambar 4. Diagram Stress-Strain Ganda dan Baja Karbon 14
Fasa
Sebelum proses pembentukan fasa ganda seluruh spesimen terlebih dahulu dinormalkan pada temperatur 900°C dengan waktu penahanan 20 menit guna mendapatkan kondisi struktur bahan yang homogen. Kemudian melakukan pembentukan fasa ganda untuk masing-masmg kelompok spesimen, yaitu kelompok pemanasan temperatur 732°C, kelompok pemanasan temperatur 770°C, dan kelompok pemanasan temperatur 810°C, dengan waktu penahanan masing-masing kelompok spesimen dikelompokkan juga, yaitu kelompok waktu. penahan 5 menit, kelompok 10 menit, kelompok 20 menit, dan kelompok 30 menit. Seluruh spesimen hasil proses pemanasan didinginkan dengan cepat (diquench) dalam air tanpa agitasi, selanjutnya semua spesimen di temper pada temperatur 200°C dengan waktu penahanan selama 20 menit dan langkah terakhir spesimen di keraskan dengan pengerasan regang. Setelah baja karbon fasa ganda terbentuk maka dilakukan pengujian tarik pengujian kekerasan. Tolok ukur keberhasilan penelitian adalah adanya peningkatan tegangan tarik dan nilai kekerasan baja karbon rendah paska fasa ganda lebih besar dari pra fasa ganda yaitu tegangan tarik lebih besar dari 310 [N /mm2] dan nilai kekerasan lebih besar dari 133,1 [HV]. Untuk lebih jelasnya metode penelitian ditunjukkan diagram alir penelitian Gambar 6.
Gambar 6. Diagram Alir Penelitian 3. Hasil dan Pembahasan Hasil pengujian untuk meningkatkan tegangan tarik dan kekerasan bahan baja karbon rendah jenis ST 37 dan ST 60 melalui proses baja fasa ganda dapat ditunjukkan Tabel 1 sampai dengan Tabel 3. Tabel 1 data tegangan tarik dan kekerasan bahan ST 37 dan ST 60 sebelum
perlakuan, sedangkan Tabel 2 adalah data tegangan tarik dan kekerasan untuk bahan ST 37 setelah proses baja fasa ganda, dan Tabel 3 merupakan data tegangan tarik dan kekerasan untuk bahan ST 60 setelah proses baja fasa ganda.
15
Tabel 1. Data Tegangan Tarik Bahan ST 37 dan ST 60 Sebelum Perlakuan Spesimen Ao ST 37
Ao ST 60
A0 (mm) 28 28 28 Rata-rata 44,8 44,8 44,8 Rata-rata
Fy (N) 6500 7000 6900 16000 15800 15600
σY 2 (N/mm) 232,1 250,0 246,4 242,8 357,1 352,7 349,8 353
Fu 8200 8700 8600 20800 20500 20400
σu 2 (N/mm ) 292,8 310,0 307,1 310 464,3 457,6 457,4 460
V (HV) 130,1 137,2 132,0 133,1 165 170 160 165
Tabel 2. Data uji tarik dan nilai kekerasan baja fasa ganda setelah pengerasan untuk jenis bahan ST 37 Spesimen
Tempratur (0C)
A,
732
BI
770
Ci
810
A2
732
B2
770
C2
810
A3
732
B3
770
C3
810
A4
732
B4
770
C4
810
Fu (N) 11700 10900 11600 13300 12900 13100 13200 12900 12900 12300 13200 13200 13600 12900 14000 14000 13000 14100 13900 12800 12600 15500 15900 14800 12800 14000 12500 13100 13600 13500 15200 15600 14800 13700 13700 13200
σ u 2 (N/mm 417,8 389,3 414,3 475,0 460,7 467,8 471,4 460,7 460,7 439,3 471,4 472,4 495,7 460,7 500.0 500,0 464,3 503,6 496,4 457,1 450,0 553,6 567,8 528,6 457,1 500,0 446,4 467,8 485,7 482,1 542,6 557,1 528,6 489,3 489,3 471,4
σ u rata-rata 407,13
467,8
464,3
461,03
485,5
489,3
467,8
550
467,8
478,5
542,8
483,33
V (FM 165,0 168,0 168,0 165,0 175,0 168,0 165,0 178,0 168,0 175,0 172,0 171,0 175,0 172,0 175,0 175,0 164,0 161,0 172,0 180,0 168,0 188,0 192,0 180,0 165,0 168,0 175,0 1g0'0 168,0 168,0 175,0 180,0 182,0 168,0 175,0 172,0
V 167,0
169,3
170,3
172,7
174,0
166,7
173,3
186,6
169,3
172,0
179,0
171,6
Fy (N) 9200 8700 8800 10600 9300 10400 10400 9600 9700 9500 10300 9600 10200 10400 11200 10900 10700 11100 10800 9900 10500 11900 12600 11500 10300 10500 9800 10300 11100 10400 12400 12600 10700 9800 9800 9500
σy 2 (N/mm) 328,6 310,7 314,3 378,6 332,1 371,4 371,4 342,8 346,4 339,3 367,8 342,8 364,3 371,4 400,0 389,3 382,1 396,4 385,7 353,6 375,0 425,0 450,0 410,7 367,8 375,0 350,0 367,8 396,4 371,4 442,8 450,0 362,1 350,0 350,0 339,3
Keterangan : Tegangan tarik rata-rata 567 (N/mm) dengan nilai kekerasan yang tinggi 186,6 (HV) terdapat pada hasil proses B3 yaitu baja fasa ganda temperatur 770°C dengan waktu penahanan 20 meni 16
Tabel 3. Data uji tarik dan nilai kekerasan baja fasa ganda setelah pengerasan Untuk jenis bahan ST. 60 Spesimen
Tempratur (0C)
Ai
732
B1
770
C1
810
A2
732
B2
770
C2
810
A3
732
B3
770
C3
810
A4
732
B4
770
C4
810
Fu (N) 22.200 27.800 23.000 25.200 24.400 22.800 20.000 19.800
σ u 2 (N/mm 476,5 563,7 495,7 514,3 502 487,2 439,6 454,1
20.200 20.100 20.800 20.600 19.600 20.000 21.200 22.000 22.000 22.000 20.800 20.500 20.400 21.000 22.000
441 448,7 512,3 461,9 486,2 471,7 504 473,3 483,5 476,2 464,3 457,6 457,4 464,9 483,5
20.800 22.000 22.000 20.800 20.000 21.200
470,6 483,5 484,5 470,6 432,9 481,6
20.200 20.000 20.000 20.200 22.000 22.000 22.200
457 439,6 446,4 448,9 490,5 491,1 493,3
σ u rata-rata 512
501
444,9
474,3
487,3
477,6
459,8
473
471
457,2
445
492
Keterangan : Tegangan tarik rata-rata 483 (N/mm) dengan nilai kekerasan yang tinggi 190 (HV) terdapat pada hasil proses C2 yaitu baja fasa ganda temperatur 810°C dengan waktu penahanan 20 menit Pembahasan Dari data hasil pengujian tersebut dapat dibuat grafik kekerasan fungsi temperatur dan waktu
V (FM) 150 160 155 190 170 170 180 175 180 160 155 150 175 170 190 200 190 180 165 170 160 170 175 170 200 200 180 165 165 170 175 175 175 175 180 190
V 155
173
178
158,3
178
190
165
171,7
193,3
166,7
175
181,6
Fy (N) 19.000 20.000 19.200 19.000 17.800 16.600 14.500 14.200
σy 2 (N/mm) 407,8 405,5 413,8 387,8 366,3 354,7 318,7 325,7
15.000 15.800 15.800 15.400 15.000 15.400 15.500 15.800 14.600 15.100 16.000 15.800 15.600 15.600 16.200
327,5 352,7 389,2 345,3 372,1 363,2 369 331,3 230,9 326,8 357,1 352,7 349,8 345,3 365
15.400 15.000 15.000 15.000 15.200 15.600
348,4 329,7 328,9 339,4 329 354,4
15.200 15.600 15.200 15.000 15.900 15,200 16.000
343,9 342,9 339,3 333,3 354,5 339,3 355,6
penahanan (Gambar 1), serta Tegangan tarik fungsi temperatur dan waktu penahanan (Gambar 2). 4. Kesimpulan Dari data dan grafik ditarik kesimpulan bahwa metode peningkatan tegangan tarik dan kekerasan baja karbon rendah jenis ST 37 dan ST 60 dapat digunakan, karena kedua bahan tersebut terjadi peningkatan. 17
Dengan metode baja fasa ganda yang menggunakan baja karbon rendah dapat meningkatkan tegangan tarik baja karbon rendah untuk ST 37 yang semula 310 [N/mm2] menjadi 567,6 [N/mmJ, dan kekerasan meningkat dari 133,1 (HV) menjadi 186,6 (HV). Sedangkan untuk ST 60 tegangan tariknya dari 460 [N/mm2] menjadi 500 [N/MM2], kekerasan dari 165 [HV] menjadi 170 (HV). 5. Daftar Pustaka • George E. Dieter, 1996, Mechanical Metallurgy 2d ed, Mc Graw Hill, Kagokusho Ltd, Sigapore. • Herman W. Pollack, 1991, Materials Science And Metallurgy, Reston Publising Company, Virginia.
18
• Japanese Standard Association, 1980, JIS Hand Book, Akosaka 4 Chome, Minatuko, Tokyo, Japan. • Karl-Eric Thelning,1994, Steel And Its Heat Treatment, Second Edition, Buffer Warth & Co, Boston, London. • Sidney H. Avner, 1994, Introduction To Physical Metallurgy, Second Edition, Mc Graw Hill Book Company, New York. • Wahid Superman, 1990, Ilmu Logam I, Teknik Mesin Fakultas Teknik Industri ITS, Surabaya. • Yureman Zain, 1993, Laporan Hasil Analisa Komposisi Kimia Baban Baja, Lab QC/QA Foundry Politeknik Manufaktur Bandung, Bandung.
