PRESENTASI SIDANG TUGAS AKHIR
PENGARUH VARIASI TEMPERATUR PEMANASAN DAN MEDIA PENDINGIN TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MEKANIK BAJA KARBON RENDAH A 36 OLEH : DIDA MAULIDA 2706 100 009
L/O/G/O www.themegallery.com
DOSEN PEMBIMBING : BUDI AGUNG K, ST, M.Sc Ir. WAHID SUHERMAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
ABSTRAK Pengerasan pada baja karbon rendah memang jarang dilakukan. Biasanya dilakukan untuk tujuan penormalan atau sedikit menambah kekerasan agar mudah di machining Salah satu peningkatan sifat mekanis baja karbon rendah dapat dilakukan dengan cara memanaskan baja hingga temperature austenisasi diikuti pendinginan cepat, hot work dan continous annealing yang diikuti quenching dan tempering. Dengan memvariasikan temperature pemanasan pada daerah dua fasa A1 – A3 dan pada temperature austenisasi maka didapatkan kekerasan dan kekuatan yang beragam. Dalam penelitian ini akan digunakan baja karbon rendah dengan kandungan 0,17%C yang akan di panaskan pada temperature 730,860 dan 960˚C diikuti dengan pendinginan dalam 3 media berbeda yakni air,oli dan udara. Kemudian akan dianalisa pengaruh variasi temperature pemanasan terhadap pembentukan strukturmikronya, kekerasan serta sifat mekanik baja karbon rendah setelah diberi perlakuan panas dengan melihat hasil pengujian tariknya. Hasil yang didapatkan bahwa pemanasan pada temperature 860˚C dengan pendinginan air menghasilkan peningkatan paling optimal baik kuat tarik dan kekerasannya sebesar 616,3 MPa dan 159 HVN. Kata Kunci : baja karbon rendah, quenching, intercritical temperature, Sifat mekanik
PENDAHULUAN LATAR BELAKANG
Topik yang melatarbelakangi dilakukannya penelitian ini :
SIFAT BAJA KARBON RENDAH YANG ULET & TANGGUH, NAMUN SUSAH DIMACHINING
KEBUTUHAN BAJA KARBON RENDAH DALAM INDUSTRI OTOMOTIF DENGAN MODIFIKASI PERLAKUAN PANAS
DASAR PERLAKUAN UNTUK MENDAPATKAN STRUKTUR DUAL PHASE FERRITEMARTENSIT
ACUAN PENELITIAN An evaluation of the wear behaviour of a dual-phase low-carbon steel M. Aksoy , M.B. Karamq, E. Evin (Turki,1995)
Influence carbon and/or iron carbide on the structure and properties of dualphase steels
Wear
Tensile & Microstructure
Structure Tensile & Hardness
Effect of water quenching process on microstructure and tensile properties of low alloy cold rolled dual-phase steel Qingge Meng , Jun Li , Jian Wangc,Zuogui Zhang , Lixiang Zhang (China,2008)
The Effect Of Variation Heating Temperatures And Quenching Media On Microstructure, Hardness and Mechanical Properties Of Low Carbon Steel A36
I.A. El-Sesy ,Z.M. ElBaradie (Cairo,2002)
Tensile & Work Hardening
The effect of intercritical heat treatment temperature on the tensile properties and work hardening behavior of ferrite– martensite dual phase steel sheets P. Movaheda, S. Kolahgara, S.P.H. Marashia, M. Pouranvari , N. Parvina (Iran,2009)
Bagaimana kadar karbon dapat mempengaruhi pembentukan strukturmikro baja karbon rendah setelah pemanasan dan pendinginan cepat?
Bagaimana pengaruh variasi temperatur pemanasan dan pendinginan terhadap strukturmikro daerah dua fasa baja karbon rendah? Bagaimana pengaruh perbedaan perlakuan panas dan pendinginan yang dilakukan terhadap sifat mekanis baja?
BATASAN MASALAH
1. Material uji yang digunakan mempunyai komposisi kimia yang dianggap homogen 2. Pengaruh variasi tebal specimen dan atmosfer saat pemanasan diabaikan.
TUJUAN menganalisa pengaruh variasi temperatur pemanasan dan media pendingin pada daerah dua fasa terhadap sifat mekanis, struktur mikro dan kekerasan baja karbon rendah.
TINJAUAN PUSTAKA • KONSEP DASAR METALURGI PERLAKUAN PANAS
DIAGRAM TRANSFORMASI ISOTHERMAL
IT DIAGRAM UNTUK BAJA EUTECTOID •
Seiring dengan meningkatnya kadar karbon dalam paduan besi, kurva akan semakin bergeser ke kanan. Saat kurva semakin ke kanan, pendinginan akan cenderung melambat meski masih ada struktur martensit yang terbentuk.
CCT DIAGRAM diagram ini akan menunjukkan secara grafis transformasi fasa pada saat pendinginan lanjut (continous cooling) dan temperatur berlangsungnya transformasi tersebut. Seiring dengan meningkatnya kadar karbon dalam paduan besi, kurva akan semakin bergeser ke kanan. Saat kurva semakin ke kanan, pendinginan akan cenderung melambat meski masih ada struktur martensit yang terbentuk . γ+
A3
α
A1
A3
γ+α
A1
PEARLITE
PEARLITE TOC
TOC
γ MS
γ MS
MF
MF
TIME
TIME
CRW CCT CCRuntuk Low Carbon
CCT CRW untuk High Carbon CCR
Pengaruh Perlakuan Panas • Normalizing • Annealing – Diffusion Annealing – Softening – Phase-recrystallisation Annealing atau full annealing – Stress Relief Annealing – Intercritical Anneal
Pengaruh Perlakuan Panas • Normalizing Normalising dapat diartikan sebagai pemanasan pada temperatur austenisasi yang diikuti dengan pendingan sangat lambat dalam media udara baik udara diam maupun udara bergerak. Umumnya pemanasan sekitar 55˚C diatas upper critical line pada diagram fasa besi karbon.
• Annealing baja dipanaskan pada temperatur tinggi mencapai temperatur austenitenya kemudian didinginkan lambat hingga temperatur sedikt di bawah titik kesetimbangannya
Pengaruh Perlakuan Panas Critical Temperature (Temperatur Kritis): temperatur mulai dan selesainya transformasi austenite selama pemanasan berlangsung, yang ditunjukkan oleh garis AC1 dan AC3 pada baja hypoeutectoid atau garis AC1 dan Acm pada baja hypereutectoid.
• Temperatur kritis dapat dihitung menggunakan komposisi kimia actual dari suatu baja. untuk baja hypoeutectoid menggunakan persamaan seperti dibawah ini (ASM vol 4: “Heat Treating”) • AC1(°C) = 723 - 20.7(% Mn) - 16.9(%Ni) + 29.1(%Si) - 16.9(%Cr). Standard deviation = ± 11.5 °C. • AC3(°C) = 910 - 203 %C - 15.2(% Ni) + 44.7(% Si) + 104 (% V) + 31.5(% Mo). Standard deviation = ± 16.7 °C.
Pengaruh Perlakuan Panas • Diffusion Annealing untuk mengurangi ketidakhomogenan yang disebabkan oleh komposisi kimia, atau bahkan ketidakhomogenan likuisasi yang terjadi selama kristalisasi paduan. Proses ini dilakukan pada temperatur 1100-1300˚C saat berbentuk larutan padat γ. Struktur ditunjukkan dengan adanya goresangoresan (smearing) dendrite yang diakibatkan peningkatan temperatur dan waktu pemanasan.
• Softening dilakukan untuk mendapatkan struktur pearlite yang lebih merata. Metode sederhana pada proses ini adalah dengan memanaskan baja pada temperatur sedikit di atas A1 dan menahannya selama beberapa jam
Pengaruh Perlakuan Panas • Phase-recrystallisation Annealing atau full annealing Pemanasan baja yang semakin mendekati temperatur A3 dengan laju pendinginan yang lebih singkat, struktur yang terbentuk akan semakin halus. Untuk perlakuan jenis ini, pendinginan dilakukan dalam media udara.
• Stress Relief Annealing Pada proses ini, temperatur pemanasan tidak mencapai A1. Untuk baja karbon biasanya tidak lebih dari 550-650˚C. Stress-relief annealing dimaksudkan untuk menghilangkan tegangan dalam yang timbul sebagai akibat dari proses pengerjaan dingin atau machining yang dialami sebelumnya.
Pengaruh Perlakuan Panas • Intercritical Anneal Bila temperatur austenisasi dekat dengan A1 atau waktu austenisasinya pendek, karbida yang belum sepenuhnya terlarut akan masih tersisa sehingga menyebabkan austenite tidak homogen. . Kehomogenan struktur austenite mempengaruhi terbentuknya lamellar carbide saat pendinginan.
PENDINGINAN QUENCHING •
•
Quenching diartikan sebagai pendinginan cepat atau sangat cepat suatu baja dari temperatur austenisasinya yakni sekitar 815 - 870˚C. Proses quenching bertujuan untuk memperbaiki penyebaran ferrite pada kebanyakan baja karbon, baja paduan, dan baja perkakas. Selain itu quench juga berguna untuk mengontrol jumlah martensite dalam mikrostrukturnya. Proses quench dapat dilakukan pada media cair maupun gas. Media pendingin (quenchant) cair yang umum dipakai antara lain Oli dengan berbagai kekentalan, air, Larutan polimer encer, larutan garam atau larutan soda abu. Sedangkan media pendingin gas yang biasa dipakai yakni gas mulia seperti helium, argon dan nitrogen. Media gas ini terkadang digunakan setelah proses austenisasi pada ruang vakum.
DUAL PHASE STEEL • Good Formability • Low Yield Strength • High Strain Hardening
baja yang memiliki perpaduan dua fasa yakni ferrite dan martensit. Strukturmikronya berupa sekelompok martensit yang tersebar dalam ferrite. Struktur dua fasa tersebut didapatkan dengan austenisasi pada temperatur sedikit di atas A3 kemudian didinginkan hingga daerah dua fasa (two phase region) selanjutnya pendinginan cepat sampai temperatur kamar.
LOW CARBON 0,1-0,2% C
1. Interkritikal austenisasi (Intercritical austenization) rapid cooling 2. Hot-rolling dengan kandungan penghambat transformasi seperti Cr, Mn dan Mo. 3. Continous annealing quenching&tempering.
METODOLOGI MULAI
PERSIAPAN SPESIMEN
PEMOTONGAN SPESIMEN
ANNEAL PADA 730°C , T=30 MENIT (Water Quench,Oil Quench, Air Cooling) AC-1,OQ-1,WQ-1
MATERIAL TANPA PERLAKUAN
ANNEAL PADA 860°C, T=30 MENIT (Water Quench,Oil Quench, Air Cooling) AC-2,OQ-2,WQ-2
ANNEAL PADA 960°C, T=30 MENIT (Water Quench,Oil Quench, Air Cooling) AC-3,OQ-3,WQ-3
PEMOTONGAN SPESIMEN
PENGUJIAN KEKERASAN
ANALISA STUKTURMIKRO
PENGUMPULAN DATA
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
KESIMPULAN
SELESAI
PENGUJIAN TARIK
METODE PENELITIAN • Dalam penelitian ini digunakan metode pengujian strukturmikro (ASTM E 3), pengujian kekerasan (ASTM E 18), dan pengujian tarik (JIS 2201/5). • BAHAN : 3 set material (ukuran 300mm x 50mmx8mm).Spesimen yang akan digunakan pada percobaan ini yaitu baja A 36 dengan tebal 5-8 mm.
KOMPOSISI KIMIA BAJA A36 C (%) 0,17
Si (%) 0,15
Mn (%) 0,85
P (%) 0,028
S (%) 0,20
Ni (%) 0,036
Cr (%) 0,10
Cu (%) 0,34
PROSEDUR PELAKSANAAN PROSEDUR PERLAKUAN PANAS Masing-masing specimen yang telah dipotong akan diberi perlakuan yang beda. Penentuan temperatur pemanasan untuk baja hypoeutectoid berdasarkan ASM volume 4 yaitu : • AC1 (˚C)= 723 - 20.7(% Mn) - 16.9(%Ni) + 29.1(%Si) - 16.9(%Cr). Standar deviasi = + 11.5 ˚C • AC3 (˚C) = 910 - 203 %C - 15.2(% Ni) + 44.7(% Si) + 104(% V) + 31.5(% Mo). Standar Deviasi = + 16.7˚C Sehingga didapatkan batas temperatur AC1 = 710,85 ≈ 711˚C dan AC3 = 883˚C
PERLAKUAN PANAS PADA MASING-MASING SPESIMEN nama AC-1 OQ-1 WQ-1
AC-2 OQ-2 WQ-2 AC-3 OQ-3
WQ-3
Perlakuan 2 Anneal 730˚C Anneal 730˚C Anneal 730˚C Anneal 860˚C Anneal 860˚C Anneal 860˚C Anneal 960˚C Anneal 960˚C Anneal 960˚C
Holding Time
Pendinginan
30 menit
Udara
30 menit
Oli
30 menit
Air
30 menit
Udara
30 menit
Oli
30 menit
Air
30 menit
Udara
30 menit
Oli
30 menit
Air
PENGUJIAN • Pengujian Metalografi mikrostruktur dan makrostuktur Dilakukan dengan sesuai standar ASTM E 3. Proses meliputi: • • • •
•
Pemotongan spesimen Mounting spesimen (bila diperlukan) Grinding dan polishing • Pemolesan dari grade 100-2000 Etsa • Pengetsaan dilakukan menggunakan larutan nital • (5%HNO3,95%Alkohol) selama 3 – 4 detik. Pengambilan foto
PENGUJIAN • Pengujian Kekerasan Rockwell Pengujian dan pengukuran material ini dilakukan sesuai standar ASTM E18. Indentor dalam pengujian kekerasan menggunakan metode Rockwell A adalah indentor intan berbentuk kerucut. • Spesifikasi pengujian hardness : • Bentuk Indentor : kerucut • Material indentor : intan • Sudut Puncak Indentor : 120 • Beban : 588 N • Temperatur Pengujian : 25 ºC 1
2 3 4 5
PENGUJIAN • Pengujian Tarik Untuk pengujian tarik ini digunakan standar pengujian JIS 2201 / 5 untuk baja karbon rendah berbentuk plat Informasi yang dapat diambil dari grafik ini meliputi besarnya beban tarik, terjadinya yield, besarnya tegangan dan regangan. L B
A W
t
C G
• • • • • • •
Panjang keseluruhan (L) Gage length (G) Lebar (w) Tebal (t) Jari-jari ( r ) B C
r : 320 mm : 50 + 0,25 mm : 25 + 3 ( -6 ) mm : 8 mm : 13 mm : 10 mm : 50 mm
PENGUJIAN
Spesimen Uji Tarik
Mesin Uji Tarik
Proses Uji Tarik
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
DATA UJI KEKERASAN TABEL ANGKA KEKERASAN ROCKWELL A PADA TIAP TITIK INDENTASI Angka Kekerasan (dalam HRA) Titik Uji
Spesim en Awal
1 2 3 4 5 Ratarata
40 43 37 39 39 39.6
Note :
Air Cooling 1*) 2**) 3***) 39.5 43 35 31 37 37.1
41 41 42 42 43 41.8
42 42 43 41 41 41.8
Water Quench 1 2 3 49 41 41 46 46 44.6
: dipanasakan pada T=730˚C **): dipanaskan pada T=860˚C ***): dipanaskan pada T=960˚C
*)
54 53 50 49 50 51.2
54 53 50 49 50 51.2
Oil Quench 1 2 3 41 45 41 44 43.5 42.9
44 44 46 43 47 44.8
46 47 46 47 46 46.4
DATA UJI KEKERASAN
DATA UJI KEKERASAN
DATA UJI TARIK TABEL DATA HASIL UJI TARIK No
Code Material
Spesification Sample
W1 (mm)
Th1 (mm)
L1 (mm)
A1 (mm2 )
ΔL (mm)
F. Yield (kN)
1.
SA
24.22
7.79
50
188.6 17.37
3.57
66.83 62.01 16,83
63
F. Ultimat e (kN) 86
2.
WQ-1
24.23
7.75
50
187.8 18.64
3.85
60.41 71.76 10.41
77
114
3.
WQ-2
25.14
7.68
50
193.1 18.86
3.85
60.81 72.61 10.81
73
119
4.
WQ-3
25.27
7.68
50
194.1 18.10
3.52
64.13 63.71 14.13
76
104.5
5.
OQ-1
23.96
7.74
50
185.4 17.19
3.86
68.24 66.35 18.24
71
90.5
6.
OQ-2
24.34
7.65
50
186.2 16.53
3.20
66.44 52.89 16.44
72
90
7.
OQ-3
24.65
7.65
50
188.6 17.80
3.70
65.14 65.86 15.14
75
92.5
8.
AC-1
24.94
7.71
50
192.3 17.62
3.49
68.07 61.49 18.07
68
84.5
9.
AC-2
24.94
7.81
50
194.8 17.49
3.71
66.39 64.88 16.39
59
81.5
10
AC-3
25.19
7.63
50
192.2 18.06
3.63
65.06 65.55 15.06
54
80.5
Width (mm)
Thick (mm)
Lo (mm)
Ao (mm2)
DATA UJI TARIK TABEL DATA PERHITUNGAN HASIL UJI TARIK No
Code Material
F. Yield (kN)
F. Yield Ultimate Stress (kN) (103. MPa)
Ultimate Stress (103. MPa)
Strain (mm)
Reduct. Of Elongation Area (%) (%)
1.
SA
63
86
0.3339
0.4558
0.3366
67.13
33.66
2.
WQ-1
77
114
0.4104
0.6070
0.2082
61.78
20.82
3.
WQ-2
73
119
0.3780
0.6163
0.2162
62.39
21.62
4.
WQ-3
76
104.5
0.3916
0.5384
0.2826
67.17
28.26
5.
OQ-1
71
90.5
0.3828
0.4880
0.3648
64.22
36.48
6.
OQ-2
72
90
0.3866
0.4833
0.3288
71.59
32.88
7.
OQ-3
75
92.5
0.3977
0.4905
0.3028
65.07
30.28
8.
AC-1
68
84.5
0.3536
0.4394
0.3614
68.01
36.14
9.
AC-2
59
81.5
0.3029
0.4184
0.3278
66.68
32.78
10 AC-3
54
80.5
0.2809
0.4188
0.3012
65.89
30.12
DATA UJI TARIK
DATA UJI TARIK
PENGUJIAN METALOGRAFI SPESIMEN AWAL Ferrite Pearlite Ferrite
Pearlite
SPESIMEN PENDINGINAN UDARA (AIR COOLING / AC) Pearlite Pearlite
Ferrite
Pearlite Ferrite
Perbesaran 500x
Ferrite
T = 730 C
T = 860 C Ferrite
Pearlite
T = 960 C Pearlite Perbesaran 1000x
Ferrite Pearlite
Ferrite
PENGUJIAN METALOGRAFI SPESIMEN AWAL Ferrite Pearlite Ferrite
Pearlite
SPESIMEN PENDINGINAN AIR (WATER QUENCHING/WQ) Pearlite
Pearlite
Ferrite
Widmanstätten Ferrite
Pearlite Ferrite
Perbesaran 500x
Ferrite
T = 730 C
T = 860 C
T = 960 C Widmanstätten Ferrite
Pearlite
Ferrite
Ferrite Pearlite
Pearlite
Perbesaran 1000x Ferrite
PENGUJIAN METALOGRAFI SPESIMEN AWAL Ferrite Pearlite Ferrite
Pearlite
SPESIMEN PENDINGINAN OLI (OIL QUENCHING/OQ) Ferrite
Pearlite Pearlite
Perbesaran 500x
Ferrite Pearlite
Ferrite
T = 730 C Ferrite
T = 860 C
Widmanstätten Ferrite
T = 960 C Pearlite
Ferrite
Widmanstätten Ferrite
Pearlite Pearlite
Ferrite
Perbesaran 1000x
DATA PENUNJANG • MICROHARDNESS VICKERS (P=0,2 N) Indentasi pada daerah terang (ferrite)
Indentasi pada daerah gelap (pearlite)
Kekerasan pada titik ke- (VHN)*
Nama Spesimen
1
2
3
4
5
WQ-1
189.5
189.4
189.4
189.3
189.3
WQ-2
200.6
208.3
190.2
201.9
220.7
WQ-3
239.8
260.8
255.8
250.4
240.2
OQ-2
210.7
195.4
180.9
209.8
211.8
AC-2
178.9
179.2
153.3
157
146
KESIMPULAN •
• • • • •
Semakin tinggi temperatur pemanasan dengan pendinginan lambat menyebabkan terjadinya penurunan kekerasan dan kuat tarik baja. Pemanasan pada daerah dua fasa dengan pendinginan cepat menghasilkan sifat mekanik yang lebih baik dengan kenaikan angka kekerasan dan kuat tarik yang lebih tinggi. Kekerasan paling tinggi : specimen WQ-2 angka kekerasan rata-rata 51.2 HRA dan kekerasan paling rendah: specimen AC-1 dengan kekerasan rata-rata 37.1 HRA. Kuat tarik paling tinggi : specimen WQ-2 sebesar 616,3 MPa. Kuat tarik terendah : specimen AC-2 sebesar 418,4 MPa. Kekerasan yang dialami oleh specimen yang didinginkan dalam media oli dan udara memiliki angka kekerasan dan kuat tarik yang tidak terlalu signifikan perbedaannya. Semakin tinggi temperatur pemanasan dengan pendinginan lambat, makin banyak karbon terlarut dalam austenitenya. Semakin tingginya temperatur pemanasan pada temperatur austenisasi dengan pendinginnan lambat menyebabkan semakin banyak ferrite yang tumbuh. Struktur pearlite yang terjadi terlihat lebih kecil-kecil. Sedangkan temperatur pemanasan semakin mendekati daerah dua fasa austenite-ferrite dengan pendinginan yang cenderung cepat, menghasilkan bentuk ferrite yang tidak beraturan dan berbeda satu sama lain. Ferrite ini disebut Widmanstätten Ferrite. Struktur yang lain berupa Allotriomorphic ferrite yang berbentuk lebih kecil dan halus.
Thank You! L/O/G/O www.themegallery.com
