PENGARUH MEDIA KAPUR PADA PROSES TEMPERING TERHADAP SIFAT MEKANIK POROS S45C Tofik Hidayat1), Lagiyono1), dan Bambang Suswoyo 2) 1) Fakultas Teknik UPS Tegal 2) PT Barata Tegal e-mail:
[email protected] Abstrak Kab/Kota Tegal banyak berdiri industri kecil dan menengah (UKM) yang bergerak dalam bidang permesinan dan per -logam. Dalam pembentukan /penempaan logam banyak UKM yang menggunakan kapur sebagai media pendinginan/tempering. Kebiasaan tersebut berlangsung sampai sekarang atau generasi ketiga pemilik UKM. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temper dengan media Kapur terhadap sifat mekanik Poros S45C yang telah menjadi kebiasaan para UKM. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode deskriptif dengan menggunakan material uji Baja Poros S45C. Proses quenching pada suhu 8700C dengan penahanan 30 menit dan temper dilakukan dengan suhu 3000C dengan penahanan 60 menit Hasil uji komposisi menunjukkan material dasar termasuk dalam golongan medium carbon steel dengan kandungan karbon 0,51%,kekuatan tarik Baja S45C. Hasil uji Qunching-Temper dengan media pendingian udara bebas dan media kapur dihasilkan kekuatan tarik dari tempering kapur 1,164,43 N/mm2 dari tempering udara sebesar 1.096 N/mm2, demikian juga perpanjangan sebesar 3,62 % untuk pendinginan media udara dan 5,16 % untuk pendinginan media kapur , dengan kontraksi sebesar 32,39 % untuk udara dan 23,58 % untuk pendinginan kapur , kekerasan material lebih tinggi ( keras ) dengan tempering udara yaitu sebesar 233 HB dibandingkan dengan pendinginan media kapur sebesar 185,33 HB. Kata kunci :Qunching, Tempering, Poros S45C
A. PENDAHULUAN Baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan kurang cocok digunakan. Melalui temper, kekerasan dan kerapuhan dapat diturunkan sampai memenuhi syarat penggunaan. Penemperan yang lazin dilakukan di berbagai industri kecil dan menengah ( UKM ) yang ada di kabupaten dan kota Tegal menggunakan media kapur sebagai pendingin. Tujuan dari penemperan adalah untuk meningkatkan keuletan dan mengurangi kerapuhan. Pengaruh dari suhu temper ini akan menurunkan tingkat kekerasan dari logam.Dengan proses temper kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan sampai memenuhi syarat penggunaan, kekuatan tarik turun sedangkan keuletan dan ketangguhan meningkat. Namun yang menjadi permasalahan sejauh mana sifat - sifat yang memenuhi syarat yang diinginkan ini dapat dicapai melalui proses temper. Melihat latar belakang dan alasan yang mendasari maka penelitian ini ditujukan untuk mengetahui secara teoritis kebiasaan UKM menemper produk yang dibuat. Penelitian ini mengambil sample poros S45C untuk perlakuan kedua proses temper adalah karena poros S45C tersebut banyak di gunakan di UKM sebagai bahan dasar prodak. Penelitian ini juga menggunakan dua media temper yaitu media quenching-temper,dengan udara dan media pendingin kapur. Uji yang dilakukan menggunakan uji kekuatan tarik dan uji kekerasan. B. LANDASAN TEORI 1. Baja Baja merupakan paduan dari unsur besi ( Fe ), karbon ( C ), di samping itu baja juga mengandung unsur-unsur lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), mangan (Mn), dan sebagainya yang jumlahnya dibatasi Karbon merupakan salah satu unsur terpenting karena dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Karbon dengan unsur campuran lain dalam baja membentuk karbid yang dapat menambah kekerasan, tahan gores dan tahan suhu panas. Perbedaan prosentase karbon dalam campuran logam baja karbon menjadi salah satu cara mengklasifikasikan baja.
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi ke-2 Tahun 2011 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang
D.141
D.26. Pengaruh Media Kapur pada Proses Tempering terhadap Sifat Mekanik Poros S45C
(Tofik Hidayat)
Sifat mekanik baja juga dipengaruhi oleh cara mengadakan ikatan karbon dengan besi. Menurut Schonmetz (1985) terdapat 2 bentuk utama kristal saat karbon mengadakan ikatan dengan besi, yaitu : 1. Ferit, yaitu besi murni (Fe). Ferit merupakan bagian baja yang paling lunak, ferrit murni tidak akan cocok digunakan sebagai bahan untuk benda kerja yang menahan beban karena kekuatannya kecil. 2. Perlit, merupakan campuran antara ferrit dan sementit dengan kandungan karbon sebesar 0,8%. Diagram besi carbon adalah diagram keseimbangan antara besi dengan zat arang yang dapat bersenyawa menjadi Fe3C ( karbid besi ), sehingga karena itu diagram besi carbon disebut juga diagram keseimbangan besi carbide besi atau diagram Fe-Fe3C. Persenyawaan besi dengan zat arang yang menjadi Fe3C, pada waktu masih cair disebut karbid besi tetapi sesudah menjadi padat disebut sementit dan persenyawaan ini mengandung zat arang ( C ) sekitar 6.67 %. 2. Perlakuan Baja 2.1 Panas ( Heat Treatment ) Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam. Baja dapat dikeraskan dan dapat dilunakkan untuk memperoleh sifat baja yang diinginkan. Perlakuan panas adalah “proses memanaskan bahan sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan menurut cara tertentu. Tujuan dari pengerjaan panas itu adalah untuk memberi sifat yang lebih sempurna keapada bahan”. (B.J.M Beumer,1980: 20) Proses perlakuan panas dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu proses laku panas yang menghasilkan struktur yang seimbang (ekuilibrium) dan proses perlakuan panas yang menghasilkan kondisi yang tidak seimbang (non-ekuilibrium). Pengerjaan panas yang paling umum digunakan adalah: a. Annealing : adalah proses pelunakan, dengan memanaskan baja di atas suhu kritis, dibiarkan sampai suhu merata dan diikuti dengan pendinginan secara perlahan sambil dijaga agar suhu di bagian luar dan dalam kira-kira sama. b. Normalizing : adalah proses pemanasan suatu baja yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan dalam dari suatu baja, dengan panas maksimum 850 o C dan kemudian didinginkan secara perlahan di udara. c. Hardening : adalah proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau di atas daerah kritis diikuti dengan pendinginan yang cepat untuk memperoleh struktur martensit. d. Karburising : adalah proses pemanasan baja pada temperatur 825 – 950 o C dalm lingkungan yang menyerahkan karbon lalu dibiarkan beberapa lamanya pada suhu ini, dan kemudian didinginkan. Tujuan dari karburising adalah untuk memperoleh lapisan keras dipermukaan benda kerja, sedangkan intinya tetap ulet. e. Tempering : adalah proses perlakuan panas terhadap baja yang bertujuan untuk mendapatkn struktur yang stabil dan lebih ulet dengan jalan memanaskan bahan yang telah dikeraskan pada temperatur dan waktu yang cocok. f. Nitriding : adalah proses pengerasan permukaan, dimana baja dipanaskan sampai sekitar 510 o C di lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu. Nitrogen yang diserap baja akan membentuk nitrida yang keras dan tersebar merata pada permukaan baja. g. Flame hardening : dasar dari proses pelakuan panas ini adalah pemanasan yang cepat dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. h. Induction hardening : adalah pemanasan baja dengan arus bolak-balik berfrekuensi tinggi 500.000 Hz yang dilakuan dengan cepat, kemudian dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. 2.2 Pengerasan ( Hardening ) Pengerasan adalah proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau diatas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat (B.H.Amstead,1995) Pengerasan terbagi atas 3 macam yaitu : pengerasan regangan ( strain hardening ), pengerasan presifitasi ( precipitation-hardening ) dan pengerasan kulit ( case hardening ) . Untuk menjelaskan tentang pengerasan baja , maka diadakan peninjauan pada diagram besi carbon ( Fe-C ), dimana garis-garis kritis yang terjadi pada baja adalah seperti terlukis pada diagram ( lihat gambar 2 ). Pengerasan baja dilakukan dengan jalan memanaskan baja pada temperature 300C – 500C diatas garis A1 atau sampai menjadi ISBN. 978-602-99334-0-6
D.142
austenite yang homogen. Setelah baja dipanaskan sampai pada temperature diatas, kemudian dicelupkan/dimasukan ke dalam air, minyak atau bahan pendingin lain. Pendinginan yang dilakukan secara cepat akan membuat austenite berobah dalam structur yang sangat keras yang disebut martensite. Kekerasan baja ini tergantung dari pada jumlah carbon yang terkandung di dalam baja , dimana makin tinggi prosentase carbonnya makin keras baja tersebut ( lihat gambar 3 )Kekerasan baja ini juga tergantung pada temperature pemanasan sewaktu dilakukan heat treatment, dapat dilihat pada warna yang berbeda.
Gambar 1 Diagram besi-Karbida besi parsial
Gambar 2 Kekerasan Martensite
2.3 Tempering ( Memudakan ) Menemper atau tempering adalah memanaskan baja yang telah dikeraskan sampai temperatur tertentu dibawah garis kritis Ac 1 ( di bawah 7230C ) dengan tujuan untuk mengurangi kekerasan baja sehingga meningkatkan sifat ulet baja. Pemanasan baja yang dilakukan dalam tempering ini adalah sekitar 200 0C-7000C tetapi yang paling baik pemanasan yang dilakukan hanya berkiasar 2000C-3000C, suhu secara kasat mata dapat dilihat dari perubahan warna pada baja, seperti berikut : Temperatur 2200C berwarna kuning muda Temperatur 2500C berwarna cokalat Temperatur 3000C berwarna biru tua 2.4 Media Pendingin Berbagai bahan pendingin yang digunakan dalam proses perlakuan panas antara lain : a. Air Pendinginan dengan menggunakan air akan memberikan daya pendinginan yang cepat. Biasanya ke dalam air tersebut dilarutkan garam dapur sebagai usaha mempercepat turunnya temperatur benda kerja dan mengakibatkan bahan menjadi keras. b. Minyak Minyak yang digunakan sebagai fluida pendingin dalam perlakuan panas adalah yang dapat memberikan lapisan karbon pada kulit (permukaan) benda kerja yang diolah. Selain minyak yang khusus digunakan sebagai bahan pendingin pada proses perlakuan panas, dapat juga digunakan minyak bakar atau solar. c. Udara Pendinginan udara dilakukan untuk perlakuan panas yang membutuhkan pendinginan lambat. Udara sebagai pendingin akan memberikan kesempatan kepada logam untuk membentuk kristal - kristal dan kemungkinan mengikat unsur - unsur lain dari udara. d. Garam Garam dipakai sebagai bahan pendingin disebabkan memiliki sifat mendinginkan yang teratur dan cepat. e. Kapur Kapur adalah kapur non hidrolik dengan kadar Kalsiummonoxida yang tinggi jika berupa kapur tohor ( belum berhubungan dengan air ) atau mengandung banyak kalsium hydroxide jika telah disiram ( direndam dengan air ) Kemampuan suatu jenis media dalam mendinginkan spesimen berbeda sehingga akan disesuaikan dengan tujuan dari material akan dipakai. 3. Pengujian 3.1 Pengujian Tarik Pengujian tarik dilakukan terhadap batang uji yang standar. Pada bagian tengah batang uji merupakan bagian yang menerima tegangan yang uniform, dan pada bagian ini diukurkan panjang Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi ke-2 Tahun 2011 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang
D.143
D.26. Pengaruh Media Kapur pada Proses Tempering terhadap Sifat Mekanik Poros S45C
(Tofik Hidayat)
uji (gauge length), yaitu bagian yang dianggap menerima pengaruh dari pembebanan. Pada bagian inilah yang selalu diukur panjangnya dalam proses pengujian. Dari pengujian tarik akan dapat diketahui sifat baja seperti : Modulus-kenyal, Batas regangan, Kekuatan tarik dan kekuatan putus. Regangan dan Pengentingan. 3.2 Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan logam ini secara garis besar ada tiga metode yaitu penekanan, goresan, dan dinamik ( Koswara, 1991 : 15 ) Pengujian kekerasan yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan metode rockwell yang paling banyak dipergunakan di Amerika Serikat. Hal ini disebabkan oleh sifat - sifatnya, yaitu cepat, bebas dari kesalahan manusia, mampu membedakan kekerasan pada baja yang diperkeras, ukuran bekas penekanannya relatif kecil, sehingga bagian yang mendapatkan perlakuan panas, dapat diuji kekerasannya tanpa menimbulkan kerusakan. Uji ini mengukur kedalaman bekas penekanan pada beban yang konstan sebagai ukuran kekerasan. C. METODE PENELITIAN 1. Material dan Dimensi Spesimen Bahan yang dipilih pada penelitian ini adalah baja karbon menengah baja S45C dengan kadar karbon 0,51%C. Baja karbon ini dibentuk menjadi spesimen kekuatan tarik dan kekerasan. a. Spesimen Uji Kekuatan Tarik Spesimen pengujian tarik ( gambar 5 ) mengacu pada spesimen berpenampang bulat menggunakan standard pengujian JIS Z 2204 dengan jumlah 12 buah yang terdiri dari 3 buah pembanding utama (raw material) 3 buah sebagai kontrol quenching dengan media air dan 3 buah sebagai kontrol tempering dengan udara dan 3 bh sebagai control tempering dengan media kapur b. Spesimen Uji Kekerasan Spesimen uji kekerasan mengacu pada standart JIS Z 2245 Fd.2006 berjumlah 12 buah yang terdiri dari 3 buah pembanding utama (raw material), 3 kontrcol quenching dengan media air dan 3 buah kontrol tempering dengan udara bebas dan 3 bh control tempering dengan media kapur,dan uji komposisi unsur dipersiapkan secukupnya guna melengkapi data dan informasi hasil penelitian.
1 0
Gambar 3 Spesimen Uji Kekuatan Tarik dan Spesimen Uji Kekerasan 2. Alur Penelitian Urutan dalam penelitian ini dimulai dari uji komposisi kimia bahan, untuk mengetahui kandungan unsur di dalamnya yang digunakan untuk menentukan suhu pemanasan, seperti terlihat pada gambar 7.
Gambar 4. Alur Penelitian ISBN. 978-602-99334-0-6
D.144
D. DATA DAN ANALISIS DATA 1. Uji Komposisi Uji komposisi dilakukan untuk mengetahui prosentase unsur kimia yang terkandung dalam spesimen. Berdasarkan hasil uji komposisi diketahui bahwa spesimen mempunyai kandungan karbon sebesar 0,51% sehingga material tersebut tergolong dalam medium carbon steel atau baja karbon sedang. Prosentase kandungan karbon tersebut dijadikan sebagai dasar pengambilan suhu quenching. 2. Uji Tarik a. Uji Kekuatan Tarik Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari material baja karbon sedang S45C sebagai material uji dalam penelitian ini. Data hasil uji labiratorium, diperoleh dalam empat kelompok pengujian yaitu spesimen raw materials, hasil proses quenching air dan hasil dari proses tempering 300°C dengan media udara dan kapur. Hasil pengujian tarik ditunjukan bahwa tegangan tarik tempering dengan media kapur lebih tinggi dibandingkan dengan udara luar. b. Perpanjangan / Elongation Dari hasil pengujian tarik perpanjangan material yang telah dilakukan proses tempering dengan media kapur lebih panjang dibandingkan dengan pendinginan media udara luar. c. Kontraksi Dari hasil pengujian tarik kontraksi material yang telah dilakukan proses tempering dengan media kapur lebih kecil penampangnya dibandingkan dengan pendinginan media udara luar
Gambar 5 Hasil Pengujian 3. Uji Kekerasan Hasil Pengujian kekerasan yang dilakukan menggunakan mesin Universal Hardness Tester yang bekas injakannya dapat dilihat dengan mikroskop logam dapat dilihat pada tabel 4 dan gambar 11 dibawah ini :
Gambar 6 Grafik hasil pengujian kekerasan Untuk kekerasan material specimen/raw materials sebesar 177 HB setelah proses quenching air menjadi 212 HB atau mangalami kenaikan 1,20 %, dan setelah proses tempering dengan udara bebas menjadi 212 HB atau mengalami kenaikan sebesar 1,2 % dengan media kapur menjadi 185 HB atau mengalami penurunan sebesar 1,10 %
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi ke-2 Tahun 2011 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang
D.145
D.26. Pengaruh Media Kapur pada Proses Tempering terhadap Sifat Mekanik Poros S45C
(Tofik Hidayat)
4. Pembahasan Data hasil penelitian yang ditabulasikan dalam bentuk tabel dan grafik diketahui ada perbedaan karakteristik kekuatan tarik statis dari spesimen penelitian antara raw materials, proses quenching air dengan suhu 870°C dan yang mengalami proses tempering dengan suhu pemanasan 300°C yang menggunakan waktu penahan 60 menit dengan media pendingin udara bebas dan kapur. Hasil Uji ditampilkan dalam table 5 berikut. Tabel 4 Perbandingan Tempering udara dan Kapur
Pola hubungan suhu tempering dengan kekuatan tarik jelas tampak sekali, semakin tinggi suhu pemanasan, nilai kekuatan tariknya semakin meningkat. demikian juga terhadap nilai kekerasannya, semakin tinggi. Dengan kata lain kekerasan sebanding dengan kakuatan tariknya. E. a.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil pengujian tersebut diambil kesimpulan bahwa tempering dengan media kapur lebih ulet dan liat dibandingkan dengan tempering media udara luar, terbukti dari hasil perpanjangan dan kontraksi pada saat pengujian tarik yang lebih besar prosentasenya. b. Saran Kebiasaan yang dilakukan UKM saat membuat produk dengan menggunakan tempering kapur perlu dipertahaankan dengan mempertimbangkan lebih mempertimbangkan waktu dan panas saat melakukan tempering. DAFTAR PUSTAKA Amstead, BH, 1997, Jakarta, Erlangga : Teknologi Mekanik Jilid 1 B.J.M.Beumer,1978, Jakarta,Bratara Karya Aksara : Ilmu Bahan Logam Jilid 1dan 2 K.W.Vohdin,1978,Jakarta, Pradya Paramita : Mengolah Logam G.L.N.Van Vliet W.Both, 1984, Jakarta, Erlangga : Teknologi Untuk Bangunan Mesin BahanBahan 1 PT.( Persero ) BKI – APITINDO, 1993,Jakarta : Pengujian Secara Merusak R.S Khurmi,J.K Gupta,1982, New Delhi ,Eurasia Publishing House ( Pvt) LTD : A Text Book Of Machine Design Rajan, TJ, Sharma, 1997, New Delhi, Prentice Hall of India Private Limited : Heat Treatment Principlea and Techniques Syamsul Arifin,1982, Jakarta,Ghalia Indonesia : Ilmu LogamJilid I Tata Surdia,1999,Jakarta, Pradya Paramita : Pengetahuan Bahan Teknik
ISBN. 978-602-99334-0-6
D.146
