STUDI PENGARUH TEMPERATUR HARDENING, TEMPERATUR TEMPERING, DAN JUMLAH TEMPERING TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN BAJA PERKAKAS AISI H13

STUDI PENGARUH TEMPERATUR HARDENING, TEMPERATUR TEMPERING, DAN JUMLAH TEMPERING TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN BAJA PERKAKAS AISI H13

TUGAS AKHIR

Dibuat untuk memenuhi syarat meraih gelar sarjana Teknik Metalurgi pada Program Studi Teknik Metalurgi Institut Teknologi Bandung

Oleh :

NIKO 12102059

PROGRAM STUDI TEKNIK METALURGI FAKULTAS ILMU KEBUMIAN DAN TEKNOLOGI MINERAL INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

ii

LEMBAR PENGESAHAN


TUGAS AKHIR

Bandung, Juli 2007 Disetujui untuk Program Studi Teknik Metalurgi Oleh :

Dr. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc Pembimbing

iii

Ya...Allah Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Cinta sebenar-benarnya cinta... Hingga bila bumi dan isinya berada di tangan kananku Tidak akan menggoyahkan cintaku kepada Mu Ya...Allah Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Cinta yang menghujam di dasar jiwa... Hingga bila wanita di tangan kiriku Tidak akan melalaikanku dari mengingat Mu Ya...Allah Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Bukan hanya sekedar cinta biasa... Yang hilang di kala suka... Dan hadir di kala duka... Ya...Allah Tanamkanlah dihatiku cinta.. yang bisa menggetarkan dada.. yang membuat hamba meneteskan air mata... tetapi tidak hanya sekedar meneteskan air mata... Sehingga hilang segala kesedihan di atas dunia... Ya........Allah... Tumbuhkanlah cinta dihatiku.. yang dengannya segala cobaan tak lagi bisa.. menjatuhkanku kembali kepada serendah-rendahnya iman Ya...Allah... Tuhan yang memberikan petunjuk bagi siapa yang dikehendaki Nya dan menutup hati orang-orang yang tidak mau mencari tau siapa dirinya sampaikanlah aku hingga kesana... kepada ketenangan jiwa yang sejati... sebelum betis serasa bertaut satu sama lain... dan sebelum mati menjadi penutup segalanya.... Amiin...

“Maka apakah mereka tidak berjalan dimuka bumi, lalu mereka mempunyai hati yang dengan itu mereka dapat memahami atau mempunyai telinga yang dengan itu mereka dapat mendengar? Karena sesungguhnya bukanlah mata itu yang buta, tetapi yang buta, ialah hati yang di dalam dada.” [QS: Al Hajj 46]

4


RINGKASAN

Baja perkakas AISI H13 merupakan baja perkakas pengerjaaan panas dengan kandungan karbon yang relatif rendah 0,3-0,4% dan kromium mencapai 4.75-5.5%. Baja ini umumnya digunakan untuk membuat perkakas seperti die, mould, dan alat potong. Baja AISI H13 biasanya dijual di pasaran dalam kondisi annealed. Baja yang berada pada kondisi annealed bersifat lunak sehingga tidak sesuai dengan aplikasinya yang membutuhkan kombinasi ketahanan aus, kekerasan, dan ketangguhan yang baik. Untuk mendapatkan baja dengan sifat-sifat mekanik yang baik tersebut maka perlu dilakukan modifikasi struktur mikro baja. Salah satu caranya adalah dengan memberikan perlakuan panas hardening dan tempering. Hardening dan tempering merupakan suatu siklus perlakuan panas dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenitisasi kemudian didinginkan cepat agar diperoleh struktur keras martensit lalu dipanaskan kembali dibawah temperatur rekristalisasinya. Tujuannya adalah agar diperoleh kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang bagus. Variabel-variabel hardening dan tempering yang bisa mempengaruhi ketangguhan dan kekerasan baja antara lain laju pendinginan, temperatur dan waktu tahan hardening (austenitisasi), temperatur, waktu tahan, dan jumlah tempering. Adapun variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah temperatur hardening (1020 oC, 1050 oC, dan 1080oC), temperatur tempering (540 oC, 593 oC, dan 620oC), dan jumlah tempering (single tempering dan triple tempering). Dari hasil percobaan diperoleh kesimpulan bahwa: 1) Peningkatan temperatur hardening mengakibatkan naiknya nilai kekerasan hingga 60% dan penurunan ketangguhan sebesar 75%. 2) Triple tempering menghasilkan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan single tempering dan mampu meningkatkan ketangguhan hingga 80% dengan penurunan kekerasan rata-rata sebesar 5 HRC. 3) Peningkatan temperatur tempering mengakibatkan penurunan kekerasan dan naiknya nilai ketangguhan. 4) Kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang optimal diperoleh pada sampel yang di-hardening pada temperatur 1050oC, dilanjutkan dengan single tempering pada 620oC dan triple tempering pada 593oC.

5

STUDY OF INFLUENCE OF HARDENING TEMPERATURE, TEMPERING TEMPERATURE, AND NUMBER OF TEMPER ON TOUGHNESS AND HARDNESS OF AISI H13 TOOL STEEL

ABSTRACT

AISI H13 is a kind of hot work tool steel with medium carbon content (0.3% to 0.4%) and chromium content of 4.75 to 5.5%. It is commonly used to make tools such as die, mould, and cutting tools. AISI H13 is always delivered in annealed condition that make this steel very soft and not suitable to be used in their most applications those need good combination of hardness, wear resistance, and toughness. In order to meet this requirement, microstructure of the steel should be modified. One of the most common method is by giving hardening and tempering heat treatment. Hardening and tempering is a cycle of heat treatment where steel is heat treated into austenite phase region and fast cooled to room temperature to produce martensitic microstructure, and then reheated again to recrystallizing temperature (usually 100oC-700oC). The purpose is to produce steel with good combination of strength, hardness, and toughness. The most important parameters that affect these microstructural changes and mechanical properties are cooling rate, hardening (austenitizing) temperature and time, tempering temperature and time, and number of tempers. Parameters used in this study were hardening temperature (1020 oC, 1050 oC, dan 1080oC), tempering temperature (540 oC, 593 oC, dan 620oC), and number of tempers (single and triple tempering). The main results can be summarized as: 1) An increase in hardening temperature resulted in increased hardness until 60% and decreased impact toughness of maximally 75%. 2) Triple tempering gives an increase in impact toughness of up to 80% in compare with single tempering. The decrease in hardness is only about 5 HRC. 3) An increase in tempering temperature will increase impact toughness and decrease hardness. 4) H13 tool steels hardened at 1050oC followed by single tempering at 620oC and triple tempering at 593oC have the most optimal combination of toughness and hardness among all samples.

6

KATA PENGANTAR

Penulis mengucapkan puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Pengasih atas segenap rahmat dan petunjukNya sehingga tugas akhir dengan judul Studi Pengaruh Temperatur Hardening, Temperatur Tempering, dan Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan Baja Perkakas AISI H13 ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Keselamatan dan kesejahteraan semoga senantiasa dilimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga, dan para sahabatnya yang telah berkorban demi tegaknya agama Allah di atas muka bumi ini. Tugas akhir ini ditulis untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Metalurgi pada Program Studi Teknik Metalurgi di Institut Teknologi Bandung.

Tugas akhir ini tidak akan dapat diselesaikan dengan baik tanpa dukungan materil maupun moril dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1. Orang tua dan adik-adik serta seluruh keluargaku yang selalu memberikan dukungan materil dan dorongan moral serta doa yang tulus kepada penulis selama ini. 2. Dr. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc., selaku Ketua Program Studi Teknik Metalurgi ITB sekaligus sebagai pembimbing penulisan tugas akhir yang telah memberikan kesempatan dan bimbingan kepada penulis dalam melakukan penelitian ini di Program Studi Teknik Metalurgi ITB. 3. Dr. Ir. Syoni Soepriyanto, M.Sc., sebagai Ketua Kelompok Keahlian Teknik Metalurgi yang telah memberikan izin menggunakan Laboratorium Metalurgi Fisika dalam rangka pelaksanaan percobaan tugas akhir ini. 4. Bapak dan Ibu segenap jajaran dosen Program Studi Teknik Metalurgi dan Teknik Pertambangan ITB. 5. Staf Tata Usaha Departemen Teknik Pertambangan dan Teknik Metalurgi ITB.

7

6. Staf Perpustakaan Tambang, Mas Fajar, Pak Acep, dan Pak Yopi atas semua bantuannya. 7. Gigih Ade Prabawa dan Anto, teman setia yang telah banyak membantu dan memberikan inspirasi dalam penyelesaian tugas akhir ini. Semoga Allah membalas kebaikanmu. 8. Fajar BT, Syaiful, Toni, Bang Ilham, dan seluruh teman-teman Metalurgi 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 serta sahabat Tambang 2002. 9. Rekan-rekan alumni SMU Plus Propinsi Riau di Bandung dan IKA SMUN Plus Propinsi Riau yang tidak henti-hentinya memberikan keceriaan dan semangat bagi penulis. 10. Dia Febrina, calon dokter yang telah memberikan motivasi besar bagi penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Terima kasih atas dukungannya Di. Semoga Allah menambahkan kebaikan dan ilmu padamu. Jangan pernah berhenti berdoa kepada Allah supaya maksud hati kita terwujud. Tetap sabar dan istiqomah ya. 11. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah turut membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu,

penulis sangat mengarapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian demi

perbaikan di masa mendatang. Semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat yang sebesar-besarnya bagi kita semua.

Bandung, Juli 2007

Penulis

8

DAFTAR ISI

Hal Halaman Judul

i

Halaman Pengesahan

ii

Halaman Persembahan

iii

Ringkasan

iv

Abstract

v

Kata Pengantar

vi viii

Daftar Isi Daftar Gambar

xi

Daftar Tabel

xvi

Daftar Lampiran

BAB I

BAB II

xviii

PENDAHULUAN

1

1.1 Latar Belakang

1

1.2 Tujuan Penelitian

3

1.3 Ruang Lingkup Kajian

3

1.4 Metodologi Penelitian

4

1.5 Sistematika Penulisan

7

TINJAUAN PUSTAKA

8

2.1 Perlakuan Panas

8

2.1.1 Pengertian

8

2.1.2 Tujuan Perlakuan Panas

8

2.1.3 Tipe-Tipe Perlakuan Panas

10

2.1.3.1 Annealing

10

2.1.3.2 Stress Relieving

10

2.1.3.3 Normalizing

10

9

2.1.3.4 Sphroidizing

11

2.1.3.5 Hardening

11

2.1.3.6 Tempering

12

2.2 Baja Perkakas 2.2.1 Pendahuluan

13

2.2.2 Karakteristik Baja Perkakas

14

2.2.3 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu

15

2.2.4 Pengelompokan Baja Perkakas

18

2.2.5 Struktur Mikro Baja Perkakas

26

2.2.5.1 Struktur Mikro Setelah Pengerjaan Panas

26

2.2.5.2 Struktur Mikro Setelah Annealing

27

2.2.5.3 Karbida Pada Baja Perkakas

28

2.3 Perlakuan Panas Pada Baja Perkakas

29

2.3.1 Normalizing

30

2.3.2 Annealing

30

2.3.3 Hardening

30

2.3.4 Tempering

33

2.4 Baja Perkakas Pengerjaan Panas

33

2.4.1 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Kromium

34

2.4.2 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Tungsten

36

2.4.3 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Molybdenum

37

2.5 Perlakuan Panas Pada Baja Perkakas Pengerjaan Panas

37

2.6 Baja Perkakas AISI H13

39

2.6.1 Perlakuan Panas Pada Baja AISI H13 2.7 Kekerasan dan Ketangguhan

BAB III

13

41 43

2.7.1 Kekerasan

43

2.7.2 Ketangguhan

44

PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN

47

3.1 Material Uji

47

3.2 Perlakuan Panas Baja Perkakas AISI H13

50

10

3.2.1 Hardening

50

3.2.2 Tempering

52

3.3 Pengujian Ketangguhan

55

3.3.1 Prosedur Percobaan

55

3.3.2 Hasil Percobaan

57

3.4 Pengujian Kekerasan

58

3.4.1 Prinsip Pengujian

58


60

3.5 Foto Struktur Mikro

BAB IV

61

3.5.1 Preparasi dan Prosedur Percobaan

61


62

PEMBAHASAN

69

4.1 Analisa Struktur Mikro Baja Setelah Hardening dan 69

Tempering 4.2 Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan

76

4.2.1 Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap 77

Ketangguhan 4.2.2 Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap Kekerasan

84

4.3 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan

88

4.3.1 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan

88

4.3.2 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Kekerasan

92

4.4 Pengaruh Temperatur Tempering Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan 4.5 Penentuan

95 Kondisi

Optimal

Hardening dan Tempering

BAB V

Proses

Perlakuan

Panas 99

KESIMPULAN DAN SARAN

104

5.1 Kesimpulan

104

11

5.2 Saran

105

DAFTAR PUSTAKA

xix

LAMPIRAN-LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1

Diagram Alir Metodologi Penelitian

Gambar 2.1

Struktur Mikro Baja Karbon Sedang Setelah Perlakuan

6

Panas Spheroidisasi Gambar 2.2

11

Pengaruh Kandungan Karbon Terhadap Kekerasan Baja Perkakas

16

Gambar 2.3

Struktur Mikro Baja AISI A2, As Rolled

26

Gambar 2.4

Struktur Mikro Baja AISI H13 Setelah Pengerjaan Panas

27

Gambar 2.5

Struktur Mikro Baja AISI H13, Spheroidize Annealed

28

Gambar 2.6

Tahap Operasi pada Proses Produksi Baja Perkakas

30

Gambar 2.7

Foto Struktur Mikro Martensit Lath dan Martensit Plate

32

Gambar 2.8

Beberapa Aplikasi Baja AISI H13

39

Gambar 2.9

Tahapan Proses Produksi Baja Perkakas, a) Proses Termomekanik

b)

Perlakuan

Panas

Hardening

dan

Tempering

43

Gambar 2.10

Uji Impak Charpy

46

Gambar 3.1

Diagram Alir Percobaan

49

Gambar 3.2

Tube Furnace

51

Gambar 3.3

Skema Proses Pengerasan

52

Gambar 3.4

Muffle Furnace

53

Gambar 3.5

Spesimen Untuk Uji Impak

55

Gambar 3.6

Mesin Uji Charpy Impact Karl Frank GMBH

56

Gambar 3.7

Mekanisme Uji Impak Charpy

56

Gambar 3.8

Leco Micro Hardness Tester

58

12

Gambar 3.9

Model Pengujian Kekerasan Vickers

59

Gambar 3.10

Posisi Titik-Titik Pengujian Kekerasan

59

Gambar 3.11

Mikroskop Optik

61

Gambar 3.12

Mesin Poles Mekanik

61

Gambar 3.13

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC, Tanpa Tempering. 600X

Gambar 3.14

62


Gambar 3.15

62

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020oC dan Single Tempering 540oC. 600X

Gambar 3.16

63 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 C dan Single Tempering 593oC. 600X

Gambar 3.17

63


Gambar 3.18

63


Gambar 3.19

64 o


Gambar 3.20

64 o


Gambar 3.21

64


Gambar 3.22

65


Gambar 3.23

65 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020 C dan Triple Tempering 620oC. 600X

Gambar 3.24

65 o


Gambar 3.25

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC dan Triple Tempering 593oC. 300X

Gambar 3.26

66

66

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC dan Triple

13

Tempering 620oC. 300X Gambar 3.27

66 o


Gambar 3.28

67 o


Gambar 3.29

67

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC, Tanpa Tempering. 300X

Gambar 3.30

67

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC, Single Tempering 620oC. 500X

Gambar 3.31

68 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 C dan Single Tempering 540 oC. 300X

Gambar 3.32

68 o


Gambar 4.1

68


Gambar 4.2

70

Diagram CCT Baja Perkakas AISI H13. Temperatur Austenitisasi 1075 oC

Gambar 4.3

Foto

Struktur

Mikro

71 Sampel

Hardening

1050

o

C,

Mengandung Karbida-Karbida yang Terdispersi Merata Diseluruh Matrik dan Butiran. 300X Gambar 4.4

73

Diagram Isothermal Paduan Fe-Cr-C dengan Kandungan 5% Cr

Gambar 4.5

74

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC dan Triple Tempering 620oC. 600X

Gambar 4.6

75 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 C, Single Tempering 620oC. 600X

Gambar 4.7

Kurva

Pengaruh

Temperatur

75 Austenitisasi

Terhadap

Ketangguhan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Single 78

Tempering Gambar 4.8

Kurva

Pengaruh

Temperatur

Austenitisasi

Terhadap

Ketangguhan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Triple

14

Tempering Gambar 4.9

78 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 C dan Single Tempering pada 540 oC. 300X

Gambar 4.10

80 o

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 C dan Single Tempering pada 593 oC. 300X

Gambar 4.11

81


Gambar 4.12

82


Gambar 4.13

83 o


Gambar 4.14

Kurva

Pengaruh

84

Temperatur

Austenitisasi

Terhadap

Kekerasan Baja Setelah Hardening (tanpa tempering) Gambar 4.15

Kurva

Pengaruh

Temperatur

Austenitisasi

85

Terhadap

Kekerasan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Single Tempering Gambar 4.16

Kurva

85

Pengaruh

Temperatur

Austenitisasi

Terhadap

Kekerasan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Triple Tempering Gambar 4.17

86

Kekerasan Sebagai Fungsi Karbon pada Beberapa Struktur Mikro Baja

Gambar 4.18

88

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple tempering)

Terhadap

Ketangguhan

pada

Temperatur

Austenitisasi 1020 oC Gambar 4.19

89


Terhadap

Ketangguhan

pada

Temperatur

o

Austenitisasi 1050 C Gambar 4.20

89


Terhadap

Ketangguhan

pada

Temperatur


90

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple

15

tempering)

Terhadap

Kekerasan

pada

Temperatur

o

Austenitisasi 1020 C Gambar 4.22

92


Terhadap

Kekerasan

pada

Temperatur


92


Terhadap

Kekerasan

pada

Temperatur


93


Gambar 4.25

94 o


Gambar 4.26

Kurva

Pengaruh

95

Temperatur

Tempering

Terhadap

Kekerasan. Austenitisasi 1020oC Gambar 4.27

Kurva

Pengaruh

Temperatur

96 Tempering

Terhadap

Kekerasan. Austenitisasi 1050oC Gambar 4.28

Kurva

Pengaruh

Temperatur

96 Tempering

Terhadap

o

Kekerasan. Austenitisasi 1080 C Gambar 4.29

97 o


Gambar 4.30


Gambar 4.31

98


Gambar 4.32

98

99

Frekuensi dan Lokasi Kegagalan yang Sering Terjadi pada Forging Die

102

16

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Pengaruh Beberapa Unsur Pemadu Terhadap Properti Baja

Tabel 2.2

Perkakas

15

Tabel 2.3

Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Pengerasan Air

19

Tabel 2.4

Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Tujuan Khusus

20

Tabel 2.5

Komposisi Kimia Mould Steel

20

Tabel 2.6

Komposisi Kimia Baja Perkakas Tahan Kejut

21

Tabel 2.7

Komposisi Kimia Beberapa Air Hardening Steel

22

Tabel 2.8

Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Kelompok D

23

Tabel 2.9

Komposisi Kimia Baja Pengerasan Minyak

23

Komposisi Kimia Beberapa Molybdenum High Speed Tool Tabel 2.10

Steel

25

Tabel 2.11

Komposisi Kimia Tungsten High Speed Tool Steel

25

Tabel 2.12

Komposisi Kimia Chromium Hot Work Tool Steel

35

Tabel 2.13

Komposisi Kimia Tungsten Hot Work Tool Steel

36

Tabel 2.14

Komposisi Kimia Molybdenum Hot Work Tool Steel

37

Tingkat Kekerasan Untuk Beberapa Aplikasi Baja AISI Tabel 3.1

H13

40

Tabel 3.2

Komposisi Kimia Baja Bohler W302

48

Tabel 3.3

Sifat Fisik Baja Bohler W302

48

Perbandingan Sifat Mekanik Baja Bohler W302 Terhadap Tabel 3.4

Beberapa Baja Perkakas Pengerjaan Panas Lainnya

48

Tabel 3.5

Variasi Temperatur Hardening

52

Tabel 3.6

Variasi Temperatur dan Jumlah Tempering

52

Tabel 3.7

Parameter Perlakuan Panas Hardening dan Tempering

54

Tabel 4.1

Hasil Uji Impak

57

Tabel 4.2

Kekerasan Baja Setelah Proses Hardening

73

Persentase Penurunan Energi Impak Akibat Kenaikan

17

Tabel 4.3

Temperatur Austenitisasi Persentase

Tabel 4.4

Tabel 4.5

Peningkatan

79 Kekerasan

Akibat

Kenaikan

Temperatur Austenitisasi

86

Persentase Peningkatan Energi Impak karena Pengaruh

90

Jumlah Tempering Persentase Penurunan Kekerasan karena Pengaruh Jumlah

Tabel 4.5

Tempering

93

Urutan Efektifitas Perlakuan Panas Berdasarkan Kombinasi Ketangguhan dan Kekerasan

103

18

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A

Konversi Kekerasan HVN Î HRC

Lampiran B

Hasil Pengujian Kekerasan

19

20

STUDI PENGARUH TEMPERATUR HARDENING, TEMPERATUR TEMPERING, DAN JUMLAH TEMPERING TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN BAJA PERKAKAS AISI H13

Recommend Documents