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 pada saat sekarang khususnya logam semakin baik dan rumit, digunakan pada peralatan modern yang memerlukan bahan dengan kekuatan impak dan ketahanan fatigue yang tinggi disebabkan meningkatnya kecepatan putar dan pergerakan linear serta peningkatan frekwensi pembebanan pada komponen. Untuk mendapatkan 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 fisis logam tersebut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butiran dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan dapat ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Besi dan baja mempunyai 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 dengan proses hardening? 2.Media pendingin apa yang paling baik meningkatkan kekerasan? C.Tujuan 1.Menguji peningkatan nilai kekerasan baja CrMoV. 2.Membandingkan macam-macam media pendingin pada proses 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 dipengaruhi oleh un-sur-unsur paduannya dan kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan cold worked seperti pengerolan, penarikan, pemakanan dan lain-lain serta kekerasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan panas. Proseshardeningataupengerasanbajaadalahsuatuprosespemanasanlogamdengancaradipanaskankemudiandidinginkansecaracepat.Tujuannyaadalahuntukmendapatkanstrukturmartensit,semakinbanyakunsurkarbon,makastrukturmartensityangterbentukjugaakansemakinbanyak.Karenamartensit terbentuk dari fase austenit yang didinginkan secara cepat. Proseshardeningataupengerasanbajaadalahsuatuprosespemanasanlogamsehinggamencapaibatasaustenityanghomogen.Untukmendapatkankehomogenan inimaka austenit perlu waktu pemanasanyang cukup. Selanjutnyasecara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung padakecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan logamHardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan dan fatigue limit/ strength yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan tergantung pada temperatur pemanasan (temperatur autenitising), holding time dan laju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras banyak 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 struktur yang diinginkan. Dibawah ini diagram Fe-Fe3C 2. Penahanan suhu (holding) Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimum dari suatu bahan pada proses hardening dengan menahan pada temperatur pengerasan untuk memperoleh pemanasan yang homogen sehingga struktur austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam austenit dan diffusi karbon dan unsur paduannya. Pedoman untuk menentukan holding time dari berbagai jenis baja: Baja Konstruksi dari Baja Karbon dan Baja Paduan Rendah Yang mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan holding time yang singkat, 5 - 15 menit setelah mencapai temperatur pemanasannya dianggap sudah memadai. Baja Konstruksi dari Baja Paduan Menengah Dianjurkan menggunakan holding time 15 -25 menit, tidak tergantung ukuran benda kerja. Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat, agar kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan 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, juga tergantung pada temperatur pema-nasannya. Juga diperlukan kom-binasi temperatur dan holding time yang tepat. Biasanya dianjurkan 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 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 media air. Tujuanya adalah untuk mendapatkan struktur martensite, semakin banyak unsur karbon,maka struktur martensite yang terbentuk juga akan semakin banyak. Karena martensite terbentuk dari fase Austenite yang didinginkan secara cepat. Hal ini disebabkan karena atom karbon tidak sempat berdifusi keluar dan terjebak dalam struktur kristal dan membentuk struktur tetragonal yang ruang kosong antar atomnya kecil,sehingga 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 pada kurva 6 lebih cepat daripada kurva 7,sehingga terbentuk struktur martensite yang kekerasanya berkisar antara 600 BHN-750 BHN, tetapi bersifat rapuh karena tegangan dalam yang besar. BAB III METODOLOGI PENELITIAN A.Temperatur PemanasanDenganmelihat gambar 2-3, temperatur pemanasan sebesar 1000Cyaitupemberianpanassampai temperaturyangtelahditentukanpadaprosesperlakuanpanassampai mencapaitemperaturtransformasiyangdilakukan.Besarnyatemperatur penahanan(holdingtimetemperature)yang digunakan untuk mencapai daerah transformasitertentuberpengaruhterhadap penyebaranferit dansementit. Untukmendapatkanpenyebaranferitdansementityangbaik,pemanasan diusahakan berjalan perlahan,sehinggatransformasiberjalanlinierbersama naiknyatemperaturyangtimbulpadabaja. B.Waktu Penahanan Denganmelihatgambar 2-3, waktupenahanan(holdingtime)selama 1jam, dilakukansetelahtemperatur pemanasantelahmencapaitemperatur yang dikehendaki.Halinidilakukan untukmendapatkanbentukstruktur kristal yangsempurnapadatemperatur transformasisehinggawaktutahan ditentukan sesuaidengankebutuhan pengujiansertadisesuaikandengan spesifikasi materialyangakandiuji.C.Kecepatan PendinginanDenganmelihatgambar 2-3, kecepatanpendinginan(coolingrate)ditunjukkandengangarisputus-putus darikiriataskekananbawah,contohnya:1000F/second.Kecepatan pendinginanberpengaruhterhadaphasiltransformasidansifatmekanik. Dalam hubungan tersebut dipakai suatudiagramtransformasi(TTTdiagram= TimeTemperatureTransformationdiagram)(Pollack,1977),untukmeramalkan strukturyangterjadibilabajadidinginkandaritemperaturaustenite dengan kecepatan pendinginan tertentu.Kecepatan pendinginan yang lebih tinggi akanlebihcepatterjadinyakelarutankarbida.Dengandemikianperlu direncanakandandiketahuiprosespendinginanyangakandilakukanserta mediapendinginyangakandipakai.Kesalahandalammenggunakanmedia pendingindapatberakibatfatalpadamaterial uji. D.Perlakuan Panas Celup Dengan merujuk pada Gambar 2-3, perlakuanpanasinidilakukandengan memanaskansampelujisampai temperaturaustenisasi1000C,diper- tahankan beberapa saat pada temperaturtersebut,laludidinginkandalambeberapamediapendingin(air,oli, udara).Padatemperaturpemanasan1000C(sumbutegakGambar2-2) larutanpadatCrMoVditahanselama1jam kemudian dicelup dengan cepat dan waktu pendinginan sangat cepat (sumbudatarGambar2-2)selama2detik. Kecepatanpendinginan1000F/detik).Gambar2-2mempunyaikorelasi yangsalingmenguatkandenganGambar 2-3.E.Perubahan Struktur mikro saat transformasi Terbentuknyastrukturmikro fasapadasaattransformasidarifasaaustenit ada dua macam yaitu : Pembentukan Ferit dan Perlit Bilaaustenitpadabajahipereutektoid didinginkansampaitemperaturkritis,maka akan terjadi perubahan fasa dari austenitkeperlityangdimulaidenganterbentuknyaferitkemudianbaru terbentuk perlit.Pembentukan Martensit Bilaaustenitpadabajahipereutektoid dipanaskansampaitemperaturaustenisasi(>723C)danditahan untukbeberapalama,kemudian dicelup dengan cepat ke dalammediapendingin(airatauoli) makaaustenitakan berubahmenjadi martensityangsangatkeras.Pada Gambar2-2pendinginan darisuhu 1000 C denganpenurunantemperatur sebesar1000F/detik(Gambar 2-2 sumbu tegak) akan memotong kurva S padadaerahmartensit awal dan martensit akhir sehingga fasa yang terbentuk adalah fasa yang keras (martensite). Diagram TTT (Time Temperature Transformation) METODE PENGUJIAN A.Pengujian Komposisi Kimia Pengujiankomposisikimia dimaksudkanuntukmendapatkan bahan bajayangsesuaiagardapatmenentukantemperaturyangsesuai untuk perlakuanpanas.Pengujian komposisi dilakukan dengan menggunakan SpektrometerEmisi.Dengan penembakansebanyakduakalipada sampel uji berukuran (30 x 30 x 10)mm dan diambil harga rata-ratanya. B.Pengujian Kekerasan Pengujiankekerasan dimaksudkan untukmengetahuikekerasandarimasing-masingsampeluji,yaitu:awal, pendinginanair,pendinginanolidan pendinginanudara.Pengujiandilakukan terhadap4buahsampelujiberukuran (10x10x10)mm.Satubuahsampeluji tanpaperlakuanpanasdan3buah sampelujidenganperlakuanpanas. Sampeldenganperlakuanpanas masing-masing1buahsampeluji ditahan 1000C selama 1 jam kemudian dicelupdalamoliSAE40sebanyak1 liter,1buahsampel ujiditahan 1000C selama1jamkemudiandicelupdalam airsebanyak1literdan1buahsampel uji ditahan1000Ckemudiandibiarkan di udara luar.Pengujiankekerasandilakukan dilaboratoriumJurusanMetalurgiUI menggunakanmesinujikekerasan Vickers(MicroHardnessTester),dengan bebanuji(P)sebesar1000gr,jarak antarajejak250mikron.Pengukuran kekerasandilakukanterhadap4buah sampelujikekerasandanterhadap masing-masingsampelujidilakukan5 kali penjejakan. Bekasjejakpenekanan diukurdiagonal rata-ratanya.[ = (d1 + d2)/2].(mm) Nilaikekerasandihitungdenganrumus (Surdia,1992):H V = 1,854 X P( d2)(gmm) G a m b a r s a m p e l u j i v i c k e r s C.Pengujian Metalografi Sampelujimetalografidisiapkan sebanyak4buah,1buahtanpaperlakuanpanasdan3buahdengan perlakuanpanas.Sampelujidengan perlakuanpanas1buahdengan pemanasanpada1000Cselama1jam kemudian didinginkan dalam oli SAE 40 sebanyak1liter,1buahdengan pemanasanpada1000Cselama1jam kemudiandidinginkandalamair sebanyak1literdan1buahdengan pemanasanpada1000Ckemudian didinginkan di udara luar. Pengujianmetalografidimaksudkanuntukmengetahui strukturyang didapatdarisampeluji:awal, pendinginanair, pendinginanolidan pendinginanudara.Ukuransampeluji (10x10x10)mm dimountingdenganresin epoksidalamcetakandiameter20mm tebal15mm untukmemudahkanpengampelasan.Permukaansampeluji setelah dibentuk, digosok dengan kertas ampelas mulai dari no 200 s.d no. 2000 menggunakanserbukalumina, kemudiankeringkandengankain flannelhinggapermukaansampeluji mengkilatseperticermin.Sampeluji yangsiapdiujidiberilarutanetsa3% yangakandifotodenganpembesaran 500 kali. BAB IV PEMBAHASAN Untukmendapatkanhasilyang terbaikmakadilakukanbeberapa percobaandanpengujianlaboratorium. Dibawahiniakandiuraikanmengenai hasilpengujiankomposisikimia, pengujiankekerasan,danpengujian metalografi.A.Hasil Pengujian Komposisi Kimia Pengujiandilakukanpadasebuah sampeluji,dengannilaikomposisi paduanbajaCrMoVditampilkanpada Tabel di bawah. Berdasarkan Tabel 4-1 Komposisi BajaCrMoVternyatabajaini mengandungkarbonsejumlah1,4% beratkeseluruhan.Bajainitermasuk bajakarbonhipereutektik(kandungan karbon > o,8 % C) B.Hasil Pengujian Kekerasan Nilaikekerasantertinggisebesar ~909,84HVdiperolehsampelujiS2 dengan perlakuanpanaspendinginair. UntuksampelujiS1(awal)hanya memberikannilaikekerasanrata-rata sebesar~278,42HV.Untuksampeluji S3 perlakuanpanasdenganpendingin olimemberikannilaikekerasanrata-rata sebesar~848,62 HV. Untuk sampel ujiS4perlakuanpanaspendinginan udara memberikan nilai kekerasan rata-rata sebesar ~ 798,66 HV. Nilaikekerasanrata-rata sampel ujiS2sebesar~909,42HV,terjadi peningkatannilaikekerasan2,3 kali darinilaikekerasanawal.Demikian pula pada sampel uji S3 nilai kekerasan rata-rata ~848,62 HV, terjadi peningkatan nilaikekerasansebesar2,05 kalidari kekerasanawal.Halinidimungkinkan karenaadanyafasamartensit yang terjadidenganselsatuanBCT(Body Centered Tetragonal) dimana atom atom karbonbelumsempatberdifusikarena cepatnya pendinginan Awal (S1)oli (S2)air (S3) udara (S4) Pendinginan C.Hasil Pengujian Metalografi Dari gambar 4-2 sampai 4-5 menunjukan struktur mikro dari masing-masing sampel uji untuk berbagai macam media pendingin Dari fotometalografiGambar4-3 sampeluji S2pendinginanairdanGambar4-4 sampelujiS3pendinginanoli terlihat adanyagaris-garishalusmenyerupai jarumyangmerupakanciri khas strukturmartensitdenganlatar belakangterang.Sedangpada sampel ujiS1(awal)tidakdiberikanperlakuan panas Gambar 4-2 terlihat struktur ferit danperlit.PadasampelujiS4 pendinganudaraGambar4-5 karena waktupendinginanyanglama,maka fasayangterbentukadalahfasa ferit dan perlit. BAB V KESIMPULAN BajaCrMoVinidapatditingkatkan nilaikekerasannyamenjadi2,3kali lipatdarikekerasanawal(sebelum diberiperlakuanpanas)dengannilai kekerasansebesar278,42HV, perlakuanpanashardening,dan pendinginancelupdiairmengakibatkan nilaikekerasan naik menjadi sebesar ~909,84 HV. Peningkatannilaikekerasanini (denganmediapendinginair) diakibatkankarenaterbentuknya strukturmartensityangditandai denganbanyaknyagaris-garishalus. DAFTAR PUSTAKA John,Ver non,1983.Introducti onin EngineeringMaterial s,Mc.Gr aw Hil lInc., New Yor k. Pol lack, H.W., 1977. Physical Metallurgy, Rest on Publ ishi ng, Vir gi ni a. Surdia,Tat a, danShi nr okuSait o,1992. PengetahuanBahanTeknik, Pr adnyaPar ami tha, Jakar ta. Surdia,Tat a,danKenj i Chi j iwa,1980. TeknikPengecoranLogam,Pr adnya Par amit ha, Jakar t a. VanVlack,L.,1991.IlmudanTeknol ogi Bahan, Er l angga, Jakar t a.