bab iv pembahasan - · pdf filekarakteristik utama dari struktur lath martensite adalah ......

BAB IV Pembahasan 69

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 ANALISA STRUKTUR MIKRO BAJA SETELAH HARDENING DAN

TEMPERING

Struktur mikro yang dihasilkan setelah proses hardening akan menentukan sifat-sifat

mekanis baja perkakas, terutama kekerasan karena salah satu tujuan utama dari

proses hardening adalah untuk meningkatkan kekerasan baja. Peningkatan kekerasan

ini diperoleh melalui pembentukan fasa martensit sebanyak mungkin melalui

quenching ataupun pendinginan udara (air cooling). Semakin banyak fasa martensit

yang terbentuk maka akan semakin tinggi kekerasan baja. Oleh karena itu,

pengamatan terhadap struktur mikro baja setelah proses hardening perlu dilakukan

untuk mengetahui sejauh mana efektifitas proses hardening yang telah dilakukan

dalam penelitian ini.

Untuk mengetahui fasa-fasa yang terbentuk setelah proses hardening, maka sampel

baja diamati dengan menggunakan mikroskop optik. Cara ini sudah umum dilakukan

untuk mengidentifikasi fasa-fasa yang terdapat dalam suatu paduan logam.

Dari hasil pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik terlihat bahwa

perlakuan panas pengerasan AISI H13 yang dilanjutkan dengan pendinginan udara

sampai temperatur kamar terbukti mampu memunculkan struktur martensit. Gambar

4.1 memperlihatkan kondisi struktur mikro baja setelah mengalami pengerasan pada

temperatur austenitisasi 1050oC. Struktur martensit yang dihasilkan adalah berupa

lath martensite. Hal ini disebabkan kandungan karbon baja AISI H13 (Bohler W302)

hanya sebesar 0,39%. Karakteristik utama dari struktur lath martensite adalah

kecenderungannya membentuk struktur lath (berbentuk garis) yang terletak secara

paralel satu sama lainnya di dalam butiran austenit lama.

Gambar 4.1 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC, Tanpa Tempering.

600X

Kemampuan membentuk struktur martensit pada laju pendinginan yang lambat

dikarenakan baja perkakas AISI H13 memiliki tingkat kemampuan untuk diperkeras

(hardenability) yang tinggi. Hal ini dapat dilihat dari diagram CCT baja AISI H13

berikut ini.


Gambar 4.2 Diagram CCT Baja Perkakas AISI H13. Temperatur

Austenitisasi 1075 oC (1)

Berdasarkan diagram CCT diatas terlihat bahwa pendinginan yang relatif lambat dari

daerah temperatur kestabilan austenit menuju temperatur kamar dapat menekan

terjadinya pembentukan perlit pada baja AISI H13, kecuali pada pendinginan yang

sangat lambat hingga dalam hitungan jam.

Pada penelitian ini sampel yang telah diberi perlakuan panas pengerasan didinginkan

melalui pendinginan udara (air cooling) dengan bantuan kipas angin. Tujuannya

adalah untuk mencegah pendinginan yang terlalu lambat sehingga kemungkinan

terbentuknya fasa perlit dan bainit dapat dikurangi. Lama pendinginan sampel dari

temperatur austenitisasi hingga temperatur kamar pada penelitian ini adalah sekitar

7-10 menit. Jika kita memperhatikan kembali diagram CCT pada gambar 4.2 diatas,

pendinginan yang berlangsung selama 7-10 menit tetap mampu menghasilkan

struktur martensit dan sejumlah karbida (titik B).

Hardenability yang tinggi pada baja AISI H13 ini disebabkan oleh adanya

kandungan sejumlah unsur-unsur pemadu seperti: 5.2 % Cr , 1.4 % Mo, 0.4 % Mn,

dan 1.1 % Si. Unsur-unsur tersebut dapat memberikan peningkatan terhadap

hardenability sesuai dengan persamaan 4.1. (1, 7)



D1 = D x FMn x FSi x FNi x FMo x FCr …… (4.1)

Keterangan : D1 = diameter kritis ideal

D = diameter kritis

Fi = faktor pengali untuk unsur i

Di menunjukkan kedalaman pengerasan baja. Semakin besar nilai Di maka

hardenability baja juga akan semakin tinggi. (7)

Berdasarkan data yang diperoleh dari literatur bahwa baja perkakas AISI H13 dapat

diperkeras sampai 52-56 HRC. (5) Sedangkan dalam penelitian ini kekerasan yang

diperoleh setelah hardening adalah 51.8 , 54.43, dan 59 HRC masing-masing pada

temperatur austenitisasi 1020 oC, 1050 oC, dan 1080 oC. Nilai ini jauh lebih besar

jika dibandingkan dengan kekerasan pada kondisi annealed, yakni 19.32 HRC.

Tabel 4.1 Kekerasan Baja Setelah Proses Hardening

Kondisi Kekerasan (HRC) Peningkatan (%)

Annealed (As Received) 19.32

-

Hardening 1020 oC, Air Cooling 51.80 168.12



Peningkatan kekerasan yang sangat signifikan ini menunjukkan bahwa telah terjadi

transformasi dari fasa austenit menjadi martensit selama berlangsungnya

pendinginan menuju temperatur kamar.

Selain fasa martensit juga terbentuk sejumlah karbida-karbida berwarna putih yang

tersebar di seluruh matrik. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.3 di bawah ini.

Gambar 4.3 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC, Mengandung Karbida-

Karbida yang Terdispersi Merata Diseluruh Matrik dan Butiran. 300X

Karbida-karbida ini disebut dengan karbida primer, yaitu karbida yang tidak larut

(undissolved carbides) selama berlangsungnya proses austenitisasi. Berdasarkan

perhitungan ukuran partikel karbida menggunakan perangkat lunak Optimas

diperoleh ukuran partikel rata-rata sebesar 0,1082.

Berdasarkan literatur dan diagram isothermal paduan Fe-Cr-C dengan kandungan Cr

sebanyak 5% yang diperlihatkan pada gambar 4.4, karbida yang tidak larut ini adalah

M7C3.


Gambar 4.4 Diagram Isothermal Paduan Fe-Cr-C dengan Kandungan 5% Cr (13)

Struktur mikro baja setelah proses tempering terdiri atas ferit dan martensit serta

sejumlah karbida.


t t

Gambar 4.5 Foto Strukt

Gambar 4.6 Foto Stru

BAB IV Pembahasan

Martensi

ur Mikro Sampel Ha

620oC. 60

ktur Mikro Sampel H

620oC. 60

Feri

rdening 1080oC dan Triple Tempering

0X.

ardening 1080oC, Single Tempering

0X.

75


Gambar 4.6 memperlihatkan karbida yang tersebar didalam matriks dan butiran.

Karbida-karbida ini diperkirakan terdiri atas campuran karbida primer Cr7C3 dan

sementit (Fe3C). Partikel sementit terbentuk melalui proses pengintian pada beberapa

tempat seperti pada antarmuka karbida epsilon (ε – carbide), pada batas butir austenit

lama, dan pada batas lath martensite.

4.2 PENGARUH TEMPERATUR HARDENING TERHADAP

KETANGGUHAN DAN KEKERASAN

Proses hardening terdiri atas dua tahap utama, yaitu austenitisasi dan pendinginan.

Austenitisasi merupakan tahap penting dalam proses hardening. Selama

berlangsungnya proses austenitisasi struktur awal baja AISI H13 yang mengandung

karbida-karbida yang tersebar didalam matrik ferit akan berubah menjadi austenit.

Kontrol terhadap proses austenitisasi akan sangat mempengaruhi ketangguhan dan

kekerasan baja AISI H13 setelah pengerasan (hardened). Adapun variabel yang

mempengaruhi sifat-sifat tersebut selama berlangsungnya proses austenitisasi antara

lain laju pemanasan, waktu dan temperatur austenitisasi, jenis tanur yang digunakan,

dan udara luar.

Diantara variabel-variabel tersebut, temperatur dan waktu tahan austenitisasi

merupakan faktor yang banyak menjadi perhatian karena sangat berpengaruh

terhadap homogenitas austenit. Homogenitas matrik austenit pada akhirnya akan

menentukan homogenitas baja setelah hardening, yang pada akhirnya akan

berpengaruh terhadap ketangguhan dan kekerasan baja AISI H13.

Menurut Stuhl (32) pengaruh temperatur austenitisasi terhadap parameter hardening

lebih besar jika dibandingkan pengaruh waktu tahan. Hal terlihat dari persamaan 4.2.


HP = T (24 + log t)……………………………4.2

Keterangan : HP = Hardening parameter

T = Temperatur hardening (austenitisasi), K

t = Waktu tahan (menit)

Oleh karena itu, pemilihan temperatur austenitisasi yang tepat akan sangat

menentukan kualitas proses hardening dalam rangka menghasilkan baja dengan

kombinasi sifat mekanik yang optimal.

Berdasarkan data dari berbagai literatur, secara umum baja AISI H13 disarankan

diaustenitisasi pada temperatur 1000 oC -1080oC. Pada penelitian ini digunakan tiga

temperatur austenitisasi masing-masing 1020 oC, 1050 oC, dan 1080 oC. Pemilihan

temperatur 1080 oC dilakukan untuk melihat pengaruh temperatur austenitisasi yang

terlalu tinggi terhadap ketangguhan dan kekerasan baja.

4.2.1 Pengaruh Temperatur Hardening (Austenitisasi) Terhadap Ketangguhan

Pengujian ketangguhan dilakukan pada sampel yang telah diaustenitisasi pada 1020

oC, 1050 oC, dan 1080 oC, didinginkan ke temperatur kamar selama 10 menit, dan

ditemper masing-masing pada temperatur 540 oC, 593 oC, dan 620 oC. Hasil

percobaan ternyata menunjukkan bahwa peningkatan temperatur austenitisasi

menyebabkan penurunan nilai ketangguhan (energi impak). Hal ini berlaku baik pada

sampel yang diberi perlakuan single tempering maupun triple tempering. Gambar 4.7

dan 4.8 memperlihatkan pengaruh temperatur austenitisasi terhadap ketangguhan

pada tiga variabel temperatur tempering dan dua jumlah tempering.

0

5

10

15

20

25

30

35

1000 1020 1040 1060 1080 1100

Temperatur Austenitisasi (Celcius)

Ener

gi Im

pak

(Jou

le)

Tempering 540 C

Tempering 593 C

Tempering 620 C

Gambar 4.7 Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Ketangguhan pada

Spesimen yang Diberi Perlakuan Single Tempering

05

101520253035404550

1000 1020 1040 1060 1080 1100


Ener

gi Im

pak

(Jou

le)

Tempering 540 C

Tempering 593 C

Tempering 620 C

Gambar 4.8 Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Ketangguhan pada

Spesimen yang Diberi Perlakuan Triple Tempering.

Peningkatan temperatur austenitisasi dari 1020 oC menjadi 1050 oC mengakibatkan

penurunan ketangguhan rata-rata sekitar 18 %. Penurunan ketangguhan tertinggi

terjadi pada sampel single tempering pada 540 oC, yakni sebesar 42,83%. Sedangkan



kenaikan temperatur austenitisasi dari 1050 oC menjadi 1080 oC menghasilkan

penurunan di atas 50%. Proses austenitisasi pada temperatur yang lebih tinggi lagi,

dalam hal ini 1080 oC, mengakibatkan penurunan ketangguhan yang sangat

signifikan hingga 75% jika dibandingkan dengan austenitisasi pada temperatur 1020 oC. Besarnya persentase penurunan ketangguhan akibat peningkatan temperatur

austenitisasi disajikan pada tabel 4.2.

Tabel 4.2 Persentase Penurunan Energi Impak Akibat Kenaikan Temperatur

Austenitisasi

Austenitisasi 1020 ºC → 1050 ºC Variabel Tempering 1020 ºC 1050 ºC Penurunan Energi Impak (%) Single tempering 540 ºC 13.73 7.85 42.83 Single tempering 593 ºC 19.61 19.61 0.00 Single tempering 620 ºC 30.40 29.42 3.20 Triple tempering 540 ºC 17.65 13.73 22.20 Triple tempering 593 ºC 35.30 28.44 19.43 Triple tempering 620 ºC 44.13 36.28 17.79



Dari tabel di atas kita dapat menarik sebuah kesimpulan bahwa jika dilihat dari segi

ketangguhan maka proses austenitisasi pada baja AISI H13 hendaknya dilakukan

pada temperatur bawah dari rentang temperatur austenitisasi yang direkomendasikan,

yakni 1020 oC. Sebaliknya austenitisasi pada temperatur yang terlalu tinggi (1080 oC) harus dihindari karena terjadinya degradasi ketangguhan. Hal ini tentunya sangat

tidak sesuai dengan aplikasi baja AISI H13 seperti pada Die, yang membutuhkan

ketangguhan yang memadai agar dapat menahan shock dan pertumbuhan retakan

(crack growth).

Penurunan ketangguhan dengan kenaikan temperatur austenitisasi ini disebabkan

oleh beberapa hal :

1. Temperatur austenitisasi sangat menentukan kelarutan karbida-karbida primer

didalam matrik austenit selama berlangsungnya proses austenitisasi. Semakin

tinggi temperatur austenitisasi maka akan semakin banyak karbida primer yang

larut dalam matrik..

Gambar 4.9 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC dan Single Tempering

pada 540 oC. 300X


Gambar 4.10 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 oC dan Single Tempering

pada 593 oC. 300X

Dari gambar 4.9 dan 4.10 terlihat bahwa austenitisasi pada temperatur 1050 oC

mengandung jumlah karbida primer yang lebih banyak jika dibandingkan

austenitisasi pada temperatur 1080 oC. Hal ini terjadi karena semakin tinggi

temperatur austenitisasi akan mengakibatkan semakin banyak karbida primer

yang larut sewaktu berlangsungnya proses austenitisasi. Karbida-karbida yang

larut ini kemudian akan mengalami presipitasi sebagai karbida batas butir (grain

boundary carbides) selama berlangsungnya proses pendinginan (gambar 4.11).

Karbida batas butir inilah yang menyebabkan turunnya nilai ketangguhan baja.

2. Larutnya karbida-karbida primer akibat kenaikan temperatur austenitisasi

mengakibatkan matrik austenit semakin kaya dengan karbon dan unsur-unsur

pemadu. Matrik austenit yang kaya dengan karbon dan unsur-unsur pemadu ini

(enriched austenitic matrix) menurunkan temperatur Ms (temperatur awal

pembentukan martensit) sehingga mengakibatkan jumlah austenit sisa yang

terbentuk setelah proses hardening semakin banyak. Fasa austenit sisa ini sangat

merugikan karena fasa ini akan mengalami transformasi menjadi sementit, ferit,

atau untempered martensite ketika ditemper. Fasa untempered martensite ini


sangat merugikan terhadap ketangguhan baja karena fasa ini bersifat getas.

Sedangkan transformasi dari austenit sisa menjadi ferit dan sementit bisa

mengakibatkan terbentuknya interlath carbide yang bersifat menurunkan

ketangguhan. Keberadaan interlath carbide sulit teramati dengan menggunakan

mikroskop optik karena sangat halus.

Karbida Batas Butir

Gambar 4.11 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC dan Single Tempering

593oC. 500X


3. Temperatur austenitisasi yang tinggi akan meningkatkan ukuran butiran austenit

lama (prior austenite grain size). Semakin besar ukuran butiran austenit lama

maka akan semakin besar pula ukuran butiran baja setelah perlakuan panas

tempering. Ukuran butiran baja yang besar bersifat merugikan terhadap

ketangguhan baja.

Batas butir austenit lama Martensit halus Gambar 4.12 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020oC dan Single Tempering

540oC. 600X.


Martensit kasar Batas butir austenit Gambar 4.13 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC dan Single Tempering

540oC. 600X.

Gambar 4.12 dan 4.13 memperlihatkan pengaruh temperatur austenitisasi terhadap

ukuran butiran austenit lama. Ukuran butiran austenit lama sampel yang

diaustenitisasi pada 1080oC dan single tempering pada 540oC lebih besar jika

dibandingkan sampel yang diaustenitisasi pada 1020oC pada temperatur dan jumlah

tempering yang sama. Hal yang sama juga terjadi pada sampel yang diberi perlakuan

triple tempering. Ukuran butiran austenit yang lebih besar ini mengakibatkan ukuran

produk baik martensit maupun ferit yang terbentuk juga lebih kasar dan besar.

Ukuran butiran yang besar inilah yang mengakibatkan turunnya ketangguhan matrik.

4.2.2 Pengaruh Temperatur Hardening (Austenitisasi) Terhadap Kekerasan

Pengaruh temperatur austenitisasi terhadap kekerasan terlihat pada gambar 4.14,

4.15, dan 4.16.


52.00

53.00

54.00

55.00

56.00

57.00

58.00

59.00

60.00

1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090


Kek

eras

an (H

RC

)

Gambar 4.14 Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan Baja

Setelah Hardening (tanpa tempering)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

1000 1020 1040 1060 1080 1100


Kek

eras

an (H

RC

)

SINGLE TEMPERING540ºCSINGLE TEMPERING593ºCSINGLE TEMPERING620ºC

Gambar 4.15 Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan pada

Spesimen yang Diberi Perlakuan Single Tempering


Triple Tempering

0.005.00

10.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00

1000 1020 1040 1060 1080 1100


Kek

eras

an (H

RC

) TRIPLE TEMPERING540ºCTRIPLE TEMPERING593ºCTRIPLE TEMPERING620ºC

Gambar 4.16 Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan pada

Spesimen yang Diberi Perlakuan Triple Tempering

Tabel 4.3 Persentase Peningkatan Kekerasan Akibat Kenaikan Temperatur

Austenitisasi

Austenitisasi 1020 ºC → 1050 ºC Variabel Tempering 1020 ºC 1050 ºC Peningkatan Kekerasan (%) Single tempering 540 ºC 46.18 47.95 3.83 Single tempering 593 ºC 41.05 47.04 14.59 Single tempering 620 ºC 33.55 45.92 36.87 Triple tempering 540 ºC 41.05 45.12 9.91 Triple tempering 593 ºC 38.73 42.20 8.96 Triple tempering 620 ºC 24.79 39.12 57.81





Peningkatan temperatur austenitisasi ternyata mengakibatkan kenaikan kekerasan

setelah proses hardening. Dari seluruh hasil pengujian kekerasan juga terlihat bahwa

pada jumlah dan temperatur tempering yang sama, sampel yang diaustenitisasi pada

temperatur yang lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih tinggi pula. Sampel yang

diaustenitisasi pada temperatur 1080 oC bahkan memberikan peningkatan kekerasan

hingga 60% jika dibandingkan dengan sampel yang diaustenitisasi pada temperatur

1020 oC.

Austenitisasi pada temperatur yang lebih tinggi akan mengakibatkan pelarutan

karbida dalam jumlah yang lebih banyak didalam matrik austenit jika dibandingkan

austenitisasi pada temperatur yang lebih rendah. Semakin banyak karbida yang larut

maka matrik austenit akan semakin kaya dengan kandungan karbon dan unsur-unsur

pemadu. Akibatnya produk yang terbentuk sewaktu pendinginan dari temperatur

austenitisasi (dalam hal ini martensit) juga akan kaya dengan kandungan karbon dan

unsur-unsur pemadu. Sehingga kekerasan martensit juga meningkat karena

kekerasan martensit sebanding dengan kandungan karbonnya. Jadi dapat

disimpulkan bahwa peningkatan temperatur austenitisasi akan menghasilkan

martensit yang kaya dengan karbon sehingga meningkatkan kekerasan baja.

Gambar 4.17 Kekerasan Sebagai Fungsi Karbon pada Beberapa Struktur Mikro Baja

(1)

4.3 PENGARUH JUMLAH TEMPERING TERHADAP KETANGGUHAN

DAN KEKERASAN

4.3.1 Pengaruh jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan

Perlakuan panas tempering yang dilakukan setelah perlakuan panas pengerasan baja

perkakas AISI H13 memberikan pengaruh sangat besar terhadap ketangguhan seperti

yang ditunjukkan pada gambar 4.18 dan gambar 4.19.


Austenitisasi 1020 C

0

10

20

30

40

50

540 593 620

Temperatur Tempering (Celcius)

Ener

gi Im

pak

(Jou

le)

Single TemperingTriple Tempering

Gambar 4.18 Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple tempering)

Terhadap Ketangguhan pada Temperatur Austenitisasi 1020 oC


0

510

1520

25

3035

40

540 593 620


Ene

rgi I

mpa

k (J

oule

)






02468

10121416

540 593 620


Ener

gi Im

pak

(Jou

le)




Tabel 4.4 Persentase Peningkatan Energi Impak karena Pengaruh Jumlah Tempering

Austenitisasi 1020 ºC Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Peningkatan Energi Impak (%) Tempering 540 ºC 13.73 17.65 28.55 Tempering 593 ºC 19.61 35.30 80.01 Tempering 620 ºC 30.40 44.13 45.16

Austenitisasi 1050 ºC

Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Peningkatan Energi Impak (%) Tempering 540 ºC 7.85 13.73 74.90 Tempering 593 ºC 19.61 28.44 45.03 Tempering 620 ºC 29.42 36.28 23.32

Austenitisasi 1080 ºC Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Peningkatan Energi Impak (%) Tempering 540 ºC 3.92 6.86 75.00 Tempering 593 ºC 4.90 8.83 80.20 Tempering 620 ºC 7.85 13.73 74.90



Dari seluruh hasil pengujian ketangguhan terlihat bahwa sampel yang diberi

perlakuan panas triple tempering memiliki ketangguhan yang jauh lebih tinggi jika

dibandingkan sampel yang diberi perlakuan panas single tempering. Peningkatan

ketangguhan yang dicapai melalui proses triple tempering mencapai 80%. Spesimen

yang diaustenitisasi pada 1020oC dan dilaku panas triple tempering pada temperatur

6200C menunjukkan ketangguhan paling tinggi yaitu sebesar 44.13 Joule.

Peningkatan ketangguhan pada sampel yang diberi perlakuan panas triple tempering

disebabkan oleh beberapa faktor utama. Pada saat pendinginan dari temperatur single

tempering akan terjadi dekomposisi austenit sisa, dimana austenit sisa sebagian akan

bertransformasi menjadi ferit, sementit, bainit, ataupun martensit. Martensit baru

yang terbentuk pada saat pendinginan tempering bersifat getas seperti halnya

martensit yang terbentuk setelah hardening. Martensit inilah yang harus di-temper

lagi untuk meningkatkan ketangguhan. Selain mentemper martensit baru hasil

dekomposisi austenit sisa, triple tempering juga dapat memberikan peningkatan

ketangguhan melalui pengkasaran dan membentuk karbida primer menjadi lebih

bulat (spheroid). Selain kedua faktor tersebut, peningkatan ketangguhan juga

disebabkan oleh spheroidisasi interlath carbide. Interlath carbide merupakan karbida

yang terbentuk akibat transformasi austenit sisa menjadi ferit dan sementit sewaktu

proses single tempering. Interlath carbide yang terbentuk sewaktu proses single

tempering ini biasanya memiliki struktur memanjang (elongated interlath carbide)

yang bersifat merugikan terhadap ketangguhan baja. Melalui triple tempering,

elongated interlath carbide ini mengalami pembulatan (spheroidisasi) sehingga

memberikan peningkatan ketangguhan. Interlath carbide ini tidak dapat diamati

dengan menggunakan mikroskop optik karena ukurannya yang sangat halus.

4.3.2 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Kekerasan


0.005.00

10.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00

540 593 620


Ener

gi Im

pak

(Jou

le)



Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1020 oC


0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

540 593 620


Ener

gi Im

pak

(Jou

le)



Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1050 oC.



0

10

20

30

40

50

60

540 593 620


Ener

gi Im

pak

(Jou

le)



Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1080 oC

Tabel 4.5 Persentase Penurunan Kekerasan karena Pengaruh Jumlah Tempering

Austenitisasi 1020 ºC Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Penurunan Kekerasan (%) Tempering 540 ºC 46.18 41.05 11.11 Tempering 593 ºC 41.05 38.73 5.65 Tempering 620 ºC 33.55 24.79 26.11

Austenitisasi 1050 ºC

Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Penurunan Kekerasan (%) Tempering 540 ºC 47.95 45.12 5.90 Tempering 593 ºC 47.04 42.20 10.29 Tempering 620 ºC 45.92 39.12 14.81

Austenitisasi 1080 ºC Variabel Tempering Single Tempering Triple Tempering Penurunan Kekerasan (%) Tempering 540 ºC 50.52 45.45 10.04 Tempering 593 ºC 48.03 43.71 8.99 Tempering 620 ºC 46.33 39.69 14.33


Berdasarkan tabel 4.5 terlihat bahwa penurunan kekerasan spesimen triple tempering

dibandingkan dengan spesimen single tempering tidak menunjukkan perbedaan yang

signifikan, yakni rata-rata hanya sebesar 5 HRC. Hal ini dikarenakan setelah proses

pendinginan single tempering selesai, akan ada martensit baru yang terbentuk.

Terbentuknya martensit baru setelah proses single tempering inilah yang

memberikan pengaruh terhadap kekerasan sehingga kekerasan tidak turun secara

signifikan

Penurunan kekerasan pada spesimen triple tempering diakibatkan oleh semakin

banyaknya terbentuk ferit dan berkurangnya volume fraksi martensit. Pembentukan

ferit akan menurunkan kekerasan baja karena ferit lebih lunak daripada martensit.


Ferit Martensit


620oC. 300X.

Martensit Ferit

Gambar 4.25 Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020oC dan Triple Tempering

620oC. 300X.

Penurunan kekerasan yang paling tinggi terjadi pada spesimen triple tempering

620oC (austenitisasi 1020oC). Hal ini terjadi karena jumlah ferit yang terbentuk

semakin banyak jika dibandingkan spesimen lainnya. Berdasarkan perhitungan fasa

dengan menggunakan optimas, sampel yang ditunjukkan pada gambar 4.25

mengandung ferit sebanyak 83,4 % dan martensit 16.6 %. Sedangkan sampel pada

gambar 4.24 mengandung martensit sebanyak 47.8 %.

4.4 PENGARUH TEMPERATUR TEMPERING TERHADAP

KETANGGUHAN DAN KEKERASAN

Berdasarkan kurva pada gambar 4.7, 4.8, 4.26, 4.27, dan 4.28 terlihat bahwa

temperatur tempering memiliki pengaruh yang hampir sama dengan jumlah

tempering terhadap ketangguhan dan kekerasan baja AISI H13. Peningkatan

temperatur tempering memberikan peningkatan ketangguhan yang disertai dengan

penurunan kekerasan.



0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

520 540 560 580 600 620 640


Keke

rasa

n (H

RC)


Gambar 4.26 Kurva Pengaruh Temperatur Tempering Terhadap Kekerasan.

Austenitisasi 1020oC


0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

520 540 560 580 600 620 640Temperatur Tempering (Celcius)

Kek

eras

an (H

RC

)






0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

520 540 560 580 600 620 640


Kek

eras

an (H

RC

)




Peningkatan ketangguhan dan penurunan kekerasan terhadap temperatur tempering

berkaitan erat dengan transformasi austenit sisa, pembentukan ferit, dan

berkurangnya jumlah martensit. Jumlah austenit sisa yang terdekomposisi meningkat

sebanding dengan peningkatan temperatur. Austenit sisa dapat terdekomposisi

menjadi ferit, sementit, bainit, maupun martensit. Persentase dan jenis fasa yang

terbentuk dari dekomposisi austenit sisa sangat sulit untuk diamati maupun dihitung.

Transformasi austenit sisa menjadi ferit dan sementit dan berkurangnya jumlah

martensit berlangsung secara difusi. Proses ini berkaitan erat dengan difusi atom C

secara interstisi keluar dari larutan padat jenuh martensit sehingga martensit akan

kehilangan struktur tetragonal BCT. Atom C yang berdifusi tersebut akan stabil

dengan membentuk karbida dan sementit (Fe3C) dalam matrik ferit. Hal ini terjadi

karena tersedianya energi aktivasi panas yang mendorong terjadinya difusi karbon

dan unsur-unsur pemadu. Semakin tinggi temperatur tempering maka difusi atom C

dan unsur-unsur pemadu akan semakin banyak dan berlangsung dengan cepat.


Akibatnya jumlah ferit, karbida, dan sementit yang terbentuk juga akan semakin

banyak. Pembentukan ferit mengakibatkan turunnya nilai kekerasan baja dan

sebaliknya meningkatkan ketangguhan baja.


540oC. 600X.


593oC. 600X.



620oC. 300X.

Dari ketiga gambar di atas terlihat bahwa rekristalisasi dan pertumbuhan ferit

semakin intensif dengan semakin tingginya temperatur tempering. Spesimen single

tempering pada 620oC menunjukkan bahwa ferit mendominasi struktur mikro baja

dengan persentase sebesar 52.2 %.

4.5 PENENTUAN KONDISI OPTIMAL PROSES PERLAKUAN PANAS

HARDENING DAN TEMPERING

Penentuan kondisi optimal proses perlakuan panas hardening dan tempering yang

menghasilkan kombinasi kekerasan dan ketangguhan pada baja AISI H13 sangat

komplek. Hal ini sangat ditentukan oleh aplikasinya di lapangan.

Baja AISI H13 sebagian besar digunakan sebagai material untuk membuat die,

seperti extrusion dies, casting dies, forging dies, molding dies, dll. (1) Untuk

menentukan kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang sesuai dengan aplikasi di

lapangan, maka kita perlu mengetahui mekanisme kegagalan yang sering terjadi pada

berbagai aplikasi tersebut. Pengetahuan mengenai model kegagalan tersebut sangat

penting dalam menentukan parameter proses perlakuan panas hardening dan



tempering. Di dunia industri, khususnya forging industry, semakin banyak variabel

proses (termasuk variabel proses perlakuan panas) dan semakin panjang siklus

perlakuan panas tentunya akan semakin meningkatkan biaya forging. Pembiayaan

die (die cost) merupakan salah satu hal penting pada industri forging. Biaya die ini

mencapai 10 hingga 15 % dari seluruh biaya di industri forging. (32) Biaya ini

meliputi biaya untuk pembelian material die, permesinan die, dan biaya proses

perlakuan panas. Oleh karena itu, proses perlakuan panas harus dilakukan seefektif

mungkin.

Berdasarkan kondisi proses dan karakteristik material, maka kegagalan yang sering

terjadi pada die antara lain:

1) Keausan (wear)

2) Thermal fatigue

3) Mechanical fatigue

4) Plastic deformation

Keausan akan mengakibatkan terjadinya pengelupasan pada permukaan material die.

Sedangkan deformasi plastis adalah kegagalan yang terjadi pada material akibat

tekanan dan temperatur yang sangat tinggi. Adapun faktor yang paling menentukan

terhadap ketahanan aus dan ketahanan terhadap deformasi plastis adalah kekerasan.

Ketahanan aus pada die pada umumnya merupakan fungsi dari karbida-karbida yang

dihasilkan sewaktu proses perlakuan panas. Semakin banyak karbida yang terbentuk

maka ketahanan aus material die semakin baik. Namun disisi lain keberadaan karbida

bersifat merugikan terhadap keuletan (ductility) dan ketangguhan baja (toughness).

Penurunan ketangguhan dan keuletan tentunya bisa mengakibatkan terjadinya

mekanisme kegagalan lain seperti mechanical fatigue dan thermal fatigue.

Sebaliknya peningkatan ketahanan terhadap mechanical fatigue dan thermal fatigue

melalui peningkatan ketangguhan dan keuletan akan mengakibatkan turunnya

kekuatan luluh (yield strength). Penurunan kekuatan luluh ini akan mengakibatkan

penurunan ketahanan aus material die.


Untuk menentukan kombinasi sifat mekanik yang optimum dan terbaik dari sebuah

proses perlakuan panas membutuhkan pemahaman menyeluruh mengenai model

kegagalan yang biasa terjadi di lapangan. Salah satu cara yang paling efektif adalah

dengan menentukan mekanisme kegagalan yang paling dominan. Melalui cara ini

kita bisa mengetahui sifat mekanik yang paling dibutuhkan pada die sehingga kita

bisa menentukan parameter proses perlakuan panas yang paling efektif untuk

menghasilkan sifat mekanik yang mampu meningkatkan ketahanan terhadap

mekanisme kegagalan yang paling dominan tersebut.

Diantara keempat kegagalan ini, keausan (abrasive wear dan adhesive wear) dan

kegagalan mekanik (mechanical failure) merupakan dua kegagalan yang paling

sering terjadi pada die. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.32. Ketahanan aus

dipengaruhi oleh kekerasan baja sedangkan mechanical fatigue dan mechanical

shock erat kaitannya dengan ketangguhan. Oleh karena itu, proses perlakuan panas

pada die harus bisa menghasilkan kekerasan yang cukup tinggi dengan ketangguhan

yang cukup untuk menghindari terjadinya perpatahan.

Penentuan kondisi optimal proses perlakuan panas hardening dan tempering pada

penelitian ini dilakukan dengan memberikan nilai (scoring) sesuai dengan nilai

kekerasan dan ketangguhan pada setiap variabel perlakuan panas. Kekerasan

dijadikan acuan utama dalam menentukan urutan tersebut karena kekerasan

merupakan faktor yang paling berpengaruh terhadap kegagalan yang paling dominan

terjadi pada berbagai aplikasi baja AISI H13. Tabel 4.6 memperlihatkan urutan

proses perlakuan panas hardening dan tempering mulai dari yang paling baik hingga

yang paling tidak efektif.

Gambar 4.32 Frekuensi dan Lokasi Kegagalan yang Sering Terjadi pada Forging Die

(32)

Kekerasan yang dihasilkan pada penelitian ini sebagian besar di atas 40 HRC dengan

rata-rata 42.58 HRC. Sampel A dan B (tabel 4.6) memiliki kombinasi kekerasan dan

ketangguhan yang optimum. Dari segi kekerasan kedua sampel ini memenuhi standar

kekerasan yang dibutuhkan pada berbagai aplikasi baja AISI H13 (tabel 2.14).

Ketangguhan keduanya juga lebih tinggi jika dibandingkan sampel lainnya, yakni

29,42 dan 28,44 Joule. Ketangguhan sebesar ini sudah cukup memadai untuk baja

AISI H13 yang membutuhkan ketangguhan sedang hingga tinggi.

Sampel L, M, N, O, P, dan Q memiliki kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang

tidak sebanding. Meskipun sampel-sampel tersebut memiliki kekerasan yang tinggi,

namun ketangguhannya jauh dibawah standar sehingga tidak cocok untuk aplikasi di

lapangan seperti pada forging die yang membutuhkan ketangguhan lebih untuk

menahan pertumbuhan retakan (crack growth). Kondisi sebaliknya justru terjadi pada

sampel yang diaustenitisasi pada 1020oC dan triple tempering pada 620oC (sampel

R). Nilai ketangguhan sampel ini paling tinggi jika dibandingkan sampel lainnya,

yaitu 44.13 Joule. Namun peningkatan ketangguhan ini diikuti dengan penurunan

kekerasan yang sangat signifikan hingga 24,79 HRC. Harga kekerasan ini mendekati



kekerasan sampel dalam kondisi annealed sehingga tidak cocok pada hampir seluruh

aplikasi baja AISI H13 yang membutuhkan kekerasan tinggi untuk ketahanan aus.

Tabel 4.6 Urutan Efektifitas Perlakuan Panas Berdasarkan Kombinasi Ketangguhan

dan Kekerasan Sampel Perlakuan Panas Kekerasan

(HRC)

Ketangguhan

(Joule)

Urutan

A Hardening 1050oC, Single Tempering 620oC 45.92 29.42 B Hardening 1050oC, Triple Tempering 593oC 42.20 28.44

1

C Hardening 1050oC, Triple Tempering 620oC 39.12 36.28 D Hardening 1020oC, Triple Tempering 593oC 38.73 35.30

2

E Hardening 1050oC, Single Tempering 593oC 47.04 19.61 3

F Hardening 1020oC, Single Tempering 593oC 41.05 19.61 G Hardening 1020oC, Single Tempering 540oC 46.18 13.73 H Hardening 1020oC, Triple Tempering 540oC 41.05 17.65

4

I Hardening 1020oC, Single Tempering 620oC 33.55 30.40 J Hardening 1050oC, Triple Tempering 540oC 45.12 13.73 K Hardening 1080oC, Triple Tempering 620oC 39.69 13.73

5

L Hardening 1050oC, Single Tempering 540oC 47.95 7.85 M Hardening 1080oC, Single Tempering 620oC 46.33 7.85 N Hardening 1080oC, Triple Tempering 593oC 43.71 8.83 O Hardening 1080oC, Single Tempering 540oC 45.45 6.86 P Hardening 1080oC, Single Tempering 593oC 48.03 4.90 Q Hardening 1080oC, Single Tempering 540oC 50.52 3.92 R Hardening 1020oC, Triple Tempering 620oC 24.79 44.13

6

bab iv pembahasan - · pdf filekarakteristik utama dari struktur lath martensite adalah ......

Documents