ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIKBAJA MANGAN AUSTENITIK

HASIL PROSES PERLAKUAN PANAS

Oleh:Abrianto Akuan. Ir., MT.

Dosen Jurusan Teknik MetalurgiFT-UNJANI

Abstrak

Nilai kekerasan tertinggi dari baja mangan austenitik hasil prosesperlakuan panas annealing adalah 334.2 HV. Semakin lambat laju pendinginanpada proses perlakuan panas (quenching, normalizing, annealing) baja manganaustenitik akan meningkatkan nilai kekerasan baja tersebut, yaitu (217.4 HV,245.0 HV, 334.2 HV). Struktur mikro baja mangan austenitik hasil perlakuanpanas quenching adalah karbida dalam matrik austenit (γ), sedangkan hasilperlakuan panas normalizing dan annealing adalah karbida dalam matrik ferrit(α).

I. Pendahuluan

Baja mangan austenitik (BMA) atau baja mangan tinggi banyak

dipergunakan sebagai material untuk komponen-komponen yang mengalami

gesekan pada saat beroperasinya. Baja mangan austenitik ini merupakan jenis

baja yang paling tangguh dari semua baja lainnya.

Untuk melakukan analisa fenomena metalurgis pada proses perlakuan

panas baja mangan austenitik, adalah dengan melakukan proses perlakuan panas

yang meliputi beberapa tahap, yaitu:

1. Melakukan proses perlakuan panas Annealing, Normalizing, dan

Quenching untuk menganalisa pengaruhnya terhadap sifat mekanik dan

struktur mikro, serta

2. Melakukan pemeriksaan dan pengujian yang dilakukan terhadap

spesimen hasil coran baja mangan austenitik ini meliputi; pemeriksaan

visual, komposisi kimia dan struktur mikro serta pengujian kekerasan.

Anealing dalam tungku

Permesinan untuk

Produk As Cast untukpengujian

Persiapan spesimenprototyping (machining)

pengujian awal- Kekerasan

- Visualisation

Proses Heat treatment

Proses Pendinginan dengan variasimedia pendingin (udara, air garam,

aneal)

Quenchingdengan air laut

Normalizing

yg dimatikan

PENGUJIAN Pengujian komposisi Uji kekerasan Pemeriksaan Struktur Mikro

Data dan Pembahasan

Kesimpulan dan Saran

spesimen uji tarik

Gambar.1 Skema penelitian.

II. Metodologi Penelitian

Gambar. 1 Skema Penelitian.

Gambar. 2 Proses perlakuan panas pada baja mangan austenitik.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 15 45 60 90 105 135 150 180 195 225 240 270 285 315 330 345 375 390 420 435

Waktu (menit)

Tem

pera

tur(

C)

Quenching

Normalising

Annealing

Media pendingin yang dipergunakan dalam proses perlakuan panas ini

seperti terlihat pada skema proses diatas yaitu meliputi:

Proses quenching, yaitu pendinginan cepat yang menggunakan media

pendingin air.

Proses normalizing, yaitu pendinginan yang cukup lambat dengan

menggunakan udara sebagai media pendingin.

Proses annealing, yaitu proses pendinginan yang sangat lambat yang

media pendinginnya menggunakan tungku (tungku yang dimatikan).

III. Data dan Pembahasan

3.1 Komposisi KimiaTabel. 1 Hasil Pemeriksaan Komposisi Kimia Coran Baja Mangan Austenitik (BMA).

Komposisi Kimia ( % )Unsur

Hasil Pengujian Standar JIS G 5131

C 0.935 0.9 – 1.20

Si 0.40 0.8 ( max )

Mn 11.9 11 – 14

P 0.037 0.07 ( max )

S _ 0.04

Ni 0.22 _

Cr 0.42 _

Al 0.138 _

Fe sisa sisa

Dari hasil pengujian komposisi kimia yang ditunjukan pada Tabel.1

diatas dapat dikatakan bahwa spesimen pengujian hasil proses pengecoran telah

sesuai dengan standarnya yaitu JIS G51 kelas SCMnH2.

Kandungan unsur yang terdapat pada material akan mempengaruhi

terhadap sifat-mekanik dari material tersebut, terutama untuk unsur-unsur yang

dominan yang terdapat dalam material.

Unsur karbon (C) antara 0.935% dan unsur mangan 11.8% akan

berpengaruh terhadap kekuatan tarik dan elongasi dari baja mangan austenitik,

pengaruh dari unsur ini sangat besar terutama untuk baja mangan austenitik dari

hasil proses perlakuan panas quenching (pendinginan cepat). Kekuatan tarik

untuk baja mangan austenitik hasil perlakuan panas quenching ini bisa mencapai

50-60 ton/in2, serta elongasi yang bisa mencapai 40-50. Hal ini dapat ditunjukan

pada Gambar. 3 untuk pengaruh unsur karbon dan unsur mangan terhadap

kekuatan tarik, dan Gambar. 4 untuk pengaruh unsur karbon dan unsur mangan

terhadap nilai elongasi yang dihasilkan.

Gambar. 3 Pengaruh unsur karbon 0.935% dan mangan 11.8% terhadap kekuatan tarikbaja mangan austenitik.

Gambar. 4 Pengaruh unsur karbon 0.935% dan mangan 11.8% terhadap elongasi bajamangan austenitik.

Untuk material baja mangan austenitik hasil proses perlakuan panas

normalizing dan anealing, unsur karbon (C) akan berpengaruh terhadap struktur

mikro yang dihasilkan, dimana struktur mikronya adalah α + (FeMn)3C seperti

terlihat pada Gambar. 5 dibawah ini.

Gambar. 5 Diagram pembentukan fasa dari baja mangan austenitk untuk Mn 11.8%.

Unsur silikon (Si) pada baja mangan austenitik secara khususnya tidak

berpengaruh terhadap sifat mekanik dari baja mangan austenitik jika kandungan

unsur silikon terasebut dibawah 1%. Tetapi jika kandungan unsur silikon yang

terdapat dalam baja mangan austenitik lebih dari 1% maka unsur silikon ini akan

berpengaruh terhadap sifat keuletan dari baja mangan austenitik ini dimana

keuletan dari baja mangan austenitik ini akan menurun, begitu juga dengan

kekuatan dari baja mangan austenitik ini akan menurun pula. Silikon (Si) akan

sangat berpengaruh secara ekstrim pada kandungan 2,2%.

Unsur sulfur (S) atau belerang yang terdapat dalam baja mangan

austenitik harus diusahakan ditekan serendah mungkin karena nantinya akan

berikatan dengan mangan (Mn) membentuk mangan sulfida (MnS) yang tidak

diinginkan, karena MnS ini nantinya akan membentuk inklusi.

Unsur fospor pada baja mangan austenitik ini adalah sebagai pengotor,

unsur fospor ini akan menyebabkan kegetasan baja mangan austenitik pada

temperatur yang rendah, dan akan menurunkan kekuatan dan keuletan dari baja

mangan austenitik ini. Ikatan yang terjadi antara unsur fospor dengan base

metalnya yaitu besi (Fe) membentuk Fe3P, sehingga unsur fospor ini dibatasi

sampai 0.07% maksimum, selebihnya dari 0.07% tidak ada pengaruh yang

signifikan (konstan) terhadap keuletan. Unsur fospor (P) ini akan menurunkan

kekuatan dari baja mangan austenitik secara terus menerus jika kandungan unsur

fospornya terus meningkat.

Untuk unsur yang terdapat dalam baja mangan austenitik diluar

standarnya dalam hal ini adanya unsur krom (Cr) yang terdapat dalam material

lips bucket yaitu baja mangan austenitik tidak berpengaruh terhadap sifat

mekanik baja mangan austenitik jika jumlahnya dibawah 3%, jika unsur krom

yang terdapat dalam baja mangan austenitik tersebut diatas 3% akan berpengaruh

terhadap naiknya kekuatan dan keuletan dari material baja mangan austenitik ini.

Quenching Normalizing Annealing0

50

100

150

200

250

300

350

Hv

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5

No Titik Pengujian

Kekera

san

(Hv)

As Cast

Quenching

Normalizing

Annealing

Unsur alumunium (Al) akan mulai berpengaruh jika kandungan Al yang

terdapat dalam material baja mangan austenitik tersebut diatas 0.75% yaitu akan

meningkatkan ketangguhan baja mangan austenitk pada kondisi yang as cast

(hasil coran).

3.2 Kekerasan

Gambar. 6 Titik-titik pengujian kekerasan.

Gambar. 7 Kurva tingkat kekerasan pada material baja mangan austenitik.

Gambar. 8 Hubungan antara kekerasan rata-rata dengan perlakuan panas materialbaja mangan austenitik.

Tabel. 2 Nilai kekerasan spesimen setelah proses perlakuan panas

Kondisi spesimenNo titik

pengujianAs Cast Quenching Normallizing Anealing

1 315 226 267 370

2 279 220 256 359

3 268 215 245 320

4 265 214 231 317

5 265 212 226 305

Rata-rata 278.4 217.4 245.0 334.2

1 2 3 4 5

Dari grafik dan tabel diatas, terlihat bahwa semakin rendah laju

pendinginan yang diterima oleh baja mangan austenitik, maka nilai kekerasan

yang dicapai oleh baja mangan austenitik akan semakin tinggi. Peningkatan

kekerasan sebagai akibat lambatnya laju pendinginan pada baja mangan

austenitik disebabkan karena meningkatnya presipitat karbida yang terbentuk

pada batas butir dan pada bidang-bidang slip.

Karbida yang terbentuk pada baja mangan austenitik ini adalah karbida

kompleks yaitu (FeMn)3C, seperti yang terlihat pada Gambar. 5 yang

menunjukkan daerah pembentukan fasa untuk baja mangan austenitik.

Transformasi fasa yang terjadi pada material lips bucket ini sangat

dipengaruhi oleh temperatur pemanasan pada saat proses perlakuan panas

(normalizing dan annealing) pada proses pemanasan sampai fasa austenit, maka

struktur mikro yang diperoleh dari kedua perlakuan panas tersebut adalah fasa α

dan karbida (FeMn)3C dimana karbida yang terbentuk akan mengendap didaerah

batas butir. Sedangkan untuk proses perlakuan panas quenching (pendinginan

cepat) dari temperatur austenit akan menyebabkan fasa austenit tersebut akan

dipertahankan sampai temperatur kamar. Struktur mikro tersebut (austenit) akan

bersifat non magnetik dan memiliki kekerasan yang paling rendah dibandingkan

dengan kedua perlakuan panas yaitu normalizing dan annealing.

Material baja mangan austenitik dalam aplikasinya biasa digunakan

sebagai komponen dengan kondisi kerja yang mengalami gesekan, salah satu

contohnya adalah lips bucket, oleh karena itu komponen tersebut memerlukan

kekerasan permukaan yang cukup tinggi agar komponen tersebut umur pakai

yang cukup lama. Persyaratan tersebut dapat tercapai untuk baja mangan

austenitik ini melalui perlakuan quenching dan dilanjutkan dengan tempering

atau dengan perlakuan panas quenching dan deformasi plastis yang dapat

meningkatklan kekerasan permukaan hingga 500-600 HB

Kekerasan optimum maksimum untuk baja mangan austenitik hasil

perlakuan panas quenching diperoleh setelah mendapat perlakuan lanjutan yaitu

(tempering) pada temperatur 570°C seperti ditunjukkan pada Gambar. 9

dibawah, atau melalui perlakuan lanjutan secara mekanik yaitu pengerjaan dingin

dengan deformasi 70% yang dapat ditunjukkan oleh Gambar . 10.

Gambar. 9 Kekerasan optimum maksimum yang dihasilkan dari proses reheating.

Gambar. 10 Kekerasan yang diperoleh dari proses lanjutan pengerjaan dingin dengandeformasi 70%.

Peningkatan kekerasan setelah proses perlakuan panas lanjutan tersebut

pada baja mangan austenitik disebabkan karena mekanisme interlocking dan

blocking pergerakan sepanjang bidang slip pada butir austenitik.5) oliver and boyd,

Manganese steel, p.hal,hadfields limited-seffield, london.

3.3 Struktur Mikro

Nital 2,5% 200X

Gambar. 11 Struktur mikro baja mangan austenitik as cast.

Nital 2,5% 600X

Gambar. 12 Struktur mikro baja mangan austenitik as cast .

Gambar. 13 Struktur mikro standar material baja maja mangan austenitik as cast.(etsa:nital 2,5% dengan pembesaran foto 500X)9).

Nital 2,5 % 200X

Gambar. 14 Struktur mikro baja mangan austenitik hasil proses quenching.

Gambar. 15 Struktur mikro standar untuk baja mangan austenitik (as quenching)9).

Nital 2,5% 400X

Gambar. 16 Struktur mikro baja mangan austenitik hasil proses normalizing.

Nital 2,5% 200X

Gambar. 17 Struktur mikro baja mangan austenitik hasil proses annealing.

Gambar. 18 Struktur mikro standar baja mangan austenitik (as annealing)10).

Dari hasil pemeriksaan struktur mikro untuk material baja mangan

austenitik hasil pengecoran (as-cast) ini ditunjukan fasa-fasa yang terbentuk

adalah fasa karbida (FeMn)3C pada batas butir dengan matriks fasa α. Sedangkan

setelah mengalami perlakuan panas quenching fasa yang terbentuk adalah

karbida pada batas butir prior austenit (γ). Karbida tersebut merupakan karbida

yang belum larut pada saat proses pemanasan austenisasi, hal ini bisa disebabkan

karena kurangnya holding time atu waktu penahanan pada saat proses

austenisasi.

Perlakuan panas dengan laju pendinginan yang relatif lambat yaitu proses

normalizing dan annealing akan menghasilkan fasa karbida (FeMn)3C dalam

matriks ferit. Semakin lambat laju pendinginan dari proses pemanasan

austenisasi maka karbida yang terbentuk akan semakin banyak. Struktur mikro

yang terbentuk pada baja mangan austenitik sebagai akibat dari perlakuan yang

dialaminya akan sangat menentukan sifat mekanik dari baja mangan austenitik

tersebut.

Korelasi struktur mikro yang terbentuk pada baja mangan austenitik

terhadap nilai kekerasannya adalah: kekerasan karbida akan lebih tinggi

dibanding kekerasan fasa α dan akan lebih tinggi pula nilai kekerasannya

dibanding kekerasan fasa austenit (γ).

Jadi nilai kekerasan material lips bucket hasil perlakuan panas annealing

akan lebih tinggi dari kekerasan hasil perlakuan panas normalizing dan

kekerasan hasil perlakuan panas quenching.

IV. Kesimpulan

1. Komposisi kimia material baja mangan austenitik dari hasil pemeriksaan,

sesuai dengan standarnya yaitu JIS G51 kelas SCMnH2

2. Nilai kekerasan tertinggi yaitu 334.2 HV untuk material baja mangan

austenitik, dihasilkan dari hasil proses perlakuan panas annealing.

3. Semakin lambat laju pendinginan proses perlakuan panas (quenching,

normalizing, annealing) material baja mangan austenitik akan

meningkatkan nilai kekerasan material tersebut, yaitu (217.4 HV,

245.0HV, 334.2HV).

4. Struktur mikro material baja mangan austenitik hasil perlakuan panas

quenching adalah karbida dalam matrik austenit (γ), sedangkan hasil

perlakuan panas normalizing dan annealing adalah karbida dalam matrik

ferrit (α)

5. Semakin lambat laju pendinginan proses perlakuan panas (normalizing

dan annealing) material baja mangan austenitik maka presipitasi karbida

yang terbentuk akan semakin banyak

DAFTAR PUSTAKA

1. Donald S. Clark., Wilbur R Varney., Physical Metallurgy For Engineer.,

by American Book Company 1962.

2. Goerge Krauss., Steels Heat Treatment and Processing Principles.

Ohio,1990

3. John D. Verhueren., Fundamentals of Physical Metallurgy., 1975 by John

Wiley & Sons. Inc canada

4. Kenneth G. Budinski., Michael K. Budinski., Engineering Materials

Properties and Selection., Sixth Edition,. 1979 by Prentice Hall. Inc.,

Niacom company New 07458.USA.

9. Metal Handbook vol.7 Attlas of Microstructure of Industrial alloy., ASM

International,1972

10. Oliver and Boyd., Manganese Steel.