PENGARUH PERLAKUAN PANAS TEMPERING GANDA TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG AISI 4340

Hanajit Ranu Sirsyah-12514025 : hanajitr@gmail.com

Program Studi Teknik MetalurgiFakultas Teknik Perminyakan dan Pertambangan

Institut Teknologi Bandung

AbstrakBaja merupakan material yang banyak digunakan di dunia industri khususnya untuk baja tahan aus. Spesifikasi dari baja tahun aus tersebut bervariasi namun menuntut kekerasan yang tinggi namun masih memiliki ketangguhan yang baik. Salah satu metode untuk menghasilkan kekerasan baja yang relatif tinggi adalah melalui perlakuan panas. Perlakuan panas yang umumnya dilakukan terhadap baja karbon sedang adalah Conventional Quenching Tempering, yaitu dengan memanaskan baja hingga mencapai fasa austenite kemudian dilakukan quenching dan tempering untuk mendapatkan struktur martensite yang tidak getas. Penelitian ini berupaya untuk memberikan metode perlakuan panas alternatif untuk menghasilkan kekerasan yang tinggi melalui mekanisme pengecilan ukuran butiran austenite yaitu Double Quenching Tempering (DQT).Baja yang digunakan pada penelitian ini adalah baja karbon sedang AISI 4340. Serangkaian percobaan perlakuan panas DQT dilakukan pada baja ini. Tahapan pertama adalah memanaskan baja pada temperatur 1000 oC selama 45 menit yang disusul dengan quenching dalam media oli pada temperatur kamar. Baja tersebut kemudian dilakukan tempering pertama pada temperatur 200 oC selama 30 menit, dilanjutkan dengan austenifikasi kembali pada 850 oC selama 60 menit. Quenching kedua dilakukan menggunakan media oli pada temperature kamar yang disusul tahap terakhir adalah tempering kedua dilakukan pada temperature 200 selama 60 menit. Pembanding dari perlakuan ini adalah dengan melakukan serangkaian percobaan tanpa tempering pertama terhadap sampel Baja B dengan komposisi sama. Hasil yang diperoleh sebagai berikut, kekerasan untuk Baja A adalah 561,2 HVN dan untuk Baja B adalah 475,1. Ukuran butiran yang dihasilkan pada Baja A adalah 5,65 µm dan untuk Baja B adalah 8,27 µm.

Kata Kunci: Double Quenching Tempering (DQT), Baja Karbon Sedang AISI 4340, Austenifikasi.

I. PendahuluanBaja karbon sedang adalah baja

dengan kadar karbon hingga 0,3%. Baja ini masih menjadi material pilihan untuk penggunaan dalam berbagai bidang, seperti poros, roda gigi, bearing, rel dan roda kereta, bodi panser, backhoe teeth, dan lain lain[1 arga]. Aplikasi dari baja ini

menuntut kekerasan dan ketangguhan yang tinggi. Namun, pada penelitian ini hanya membahas kekerasan yang dikaitkan kepada ukuran butiran.

Perlakuan panas yang diterapkan pada baja karbon sedang umumnya menggunakan metode Conventional Quenching Tempering (CQT) untuk

meningkatkan kekerasannya. Perlakuan panas CQT merupakan perlakuan panas yang digunakan oleh produsen baja dalam negeri untuk memproduksiu baja karbon sedang[1].

Dalam beberapa dekade terakhir, upaya peningkatan kekerasan pada baja ini semakin berkembang yaitu dengan metode Double Quenching Tempering. Berkaitan dengan metode tersebut, penelitian ini membandingkan pengaruh double tempering dengan single tempering terhadap kekerasan dan ukuran butiran.

Pembentukan martensit diakibatkan pendinginan cepat (quenching) hingga temperatur ruangan dari fasa austenite yang tidak diikuti dengan proses difusi atomik. Pada transformasi martensitik, sel yang terbentuk tidak hanya terdistorsi tetapi juga terotasi. Ini dikenal dengan rigid body rotation. Kombinasi distorsi dan rotasi tersebut sering diistilahkan sebagai deformasi kisi (lattice deformation) atau regangan distortif kisi (lattice distortive strain)[2]

Gambar 1.1 Struktur martensit perbesaran 2500x[3]

Struktur martensit seperti yang diperlihatkan Gambar 1.1 memiliki sifat yang sangat keras dikarenakan karbon yang terlarut dalam larutan padat (solid solution) fasa austenite tetap berada di dalam larutan padat pada fasa baru

sehingga baru sehingga menyebabkan distorsi pada kisi.

Pada umumnya, tahapan yang dilakukan terhadap baja setelah quenching adalah tempering. Dengan memanaskan kembali baja pada temperatur tertentu akan memberikan kesempatan untuk karbon bermigrasi dan berdifusi keluar dari matriks, sehingga dapat menghasilkan partikel karbida halus[4].

Tabel 1 : Transformasi yang terjadi selama tempering ferrous martensite[2].

Temperatur ( ̊C)

Transformasi

25-100 Karbon bersegregasi menuju dislokasi dan batas butir.Precipitation clustering dan ordering.

100-200 Transisi presipitasi karbida, diameter 2 nm (tahap pertamatempering). Karbida bisa jadi dalam bentuk n(Fe2C) atau Fe2.4C.

200-350 Transformasi retained austenite menjadi ferrite dancementite (tahap kedua tempering).

250-350 Presipitasi Fe3C berbentuk menjarum (lath) (tahap ketigatempering)

Ukuran butiran mempengaruhi kekerasan dari suatu baja. Hal ini dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa dislokasi bekerja di dalam kristal yang menyebabkan dislokasi bergerak dan akan

bertumpuk pada batas butir. Tumpukan dislokasi tersebut akan diteruskan ke butiran sekitar. Jarak pergerakan dislokasi ditentukan oleh ukuran butiran. Ukuran butiran yang lebih kecil akan mempersempit ruang gerak dari dislokasi sehingga pergerakannya terhambat.

II. Metode PenelitianPenelitian ini dilakukan atas

dasar masalah dan tantangan baja karbon sedang produksi dalam negeri. Baja karbon sedang memiliki keuletan yang baik namun nilai kekerasannya kurang baik. Baja karbon sedang yang digunakan dalam penelitian ini yaitu AISI 4340 dengan komposisi seperti yang ditunjukan pada Gambar 1.2

Gambar 2.1 Komposisi baja AISI 4340(sumber : www.tatasteelnz.com)

Selanjutnya dilakukan studi literature untuk mengetahui mekanisme penguatan yang dapat dilakukan pada baja karbon sedang. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Sanij dkk.[7] menunjukkan bahwa penghalusan ukuran butir austenite dapat meningkatkan sifat mekanis pada baja quench dan tempering.

Penghalusan ukuran butir dapat dicapai dengan cara quenching dan tempering ganda. Pada penelitian sanij dkk. Terjadi peningkatan kuat luluh,UTS,ketangguhan,dan elongasi pada baja karbon sedang AISI 4340 yang

diberikan perlakuan panas quenching dan tempering ganda dibandingkan quenching dan tempering.

Kemudian disusunlah percobaan berupa perlakuan panas quenching dan tempering ganda pada baja karbn sedang AISI 4340 dengan mekanisme perlakuan untuk sampel Baja A dilakukan austenifikasi pertama (A1) pada temperature 1000oC dengan penahanan selama 45 menit ,kemudian dilakukan quench menggunakan media oli, selanjutnya sampel Baja A dilakukan tempering pertama (T1) pada temperature 200oC selama 90 menit.

Selanjutnya dilakukan austenifikasi kedua (A2) pada temperature 850oC dengan penahanan selama 30 menit, kemudian dilakukan quench lagi menggunakan media oli, setelah itu sampel pertama (G1) dilakukan tempering kedua (T2) pada suhu 200oC dengan penahanan selama 90 menit, selanjutnya dilakukan quench lagi menggunakan media pendingin oli seperti di .

Perlakuan untuk sampel Baja B, dilakukan austeniifikasi pertama (A1) pada temperatur 1000oC dengan penahanan selama 45 menit, kemudian sampel dilakukan quench menggunkan media pendingin oli. Setelah itu sampel di austeniifikasi kedua (A2) pada temperatur 850oC dengan penahanan selama 30 menit, selanjutnya sampel di quench menggunakan media pendingin oli. Setelah itu sampel Baja B dilakukan tempering pertama (T1) pada temperature 200oC selama 90 menit, kemudian sampel di quench lagi menggunakan media pendingin oli.

Gambar 2.2 Rangkaian percobaan untuk sampel Baja A

Gambar 2.3 Rangkaian percobaan untuk sampel Baja B

Proses austenifikasi dilakukan di atas garis A3 pada diagram fasa Fe-Fe3C, sedangkan proses tempering dilakukan dibawah garis A1. Temperatur A3 dan A1 dapat ditentukan dengan persamaan berikut terhadap komposisi kimia baja[17

arsyad].

Dari persamaan tersebut diperoleh temperatur A1 = 671 ± 11,5oC dan A3 = 780,86 ± 16,7oC. Serangkaian pegujian meliputi pengujian kekerasan, penglihatan mikrostruktur, dan pengetsaan menggunakan asam pikrat dan nital 3% kemudian dilakukan terhadap sampel. Hasil percobaan yang diperoleh kemudian dianalisis dengan dukungan studi literatur.

Selanjutnya penelitan kemudian ditutup dengan kesimpulan.

Berikut gambar pengukuran menggunakan ASTM E 112 pada sampel Baja B dan sampel Baja A:

Gambar 2.4 Rangkaian percobaan untuk sampel Baja B

Gambar 2.5 Rangkaian percobaan untuk sampel Baja A

Proses perhitungan ukuran butir prior austenite menggunakan perhitungan standar ASTM E 112 sebagai berikut :1. Gambar pola pada struktur mikro hasil

prior austenite.2. Hitung jumlah butiran yang terpotong

oleh pola. Jika pola memotong seluruh bagian butiran maka dihitung 1 jika tidak maka dihitung 0,5.

3. Hitung ukuran butiran(d) dengan persamaan berikut[21arga].

L adalah panjang pola(mm), Nadalah jumlah butir yang terpotong oleh pola, Mm adalah panjang skala pada hasil struktur mikro(µm), dan Mr adalah panjang skala nyata pada gambar(mm).

4. Ulangi langkah 1-3 pada 5 titik yang berbeda.

5. Setelah diperoleh 6 titik, hitutng rata-rata ukuran butir (d̅) dengan cara menjumlahkan seluruh ukuran butiran dari 6 titik dibagi 6.

6. Kemudian hitung standar deviasi(s) dengan persamaan berikut ;

di adalah ukuran butiran pada suatu titik pengujian , dan d̅ adalah ukuran butiran rata-rata, dan n adalah jumlah titik pengujian dalam kasus ini 6.

7. Hitung 95% interval kepercayaan (95% CI) dengan persamaan berikut:

8. Kemuudian hitung % akurasi relatif (%RA) menggunakan persamaan berikut[8] :

9. Apabila % akurasi relatif yang didapatkan kurang dari sama dengan 10% maka ukuran butiran rata-rata yang diperoleh sudah sesuai,namun apabila lebih besar dari 10% maka harus ulangi lagi dari langkah pertama.

III. Hasil dan PembahasanPerbedaan perlakuan yang

dilakukan terhadap sampel baja karbon sedang paada penelitian menghasilkan pengaruh yang berbeda pula. Serangkaian percobaan dilakukan untuk mempelajari pengaruh tempering ganda terhadap pengecilan ukuran butiran dan kekerasan. Dilakukan penelitian terhadap temperatur austenifikasi pertama, kedua dan temperatur tempering untuk masing

masing sampel sama pada baja karbon sedang.

Proses austenifikasi dilakukan di atas garis A3 pada diagram fasa Fe-Fe3C,sedangkan proses tempering dilakukan dibawah garis A1. Temperatur A3 dan A1 dapat ditentukan dengan persamaan berikut terhadap komposisi kimia baja[17 arsyad].

Dari persamaan tersebut diperoleh temperatur A1 = 671 ± 11,5oC dan A3 = 780,86 ± 16,7oC. Serangkaian pegujian meliputi pengujian kekerasan, penglihatan mikrostruktur, dan pengetsaan menggunakan asam pikrat dan nital 3% kemudian dilakukan terhadap sampel.

Temperatur austenifikasi pertama dilakukan pada temperatur yang cukup tinggi yaitu 1000 oC dengan tujuan untuk melarutkan karbida kasar[6]. Waktu tahan austenifikasi pertama ini cukup lama yaitu 45 menit sehingga besar kemungkinan terjadi pengkasaran butiran. Untuk menghaluskan butiran austenit, perlu dilakukan pemanasan kembali pada temperatur austenifikasi dibawah temperatur austenifikasi tahap pertama yang dilakukan[9], yaitu dibawah temperatur 1000 °C. Pada Bab II telah dijelaskan bahwa temperatur A3 baja ini adalah 800 16.7 oC sehingga temperatur austeniasi kedua adalah 850 oC selama 30 menit. Waktu tahan austenifikasi pertama dan kedua disadur dari penelitian Liu dkk[6].

Tahap austenifikasi akan menghasilkan butiran prior austenite, dimana bagian dalam

dari butiran prior austenite tersebut menjadi tempat pembentukan fasa martensit berbentuk block dan packet yang ditunjukkan oleh ilustrasi gambar. Etsa dengan menggunakan asam pikrat + teepol + HCl menjadi metode untuk menunjukkan batas prior austenite.

Gambar 3.1 Struktur prior austenite dan martensit dengan menggunakan SEM

Lebar batasan prior austenite yang ditunjukkan pada Gambar 3.2. dalam satu bagian prior austenite tidak seragam yang akan menghasilkan ukuran butiran yang tidak seragam pula.

Gambar 3.2 Lebar prior austenite yang tidak seragam dengan menggunakan SEM

Temperatur tempering dipilih berdasarkan perhitungan pada Bab 2 yaitu maksimal (A1) adalah 600 16.7 oC. Temperatur 200 dipilih agar terjadi presipitasi karbida sesuai Tabel 1 dengan waktu tahan 60 menit. Waktu tahan tempering pertama ataupun tempering kedua disadur dari penelitian Liu dkk[6].

Gambar 3.3 Diagram Fe – Fe3C dan penentuan temperatur A1 dan A3

Quenching yang dilakukan akan menghasilkan struktur martensit yang berbentuk relatif

runcing. Saat proses tempering berlangsung, martensit yang runcing tersebut akan mengalami transformasi menjadi tempered martensite dimana bentuk martensit ini lebih tidak runcing dibanding martensit sebelumnya. Transformasi bentuk martensit ini tidak terjadi pada semua martensit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Perbandingan struktur martensit (M) dan tempered martensite

(TM)

Ukuran butiran Baja A berbeda sekitar 2,6 μm lebih besar di banding Baja B. Ukuran butiran dihitung dari hasil gambar yang ditunjukkan oleh optical microscope dengan menggunakan etsa asam pikrat + teepol + HCl. Dari gambar 3.5 dan 3.6 dan grafik 3.1 terlihat bahwa ukuran butiran

sampel Baja A lebih kecil dari sampel Baja B.

Hal ini disebabkan oleh adanya tempering ganda pada sampel Baja A. Tempering pertama pada sampel Baja A akan menghasilkan transisi presipitasi karbida yang letaknya tidak dapat ditentukan karena ukurannya relatif kecil sehingga tidak terdeteksi oleh alat yang digunakan, namun pada umumnya difusi karbida akan menuju batas butiran austenit. Karbida karbida yang tersebar tersebut akan menjadi tempat pengintian baru dari prior austenite pada tahapan austenifikasi kedua.

Gambar 3.5 Struktur mikro (a) sampel Baja A dan (b) sampel Baja B dengan

menggunakan optical microscope perbesaran 500X serta etsa asam pikrat +

teepol + HCl

Gambar 3.6 Struktur mikro (a) sampel Baja A dan (b) sampel Baja B dengan

menggunakan optical microscope perbesaran 1000X serta etsa asam pikrat +

teepol + HCl

Grafik 3.1 Perbandingan ukuran butiran sampel Baja A dan sampel Baja B

Kekerasan yang dihasilkan pada sampel Baja A lebih tinggi

dibandinkan dengan sampel Baja B sesuai dengan data yang diberikan grafik 3.2 dan Tabel 2. hal ini berkaitan dengan pengecilan ukuran butiran pada sampel Baja A.

Grafik 3.2 Perbandingan kekerasan sampel Baja A dan sampel Baja B

Tabel 2 Hasil kekerasan untuk sampel Baja A dan sampel Baja B

Data Kekerasan Sampel

SampelTititk

Pengujian

Kekerasan Kekerasan Rata-Rata(HVN)

Konvensional Treatment

1 454.6

458.22 456

3 464.1

Single Tempering

1 473.2

475.12 475.1

3 477

Double Tempering

1 536

561.22 581.7

3 565.8

IV. KesimpulanDari serangkaian analisis dan

pembahasan pengaruh tempering ganda

terhadap sampel Baja A, maka diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:1. Pengaruh tempering ganda

menghasilkan ukuran butiran prior austenite pada baja A sebesar 5,65µm dengan persen error perhitungan 8,1%,sedangkan ukuran butiran prior austenite pada baja B sebesar 8,27 µm dengan perrsen error perhitungan 5,89%.

2. Pengaruh tempering ganda pada baja A menghasilkan nilai kekerasan sebesar 561,2 HVN. Sedangkan nilai kekerasan pada baja B memiliki nilai kekerasan sebesar 475,1 HVN lebih besar dari metode CQT,berdasarkan tabel 2.

3. Ukuran butiran prior austenite pada sampel baja A lebih kecil dari ukuran butiran prior austenite pada baja B,sesuai dengan hipotesis bahwa semakin keras maka ukuran butir akan semakin kecil.

4. Nilai kekerasan pada baja A bernilai lebih besar daripada nilai kekerasan pada baja B.

5. Perlakuan panas tempering ganda menghasilkan nilai kekerasan yang lebih besar di ikuti dengan nilai ukuran butiran prior austenite yang kecil.

V. Daftar Pustaka[1] Reza Pebrian H., Studi Pengaruh

Media Quenching Dan Temperatur Tempering Pada Sifat Mekanik Baja Tahan Aus, Tugas Akhir, Program Studi Sarjana Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2012

[2] Porter, D. A., Easterling, K. E., dan Sherif, Y. M., Phase Transformation

in Metals and Alloys, 3rd ed, CRC Press, Boca Raton, 2009.

[3] Avner, S.H., Introduction to Physical Metallurgy, second edition, Mc-Graw Hill, New York, 1974.

[4] Teichert, E. J., dan Fisher, J. L., Ferrous Physical Metallurgy, 4th ed., Pensylvania, 1955.

[5] Teichert, E. J., dan Fisher, J. L., Ferrous Physical Metallurgy, 4th ed., Pensylvania, 1955.

[6] Liu, J., Yu, H., Zhou, T., Song, C., dan Zhang, K., Effect of Double Quenching and Tempering Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of a Novel 5Cr Steel Processed by Electro-Slag Casting, Material Science & Engineering, A 619, (2014), 212-220.

[7] Sanij, M. H. K., Banadkouki, S. S. G., Mashreghi, A. R., dan Moshrefifar, M., The Effect of Single and Double Quenching and Tempering Heat Treatments on The Microstructure and Mechanical Properties of AISI 4140 Steel, Materials and Design, 42, (2012),339-346

[8] ASTM Standard E 112 – 96, 1996, Standard Test Methods fo Determining Average Grain Size, ASTM International.

[9] Xiong, X., Yang, F., Zou, X., dan Suo,J., Effect of Twice Quenching and Tempering on the Mechanical Properties and Microstructures of SCRAM Steel for Fusion Application, Journal of Nuclear Materials, 430, (2012), 114-118.