PENGARUH TEMPERING MENGGUNAKAN PEMANAS INDUKSI TERHADAP
NILAI KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO MATERIAL BAJA ST-60
PASCA QUENCHING
A.P. Bayuseno*, E. Yohana, M. Dzulfikar, D.I. Prasetyo, M. Khafidh dan R. Ismail* Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, Kampus UNDIP Tembalang Semarang 50275 *Email: abayuseno@yahoo.com dan r_ismail@undip.ac.id
Abstrak
Salah satu fungsi penting alat pemanas induksi (induction heating) adalah pengerasan permukaan pada logam. Meskipun pengerasan menggunakan pemanas induksi telah berkembang pesat di luar negeri ternyata metode ini masih belum populer di Jawa Tengah. Sejumlah Industri Kecil dan Menengah di Jawa Tengah masih terbatas menggunakan proses pengerasan menggunakan furnace sehingga peningkatan kekerasan dialami seluruh bagian logam. Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan proses quenching menggunakan metode pemanas induksi untuk pengerasan permukaan. Nilai kekerasan yang dihasilkan pada proses quenching masih terlalu tinggi (55-60 HRC) sehingga perlu diturunkan menggunakan proses tempering hingga mencapai nilai kekerasan yang diharapkan (50 HRC). Tujuan dari penelitian ini adalah eksperimen proses tempering menggunakan alat induction heating pada material baja ST-60 yang telah mengalami proses quenching. Variasi yang dilakukan adalah nilai temperatur pemanasan dan durasi waktu penahanan pemanasan. Spesimen dianalisa dengan uji kekerasan makro dan uji mikrografi. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai kekerasan mengalami penurunan menjadi 50 HRC sesuai dengan target dan hasil uji mikrografi menunjukkan perbedaan struktur mikro martensite di tepi benda uji dan fearite-pearlite di tengah benda uji.
Kata kunci: pemanas induksi, pengerasan permukaan, quenching, tempering. Pendahuluan
Pemanas induksi merupakan teknologi praktis yang telah banyak dikembangkan pada berbagai aplikasi industri, misalnya pengerasan permukaan pada industri komponen otomotif, pengelasan pada industri manufaktur logam, teknologi pemanasan pada industri pengecoran dan teknologi pemanasan pada industri pembentukan logam (Rudnev, 2003). Pada teknologi pengerasan logam di berbagai industri, keuntungan yang dimiliki teknologi pemanas induksi adalah akurasi titik/lokasi pemanasan dan temperatur pemanasan (Bowyer, 1987). Akibat pemanasan yang bersifat selektif maka energi yang diperlukan lebih sedikit daripada pemanasan pada keseluruhan produk, waktu yang dibutuhkan lebih singkat dan mengurangi distorsi panas yang berlebihan.
Baja karbon menengah memenuhi persyaratan untuk mendapatkan pengerasan secara langsung. Pengerasan dilakukan dengan memanaskan benda kerja hingga temperatur austenisasi dilanjutkan dengan proses pencelupan di dalam media pendingin. Teknik ini dapat digunakan untuk pengerasan roda gigi, poros engkol, batang katup, pin, rel dll. Penelitian dan industri di luar negeri menunjukkan bahwa teknologi ini telah berkembang sangat pesat (Rudnev, dkk., 2003). Meski demikian masih sedikit penelitian dan aplikasi pemanas induksi di dalam negeri, baik di universitas maupun di IKM. Pada survei lapangan yang dilakukan tim peneliti di beberapa industri kecil dan menengah (IKM) produk logam yang terletak di Tegal, Jawa Tengah menunjukkan bahwa teknologi pemanas induksi (induction heating) belum berkembang dengan baik. Tegal yang terletak di sisi utara Provinsi Jawa Tengah merupakan salah satu tolok ukur perkembangan industri manufaktur logam IKM nasional. Pada kenyataannya, proses pengerasan yang dikenal di Tegal masih sebatas penggunaan tungku pemanas atau dapur peleburan.
Salah satu produk yang memerlukan pengerasan permukaan adalah pin kereta api yang dipesan oleh Balai Yasa PT. KAI. Kebutuhan PT. KAI adalah mengeraskan permukaan pin yang akan digunakan pada gerbong kereta api. Selama ini IKM di Tegal masih mengeraskan permukaan menggunakan tungku sehingga mengeraskan hampir
9
54,
2 2 mm
seluruh bagian permukaan pin. Kontribusi pemerintah dan peneliti dari universitas sangat diharapkan dalam membantu dan mendukung IKM untuk mengatasi permasalahan dan memenangkan persaingan di era perdagangan bebas. Penelitian ini merupakan bentuk kontribusi dari peneliti di universitas untuk membantu masalah di IKM mengenai penerapan teknologi induction heating yang belum berkembang dengan baik.
Beberapa penelitian pendahuluan telah dilakukan berkaitan dengan simulasi dan pemodelan pengerasan permukaan (Ismail, 2009a, Ismail, 2009b dan Jamari 2011), uji coba pengerasan permukaan menggunakan pemanas induksi pada roda gigi (Ismail, 2011) dan pemanfaatan pemanas induksi untuk beberapa keperluan IKM (Ismail, 2013). Untuk kasus pin yang terbuat dari material ST 60, Ismail dkk. (2014) telah meneliti pengerasan quenching menggunakan alat pemanas induksi dan menghasilkan nilai kekerasan permukaan yang berkisar antara 55-60 HRC. Nilai kekerasan pin yang dibutuhkan adalah 50 HRC sehingga dibutuhkan proses penurunan kekerasan menggunakan metode tempering. Penurunan kekerasan permukaan dapat dilakukan menggunakan alat pemanas induksi.
Temperatur adalah faktor lingkungan terpenting untuk mengubah sifat material. Pengaturan temperatur sering digunakan untuk memperoleh sifat yang diinginkan dengan merubah struktur mikronya. Tempering didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan di bawah temperatur kritis yang dilanjutkan dengan proses pendinginan udara. Dari proses tempering akan dihasilkan penurunan kekerasan, penurunan kekuatan tarik, peningkatan keuletan dan peningkatan ketangguhan baja. Meskipun proses ini menghasilkan baja yang lebih lunak, proses ini berbeda dengan proses anil (annealing) karena dalam tempering sifat-sifat fisis dapat dikendalikan dengan cermat (Ashby, 1998). Tujuan dari penelitian ini adalah menyajikan laporan teknis dari penggunaan induction heating terhadap nilai kekerasan makro dan struktur mikro material ST 60 akibat proses tempering dengan variasi nilai temperatur dan lama waktu penahanan.
Metodologi Penelitian
Material Benda Uji
Material yang digunakan sebagai benda uji adalah baja karbon menengah ST-60 (kadar karbon berkisar 0,45 – 0,5 %) yang telah di-quenching sebagaimana dilaporkan pada penelitian sebelumnya (Ismail, dkk., 2014). Peletakan benda uji pada koil pemanas dan dimensi benda uji ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Posisi benda uji pada koil pemanas induksi dan dimensi benda uji
Peralatan Percobaan
Peralatan utama yang digunakan adalah sebuah alat induction heating yang secara umum terdiri dari inverter, trafo, pompa untuk mengalirkan air pendingin serta koil pemanas yang berfungsi mengalirkan eddy current pada benda uji (Gambar 1). Gambar 2 menunjukkan alat induction heating yang digunakan dalam penelitian ini. Pengukur temperatur yang digunakan adalah termometer inframerah serta termokopel dan display. Pengukuran kekerasan dan gambar mikrografi didapatkan dengan menggunakan alat uji kekerasan Rockwell dan mikroskop optik Olympus di Laboratorium Bahan dan Teknik Jurusan Teknik Mesin UNDIP.
10 mm 27 mm
Gambar 2. Alat pemanas induksi
Prosedur Pengujian
Pengujian ini diawali penyiapan spesimen yang sudah dilakukan proses quenching dengan media pendingin oli, menggunakan frekuensi induksi sebesar 55 – 60 KHz dengan tebal pengerasan antara 3-6 mm sebagaimana dijelaskan Ismail dkk. (2014). Langkah berikutnya adalah membuat koil sebagai media pemanas induksi untuk proses
tempering. Pada tahap eksperimen, benda uji ST-60 hasil quenching diletakkan di
tengah-tengah koil pemanas dan dipanaskan dengan variasi temperatur waktu pemanasan. Tiga buah variasi pemanasan yang dipilih adalah: (i) temperatur 300oC dengan waktu penahan 20 detik, (ii) temperatur 300oC dengan waktu penahan 40 detik dan (iii) temperatur 350oC dengan waktu penahan 20 detik. Hal ini dipilih untuk mendapatkan pengaturan yang sesuai agar kekerasan pada benda uji sesuai yang diinginkan yaitu sekitar 50 HRC. Setelah selesai masa pemanasan induksi, material dibiarkan di udara terbuka agar temperatur turun secara alamiah mencapai temperatur ruang. Prosedur selanjutnya adalah melakukan pengujian nilai kekerasan dan uji mikrografi.
Hasil dan Pembahasan
Temperatur
Gambar 3 menunjukkan tiga variasi temperatur dan lama penahanan yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan alat pemanas induksi. Untuk mencapai temperatur temper yang diharapkan dibutuhkan waktu sekitar 35 – 40 detik.
Gambar 3. Variasi temperatur dan lama penahanan proses tempering: Spesimen 1 dengan T = 300oC dan t = 20 detik, Spesimen 2 dengan T = 300oC dan t = 40 detik dan
(a) (b)
Gambar 4. Pengujian nilai kekerasan pada benda uji: (a) skema rencana lokasi pengujian kekerasan dan (b) hasil pengujian kekerasan pada benda uji ST-60
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Kekerasan
Gambar 4 menunjukkan lokasi pengujian kekerasan benda uji. Total terdapat 8 lokasi pengujian dimana masing-masing sisi permukaan benda uji terdapat 4 lokasi pengujian (lokasi A, B, C dan D). Pada setiap lokasi pengujian terdiri dari 10 titik sebagai fungsi keadalaman pengerasan. Hasil pengujian distribusi kekerasan hasil quenching terlihat pada Gambar 5 (a, c dan e) sedangkan hasil pengujian distrubusi kekerasan hasil
tempering terlihat pada Gambar 5 (b, d dan f).
Gambar 5 (a-b) menunjukkan perbedaan kekerasan yang terjadi pada Spesimen 1, pasca proses quenching (a) dan pasca proses tempering (b). Pada tepi benda uji, kekerasan material mengalami penurunan dari sekitar 55 HRC pada quenching menjadi sekitar 45 HRC setelah tempering. Gambar 5 (c-d) menunjukkan perbedaan kekerasan yang terjadi pada Spesimen 2, pasca proses quenching (c) dan pasca proses tempering (d) dengan nilai kekerasan mengalami penurunan dari sekitar 57 HRC menjadi sekitar 52 HRC. Gambar 5 (e-f) menunjukkan perbedaan kekerasan yang terjadi pada Spesimen 3, pasca proses quenching (e) dan pasca proses tempering (f) dengan nilai kekerasan mengalami penurunan dari sekitar 56 HRC menjadi sekitar 50 HRC. Ketiga variasi pengujian yang telah dilaksanakan menghasilkan nilai kekerasan akhir berkisar antara 45 – 52 HRC dan memenuhi range kekerasan yang ditargetkan. Meski demikian proses pengerasan permukaan menggunakan pemanas induksi memerlukan pengulangan data yang lebih banyak sehingga didapatkan kisaran yang nilai kekerasan yang lebih tepat.
Struktur mikro
Pengujian struktur mikro berguna untuk mengetahui perubahan struktur yang terjadi pada material dari tepi sampai tengah material. Gambar 6 (a-d) menunjukkan evo-
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 6. Evolusi struktur mikro pada Spesimen 3: (a) jarak 2 mm dari tepi, (b) jarak 4 mm dari tepi (c), jarak 6 mm dari tepi dan (d) jarak 8 mm dari tepi
lusi struktur mikro yang terjadi pada material dengan perbesaran 100X. Gambar 6 (a) diambil 2 mm dari tepi benda uji menunjukkan transformasi struktur mikro yang berubah menjadi martensite, hal ini relevan dengan pengukuran kekerasan yang meningkat tajam. Gambar 6 (b-c) menunjukkan struktur mikro pada jarak 4 dan 6 mm dari permukaan benda uji. Perubahan struktur mikro secara bertahap akibat efek dari pemanasan dimana perlakuan panas pada bagian ini tidak mencapai suhu austenisasi. Kemudian, struktur mikro dengan fasa mendekati ferite-perlite (Gambar 6 d) sebagai mikro-struktur awal benda uji ST 60 mulai ditemukan pada kedalaman 8 mm.
Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan bahwa alat induction heating dapat digunakan untuk melakukan proses tempering guna menurunkan kekerasan benda uji ST-60 akibat
quenching dari sekitar 55-57 HRC menjadi berkisar 45-52 HRC. Ketiga variasi yang dipilih
pada percobaan ini mampu menghasilkan penurunan kekerasan hingga memenuhi target yang diharapkan. Proses pengulangan pengujian diperlukan untuk mendapatkan kisaran penurunan kekerasan yang lebih tepat. Struktur mikro dari material berevolusi dari
ferite-pearlite pada pusat benda uji menjadi martensit pada tepi benda uji. Hal ini sesuai dengan
hasil uji kekerasan dimana kekerasan pada tepi benda uji mengalami peningkatan tajam sedangkan pada pusat benda uji tidak mengalami peningkatan. Penelitian ini memberikan kontribusi pada IKM untuk mengembangkan teknologi induksi pada masa mendatang. Ucapan Terima kasih
Tim peneliti mengucapkan terimakasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan, Republik Indonesia untuk pendanaan hibah penelitian MP3EI dengan nomor kontrak 545/SK/UN7.3.3/VI/2013.
Daftar pustaka
M.F. Ashby, D.R.H. Jones, 1998, Engineering Materials 2: An Introduction to
Microstructures, Processing and Design, 2nd Edition, Butterworth Heinemann, Oxford, UK.
E. Bowyer, 1987, Practical Heat Treating, American Society for Metal (ASM), Ohio, US. R. Ismail, M. Tauviqirrahman, Jamari dan D.J. Schipper, 2009, Finite Element Analysis of Sliding Contact of a Hard Cylinder on a Layered Elastic-Plastic Solid," Proceedings of
International Conference on Advances Mechanical Engineering (ICAME), Shah Alam,
Malaysia.
R. Ismail, M. Tauviqirrahman, Jamari dan D.J. Schipper, 2009, "The Finite Element Study of Static Contact on Multilayered Solids," The 6th International Conference on Numerical
Analysis in Engineering, Mataram, Nusa Tenggara Barat, Indonesia.
R. Ismail, Jamari, M. Tauviqirrahman, Sugiyanto dan T. Andromeda, 2011, Surface Hardening Characterization of Transmission Gears, Prosiding Seminar Nasional Sains
dan Teknologi 2, Universitas Wahid Hasyim, Semarang.
R. Ismail, M. Tauviqirrahman, A.P. Bayuseno, Sugiyanto dan Jamari, 2013, Pemanfaatan Alat Pemanas Induksi untuk Industri Kecil dan Menengah, Prosiding Seminar Nasional
Mesin dan Teknologi Kejuruan, Universitas Negeri Jakarta, Jakarta.
R. Ismail, D. I. Prasetyo, M. Tauviqirrahman, E. Yohana dan A.P. Bayuseno, 2014, Induction Hardening of Carbon Steel Material: The Effect of Specimen Diameter,
Jamari, R. Ismail dan M. Tauviqirrahman, 2011, Modeling of Surface Hardening Layer on Transmission Gear, International Conference and Exhibition on Sustainable Energy and
Advanced Materials (ICE SEAM 2011) Solo-Indonesia.
V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook dan M. Black, 2003, Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker Inc., USA.
