PENERAPAN PROSES PERLAKUAN PANAS QUENCHING-TEMPERING
UNTUK MENINGKATKAN KEKUATAN DAN KETANGGUHAN PELAT
BAJA ABS GRADE A SEBAGAI MATERIAL LAMBUNG KAPAL
PERANG
R. Dwisunu Aji Ibrahim, Myrna Ariati Mochtar, Bondan Tiara Sofyan
Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia.
E-mail: dwisunuaji@yahoo.com myrna@metal.ui.ac.id bondan@eng.ui.ac.id
ABSTRAK
Lambung kapal terbuat dari baja ABS grade A dengan spesifikasi ABS (American Bureau of Shipping), dengan persyaratan kekuatan dan ketangguhan yang tinggi. Dalam penelitian ini, perlakuan panas Quenching dan Tempering (QT) dilakukan untuk pelat baja ABS grade A yang dibuat oleh PT. Krakatau Steel, untuk mendapatkan kekuatan dan ketangguhan yang tinggi. Setelah austenisasi pada temperatur 900 °C selama 10 menit diikuti dengan Quenching dalam air, oli dan udara. Tempering dilakukan pada temperatur 200 °C selama 20 menit. Laju pendinginan direkam oleh data akuisisi. Dilakukan pengujian tarik, impak (pada temperatur 0 °C, -20 °C dan -40 °C), Kekerasan dan pengamatan struktur mikro. Penelitian menunjukkan bahwa perlakuan panas Quenching dan Tempering (QT) dapat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan pelat baja ABS grade A. Perlakuan panas Quenching-Tempering dapat merubah mikro struktur dari ABS A as-rolled (ferit dan perlit ) menjadi ABS as-QT (ferit, bainit dan sisa austenit). Perlakuan panas QT air dapat meningkatkan kekuatan tarik, kekerasan dan ketangguhan pada baja ABS A as-rolled.
Kata kunci: Baja ABS Grade A, Lambung Kapal Perang, Quenching Tempering. ABSTRACT
Hull ship are made of ABS steel plate with the ABS (American Bureau of shipping) grade A specification’s and high strength and toughness requirement. In this research the ABS grade A steel made by PT. Krakatau Steel, has been heat treated by quenching and tempering (QT) process to obtain the high strength and toughness requirement. After austenization process at 900 °C with the holding time of 10 minutes, the steel was quenched in water,oil and air media. Tempering treatment has been done at temperature of 200 °C with the holding time of 20 minutes. Cooling rate were recorded by data aquisition. Moreover, tensile testing, impact (at temperature of 0 °C, -20 °C and -40 °C), hardness test and microstructure observations has been conducted. The research shown that Quenching and Tempering (QT) heat treatment can improve ABS’s-grade A steel plate strength and toughness. Improvement in the microstructure of the as-rolled ABS A (ferrite and pearlite) into ABS as-QT (ferrite, bainite and residual austenite). QT-water heat treatment can improve the tensile strength, hardness and toughness of the steel ABS A as-rolled.
1. PENDAHULUAN
Kebutuhan pembuatan kapal perang menjadi salah satu faktor pendukung untuk mewujudkan pertahanan negara. Jenis kapal perang yang dimiliki oleh TNI Angkatan Laut saat ini antara lain kapal korvet, frigat, selam, patrol dan rudal [1]. Salah satunya adalah kapal korvet yang masih dibuat di Belanda oleh perusahaan SNS (Schelde Naval Shipbuilding) Vlissingen. Kelas kapal korvet kelas SIGMA (Ship Integrated Geometrical Modularity Approach) antara lain KRI Hasanuddin dan KRI Dipenogoro pada tahun 2007, KRI Sultan iskandar muda pada tahun 2008 dan KRI Frans kaisiepo pada tahun 2009.
Maka diperlukan perakitan kapal nasional untuk meningkatkan industri pertahanan Indonesia. Karena itulah dicari teknologi untuk membuat kapal perang nasional, salah satunya adalah pembuatan material pelat lambung kapal perang.
PT. Krakatau Steel saat ini telah memproduksi jenis baja ABS (American Buerue of Shipping ) grade A yang merupakan salah satu material lambung kapal yang sesuai dengan standar ABS. Sekarang ada lima kualitas yang berbeda dari baja paduan rendah dalam standar ABS yang digunakan dalam komersial kapal kontruksi. Klasifikasi baja tersebut grade A, B, C, D dan E. baja ABS grade A adalah salah satu yang paling banyak digunakan dalam kelas baja kontruksi kapal di PT. Krakatau Steel[2].
Pada penelitian ini dipelajari pengaruh perlakuan panas quenching-tempering terhadap sifat mekanis, struktur mikro, dan mekanisme pembentukan fasa pada baja ABS grade A hasil produksi PT. Krakatau Steel Tbk. untuk dapat diaplikasikan pada lambung kapal perang.
2. METODE PENELITIAN
Material baja ABS grade A berasal dari PT. Krakatau Steel yang merupakan hasil dari proses hot rolling (as-rolled) dengan komposisi yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengujian komposisi ABS grade A as-rolled.
C Mn P S Si Cr Ni Mo Cu V Nb
Gambar 1. Parameter penelitian perlakuan panas QT material ABS grade A.
Pada Gambar 1, proses perlakuan panas meliputi austenisasi pada temperatur 900 oC selama 10 menit yang dilakukan dalam dapur muffle. Pendinginan dilakukan pada 3 media yaitu air, oli, dan udara. Proses pendinginan diamati dengan menggunakan akuisisi data yang kurva pendinginannya diplot pada diagram TTT (Time-Temperature Transformation)[6] material baja ABS grade A(dapat dilihat pada Gambar 2).
Gambar 2. Diagram CCT pada ABS A dengan media air (a), oli(b) dan udara(c).
Dari beberapa media pendingin (air, oli, dan udara) dapat dilihat masing-masing kecepatan pendinginan (lihat Gambar 2). Untuk media pendingin air dengan kecepatan pendingan 91,02
o
C/s, media pendingin oli dengan kecepatan pendingan 33,87 oC/s, dan media pendingin udara dengan kecepatan pendingan 2,22 oC/s. Selanjutnya pada sampel yang didinginkan dengan media air dan oli dilakukan pemanasan tempering pada temperatur 200 oC selama 20 menit diikuti dengan pendinginan dengan media air.
Karakterisasi meliputi uji kekerasan menggunakan metode Brinell dengan indenter bola baja berdiameter 2,5 mm, beban sebesar 187,5 kg, dan waktu indentasi selama 15 detik. Pengujian impak dilakukan dengan metode charpy dan sampel dipotong sesuai dengan arah roll (longitudinal) dengan sudut 60°dan 0,5 mm. Pengujian impak dilakukan pada 3 temperatur yaitu 0 oC, -20 oC, dan -40 oC. Sifat tarik diamati melalui pengujian tarik sesuai dengan standar ASTM E8 dengan sampel subsize ketebalan 6 mm dan sampel dipotong sesuai dengan arah roll (longitudinal). Pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik dan EDX-SEM dengan persiapan sampel standar menggunakan media poles TiO2 dan etsa nital 2-3 %.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Pelakuan Panas QT terhadap Kekerasan Material
Pada pengujian kekerasan ABS A dilakukan pada 3 posisi transversal, planar dan longitudinal. Hasil dari pengujian kekerasan ABS A as-rolled didapat bahwa posisi longitudinal memiliki kekerasan tertinggi yaitu 173 BHN, sedangkan untuk posisi transversal dan planar masing-masing 162 BHN dan 150 BHN.
Pengaruh perlakuan panas QT dapat merubah kekerasan material ABS A as-rolled. Terlihat pada Gambar 3 kekerasan setelah dilakukan perlakuan panas quenching dapat meningkat. Kekerasan tertinggi terlihat pada perlakuan panas quenching dengan media air 314 BHN. Namun setelah dilakukan QT material ABS A mengalami penurunan kekerasan 221 BHN. Berdasarkan hasil pengaruh perlakuan panas tempering pada material ABS A dapat menurunkan kekerasan hal ini dipengaruhi oleh kandungan karbon dari material ABS A dan waktu tempering penggunaan pada temperatur 200 °C[3][4]. Namun dengan berkurangnya kekerasan maka ketangguhan akan meningkat.
Gambar 3. Hasil kekerasan ABS A as-Rolled dan ABS A setelah Quenched Tempered (2.5/187,5).
Pengaruh Pelakuan Panas QT terhadap Hasil Uji Impak
Hasil uji impak ABS A as-rolled mempunyai energi impak yang masuk dalam standar ABS A 22 Joule[5], yaitu 49 Joule. Perlakuan panas QT material ABS A mempunyai pengaruh terhadap meningkatnya ketangguhan dari material ABS A as-rolled yang dapat dilihat pada Gambar 4.
Pada proses perlakuan panas quenching menggunakan media udara, air dan oli, energi impak dapat meningkat dari material ABS A as-rolled. Pengaruh media quenching dapat menghasilkan energi impak yang berbeda. Media quenching air memiliki nilai tertinggi dibandingkan media udara dan oli.
Gambar 4.Pengaruh perlakuan panas material ABS A terhadap energi impak. Material ABS A Keker as an ( B HN )
Pada proses perlakuan panas tempering menggunakan media air dan oli, hasil energi impak semakin meningkat. Media air pada proses tempering memiliki hasil tertinggi yaitu 319 Joule pada temperatur -40 °C.
Material ABS A dilakukan pengujian impak pada temperatur transisi 0 °C, -20 °C dan -40 °C. Pada Gambar 5 terlihat bahwa adanya pengaruh temperatur transisi terhadap harga impak. Terlihat bahwa semakin berkurangnya temperatur maka harga impak semakin berkurang[6,7].
Gambar 5. Pengaruh temperatur terhadap harga impak ABS A.
Dilihat dari hasil pengujian impak material ABS A dipengaruhi oleh perbedaan temperatur dan perlakuan panas. Pengaruh terhadap temperatur transisi akan mengurangi ketangguhan dan sebaliknya dengan adanya perlakuan panas QT maka akan meningkatkan katangguhan.
Pada Gambar 6 terlihat ABS A as-rolled memiliki ketangguhan yang rendah. Patahan dengan luas area cleavage yang lebih besar dibandingkan area shear dan tanpa terjadinya ekspansi pada area patahan. Sebaliknya untuk ABS A as-Q dan ABS A as-QT memiliki ketangguhan yang lebih besar dengan luas area cleavage yang semakin kecil dan mengalami ekspansi.
Gambar 6. Hasil patahan sampel uji impak pada material ABS A as-rolled dan ABS A Quenched Tempered.
Pada Gambar 7 Hasil SEM dari material ABS A yang mengalami perlakuan panas Quenching/Q dan Quenching Tempering/QT dengan media air. Telihat bentuk patahan as-Q dan as-as-QT mengalami patahan cleavage [7,8].
Gambar 7. SEM permukaan patahan ABS A (a) as-Quenched air dan (b) as-Quenched Tempered air.
Pengaruh Pelakuan Panas QT terhadap Hasil Uji Tarik
Pengujian tarik dilakukan pada ABS A as-rolled terhadap ABS A setelah dilakukan perlakuan panas QT. Hasil uji tarik ini dilakukan untuk melihat pengaruh perlakuan panas terhadap kekuatan tarik pada material ABS A.(lihat Tabel 2).
Tabel 2. Sifat tarik dari ABS A as-rolled dan as-QT
Material Batas luluh Kekuatan tarik Total Elongasi N/mm² N/mm² % as-Rolled 408 515 33 as-QT oli 424 548 36 as-QT Air 487 626 22
Pada material ABS A as-rolled memiliki sifat kekutan tarik 515 N/mm² dan elongasi 33 %. Jika dibandingkan dengan standar ABS, kekuatan tarik 522 N/mm² dan elongasi 22 %[3], ABS as-rolled masuk dalam standar.
Gambar 8. Kurva tarik ABS A as-QT media oli dan air dibandingkan dengan ABS A as-rolled.
Hasil perlakuan panas QT dengan media oli dan air mengalami peningkatan kekutan tarik. Kekuatan tarik tertinggi pada ABS A as-QT air adalah 626 N/mm². Namun nilai elongasi tertinggi pada ABS as-QT oli sebesar 36 %. (lihat Gambar 8).
Gambar 9. Foto patahan sampel uji tarik (a) as-rolled (b) as-QT oli (c) as-QT air.
Jika dilihat dari bentuk patahan material ABS A as-rolled dan ABS A yang mengalami perlakuan panas QT memiliki bentuk patahana ulet. Ciri yang terlihat adalah terjadinya fenomena necking, permukaan kusam/ buram dan bentuk patahan Cup & Cone.(lihat Gambar 9)
Keuletan tertinggi terdapat pada material ABS A as-QT dengan media oli dengan hasil elongasi 36 %. Sebaliknya untuk ABS A as-QT media air keuletannya lebih rendah dengan hasil elongasi mencapai 22 %.
Pengaruh Perlakuan Panas QT ABS A Terhadap Struktur Mikro
Pada perlakuan panas memberikan pengaruh terhadap material ABS A. Hal ini terlihat pada hasil struktur mikro yang mengalami perubahan bentuk struktur. Jika lihat Gambar 10 ABS A as-Rolled terbentuk struktur ferit dan perlit hasil dari proses hot rolled. Setelah dilakukan perlakuan panas quenching dengan kecepatan pendinginan yang berbeda didapat struktur mikro yang berbeda.
Gambar 10. Struktur mikro ABS A (a) as-rolled), (b) as-Quenched udara, (c) as-Quenched oli (d) as-Queched air (e) as- Quenched Tempered oli (f) as-Quenched Tempered air.F(ferrit), P(Perlit), B(bainit), SA(sisa austenit).
Dilihat dari Gambar 10 struktur mikro yang diamati menggunakan mikroskop optik, pengaruh dari perlakuan panas dengan kecepatan pendinginan yang berbeda terhadap diagram TTT dari ABS A mendapatkan hasil struktur mikro yang berbeda. Gambar 10(b) mendapat perlakuan panas quenched udara dengan kecepatan pendinginan 2,22 °C/s terbentuk struktur mikro ferit dan perlit. Untuk kecepatan yang lebih cepat yaitu 33,87 °C/s pada Gambar 10 (c) menggunakan media oli terbentuk struktur mikro ferit acicular/ widmanstaten dan bainit[9]. Pada Gambar 10 (d) dengan kecepatan pendinginan yang lebih cepat yaitu 91,02 °C/s dengan media pendinginan air terbentuk ferit, bainit dan sisa austenit. Volume fraksi ferit, perlit, dan bainit terlihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Volume fraksi ABS A as-rolled dan ABS A as-Quenched Tempered.
Untuk struktur mikro yang mengalami perlakuan QT air akan membentuk struktur mikro yang sama dengan perlakuan panas Quenching namun bentuk struktur mikro lebih seragam dan penurunan volume fraksi pada sisa austenit.
Dengan bertambahnya kecepatan pendinginan terjadi peningkatan fraksi volume bainit. Martensit tidak akan terbentuk walaupun dengan kecepatan pendinginan yang sangat tinggi karena pengaruh dari komposisi yang dimiliki dari material ABS A yang menggeser diagram TTT ke kiri. Ferit terbentuk dari kecepatan pendinginan yang lambat sehingga ada waktu ferit untuk tumbuh dari austenit. Untuk lebih jelas dapat dilihat di Gambar 12[7].
Gambar 12. SEM fraktografi ABS A (a) as-Quecnhed (b) as –Quenched Tempered media air.
Terlihat pada Gambar 12 hasil SEM Gambar 12(a) struktur mikro yang terbentuk ferit, bainit dan sisa austenit untuk ABS A as-Quenched. Untuk material as-QT pada Gambar 12 (b) struktur mikro yang terbentuk adalah bainit dan ferit sedangkan sisa austenit berubah menjadi bainit lihat Gambar 11.
.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengolahan data dan analisis penelitian, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Perlakuan panas Quenching-Tempering dapat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan material baja ABS grade A as-rolled.
2. Kuat tarik baja ABS grade A dengan media quenching air dan oli temper /as-QT (626 N/mm² dan
548 N/mm²) memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi dibandingkan sampel as-rolled (515N/mm²).
3. Didapat bahwa kekuatan tarik ABS A as-QT air merupakan sampel baja ABS grade A dengan nilai tertinggi (626 N/mm²) dan elongasi tertinggi terdapat di ABS A as-QT oli sebesar 36 %. 4. Didapat bahwa nilai kekerasan ABS A as-Q air (314 BHN) mengalami kenaikan sebesar 182 %
dari ABS A as-rolled (173 BHN) pada posisi transversal. Namun mengalami penurunan nilai kekerasan setelah proses tempering sebesar 29,37 % dari nilai Quenched.
5. Nilai impak untuk baja as-QT air (319 Joule) meningkat 10 kali dari nilai impak as-rolled (31 Joule) pada temperatur impak -40 °C.
6. Perlakuan panas Quenching-Tempering dapat merubah mikro struktur dari ABS A as-rolled (ferit dan perlit ) menjadi ABS as-QT (ferit, bainit dan sisa austenit).
7. Terbentuknya fasa bainit pada perlakuan panas QT air dapat meningkatkan kekuatan tarik, kekerasan dan ketangguhan pada baja ABS A as-rolled.
8. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Konsorsium Pengembangan Kapal Perang Nasional 2012, Kementrian Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang telah memberikan hibah untuk mendanai penelitian ini. Terima kasih kepada PT. Krakatau Steel Tbk. yang telah menyediakan material baja ABS grade A.
9. KEPUSTAKAAN
[1] “Kapal Perang”, yang diakses pada tanggal 12 Juni 2012 dari http://garudamiliter.blogspot.com/2012/05/nahkoda-ragam-class.html
[2] Eyres D J. Ship Construction .5th ed. Burlington: Buterworth-Heinemann Publish, 2001. [3] Brooks C.R., Princeples of the Heat Treatment of Plain Carbon and Low alloy Steels ,
New York, 1996.
[4] Chandler Harry, Heat treater’s Guide 2nd Edition, United States of America, 2006.
[5] ABS (American Buerue of Shipping). Rule for Material and Welding 2012 part 2 .Houston, 2011.
[6] William H Cubberly, Properties and Selection: Iron and Steels, Metal Handbook Vol 1. 10th Edition. 1998,Ohio : American Society for Metals, p 641.
[7] Speer John G.,De Moor E., Findley K.O., Matlock D.K., De Cooman B.C. Analysis of Microstrcture Evolution in Quenching and Partitioning Automotive Sheet Steel. Metallurgical And Materials Transsactions A, Januari 2011,Volume 42A.
[8] BAG A, RAY K.K., Dwarakadasa E.S. Influence of Martensite Content and Morphology on Tensile and Impact Properties of High-Martensite Dual-Phase Steels. Metallurgical And Materials Transsactions A, Mei 1999, Volume 30A.
[9] Debray B,Teracher P, and Jonas J.J. Simulation of the Hot Rolling and Accelerated Cooling of a C-Mn Ferrite-Bainite Strip Steel. Metallurgical And Materials Transsactions A, Januari 1995-1999,Volume 26A.
