STUDI PENGARUH TEMPERATUR HARDENING, TEMPERATUR TEMPERING, DAN JUMLAH TEMPERING TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN BAJA PERKAKAS AISI H13

(1)

STUDI PENGARUH TEMPERATUR HARDENING,

TEMPERATUR TEMPERING, DAN JUMLAH TEMPERING

TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN

BAJA PERKAKAS AISI H13

TUGAS AKHIR

Dibuat untuk memenuhi syarat meraih gelar sarjana Teknik Metalurgi pada Program Studi Teknik Metalurgi

Institut Teknologi Bandung

Oleh :

NIKO

12102059

PROGRAM STUDI TEKNIK METALURGI

FAKULTAS ILMU KEBUMIAN DAN TEKNOLOGI MINERAL

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(2)

LEMBAR PENGESAHAN

STUDI PENGARUH TEMPERATUR

HARDENING,

TEMPERATUR

TEMPERING

, DAN JUMLAH

TEMPERING

TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN

BAJA PERKAKAS AISI H13

TUGAS AKHIR

Bandung, Juli 2007 Disetujui untuk

Program Studi Teknik Metalurgi Oleh :

Dr. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc Pembimbing

(3)

Ya...Allah

Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Cinta sebenar-benarnya cinta...

Hingga bila bumi dan isinya berada di tangan kananku Tidak akan menggoyahkan cintaku kepada Mu

Ya...Allah

Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Cinta yang menghujam di dasar jiwa...

Hingga bila wanita di tangan kiriku

Tidak akan melalaikanku dari mengingat Mu Ya...Allah

Tanamkanlah dihatiku sebenar-benarnya cinta Bukan hanya sekedar cinta biasa...

Yang hilang di kala suka... Dan hadir di kala duka... Ya...Allah

Tanamkanlah dihatiku cinta.. yang bisa menggetarkan dada..

yang membuat hamba meneteskan air mata... tetapi tidak hanya sekedar meneteskan air mata... Sehingga hilang segala kesedihan di atas dunia... Ya...Allah...

Tumbuhkanlah cinta dihatiku..

yang dengannya segala cobaan tak lagi bisa..

menjatuhkanku kembali kepada serendah-rendahnya iman Ya...Allah...

Tuhan yang memberikan petunjuk bagi siapa yang dikehendaki Nya dan menutup hati orang-orang yang tidak mau mencari tau siapa dirinya sampaikanlah aku hingga kesana...

kepada ketenangan jiwa yang sejati...

sebelum betis serasa bertaut satu sama lain... dan sebelum mati menjadi penutup segalanya.... Amiin...

“Maka apakah mereka tidak berjalan dimuka bumi, lalu mereka mempunyai hati yang dengan itu mereka dapat memahami atau mempunyai telinga yang dengan itu mereka dapat mendengar? Karena sesungguhnya bukanlah mata itu yang buta, tetapi yang buta, ialah hati yang di dalam dada.” [QS: Al Hajj 46]

(4)

STUDI PENGARUH TEMPERATUR

HARDENING

,

TEMPERATUR

TEMPERING

, DAN JUMLAH

TEMPERING

TERHADAP KETANGGUHAN DAN KEKERASAN BAJA

PERKAKAS AISI H13

RINGKASAN

Baja perkakas AISI H13 merupakan baja perkakas pengerjaaan panas dengan kandungan karbon yang relatif rendah 0,3-0,4% dan kromium mencapai 4.75-5.5%. Baja ini umumnya digunakan untuk membuat perkakas seperti die, mould, dan alat potong. Baja AISI H13 biasanya dijual di pasaran dalam kondisi annealed. Baja yang berada pada kondisi annealed bersifat lunak sehingga tidak sesuai dengan aplikasinya yang membutuhkan kombinasi ketahanan aus, kekerasan, dan ketangguhan yang baik. Untuk mendapatkan baja dengan sifat-sifat mekanik yang baik tersebut maka perlu dilakukan modifikasi struktur mikro baja. Salah satu caranya adalah dengan memberikan perlakuan panas hardening dan tempering.

Hardening dan tempering merupakan suatu siklus perlakuan panas dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenitisasi kemudian didinginkan cepat agar diperoleh struktur keras martensit lalu dipanaskan kembali dibawah temperatur rekristalisasinya. Tujuannya adalah agar diperoleh kombinasi kekerasan dan ketangguhan yang bagus. Variabel-variabel hardening dan tempering yang bisa mempengaruhi ketangguhan dan kekerasan baja antara lain laju pendinginan, temperatur dan waktu tahan hardening (austenitisasi), temperatur, waktu tahan, dan jumlah tempering.

Adapun variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah temperatur hardening

(1020 oC, 1050 oC, dan 1080oC), temperatur tempering (540 oC, 593 oC, dan 620oC), dan jumlah tempering (single tempering dan triple tempering). Dari hasil percobaan diperoleh kesimpulan bahwa: 1) Peningkatan temperatur hardening mengakibatkan naiknya nilai kekerasan hingga 60% dan penurunan ketangguhan sebesar 75%. 2)

Triple tempering menghasilkan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan single tempering dan mampu meningkatkan ketangguhan hingga 80% dengan penurunan kekerasan rata-rata sebesar 5 HRC. 3) Peningkatan temperatur tempering

mengakibatkan penurunan kekerasan dan naiknya nilai ketangguhan. 4) Kombinasi ketangguhan dan kekerasan yang optimal diperoleh pada sampel yang di-hardening

pada temperatur 1050oC, dilanjutkan dengan single tempering pada 620oC dan triple tempering pada 593oC.

(5)

STUDY OF INFLUENCE OF HARDENING TEMPERATURE,

TEMPERING TEMPERATURE, AND NUMBER OF TEMPER

ON TOUGHNESS AND HARDNESS OF AISI H13 TOOL STEEL

ABSTRACT

AISI H13 is a kind of hot work tool steel with medium carbon content (0.3% to 0.4%) and chromium content of 4.75 to 5.5%. It is commonly used to make tools such as die, mould, and cutting tools. AISI H13 is always delivered in annealed condition that make this steel very soft and not suitable to be used in their most applications those need good combination of hardness, wear resistance, and toughness. In order to meet this requirement, microstructure of the steel should be modified. One of the most common method is by giving hardening and tempering heat treatment.

Hardening and tempering is a cycle of heat treatment where steel is heat treated into austenite phase region and fast cooled to room temperature to produce martensitic microstructure, and then reheated again to recrystallizing temperature (usually 100oC-700oC). The purpose is to produce steel with good combination of strength, hardness, and toughness. The most important parameters that affect these microstructural changes and mechanical properties are cooling rate, hardening (austenitizing) temperature and time, tempering temperature and time, and number of tempers.

Parameters used in this study were hardening temperature (1020 oC, 1050 oC, dan 1080oC), tempering temperature (540 oC, 593 oC, dan 620oC), and number of tempers (single and triple tempering). The main results can be summarized as: 1) An increase in hardening temperature resulted in increased hardness until 60% and decreased impact toughness of maximally 75%. 2) Triple tempering gives an increase in impact toughness of up to 80% in compare with single tempering. The decrease in hardness is only about 5 HRC. 3) An increase in tempering temperature will increase impact toughness and decrease hardness. 4) H13 tool steels hardened at 1050oC followed by single tempering at 620oC and triple tempering at 593oC have the most optimal combination of toughness and hardness among all samples.

(6)

KATA PENGANTAR

Penulis mengucapkan puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Pengasih atas segenap rahmat dan petunjukNya sehingga tugas akhir dengan judul Studi Pengaruh Temperatur Hardening, Temperatur Tempering, dan Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan Baja Perkakas AISI H13 ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Keselamatan dan kesejahteraan semoga senantiasa dilimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga, dan para sahabatnya yang telah berkorban demi tegaknya agama Allah di atas muka bumi ini. Tugas akhir ini ditulis untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Metalurgi pada Program Studi Teknik Metalurgi di Institut Teknologi Bandung.

Tugas akhir ini tidak akan dapat diselesaikan dengan baik tanpa dukungan materil maupun moril dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada:

1. Orang tua dan adik-adik serta seluruh keluargaku yang selalu memberikan dukungan materil dan dorongan moral serta doa yang tulus kepada penulis selama ini.

2. Dr. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc., selaku Ketua Program Studi Teknik Metalurgi ITB sekaligus sebagai pembimbing penulisan tugas akhir yang telah memberikan kesempatan dan bimbingan kepada penulis dalam melakukan penelitian ini di Program Studi Teknik Metalurgi ITB.

3. Dr. Ir. Syoni Soepriyanto, M.Sc., sebagai Ketua Kelompok Keahlian Teknik Metalurgi yang telah memberikan izin menggunakan Laboratorium Metalurgi Fisika dalam rangka pelaksanaan percobaan tugas akhir ini.

4. Bapak dan Ibu segenap jajaran dosen Program Studi Teknik Metalurgi dan Teknik Pertambangan ITB.

5. Staf Tata Usaha Departemen Teknik Pertambangan dan Teknik Metalurgi ITB.

(7)

6. Staf Perpustakaan Tambang, Mas Fajar, Pak Acep, dan Pak Yopi atas semua bantuannya.

7. Gigih Ade Prabawa dan Anto, teman setia yang telah banyak membantu dan memberikan inspirasi dalam penyelesaian tugas akhir ini. Semoga Allah membalas kebaikanmu.

8. Fajar BT, Syaiful, Toni, Bang Ilham, dan seluruh teman-teman Metalurgi 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 serta sahabat Tambang 2002.

9. Rekan-rekan alumni SMU Plus Propinsi Riau di Bandung dan IKA SMUN Plus Propinsi Riau yang tidak henti-hentinya memberikan keceriaan dan semangat bagi penulis.

10.Dia Febrina, calon dokter yang telah memberikan motivasi besar bagi penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Terima kasih atas dukungannya Di. Semoga Allah menambahkan kebaikan dan ilmu padamu. Jangan pernah berhenti berdoa kepada Allah supaya maksud hati kita terwujud. Tetap sabar dan istiqomah ya.

11.Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah turut membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat mengarapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian demi perbaikan di masa mendatang. Semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat yang sebesar-besarnya bagi kita semua.

Bandung, Juli 2007

(8)

DAFTAR ISI Hal Halaman Judul Halaman Pengesahan Halaman Persembahan Ringkasan Abstract Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel Daftar Lampiran i ii iii iv v vi viii xi xvi xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Tujuan Penelitian 1.3 Ruang Lingkup Kajian 1.4 Metodologi Penelitian 1.5 Sistematika Penulisan 1 1 3 3 4 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perlakuan Panas

2.1.1 Pengertian

2.1.2 Tujuan Perlakuan Panas 2.1.3 Tipe-Tipe Perlakuan Panas

2.1.3.1Annealing 2.1.3.2Stress Relieving 2.1.3.3Normalizing 8 8 8 8 10 10 10 10

(9)

2.1.3.4Sphroidizing 2.1.3.5Hardening

2.1.3.6Tempering

2.2 Baja Perkakas 2.2.1 Pendahuluan

2.2.2 Karakteristik Baja Perkakas 2.2.3 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu 2.2.4 Pengelompokan Baja Perkakas 2.2.5 Struktur Mikro Baja Perkakas

2.2.5.1Struktur Mikro Setelah Pengerjaan Panas 2.2.5.2Struktur Mikro Setelah Annealing

2.2.5.3Karbida Pada Baja Perkakas 2.3 Perlakuan Panas Pada Baja Perkakas

2.3.1 Normalizing

2.3.2 Annealing

2.3.3 Hardening

2.3.4 Tempering

2.4 Baja Perkakas Pengerjaan Panas

2.4.1 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Kromium 2.4.2 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Tungsten 2.4.3 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Molybdenum 2.5 Perlakuan Panas Pada Baja Perkakas Pengerjaan Panas 2.6 Baja Perkakas AISI H13

2.6.1 Perlakuan Panas Pada Baja AISI H13 2.7 Kekerasan dan Ketangguhan

2.7.1 Kekerasan 2.7.2 Ketangguhan 11 11 12 13 13 14 15 18 26 26 27 28 29 30 30 30 33 33 34 36 37 37 39 41 43 43 44

BAB III PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN 3.1 Material Uji

47 47

(10)

3.2.1 Hardening 3.2.2 Tempering 3.3 Pengujian Ketangguhan 3.3.1 Prosedur Percobaan 3.3.2 Hasil Percobaan 3.4 Pengujian Kekerasan 3.4.1 Prinsip Pengujian 3.4.2 Hasil Percobaan 3.5 Foto Struktur Mikro

3.5.1 Preparasi dan Prosedur Percobaan 3.5.2 Hasil Percobaan 50 52 55 55 57 58 58 60 61 61 62 BAB IV PEMBAHASAN

4.1Analisa Struktur Mikro Baja Setelah Hardening dan

Tempering

4.2Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap Ketangguhan dan Kekerasan

4.2.1 Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap Ketangguhan

4.2.2 Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap Kekerasan 4.3Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan dan

Kekerasan

4.3.1 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Ketangguhan 4.3.2 Pengaruh Jumlah Tempering Terhadap Kekerasan 4.4Pengaruh Temperatur Tempering Terhadap Ketangguhan dan

Kekerasan

4.5Penentuan Kondisi Optimal Proses Perlakuan Panas

Hardening dan Tempering

69 69 76 77 84 88 88 92 95 99

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

104 104

(11)

5.2 Saran 105 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN xix DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7

Diagram Alir Metodologi Penelitian

Struktur Mikro Baja Karbon Sedang Setelah Perlakuan Panas Spheroidisasi

Pengaruh Kandungan Karbon Terhadap Kekerasan Baja Perkakas

Struktur Mikro Baja AISI A2, As Rolled

Struktur Mikro Baja AISI H13 Setelah Pengerjaan Panas Struktur Mikro Baja AISI H13, Spheroidize Annealed

Tahap Operasi pada Proses Produksi Baja Perkakas Foto Struktur Mikro Martensit Lath dan Martensit Plate

Beberapa Aplikasi Baja AISI H13

Tahapan Proses Produksi Baja Perkakas, a) Proses Termomekanik b) Perlakuan Panas Hardening dan

Tempering Uji Impak Charpy

Diagram Alir Percobaan

Tube Furnace

Skema Proses Pengerasan

Muffle Furnace

Spesimen Untuk Uji Impak

Mesin Uji Charpy ImpactKarl Frank GMBH

Mekanisme Uji Impak Charpy

6 11 16 26 27 28 30 32 39 43 46 49 51 52 53 55 56 56

(12)

Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17 Gambar 3.18 Gambar 3.19 Gambar 3.20 Gambar 3.21 Gambar 3.22 Gambar 3.23 Gambar 3.24 Gambar 3.25 Gambar 3.26

Model Pengujian Kekerasan Vickers Posisi Titik-Titik Pengujian Kekerasan Mikroskop Optik

Mesin Poles Mekanik

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC, Tanpa

Tempering. 600X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020oC dan Single Tempering 540oC. 600X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1020oC dan Triple Tempering 620oC. 600X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050oC dan Triple

59 59 61 61 62 62 63 63 63 64 64 64 65 65 65 66 66

(13)

Gambar 3.27 Gambar 3.28 Gambar 3.29 Gambar 3.30 Gambar 3.31 Gambar 3.32 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Tempering 620oC. 300X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC, Tanpa

Tempering. 300X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC, Single Tempering 620oC. 500X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC dan Single Tempering 540 oC. 300X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 oC dan Single Tempering 593oC. 300X

Tempering. 600X

Diagram CCT Baja Perkakas AISI H13. Temperatur Austenitisasi 1075 oC

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC, Mengandung Karbida-Karbida yang Terdispersi Merata Diseluruh Matrik dan Butiran. 300X

Diagram Isothermal Paduan Fe-Cr-C dengan Kandungan 5% Cr

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080oC, Single Tempering 620oC. 600X

Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Ketangguhan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Single Tempering

Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap

66 67 67 67 68 68 68 70 71 73 74 75 75 78

(14)

Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19 Gambar 4.20 Gambar 4.21 Tempering

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1050 oC dan Single Tempering pada 540 oC. 300X

Foto Struktur Mikro Sampel Hardening 1080 oC dan Single Tempering pada 593 oC. 300X

Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan Baja Setelah Hardening (tanpa tempering)

Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Single Tempering

Kurva Pengaruh Temperatur Austenitisasi Terhadap Kekerasan pada Spesimen yang Diberi Perlakuan Triple Tempering

Kekerasan Sebagai Fungsi Karbon pada Beberapa Struktur Mikro Baja

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple tempering) Terhadap Ketangguhan pada Temperatur Austenitisasi 1020 oC

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple

78 80 81 82 83 84 85 85 86 88 89 89 90

(15)

Gambar 4.22 Gambar 4.23 Gambar 4.24 Gambar 4.25 Gambar 4.26 Gambar 4.27 Gambar 4.28 Gambar 4.29 Gambar 4.30 Gambar 4.31 Gambar 4.32

tempering) Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1020 oC

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple tempering) Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1050 oC

Diagram Pengaruh Jumlah Tempering (single dan triple tempering) Terhadap Kekerasan pada Temperatur Austenitisasi 1080 oC

Kurva Pengaruh Temperatur Tempering Terhadap Kekerasan. Austenitisasi 1020oC

Frekuensi dan Lokasi Kegagalan yang Sering Terjadi pada

Forging Die 92 92 93 94 95 96 96 97 98 98 99 102

(16)

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 2.3 Tabel 2.4 Tabel 2.5 Tabel 2.6 Tabel 2.7 Tabel 2.8 Tabel 2.9 Tabel 2.10 Tabel 2.11 Tabel 2.12 Tabel 2.13 Tabel 2.14 Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 3.5 Tabel 3.6 Tabel 3.7 Tabel 4.1 Tabel 4.2

Pengaruh Beberapa Unsur Pemadu Terhadap Properti Baja Perkakas

Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Pengerasan Air Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Tujuan Khusus Komposisi Kimia Mould Steel

Komposisi Kimia Baja Perkakas Tahan Kejut Komposisi Kimia Beberapa Air Hardening Steel

Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Kelompok D Komposisi Kimia Baja Pengerasan Minyak

Komposisi Kimia Beberapa Molybdenum High Speed Tool Steel

Komposisi Kimia Tungsten High Speed Tool Steel

Komposisi Kimia Chromium Hot Work Tool Steel

Komposisi Kimia Tungsten Hot Work Tool Steel

Komposisi Kimia Molybdenum Hot Work Tool Steel

Tingkat Kekerasan Untuk Beberapa Aplikasi Baja AISI H13

Komposisi Kimia Baja Bohler W302 Sifat Fisik Baja Bohler W302

Perbandingan Sifat Mekanik Baja Bohler W302 Terhadap Beberapa Baja Perkakas Pengerjaan Panas Lainnya

Variasi Temperatur Hardening

Variasi Temperatur dan Jumlah Tempering

Parameter Perlakuan Panas Hardening dan Tempering

Hasil Uji Impak

Kekerasan Baja Setelah Proses Hardening

Persentase Penurunan Energi Impak Akibat Kenaikan

15 19 20 20 21 22 23 23 25 25 35 36 37 40 48 48 48 52 52 54 57 73

(17)

Tabel 4.3

Tabel 4.4

Tabel 4.5

Temperatur Austenitisasi

Persentase Peningkatan Kekerasan Akibat Kenaikan Temperatur Austenitisasi

Persentase Peningkatan Energi Impak karena Pengaruh Jumlah Tempering

Persentase Penurunan Kekerasan karena Pengaruh Jumlah

Tempering

Urutan Efektifitas Perlakuan Panas Berdasarkan Kombinasi Ketangguhan dan Kekerasan

79

86 90

93

(18)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A Lampiran B

Konversi Kekerasan HVN Î HRC Hasil Pengujian Kekerasan

(19)