Pengaruh Temperatur Heat Treatment Pada Proses Hardening Terhadap Terbentuknya Matrik Martensite Dalam Terbentuknya Mikro Logam Baja
AISI 1005
Lisa Agustriyana, Sarjiyana, Nurchajat Jurusan Teknik Mesin
Politeknik Negeri Malang Abstrak
Perkembangan teknologi yang semakin cepat di era globalisasi menuntut berbagai upaya peningkatan penelitian inovasi dalam segala bidang.
Dimana upaya penelitian tersebut lebih ditekankan kepada tujuan-tujuan tertentu seperti efisiensi dan efektifitas produksi, penghematan, dan menghasilkan luaran yang berupa suatu produk atau metode yang memiliki nilai guna yang tinggi dan bermanfaat bagi masyarakat. Seperti halnya bagi industri otomotif dalam memenuhi permintaan pasar untuk menghasilkan produk yang mampu memenuhi kualifikasi dalam hal kenyamanan, efisiensi bahan bakar, keselamatan berkendara serta kebutuhan masyarakat akan kendaraan yang semakin meningkat maka kualitas merupakan aspek penting yang menjadi target perusahaan saat ini. Salah satu contoh aplikasi material yang digunakan untuk body kendaraan harus memiliki karakteristik ringan, mampu bentuk yang baik namun kuat, mampu las, tahan korosi dan mampu diperbaiki untuk itu perlu dilakukan upaya penelitian terkait proses perlakuan bahan tersebut salah satunya dengan heat treatment melalui proses hardening dengan tujuan terbentuknya struktur martensite namun masih memenuhi kualifikasi mampu bentuk (formability) yang baik. Tujuan penelitian adalah untuk mencari % martensite yang terbentuk akibat proses heat treatment Dari proses heat
treatment dengan menggunakan variasi suhu
7500C,7700C,8000C,8300C,8700C,dan 9100C dengan holding time 30 menit dan media quenching adalah air. Metode yang digunakan untuk menghitung % matrik martensite didapatkan dengan menyebarkan kertas kalkir milimeter blok per 100 mm2 diatas/dipermukaan hasil foto mikrostruktur secara acak dengan jumlah sebaran 30 kertas dengan ukuran 10x10 mm per foto, kemudian menghitung jumlah prosentase bercak yang berwarna hitam yang mengindikasikan struktur martensite kemudian warna putih adalah ferite,kelabu bainite dan retained austenite pada temperatur perlakuan pada suhu 750 ˚C – 800˚C serta full austenite terbentuk pada suhu 870 ˚C - 910 ˚C Dari hasil penelitian menunjukkan % martensite paling tinggi terbentuk pada suhu 8000C dan paling rendah suhu 910 0C.
Kata kunci: heat treatment,hardening,martensite
TBMK‐24 1. Pendahuluan
Perkembangan penggunaan material terbarukan menjadi suatu topik penelitian yang selalu dikembangkan baik untuk memenuhi kebutuhan ilmu pengetahuan maupun dalam industri manufaktur.Upaya-upaya tersebut sebagai suatu langkah untuk memenuhi tujuan- tujuan tertentu seperti efisiensi maupun efektifitas produksi, penghematan dalam beberapa sektor.
Penelitian terkait rekayasa material logam juga selama ini masih perlu dilakukan untuk mendapatkan suatu formula karakteristik yang memenuhi kriteria yang diinginkan, seperti melalui rekayasa proses heat treatment, metal working, metal forming maupun casting.
Heat treatment merupakan salah satu proses rekayasa material yang sampai saat ini masih banyak dilakukan dibeberapa industri.
Penelitian terdahulu untuk proses heat treatment dilakukan oleh Joko Tri Wardoyo (2006) melalui proses pembentukan fasa ganda intik material baja karbon rendah (ST37). Kemudian penelitian Murali D Tumuru (2006) melakukan penelitian tentang proses pengelasan pada baja fasa ganda akibat proses heat treatment.Penelitian pada material Baja AISI 1005 juga pernah dilakukan oleh Kris Witono dkk (2015) yang menjelaskan pengaruh pembentukan fasa ganda melalui heat treatment terhadap kekerasan dan flexure strengthnya.
Masalah yang dirumuskan antara lain pengukuran matrik martensite akibat heat treatment pada baja karbon rendah akibat proses hardening melalui heat treatment dengan parameter suhu.
Tujuan penelitian mengetahui pengaruh variasi temperatur pemanasan dapur terhadap terbentuk matrik martensite pada logam baja AISI 1005.
2. Tinjauan Pustaka
2.1 Beberapa pemanfaatan Logam Baja Karbon
Saat ini baja karbon masih memiliki peran yang sangat penting dalam industri manufaktur,beberapa metode rekayasa material yang dikembangkan salah satunya untuk mendapatkan karakteristik peningkatan kekuatan,kemampuan dalam proses pembentukan,pengelasan,machining, maupun beberapa proses lainnya. Seperti halnya baja karbon, baja karbon dengan kekuatan tinggi seperti baja HSLA dengan variasi struktur mikronya yang memiliki komposisi seperti susunan material komposist memiliki keunikan dimana dalam material ini terdapat komposisi campuran ferrite dan martensite sehingga hal ini mempengaruhi sifat logam tersebut,ferrite memberikan sifat yang formability yang baik sedangkan martensite memberikan sifat kekuatan yang baik.
Gambar 2.1. Mikrostruktur fasa ganda pada baja
2.2. Proses Heat treatment pada Baja hypoeutectoid untuk mendapatkan matrik ferrite- martensite
Metode untuk menghasilkan microstruktur ferrite-martensite pada baja hypoeutectoid dipanaskan di antara temperature kritis atas (A3) dan temperatur kritis bawah (A1) (Gambar 2.2), kemudian didinginkan dengan cepat melebihi laju pendinginan kritisnya (gambar 2.3), maka akan didapat baja fasa ganda (dual phase). Sebagai contoh baja dengan kadar karbon 0,2% dipanaskan sampai temperatur 8000C maka baja tersebut setelah kesetimbangan akan terdiri dari 50% ferrite ( α ) dan 50% austenite ( γ ) yang mengandung 0,4% C seperti terlihat pada gambar 2.5. Pendinginan cepat dari temperature 8000C akan menghasilkan struktur martensit dalam matrik ferrite, dimana butir ferrite yang terbentuk setelah proses pembentukan fasa ganda adalah polygonal (memiliki sisi banyak). Sedangkan proses heat treatmentnya dapat ditunjukkan pada gambar 2 dibawah ini.
.
Gambar 2.2. Proses heat treatment pada pembentukan matrik ferrite – martensite Sumber: Xiaoyan Li,2005
Gambar 2.3. Pemanasan Equilibrium pada 800 0C baja 0,2% C, 50% α dan 50% γ Sumber: MSE 300 Materials Laboratory Procedures
TBMK‐26 3. METODE PENELITIAN
3.1 Jenis Penelitian
Penelitian ini merupakan jenis eksperimen bagian dari perlakuan bahan teknik yang dilakukan untuk pengembangan IPTEK di bidang Teknik Mesin.
3.2 Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Perlakuan dan Pengujian Bahan Teknik, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Malang.
3.3 Rancangan percobaan
Bahan spesimen AISI 1005 dengan ketebalan 1,2 mm dengan desain temperatur heat treatmen dibuat dengan variasi 7500C, 7700C, 8000C, 8300C ,8700C ,9100C dan tanpa perlakuan, selanjutnya diuji mikrostruktur selanjutnya pengamatan % struktur ferit dan martensite sebagai indikator karakteristik logam AISI 1005. Komposisi kimia bahan AISI 1005
Tabel 3.1: Uji spektrometri di lab. Metalurgi Politeknik Negeri Manufaktur Bandung Material %
C
%Si %Mn %P %S %
Fe AISI
1005
0.03 0.01 0.233 0.008 0.013 99.59
3.4 Peralatan dan Bahan yang digunakan
Dalam penelitian ini bahan yang digunakan adalah lembaran plat AISI 1005 (American Iron and Steel Institute) dengan tebal 1 mm yang telah ditreatment dengan peralatan yang digunakan adalah :
1. Dapur Pemanas (Furnace)
Gambar 3.1 Foto dapur heat treatment
2. Mesin Poles
Gambar 3.2. Foto Rotary grinding dan mesin poles logam 3. Mikroskop Logam
Gambar 3.3 Foto Mikroskop Logam 3. Metode
Jenis metode penelitian yang dilakukan adalah penelitian eksperimental. Penelitian dilakukan di laboratorium Perlakuan Bahan Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Malang. dan Laboratorium Pengijian Bahan, Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya.
Metode proses perlakuan terhadap material baja AISI 1005 melalui proses heat treatment dengan beberapa variasi temperatur dan pendinginan yang sama yaitu media air kemudian didapatkan data dari hasil foto mikrostruktur, sedangkan untuk menghitung besarnya % matrik martensite didapatkan dengan menyebarkan kertas kalkir milimeter blok per 100 mm2 diatas/dipermukaan hasil foto mikrostruktur secara acak dengan jumlah sebaran 30 kertas dengan ukuran 10x10 mm per foto, kemudian menghitung jumlah prosentase bercak yang berwarna hitam yang mengindikasikan struktur martensite kemudian warna putih adalah ferite,kelabu bainite dan retained austenite pada temperatur perlakuan pada suhu 750 ˚C – 800˚C serta full austenite terbentuk pada suhu 870 ˚C - 910
˚C sesuai acuan pada diagram Fe-Fe3C
TBMK‐28 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian
Dari proses perlakuan terhadap material baja AISI 1005 melalui proses heat treatment dengan beberapa variasi temperatur dan pendinginan yang sama yaitu media air didapatkan data dari hasil foto mikrostruktur seperti dibawah ini, sedangkan untuk menghitung besarnya
% matrik martensite didapatkan dengan menyebarkan kertas kalkir milimeter blok per 100 mm2 diatas/dipermukaan hasil foto mikrostruktur secara acak dengan jumlah sebaran 30 kertas dengan ukuran 10x10 mm per foto, kemudian menghitung jumlah prosentase bercak yang berwarna hitam yang mengindikasikan struktur martensite kemudian warna putih adalah ferite,kelabu bainite dan retained austenite pada temperatur perlakuan pada suhu 750 ˚C – 800˚C serta full austenite terbentuk pada suhu 870 ˚C - 910 ˚C sesuai acuan pada diagram Fe- Fe3C dari referensi pada gambar 2.5.
Berikut foto hasil mikrostruktur beserta data hasil perhitungan matrik struktur yang terbentuk.
a. Foto hasil perlakuan pada temperatur 7500C pembesaran lensa obyektif 10x dan okuler 15x, etsa nital 4%.
Gambar 4.1 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 7500C dengan holding time 30 menit
Tabel 4.1 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
b. Foto hasil perlakuan pada temperatur 7700C pembesaran lensa obyektif 10x dan okuler 15x, etsa nital 4% pada kalibrasi pembesaran 700x
Gambar 4.2 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 7700C dengan holding time 30 menit
NO SUHU HEAT
MARTENSITE FERRITE BAINITE 750 ˚
1 35 21 44
2 10 68 22
3 12 55 33
4 51 36 13
5 18 63 19
6 29 30 41
7 20 30 50
8 35 54 11
9 7 0 93
10 26 44 30
11 30 43 27
12 28 0 72
13 44 42 14
14 34 27 39
15 16 27 57
16 26 37 37
17 16 0 84
18 23 37 40
19 17 0 83
20 16 14 70
21 16 13 71
22 6 41 53
23 0 78 22
24 0 26 74
25 0 18 82
26 16 28 56
27 28 17 55
28 0 66 34
29 0 18 82
30 17 29 54
750 ˚ 19,20 32,07 48,73 100,00
% fase struktur
TBMK‐30 Tabel 4.2 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
c. Foto hasil perlakuan pada temperatur 8000C etsa nital 4%
Gambar 4.3 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 8000C dengan holding time 30 menit
NO
SUHU HEAT
MARTENSITE FERRITE BAINITE 770 ˚
1 21 44 35
2 55 45 0
3 31 22 47
4 17 34 49
5 0 19 81
6 3 74 23
7 30 62 8
8 23 19 58
9 0 25 75
10 13 21 66
11 62 38 0
12 11 26 63
13 21 23 56
14 0 27 73
15 0 20 80
16 14 30 56
17 11 89 0
18 9 0 91
19 34 51 15
20 56 0 44
21 32 32 36
22 10 38 52
23 19 16 65
24 78 22 0
25 31 17 52
26 19 27 54
27 20 0 80
28 18 8 74
29 6 0 94
30 8 9 83
770 ˚ 21,73 27,93 50,33 100,00
% fase struktur
Tabel 4.3 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
d. Foto hasil perlakuan pada temperatur 8300C etsa nital 4%
Gambar 4.4 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 8300C dengan holding time 30 menit
NO
SUHU HEAT
MARTENSITE FERRITE BAINITE 800 ˚
1 34 30 36
2 25 24 51
3 72 28 0
4 22 9 69
5 18 4 78
6 61 18 21
7 19 13 68
8 19 34 47
9 30 27 43
10 55 40 5
11 17 31 52
12 30 16 54
13 32 18 50
14 8 15 77
15 66 22 12
16 39 18 43
17 63 37 0
18 28 39 33
19 51 33 16
20 24 13 63
21 57 43 0
22 66 34 0
23 29 71 0
24 13 30 57
25 22 78 0
26 17 38 45
27 58 42 0
28 0 22 78
29 2 35 63
30 16 28 56
800 ˚ 33,10 29,67 37,23 100,00
% fase struktur
TBMK‐32 Tabel 4.4 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
e. Foto hasil perlakuan pada temperatur 8700C, etsa nital 4%
Gambar 4.5 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 8700C dengan holding time 30 menit
NO
SUHU HEAT
MARTENSITE FERRITE BAINITE 830 ˚
1 10 90 0
2 25 75 0
3 10 90 0
4 10 90 0
5 22 78 0
6 10 58 32
7 0 97 3
8 0 99 1
9 17 83 0
10 5 95 0
11 15 85 0
12 22 0 78
13 13 0 87
14 20 0 80
15 20 0 80
16 12 20 68
17 29 7 64
18 19 24 57
19 25 0 75
20 4 0 96
21 17 83 0
22 20 80 0
23 8 92 0
24 7 0 93
25 8 0 92
26 20 19 61
27 16 0 84
28 0 32 68
29 7 13 80
30 11 0 89
830 ˚ 13,40 43,67 42,93
% fase struktur
Tabel 4.5 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
f. Foto hasil perlakuan pada temperatur 9100C pembesaran lensa,etsa nital 4%
Gambar 4.6 Foto mikrostruktur hasil heat treatment pada temperatur 9100C dengan holding time 30 menit
Tabel 4.6 Data Perhitungan Matrik Struktur Mikro
NO
SUHU HEAT
MARTENSITE AUSTENITE 870 ˚
1 6 94
2 2 98
3 13 87
4 10 90
5 14 86
6 19 81
7 10 90
8 15 85
9 2 98
10 5 95
11 9 91
12 11 89
13 24 76
14 17 83
15 13 87
16 6 94
17 14 86
18 22 78
19 8 92
20 29 71
21 15 85
22 13 87
23 20 80
24 24 76
25 19 81
26 5 95
27 8 92
28 7 93
29 2 98
30 11 89
870 ˚ 12,43 87,57 100,00
% fase struktur
TBMK‐34 4.2. Pembahasan
Perbandingan hasil foto mikrostruktur berbagai variasi temperatur heat treatment pada Baja AISI 1005 beserta foto mikro sebelum perlakuan (pembesaran 700x)
NO
SUHU HEAT
MARTENSITE AUSTENITE 910 ˚
1 13 87
2 15 85
3 16 84
4 12 88
5 13 87
6 11 89
7 6 94
8 12 88
9 12 88
10 6 94
11 4 96
12 3 97
13 3 97
14 15 85
15 4 96
16 11 89
17 0 100
18 7 93
19 19 81
20 2 98
21 11 89
22 17 83
23 0 100
24 4 96
25 3 97
26 20 80
27 0 100
28 18 82
29 7 93
30 3 97
910 ˚ 8,90 91,10 100,00
% fase struktur
Gambar 4.7 Foto Mikrostruktur logam dalam berbagai temperatur heat treatment dan tanpa perlakuan pada pembesaran 700x
Dari hasil foto mikrostruktur logam diatas dapat terlihat pada berbagai variasi temperatur menunjukkan bahwa pada gambar foto a-c (suhu heat treatment 7500C – 8000C) sekilas memiliki kontur gambar yang hampir serupa dengan sebaran warna putih (ferrite) dan hitam (martensite) serta kelabu (bainite), dan sedikit tampak perbedaan dimana pada suhu 7500C sekilas besar butir lebih kecil dibandingkan suhu perlakuan 770 0C atau 800 0C semakin bertambah suhu perlakuan komposisi ferrite semakin hilang seperti ditunjukkan pada gambar d,e dan f, hal ini dapat terjadi pada suhu 8300C merupakan kondisi dimana fase struktur logam mengalami transformasi dimana dari komposisi struktur martensite-ferrite-bainite (retained asutenite) menjadi austenit dan sedikit martensite hingga ketika mencapai suhu 910 0C, logam dengan komposisi kandungan karbon 0,03% ini hampir 100% austenite full mulai terbentuk.
a. Temperatur heat treatment 750 0C
b.Temperatur heat treatment 770
0C
c.Temperatur heat treatment 800
0C
d.Temperatur heat treatment 830
0C
e.Temperatur heat treatment 870
0C
f.Temperatur heat treatment 910
0C
TBMK‐36 Jika dilihat dari hasil perhitungan matrik masrtensitenya dapat diketahui melalui grafik batang sebagai berikut:
Gambar 4.8 Grafik Perbandingan prosentase (%) struktur martensite yang terbentuk akibat pendinginan cepat pada berbagai variasi temperatur heat treatment.
Dari grafik diatas menunjukkan bahwa pada kondisi awal akibat pengaruh temperatur heat treatment nampak matrik martensite meningkat hingga pemanasan mencapai suhu 8000C dan pada temperatur tsb % matrik martensite paling besar hal ini karena pada suhu 7500C – 7700C martensite terbentuk akibat unsur karbon yang mengalami difusi dan bertransformasi dari struktur pearlite menjadi martensite dan bainite akibat pendinginan cepat dan pada suhu tersebut struktur logam baru mangalami transformasi melewati titik kritis A1 dari kondisi awal dengan struktur ferrite + pearlite (ferite cementeite), sedangkan pada suhu 800 0C merupakan suatu kondisi dimana logam berada pada fase struktur di tengah-tengah antara garis kritis transformasi A1 dan A3 sehingga pada kondisi tersebut menunjukkan (50% ferrite + 50%
martensite),seperti ditunjukkan pada grafik hasil perhitungan matrik berikut:
Gambar 4.9 Grafik % struktur mikro yang terbentuk pada variasi suhu 7500C – 8000C
Gambar 4.10 Grafik % struktur mikro yang terbentuk pada variasi suhu 8300C – 9100C
Pada Grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4.9 terlihat distribusi mikrostruktur pada berbagai suhu pemanasan % bainite paling besar, kemudian % ferrite dan % martensite sebagian kecil, dimana struktur martensite terbesar ditunjukkan ketika temperatur perlakuan 8000C.
Kemudian pada temperatur 8000C distribusi struktur mikro dari ketiga fase ini memiliki % yang hampir sama, ini berarti pada temperatur tersebut struktur pearlite mengalami transformasi 50% martensite dan bainite serta struktur ferrite yang tetap tersisa.
Sedangkan pada gambar 4.10 grafik distribusi struktur mikro pada suhu 8300C,870, dan 9100C diatas terlihat % austenite semakin besar dengan suhu yang semakin meningkat dan % martensit semakin kecil hal ini karena logam mulai suhu 870 0C hingga suhu 9100C berada pada kondisi mendekati titik kritis A3 yaitu kondisi mendekati transformasi menuju austenite full hingga suhu 910 0C atau sedikit diatas garis transformasi A3,seperti yang ditunjukkan dari hasil foto mikro di atas.
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Variasi temperatur heat treatment mempengaruhi terbentuknya matrik martensite disamping komposisi kandungan logam terutama unsur C.
2. Prosentase matrik Martensite tertinggi didapatkan pada suhu heat treatment 8000C dan terendah pada suhu 910 0C.
3. Dengan melihat prosentase matrik martensite tentunya akan mempengaruhi sifat mekanik logam AISI 1005 (dalam hal ini plat) terutama dalam formabilitynya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] JFE Steel Corporation, 2010. Cold Rolled Steel Sheet, http://www.jfe- steel.co.jp/en,diakses pada tanggal 31 Desember 2010
[2] Witono,Kris,2015. Effect Of Heat Treatment Temperature On The Formation Of Dual Phase Steel Aisi 1005 Hardness And Flexure Strength Characteristics Of Materials [3] Pires.N. 2006. Technology,System Issues and Aplication, Springer Verlag London
Limited.pg.54-60.
TBMK‐38 [4] Speer ,JG. and Matlock DK. 2002. Recent Developments In Low-Carbon Sheet Steel, The Advanced Steel Processing and Products Research Center, Department of Metallurgical and Materials Engineering, Golden,Colorado 80401,J. JOM.pg.19-24.
[5] Tumuluru. M.D. 2006. Resistance Spot Welding of Coated High-Strength Dual-Phase Steels, Weld.J.,Vol.85(8),pg.31-37.
[6] Wardoyo,J.T. 2005. Metode Peningkatan Tegangan Tarik dan Kekerasan Pada Baja Karbon Rendah Melalui Baja Fasa Ganda, Jurnal TEKNOIN, Vol. 10, No. 3, September 2005, pg.237-248.
[7] Xiaoyan Li, 2005. Weldability of Dual Phase Steel and TRIP Steel, tesis submitted to the Department of Mechanical and Materials Engineering, Queen’s University Kingston,Ontario,Canada, April 2005.
