Pengaruh Variasi Temperatur Tempering Terhadap Nilai Kekuatan Tarik dan Kekerasan Baja Karbon Sedang
Ilyas Yusuf1*, Nurlaili2
1,2Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe, Indonesia
*Koresponden email: [email protected]
Diterima: 11 Mei 2023 Disetujui: 22 Mei 2023
Abstract
This study aims to determine the effect of variations in the tempering temperature of medium carbon steel on tensile strength and hardness values. Medium carbon steel formed into test specimens is subjected to a heat treatment process up to a temperature of 8300C, holding time of 60 minutes and quenching in an oil medium. Specimens at average temperature were then subjected to a tempering process at temperatures 300, 450 and 5500C, with a holding time of 40 minutes. The specimens were characterized by tensile and hardness tests using the Rockwell method. The base material that was tested for chemical composition showed that the material had a carbon content of 0.47%. From the tensile test results, the highest average tensile strength value was found in specimen B1 with a tempering temperature of 4500C of 125.36 kg/mm2 and the lowest in-sample C1 with a tempering temperature of 5500C with a tensile strength of 84.31 kg/mm2. Meanwhile, the hardness test results were obtained by sample A1 with a tempering temperature of 3000C with a hardness of 76.9 HRC, and the lowest was sample C1, with a tempering temperature of 5500C, with a hardness of 71.1 HRC. Medium carbon steel that undergoes the tempering process experiences a decrease in tensile strength and hardness as the tempering temperature increases.
Keywords : medium carbon steel, tempering, tensile strength, hardness
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi temperatur tempering baja karbon sedang terhadap kekuatan tarik dan nilai kekerasan. Baja karbon sedang yang telah dibentuk menjadi spesimen uji dilakukan proses perlakukan panas hingga temperatur 8300C, holding time 60 menit dan di-quenching pada media oli. Spesimen yang telah pada temperatur normal kemudian dilakukan proses tempering dengan temperatur 3000C, 4500C dan 5500C dan holding time selama 40 menit. Spesimen dilakukan karakterisasi uji tarik dan kekerasan menggunakan metode Rockwell. Material dasar yang diuji komposisi kimia menunjukkan material memiliki kandungan karbon 0,47%. Hasil pengujian didapat spesimen B1 dengan temperatur tempering 4500C memiliki nilai rata-rata kekuatan tarik tertinggi sebesar 125.36 kg/mm2 dan terendah pada sampel C1 dengan temperatur tempering 5500C dengan kekuatan tarik 84.31 kg/mm2. Sedangkan dari hasil pengujian kekerasan dihasilkan oleh sampel A1 dengan temperatur tempering 3000C dengan kekerasan 76.9 HRC dan terendah sampel C1, temperatur tempering 5500C, dengan kekerasan 71.1 HRC. Baja karbon sedang yang mengalami proses tempering mengalami penurunan kekuatan tarik dan kekerasan seiring dengan meningkatnya temperatur tempering.
Kata kunci : baja karbon sedang, tempering, kekuatan tarik, kekerasan
1. Pendahuluan
Baja merupakan paduan yang terdiri dari unsur besi (Fe), karbon (C), dan unsur lainnya yang dapat dibentuk melalui pengecoran, pencanaian, atau tempering. Karbon merupakan salah satu unsur terpenting karena dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Baja secara umum dapat diklasifikasi menjadi dua tipe, antara lain baja paduan dan baja karbon. Baja paduan tinggi dan baja paduan rendah termasuk dalam tipe baja paduan. Selanjutnya baja karbon ini terbagi menjadi tiga jenis: baja karbon rendah dengan kadar karbon < 0,30%, baja karbon sedang dengan kadar karbon antara 0,30% - 0,70%, dan kadar karbon 0,70%- 1,40 tergolong dalam baja karbon tinggi [1][2].
Baja karbon sedang banyak digunakan sebagai komponen mesin, seperti: untuk roda gigi, poros, dan poros engkol yang memerlukan daya tahan terhadap beban yang cukup tinggi. Baja ini memiliki sifat laku panas yang baik, sehingga mudah dilakukan modifikasi terhadap karakterisasinya [1], [3], [4]. Penggunaan baja karbon sedang dalam konstruksi mesin tidak terlepas dari kerusakan yang diakibatkan oleh berbagai
dari material baja dapat ditingkatkan dengan menyesuaikan beban pemakaian dan memodifikasi sifat material tersebut. Salah satu teknik memodifikasi karakteristik dari baja karbon sedang adalah dengan melakukan perlakuan panas [1], [5], [6].
Perlakuan panas (heat treatment) adalah suatu teknik untuk memanipulasi sifat mekanik suatu baja seperti kekuatan, kekerasan, dan keuletan. Pada penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan nilai kekerasan dan kekuatan tarik. Proses perlakuan panas hardening dan tempering dilakukan terhadap baja karbon sedang. Material baja yang telah di-hardening secara quenching akan memiliki peningkatan karakteristik seperti: kekuatan tarik dan kekerasan, namun sifat getas dari material meningkat. Salah satu teknik untuk mengurangi tegangan internal dan meningkatkan keuletan material dilakukan proses perlakuan panas (tempering). Proses ini dilakukan memanaskan kembali baja yang telah di-quenching pada temperatur di bawah temperatur kritis. Proses ini bertujuan untuk menghasilkan gabungan sifat ketangguhan yang tinggi, kekuatan, dan keuletan.
Perlakuan panas tempering adalah proses pemanasan ulang baja yang telah di-hardening pada temperatur di bawah temperatur kritis, dilanjutkan dengan pendinginan. Meskipun proses ini menghasilkan baja lunak, proses ini berbeda dengan anil karena sifat-sifatnya dapat dikontrol dengan hati-hati. Perlakuan proses tempering dapat menurunkan kegetasan material dikarenakan struktur martensit yang tidak stabil [7], [8]. Logam dengan struktur yang tidak stabil memiliki kelemahan seperti dapat mengakibatkan percepatan kerusakan. Dengan proses tempering, sifat getas dan tegangan sisa diturunkan dan kekerasannya disesuaikan dengan kebutuhan. Temperatur temper dan waktu pendinginan material baja tergantung pada tipe dan tingkat kekerasan yang diinginkan. Beberapa peneliti terdahulu telah melaporkan pengaruh proses tempering terhadap berbagai jenis baja [9]–[12]. Namun demikian belum ditemukan efek temperatur tempering 300, 450 dan 5500C terhadap kekuatan tarik dan kekerasan.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efek temperatur tempering 300, 450 dan 5500C terhadap karakterisasi kuat tarik dan kekerasan dari baja karbon sedang. Pengujian tarik dan kekerasan dilakukan setelah material mengalami proses hardening pada temperatur 8300C dan waktu holding time selama 60 menit. Proses hardening dilakukan dengan di-quenching dalam media oli.
2. Metode Penelitian
2.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pembuatan spesimen, pengujian kekuatan tarik dan kekerasan dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe. Proses perlakuan panas dilakukan di Laboratorium Uji Bahan Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe. Waktu penelitian dilakukan selama delapan bulan.
2.2 Material dan Alat Penelitian
Material yang digunakan adalah baja karbon sedang dan hasil pengujian komposisi kimia material memiliki kandungan karbon 0,47%. Peralatan yang digunakan antara lain: dapur pemanas (furnace), mesin uji tarik dan peralatan uji kekerasan, dan peralatan pendukung lainya seperti mesin gergaji, mesin bubut, mesin grinding polisher. Selanjutnya sebagai media pendingin pada proses hardening menggunakan oli SAE 40.
2.3 Prosedur penelitian Pembentukan Spesimen
Spesimen uji tarik dibentuk dengan mesin bubut sebanyak lima buah dari setiap variasi temperatur tempering. Spesimen dibentuk mengacu pada standar ASTM E8/E8M seperti diperlihatkan Gambar 1.
Sebagai kontrol dibentuk spesimen tanpa perlakuan panas. Spesimen tanpa perlakuan panas atau material dasar diberi kode X, spesimen dengan temperatur tempering 300, 450 dan 5500C, masing-masing dengan kode A, B dan C.
Gambar 1. Spesimen uji tarik mengacu ASTM E8/E8M Sumber: ASTM E8/E8M (2022)
Proses Perlakuan Panas
Proses perlakuan panas yang dikerjakan berupa proses hardening dan tempering. Proses hardening dilakukan dengan memanaskan spesimen di dalam furnace hingga mencapai temperatur 8300C dengan waktu penahan 60 menit. Spesimen kemudian didinginkan cepat (quenching) dengan mencelupkan ke dalam oli SAE 40. Spesimen yang telah mengalami proses hardening, kemudian dibersihkan hingga bersih dan dilanjutkan ke proses tempering. Proses tempering dilakukan pada temperatur 300, 450 dan 5500C dengan waktu penahanan selama 40 menit. Spesimen yang telah mengalami proses tempering didinginkan secara alami hingga mencapai temperatur ruang. Spesimen dikondisikan dalam temperatur ruang selama tujuh hari sebelum dilakukan pengujian tarik dan kekerasan.
Pengujian Tarik dan Kekerasan
Karakteristik kekuatan tarik dan kekerasan spesimen yang telah mengalami proses tempering menggunakan mesin uji tarik universal testing machine. Gambar 2 dan 3 memperlihatkan proses pengujian tarik dan kekerasan. Pengujian tarik dilakukan hingga spesimen putus dengan kecepatan penarik 4 mm/menit. Data yang terekam di dalam program selanjutnya diolah menggunakan program Ms. Excel.
Untuk pengujian kekerasan, spesimen yang digunakan adalah bagian dari spesimen uji tarik. Pengujian kekerasan menggunakan metode Rockwell dengan lima titik penekanan menggunakan penetrator intan berbentuk kerucut dengan beban 150 kg.
Gambar 2. Proses pengujian tarik Sumber: Lab. Uji Bahan JTM (2022)
Gambar 3. Proses pengujian kekerasan Sumber: Lab. Uji Bahan JTM (2022)
3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 4 memperlihatkan tipikal kurva tegangan regangan dari baja karbon sedang setelah mengalami proses tempering. Dari kurva yang dipresentasikan terlihat peningkatan tegangan tarik diikuti dengan pertambahan regangan. Pada tegangan maksimum, regangan yang terjadi mencapai 0,25.
Peningkatan regangan menunjukkan material sifat material cenderung semakin ulet. Selanjutnya, hasil pengujian tarik untuk semua spesimen, baik raw material maupun material yang mengalami proses tempering diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 4. Tipikal kurva tegangan-regangan baja karbon sedang setelah proses tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Dari hasil pengujian tarik, nilai tegangan tarik material dasar baja karbon sedang sebesar 80,65 kg/mm2 dan spesimen yang mengalami proses tempering berkisar antara 84,31 kg/mm2 – 125,36 kg/mm2. Kekuatan tarik material baja karbon dengan mengalami kenaikan setelah dilakukan proses perlakuan panas (hardening dan tempering). Kekuatan tarik tertinggi terdapat pada temperatur tempering 450OC dan terendah pada temperatur tempering 550OC. dalam kasus ini, kekuatan tarik mengalami penurunan setelah temperatur tempering ditingkatkan.
Gambar 5. Kekuatan tarik baja karbon sedang dengan berbagai temperatur tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Efek heat treatment dapat meningkatkan kekuatan dengan naiknya kandungan unsur karbon. Durasi dan temperatur tempering untuk mengubah sifat kekuatan dan kekerasan berbeda untuk berbagai jenis baja.
Baja dapat mengalami peningkatan atau penurunan kekuatan dengan bertambahnya temperatur tempering, demikian juga dengan keuletan [13], [14]. Pada kasus ini, proses tempering telah mengubah pertumbuhan sementit pada temperatur 450oC sehingga terjadi peningkatan kekuatan tarik dan kekerasan menurun.
Temperatur yang tinggi akan mempercepat penggabungan karbida dan sifat kekerasan akan secara perlahan mengecil [15].
Unsur-unsur paduan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap proses temper. Efek dari itu adalah menghambat laju pelunakan. Untuk mencapai kekerasan tertentu, baja paduan akan membutuhkan temperatur temper yang lebih tinggi. Dalam proses tempering perlu diperhatikan suhu dan waktu. Pada saat-saat pertama setelah suhu tempering tercapai, pelunakan terjadi dan pada saat yang sama dengan waktu pemanasan ditingkatkan akan terjadi penurunan kekerasan [13].
Gambar 6 memperlihatkan karakteristik perpatahan material dasar dari penelitian dan spesimen setelah dilakukan proses perlakuan panas berupa proses hardening dan tempering. Gambar 6a memperlihatkan perpatahan dari material dasar (raw material) baja karbon sedang. Patahan pada spesimen material dasar berbentuk patah campuran antara patah getas dan patah ulet. Untuk spesimen yang telah mengalami proses tempering 300oC (A) bentuk perpatahan yang terjadi adalah patah ulet (Gambar 6b).
Patahan ulet dicirikan dengan adanya serabut-serabut (fibrous) dari hasil penarikan. Patahan ini disertai perubahan bentuk plastis (plastis deformation) dan permukaan patahan nampak kasar, dan berwarna kelabu.
Foto makro perpatahan spesimen dengan tempering 450oC (B) menunjukkan patah getas (Gambar 6c). Patah getas/brittel dapat dicirikan dengan keretakan tidak diikuti deformasi, permukaan rata dan mengkilap, potongan dapat dipasang kembali. Selanjutnya untuk spesimen yang di tempering pada temperatur 500oC (sample C) memperlihatkan adanya necking (pengecilan penampang). Necking tidak terjadi pada patahan spesimen dengan perlakuan lainnya. Patahan pada sampel C adalah patah ulet, dimana patah ulet ini dicirikan terjadinya deformasi plastis disekitar patahan dan penyerapan energi yang besar (Gambar 6d).
Gambar 6. Foto makro dari spesimen uji tarik
80.65 86.22
125.36
84.31
Raw Material 300 450 550
0 20 40 60 80 100 120 140
Kekuatan Tarik (kg/mm2)
Temperatur Tempering (oC)
(a) (b) (c) (d)
Gambar 7 memperlihatkan hasil pengujian kekerasan terhadap baja karbon sedang yang telah mengalami proses perlakuan panas hardening dan tempering. Kekerasan baja yang telah mengalami proses tempering berkisar antara 71,1 – 76,9 HRC, sedangkan kekerasan material dasar sebesar 84,2 HRC. Pada kasus ini, peningkatan temperatur tempering telah berefek pada penurunan nilai kekerasan. Kekerasan tertinggi terjadi pada temperatur tempering 300 OC dan terendah pada temperatur 550OC. Hasil ini didukung oleh penelitian sebelumnya oleh [15] yang menyatakan temperatur pemanasan yang tinggi akan berefek pada penurunan kekerasan dan sifat keuletan meningkat [16].
Gambar 7. Kekerasan baja karbon sedang dengan berbagai temperatur tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Material baja yang dilakukan proses pengerasan biasanya bersifat rapuh, sehingga pada penggunaan tertentu perlu dilakukan peningkatan keuletan. Proses tempering adalah satau teknik perlakuan panas untuk meningkatkan keuletan dengan tidak mengesampingkan kekerasan yang telah ada. Temperatur tempering dan waktu penahanan berbeda untuk berbagai jenis baja. Proses perlakuan panas tempering pada suhu rendah antara 150ºC sampai dengan 230ºC tidak berefek signifikan pada penurunan kekuatan. Fenomena ini dikarenakan proses pemanasan bekerja untuk meminimalkan tegangan internal terlebih dahulu, dengan kata lain tempering pada temperatur tersebut disebut juga penuaan yang disengaja. Material baja yang mendapatkan proses seperti ini memiliki ukuran yang fix untuk waktu lama pada kondisi ruang. Tempering antara temperatur 200ºC - 380ºC untuk menurunkan kekerasan yang berlebihan dan meningkatkan keuletan.
Dengan temperatur tempering yang tinggi dan durasi yang lama holding time yang panjang maka akan semakin memperkecil besar butir. Dengan mengecilnya besar butir secara tidak langsung kekerasan akan menurun, tegangan berkurang dan keuletan meningkat [15].
4. Kesimpulan
Telah dilakukan perlakuan panas baja karbon sedang berupa proses hardening dan tempering. Kadar karbon dari baja karbon sedang spesimen penelitian sebesar 0,47%. Hasil pengujian tarik menunjukan kekuatan tarik baja karbon sedang yang telah mengalami proses tempering berkisar antara 84,31 kg/mm2 – 125,36 kg/mm2, dimana kekuatan tarik tertinggi terdapat pada temperatur tempering 450OC dan terendah pada temperatur tempering 550OC. Baja karbon sedang dengan temperatur tempering 300OC (A) menghasilkan kekerasan tertinggi sebesar 76,9 HRC dan terendah 71,1 HRC untuk temperatur 550OC (C).
Peningkatan temperatur tempering berakibat pada penurunan tingkat kekerasan material baja. Peningkatan waktu tempering telah berpengaruh terhadap karakteristik baja karbon sedang dan jenis perpatahan yang terjadi pada pengujian adalah patah getas, ulet dan patah campuran.
5. Daftar Pustaka
[1] K.-E. Thelning, Steel and its heat treatment. Butterworth-heinemann, 2013.
[2] S. I. Mawardi, “Perancangan dan fabrikasi mesin extrusi single screw,” Journal of Polimesin, vol.
84.2
76.9
71.5 71.1
Raw Material 300 450 550
0 20 40 60 80 100 120
Kekerasan (HRC)
Temperatur Tempering (oC)
[3] T. V. S. Rajan, C. P. Sharma, and A. K. Sharma, Heat treatment: principles and techniques. PHI Learning Pvt. Ltd., 2011.
[4] G. Singh, “A review on effect of heat treatment on the properties of mild steel,” Materials Today:
Proceedings, vol. 37, pp. 2266–2268, 2021.
[5] A. Cottrell, An introduction to metallurgy. CRC Press, 2019.
[6] M. N. Sultana, M. F. Hasan, and M. Islam, “Analysis of mechanical properties of mild steel applying various heat treatment,” in Proceedings of the International Conference on Mechanical, Industrial and Energy Engineering, Khulna, Bangladesh, 2014, pp. 25–26.
[7] Y. Chang, C. Y. Wang, K. M. Zhao, H. Dong, and J. W. Yan, “An introduction to medium-Mn steel:
Metallurgy, mechanical properties and warm stamping process,” Materials & Design, vol. 94, pp.
424–432, 2016.
[8] A. Ajami, H. Mirzadeh, and M. Najafi, “Tempering of cold-rolled martensite in mild steel and elucidating the effects of alloying elements,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 29, pp. 858–865, 2020.
[9] S. K. Bonagani, V. Bathula, and V. Kain, “Influence of tempering treatment on microstructure and pitting corrosion of 13 wt.% Cr martensitic stainless steel,” Corrosion Science, vol. 131, pp. 340–
354, 2018.
[10] Chakraborty, G., Das, C. R., Albert, S. K., Bhaduri, A. K., Paul, V. T., Panneerselvam, G., &
Dasgupta, A, “Study on tempering behaviour of AISI 410 stainless steel,” Materials Characterization, vol. 100, pp. 81–87, 2015.
[11] J. Zhu, Z. Zhang, and J. Xie, “Improving strength and ductility of H13 die steel by pre-tempering treatment and its mechanism,” Materials Science and Engineering: A, vol. 752, pp. 101–114, 2019.
[12] B. Wang et al., “Effects of quench-tempering and laser hardening treatment on wear resistance of gray cast iron,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 9, no. 4, pp. 8163–8171, 2020.
[13] D. J. Purnomo, S. Jokosisworo, and U. Budiarto, “Analisa Pengaruh Holding Time Tempering Terhadap Kekerasan, Keuletan, Ketangguhan dan Struktur Mikro Pada Baja ST 70,” Jurnal Teknik Perkapalan, vol. 7, no. 1, 2019.
[14] S. M. Adams and I. Y. Suleiman, “Original Research Article Effect of Carburization Time and Temperature on the Mechanical Properties of Mild Steel,” Heat treatment, vol. 3, no. 2, pp. 800–
804, 2018.
[15] X. Qi, L. Du, J. Hu, and R. D. K. Misra, “Effect of austenite stability on toughness, ductility, and work-hardening of medium-Mn steel,” Materials Science and Technology, vol. 35, no. 17, pp. 2134–
2142, 2019.
[16] W. D. Callister Jr and D. G. Rethwisch, Fundamentals of materials science and engineering: an integrated approach. John Wiley & Sons, 2020.
