## PERLAKUAN PANAS PADA BAJA KARBON: EFEK MEDIA PENDINGINAN TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN STRUKTUR MIKRO

## Nasmi Herlina Sari
Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram, Nusa Tenggara Barat E-mail: n.herlinasari@unram.ac.id
Abstrak-- Dalam paper ini, proses  modifikasi sederhana diperkenalkan untuk  menyelidiki efek  media pendinginan terhadap struktur mikro dan sifat mekanik dari baja karbon rendah. Lembaran baja karbon rendah  dibentuk  dan  dipanaskan  dalam  oven  pada  suhu  900 o C  selama  30  menit  dan  didinginkan meggunakan  media  pendinginan  yang  berbeda,  yaitu:  air  (quenching),  udara  (normalizing)  dan pendinginan  dalam  oven  (annealing).  Sifat  mekanik,  meliputi  kekuatan  tarik,  kekuatan  impak  dan struktur  mikro  ditentukan  menggunakan  mesin  ultimate  tensile  machine  dan  impact  machine. Mikrostruktur  baja  juga  telah  diselidiki  dan  dianalisa  menggunakan  microscope  metallurgy  dan  telah dibandingkan  dengan  bahan  baku  baja.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  kekerasan  baja menggunakan  media  air  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  media  lain  yang  dipelajari;  dikarenakan deformasi  struktur  ferrit  menjadi  pearlit.  Inter–critical  sampel  uji  annealing  (AN)  pada  suhu  900  °C menunjukkan  ferit–martensit  fase  ganda  dan  menunjukkan  sifat  mekanik  yang  sangat  baik  bila dibandingkan  dengan  sampel  uji  (NO),  (QE)  dan  tanpa  perlakuan  (RM).  Hasil  ini  bermanfaat  untuk peneliti dan industriawan sebagai dasar untuk pengembangan sifat baja menjadi produk industri yang diinginkan.
Kata kunci : Annealing, normalizing, perlakuan panas, sifat mekanik dan quenching,
Abstract-- In  this  paper,  a  simple  modification  process  was  introduced  to  investigate  the  effects  of cooling  media  on  microstructure  and  mechanical  properties  of  low  carbon  steels.  Low  carbon  steel sheets are formed and heated in an oven at 900 °C for 30 minutes and cooled using different cooling media,  namely:  water  (quenching),  air  (normalizing)  and  annealing  cooling.  Mechanical  properties, including tensile strength, impact strength and microstructure are determined using the ultimate machine tensile machine and impact machine. Microstructures of steel have also been investigated and analyzed using microscope metallurgy and have been  compared with steel raw  materials. The  results showed that the hardness of steel using water media is higher than the other media being studied; because the deformation  of  the  ferrite  structure  becomes  pearlite.  Inter–critical  samples  of  annealing  tests  at temperatures  of  900  °C  exhibit  ferrite–martensite  double  phases  and  exhibit  excellent  mechanical properties when compared to NO, QE and RM test samples. These results are useful for researchers and industrialists as a basis for the development of steel properties into desired industrial products.
Keywords : Annealing, normalizing, heat treatment, mechanical properties and quenching

## 1.  PENDAHULUAN
Meskipun  sejumlah  besar  bahan  tersedia,  baja telah  digunakan  dalam  berbagai  aplikasi  karena fasilitas  untuk  mendapatkan  mereka  dan  juga untuk sifat berbeda yang diperoleh dengan proses perlakuan  panas,  termasuk  biaya  yang  rendah, dan dengan mempertimbangkan bahan baku dan produksi baja di seluruh dunia sekitar 6.10 9 ton per tahun.  Baja  adalah  paduan  Fe–C  (kandungan Carbon  maksimum  sekitar  2%)  yang  dapat mengandung  elemen  paduan  lainnya,  sesuai dengan aplikasinya. Bahkan variasi rendah dalam komposisi tersebut dapat menyebabkan perbedaan  besar  dalam  sifat  mekanik,  karena struktur  akhir  dapat  berubah  sesuai  dengan pengolahan manufaktur dan juga siklus perlakuan panas yang diterapkan [1].
Dewasa  ini,  aplikasi  industri  pembentukan lembaran  baja  mencari  bahan  dengan  potensi
deformasi plastis dan kekuatan tinggi. Tantangan ini tidak mudah dicapai, karena biasanya kenaikan kekuatan  baja  selalu  disertai  dengan  penurunan elongasi  [2].  Naeem  et.  al  (2016)[3]  telah menyelidiki  baja  karbon  biasa    yang  diproses dengan  teknik cathodic  cage  plasma  nitriding (CCPN)  menggunakan austenitic  stainless  steel cathodic  cage (CC)  memiliki  variabel  diameter
(13–21  cm).    Mereka  melaporkan  bahwa  proses nitriding secara siknifikan meningkatkan kekerasan  baja  tanpa  pra–perlakuan  atau pencampuran  paduan.  Kemudian,  Sergey  et  al. (2016)[4]  telah  mempelajari  ketangguhan  impak dari  spesimen  baja  12Cr1MoV  pada  temperatur mulai  dari    20 o C  sampai  600 o C.  Mereka melaporkan  bahwa  peningkatan  temperatur pengujian dari 20 o C sampai 375 o C dan kemudian menjadi  600 o C  menyebabkan  ketangguhan impak  dari  baja  menurun  sebesar    1.2  dan  2.42 kali,  berturut–turut.  Souki  et  al  [5]  telah
mempelajari pengaruh perlakuan panas terhadap ketangguhan  patah  dan  dan  perambatan  retak dalam  baja  martensitik  cromium  5%.    Mereka melaporkan bahwa Kekuatan tinggi baja kromium 5% pada suhu tinggi secara langsung berhubungan  dengan  mikrostruktur  kompleks yang  dihasilkan  oleh  perlakuan  panas  spesifik yang  terdiri  dari  austenitisasi.    Mengubah temperatur austenitisasi, yaitu ukuran butiran dan morfologi  karbida  primer,  tidak  mengubah karakteristik fraktur dari baja.
Sedangkan,  Phoumiphon  et  al.  [6]  telah menyelidiki  sifat  mekanik  dari  baja  karbon  biasa dengan  teknik cold–rolled .  Mereka  melaporkan bahwa  spesimen annealed pada  suhu  850°C menunjukkan  mikrostruktur  dua  fase  terdiri  dari ferrite  –  martensite memiliki  kekerasan  dan kekuatan yang baik yaitu sebesar 172.88 HV dan 540.11  MPa  dibandingkan  dengan  spesimen annealed  pada  temperatur  800°C  dan  750°C. Studi  –  studi  ini  menunjukkan  bahwa  penelitian terkait  dengan efek media  pendinginan  terhadap sifat mikrostruktur dan mekanik baja karbon belum di selidiki oleh para peneliti.
Oleh  sebab itu, penelitian ini  bertujuan untuk menyelidiki untuk menyelidiki efek media pendinginan  terhadap  struktur  mikro  dan  sifat mekanik  dari  baja  karbon  rendah  ST  37. Penelitian bermanfaat untuk peneliti dan industriawan  untuk  mengembangkan  sifat  baja menjadi produk industri yang diinginkan.

## 2.  METODE PENELITIAN

## 2.1 Bahan
Baja ST–37. Kandungan kimia Baja ST–37, yaitu Carbon, Silikon, Mangan, Posfor, Sulfur,
Cromium,  dan  Nikel  masing–masing  sebesar 0.11, 0.03, 0.56, 0.007, 0.005, 0.07 dan 0.03 (% berat) berturut–turut (Naeem et al. 2016)[3].
.
2.2 Proses perlakuan panas pada sampel uji Sampel  uji  baja  ST  37  (lihat  dalam  Gambar  1) dibersihkan  dan  diletakkan  dalam  pemanas. Sampel dipanaskan dalam oven sampai temperatur 900 o C selama 30 menit.  Selanjutnya,
proses
quenching dilakukan dengan mencelupkan  sampel  uji  ke  dalam  air.  Untuk proses normalizing ,  sampel  uji  dikeluarkan  dari oven  dan  dibiarkan  dalam  suhu  ruangan (temperatur  29 o C)  sampai  sampel  uji  mencapai temperatur  kamar.  Sedangkan,  untuk  proses annealing ,  setelah  pemanasan,  sampel  uji dibiarkan  di  dalam  oven  sampai  mencapai  suhu kamar.  Kode  sampel  uji  untuk  masing–masing proses perlakuan panas ditunjukkan dalam Tabel 1.
Empat  jenis  sampel  uji  baja  berbeda dihasilkan  untuk  masing–masing  pengujian. Tiap–tiap  pengujian  dilakukan  pengulangan
sebanyak tiga kali sehingga diperoleh nilai rata– rata dari masing–masing parameter uji.
Tabel 1 . Kode sampel uji untuk masing–masing proses perlakuan panas Spesimen Kode Tanpa perlakuan RM Normalizing NS Quenching QE Annealing AR

## 2.3 Sifat mekanik Baja
a.  Kekuatan Impak Kekuatan impak  dari  sampel  uji  baja  diukur dengan  menggunakan  mesin  uji impact  Charpy. Foto mesin uji impak diperlihatkan dalam Gambar 2. Batang  uji  diletakkan  mendatar  dan  ujung  – ujungnya ditahan kearah mendatar oleh penahan yang berjarak 40 mm.

## Gambar 2. Mesin uji Impak
Bandul  berayun  akan  memukul  batang  uji tepat  dibelakang  takikan.  Pada  ujung  batang dipasang pemukul yang diberi pemberat. Batang uji  diletakkan  dibagian  bawah  alat  dan  takikan tepat  berada  pada  bidang  lintasan  pemukul. Selanjutnya,  energi  patah  sampel  uji  ditentukan dengan persamaan 2.
) ( ), ( 1 2   Cos Cos W E atau h h W E      (2)
dengan, E adalah energi patah sampel uji (Joule); h 2 adalah  ketinggian  pendulum  setelah  keadaan patah (m) adalah h 1 adalah ketinggian pendulum sebelum  diayunkan  (m); W adalah  berat pendulum  (kg);  adalah  jarak  antara  titik  berat dari pendulum ke sumbu; Cos β adala sudut awal ( o )  dan Cos  β adalah  sudut  akhir  ( o ).  Skema bentuk  sampel  uji  impak  diperlihatkan  dalam Gambar 3.

## Gambar 3. Bentuk sampel uji impak

## b.  Kekerasan
Pengukuran  kekerasan  menggunakan  mesin  uji Rockwell.  Sampel  uji  berukuran  diameter  2  cm dan  ketebalan  2  cm  dipersiapkan.  Set  indentor beserta  landasannya.  Selanjutnya,  set  beban yang  telah  ditentukan.  Tahan  beban  dengan menarik test lever berlawanan jarum jam. Sampel uji diletakkan diatas landasan anvil holder screw . Putar hand  wheel searah  jarum  jam.  Putar piringan  skala  dan  amati  jarum  panjang  tepat pada  angka  nol  skala  hitam  dan  tarik  test  lever searah  jarum  jam  perlahan–lahan.  selanjutnya, baca skala Rockwell .

## 2.4  Struktur mikro
Sampel  uji  dengan  panjang  5  mm  di  polishing menggunakan amplas berukuran mulai dari grade 120 – 1000 mm 2 . Selanjutnya, permukaan sampel uji  dipoles  dengan  autosol  dan  dibersihkan dengan kain sutra. Etsa dilakukan menggunakan HNO 3 sebesar 1 – 5 ml dan alkohol 95 % sebesar 100  ml  selama  0.5  menit,  kemudian  diamati dibawah  mikroskop  metalurgi  dan  menggambil foto mikro dari masing–masing sampel uji.

## 3.    HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Analisa Nilai Kekerasan Baja
Hasil  pengukuran  kekerasan  baja  diperlihatkan dalam  Gambar  4.  Dalam  Gambar  4 ditemukan bahwa  kekerasan  baja quenching lebih  tinggi sebesar 156 kg/mm 2 daripada raw material , baja normalizing (NO) , dan  baja annealing (AN) sebesar dan 160 kg/mm 2 146.4 kg/mm 2 , dan 135 kg/mm 2 berturut–  turut.  Pemanasan  sampel  uji pada  900 o C  selama  30  dan  pendinginan  cepat menggunakan  media  air  telah  menghasilkan struktur martensit dalam baja (lihat dalam Gambar 8),  sehingga  menghasilkan  baja  yang  keras. Menurut  Bhadeshia  dan  Honeycombe  (2017)[7] dalam  penelitiannya  namun  baja  berbeda menyatakan  bahwa  nilai  kekerasan  sampel  uji baja  yang diperlakukan  dengan quenching tinggi disebabkan ukuran butir austenit ( austenite grain
size )  meningkat,  karena  luas  batasan  grain  per satuan  volume  menurun. Daerah  untuk  nukleasi ferit  dan  perlit  menurun  jumlahnya,  sehingga transformasi  ini  diperlambat,  dan  kemampuan pengerasan meningkat. Hal ini juga yang menjadi alasan  mengapa  kekerasan  dari  baja  karbon rendah  yang diperlakukan  quenching lebih  tinggi daripada sampel uji lain yang dipelajari.
Untuk sampel uji baja normalizing, perubahan fase  pearlit  kasar  menjadi  pearlit  halus  (lihat dalam Gambar 6) dalam baja akibat pendinginan lambat  menyebabkan  sampel  uji  baja  memiliki kekerasan  yang  tinggi,  namun  kekerasan  yang dimilikinya  masih  rendah  dibandingkan  dengan baja quenching.
Untuk  proses  pendinginan  dalam  oven ( Annealing ) telah menyebabkan deformasi struktur dalam baja menjadi struktur pearlite kasar (lihat dalam Gambar 7) sehingga kekerasan baja rendah.

## 3.2 Analisa Kekuatan Impak Baja
Gambar  6  menunjukkan  bahwa  kekuatan  impak charphy dari sampel uji baja annealing lebih tinggi daripada  sampel  uji  lainnya  yang  dipelajari  yaitu sebesar  295  Joule.  Kemudian  diikuti  oleh  raw material,  baja  normaling  dan  quenching  masing sebesar  210  Joule,  233  Joule  dan  95  Joule berturut–  turut.  Kekuatan  impak  yang  tinggi  dari sampel  baja  AN  ini  dikarenakan Intercritical sampel  uji  AN  pada  suhu  900°C  menunjukkan fase ganda dari ferit–martensit sehingga kekuatannya menjadi tinggi, tetapi kekerasannya rendah [Phoumiphon, et  al)[6].
Gambar 4. Kekerasan Rockwel dan energi impak rata–  rata dari baja ST 37 dengan media pendiginan berbeda
R0.25 45 o + 2 o
Untuk  baja normalizing dan quenching kekuatan impaknya rendah disebabkan

## 3.3 Analisa struktur mikro
Hasil  pengamatan  mikro  melalui  mikroskop menunjukkan  bahwa  sampel  uji  RM  memiliki sejumlah besar struktur ferrit (berwarna putih) dan sedikit pearlit (warna kehitaman) seperti diperlihatkan  dalam  Gambar  5. Adanya struktur ferrit tersebut dalam baja yang menyebabkan sifat mekanik baja rendah (baja lunak).
Gambar 5. Foto mikro dari sampel baja (RM)
Setelah diperlakukan panas pada temperatur 900 o C  selama  30  menit  dan  didinginkan  media pendinginan  yang  berbeda.  Perbedaan  media pendinginan telah memberikan perubahan mikrostruktur dari baja masing– masing berbeda. Untuk  sampel  uji  QE,  struktur  mikronya menunjukkan adanya sejumlah struktur martensit dan  simentit  yang  lebih  dominan  dan  sejumlah kecil pearlit dengan batas butir terlihat lebih besar seperti diperlihatkan dalam Gambar 8. Pendinginan dengan air menyebabkan perubahan struktur  pearlit  dari  sampel  uji  lambat  yang menyebabkan  kekerasan  baja  tinggi,  namun kekuatan rendah. Sebaliknya, ketika pendinginan dilakukan di dalam oven ( annealing ) dan dengan udara  udara  bebas  ( normalizing );  struktur  ferrit, pearlit  dan  simentit  dari  sampel  AN  dan  NO terlihat  ukurannya  lebih  besar  (lihat  dalam Gambar  6  dan  7)  dengan  batas  butir  halus daripada raw  material (RM)  baja  dan  sampel  uji baja QE (lihat dalam Gambar 5 dan 8).
Gambar 6. Foto mikro dari sampel uji baja (NO)
Gambar 7. Foto mikro dari sampel uji baja (AN)
Gambar 8. Foto mikro dari sampel uji baja (QE)

## 4.  KESIMPULAN
Investigasi  terhadap  struktur  mikro  dan  sifat mekanik  dari  sampel  uji  baja  ST  37  dilakukan secara  eksperimen.  Perlakuan  panas  ( heat treatment ) dari sampel baja pada temperatur 900 o C selama 30 menit dan pendinginan dalam media berbeda  memberikan  efek  perubahan  struktur mikro  dari  baja.  Kekerasan  baja  menggunakan media air lebih tinggi dibandingkan dengan media lain  yang  dipelajari;  dikarenakan  deformasi struktur ferrit menjadi pearlit. Inter–critical sampel uji  AN  pada  suhu  900  °C  menunjukkan  ferit– martensit  fase  ganda  dan  sifat  mekanik  yang sangat baik bila dibandingkan dengan sampel uji normalizing  ( NO ) , quenching  ( QE ) dan  tanpa perlakuan (RM).

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Canale  LCF,  Vatavuk  J,  Totten  GE.  2014. Introduction to Steel Heat Treatment. Elsevier Ltd.
[2].  Meng Q, Li J, Zheng H. 2014. High–efficiency fast–heating annealing of a cold–rolled dual– phase steel. Materials & Design. 58:194–197.
[3].  Naeem M, Shafiq M, Zaka ul Islam MA. Ashiq A, Díaz–Guillén JC, Shahzad M, Zakaullah M. 2016.  Enhanced  surface  properties  of  plain carbon  steel  using  plasma  nitriding  with
austenitic  steel  cathodic  cage,  Materials  and Design 108: 745–753.
[4].  Sergey  V,  Panin  PO,  Maruschak  IV,  Vlasov B.B,  Ovechkin.  2016.  Impact  toughness  of 12Cr1MoV  steel.  Part  1  –  Influence  of temperature  on  energy  and  deformation parameters  of  fracture,  Theoretical  and Applied Fracture Mechanics 83: 105–113.
[5].  Souki I, Delagnes D, Lours P. 2016. Influence of  heat  treatment  on  the  fracture  toughness and  crack  propagation  in  5%  Cr  martensitic
steel.  Procedia  Engineering  10  (2011)  631– 637.
[6].  Phoumiphon N,  Othman R, Ismail  AB. 2016. Improvement  in  Mechanical  Properties  Plain Low  Carbon  Steel  Via  Cold  Rolling  and Intercritical  Annealing,  Procedia  Chemistry 19: 822 – 827.
[7].  Bhadeshia  H,  Honeycombe  R.  2017,  Steels: Microstructure  and  Properties.  Elsevier  Ltd. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978–0–08– 100270–4.00008–1.