## PENGARUH VARIASI KONSENTRASI MEDIA PENDINGIN (QUENCHANT) PADA PROSES QUENCH TERHADAP KEKERASAN, STRUKTUR MIKRO DAN RETAK AKIBAT QUENCH (QUENCH CRACK) DARI BAJA AISI 1040
Eqmond D. Sitompul 1 , Surya Dharma 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan, 20155 Medan, Indonesia
Email: ed_sitompul@yahoo.com

## ABSTRAK
Retak (crack) selama proses quench merupakan permasalahan yang sering ditemukan. Beberapa hal  yang  menjadi  fokus  pengamatan  sehingga  proses  perlakuan  panas  dapat  bcerhasil,  yaitu komposisi kimia baja dan kemampukerasannya, geometri dari komponen, mechanical handling, jenis dari fluida pendingin, temperatur dari fluida pendingin, kondisi dari pengingin, sirkulasi dari media  pengingin.  Pada  produksi  masal  misalnya  produksi  baut  (bolt)  keretakan  pada  proses quench lebih dominan terjadi pada diameter yang lebih kecil dari As Bar dibandingkan dengan diameter yang lebih besar. Pada penelitian ini, sifat mekanis seperti kekerasan (hardness), sifat fisis seperti mikro struktur dan keretakan dipertimbangkan sebagai fungsi dari kondisi quenching dari baja AISI 1040 berdiameter 25mm setelah proses hardening pada temperatur 850 o C dengan pengaruh  variasi  konsentrasi  media  pendingin  (quenchant)  diselidiki.  Struktur  mikro  dari  as- quench  martensite  dan  perkembangannya  selama  Hardening  diamati.  Hasil  penelitian menunjukkan  terjadinya  perubahan  kekerasan  dan  struktur  mikro  serta  retak  yang  terjadi  dari spesimen akibat proses hardening terhadap Variasi Konsentrasi Media Pendingin (Quenchant).
Kata Kunci : Hardness, Heat Treatment, Quench ,Quench Crack, Quenchant

## PENDAHULUAN.
Baja  adalah  bahan  dasar  vital  untuk industri,  semua  segmen  kehidupan,  mulai  dari peralatan  dapur,  komponen  mesin  sampai kerangka  gedung  dan  jembatan  menggunakan baja. Salah satu jenis baja yang sering digunakan dalam dunia industri adalah tipe AISI 1040, baja tersebut  banyak  digunakan  pada  komponen mesin karena sifat yang dimiliki baja ini adalah tahan aus dan keuletan yang baik.
Perlakuan Panas (Heat Treatment) adalah suatu proses mengubah sifat mekanis (Mechanical  Properties) logam  dengan  cara mengubah  struktur  mikro  melalui  proses pemanasan dan pengaturan kecepatan pendinginan  dengan  atau  tanpa  merubah komposisi  kimia  logam  yang  bersangkutan. Tujuan proses perlakuan panas untuk menghasilkan sifat-sifat logam yang diinginkan. Mengetahui  sifat  mekanis  logam  dari  berbagai kondisi pembebanan sangat penting dipertimbangkan  untuk  apliksi  perhitungan teknik  seperti  perhitungan  untuk  pembuatan komponen-komponen  mesin.  Perubahan  sifat
logam  akibat  proses  perlakuan  panas  dapat mencakup  keseluruhan  bagian  dari  logam  atau sebagian dari logam.
Beberapa  hal  yang  menjadi  fokus pengamatan  sehingga  proses  perlakuan  panas dapat berhasil, seperti komposisi kimia baja dan kemampukerasannya, geometri dari komponen , mechanical handling , jenis dari fluida pendingin, temperatur  dari  fluida  pendingin,  kondisi  dari pengingin, sirkulasi dari media pengingin.
Baja  karbon  yang  dipanaskan  sampai temperatur  austenisasi  kemudian  didinginkan secara  cepat  akan  terbentuk  struktur  martensit yang  memiliki  kekerasan  yang  lebih  tinggi  dari struktur  perlit  maupun  ferit,  proses  ini  dikenal dengan Quenching. Berbagai  mikrostruktur dapat  terbentuk  pada  paduan  baja,  martensit merupakan  yang  paling  keras  dan  kuat  tetapi getas. Kekerasannya tergantung pada kandungan karbon yang ada pada paduan tersebut. Austenit lebih  dari  pada  martensit,  bagaimanapun  pada waktu  transformasi  fasa  dengan  quenching volumenya  akan  berkurang.  Konsekuensinya, sebagian  besar quenching akan  mengalami
keretakan (crack) karena pengaruh internal stress (Callister W.D, 2001).
Pada  produksi  masal  misalnya  produksi baut (bolt) keretakan  pada  proses quench lebih dominan  terjadi  pada  diameter  yang  lebih  kecil dari As Bar dibandingkan dengan diameter yang lebih  besar.  Hal  ini  kemungkinan  disebabkan oleh  laju  pendinginan (cool  rate) yang  berbeda dari  material  tersebut.  Perlu  suatu  pengetahuan tentang  beban quench yang  terjadi  sehingga dapat  meminimalkan  retak  terjadi  pada  proses hardening. Masalah ini biasanya adalah hasil dari ketidak seimbangan pada bagian dalam tegangan sisa  yang  dapat  mengarah  kepada  keretakan. Berkisar  dari  keretakan  mikro (microcracking) sampai  kerusakan  bagian  terbesar.  Dua  faktor penting  yang  mempengaruhi  laju  pendinginan atau laju saat panas dapat dipindahkan dari suatu bagian baja. Satu adalah kemampuan dari panas untuk berpindah dari bagian dalam ke permukaan sepesimen  baja,  dan  yang  kedua  adalah kemampuan  dari  media quenching melepas panas  dari  permukaan  bagian  baja.  (Krauss  G, 2006).
Martensit adalah fasa tunggal yang tidak seimbang yang terjadi karena transformasi tanpa difusi dari austenit pada proses Quench . Struktur FCC (Face  centered  cubic) austensit  akan berubah  menjadi  struktur  BCT (Body  Centered Tetragonal) martensit  pada  transformasi  ini. Karena  transformasi  martensit  tidak  melewati proses  difusi,  maka  ia  terjadi  seketika  sehingga laju transformasi martensit adalah tidak bergantung  waktu.  Konsekuensinya,  baja  yang telah  melalui  proses quench akan  mengalami keretakan (crack) karena pengaruh internal stress ataupun tidak tercapainya kekerasan yang kita inginkan. Retak  pada  proses quench merupakan  suatu permasalahan yang sangat mendasar.
Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki  perubahan  kekerasan  dan  struktur mikro serta retak yang terjadi dari baja AISI 1040 as bar diameter 25 mm akibat proses quenching
terhadap  variasi  konsentrasi  media  pendingin ( quenchant ).

## Material dan methodologi
Pada penelitian baja karbon AISI/SAE 1040 berbentuk as  bar ini,  dilakukan  persiapan  yang mencakup beberapa proses antara lain:
a. Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian komposisi kimia baja karbon AISI/SAE 1040 as bar dilakukan untuk mengetahui  unsur  karbon  dan  unsur  paduannya seperti  Sulfur  (S),  Posfor  (P),  Silikon  (Si), Mangan  (Mn)  dan  lain  lain.  Hal  ini  juga  perlu dilakukan untuk mengetahui keaslian bahan yang akan diuji.
b. Proses Hardening
Proses hardening diawali dengan persiapan bahan dan dapur pemanas. Pemanasan dilakukan  dengan  menggunakan  dapur  listrik. Spesimen  (AISI/SAE  1040)  dipanaskan  pada temperatur 850 o C dan kemudian ditahan selama
1 jam (holding time) .
Tabel 1. Parameter proses perlakuan panas pada spesimen
c. Proses Quenching
Setelah  dilakukan  pemanasan  dan  penahanan kemudian
spesimen (AISI/SAE 1040)
didinginkan dengan cepat dengan menggunakan media  pendingin  campuran  air  dengan  polimer (castrol  iloquench) dengan  variasi  konsentrasi polimer.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1.1. Hasil Pengujian Komposisi Kimia
Tabel 2 berikut ini menunjukkan data komposisi kimia  unsur-unsur  yang  ada  dalam  material spesimen.
Perlakuan Panas Increase (Jam) Waktu Penahanan (Jam) Konsentrsi Media pendingin Hardening 850 o C 3 1 20% Hardening 850 o C 3 1 25% Hardening 850 o C 3 1 30% Hardening 850 o C 3 1 35% Hardening 850 o C 3 1 40%
Tabel 2. Komposisi Kimia Baja Karbon AISI/SAE 1040
Berdasarkan  kandungan  karbon  dalam  material dapat  disimpulkan  bahwa material yang digunakan  tergolong medium  carbon  steel dengan  kadar  karbon  0,4525%  sesuai  dengan standart AISI.

## 1.2. Hasil Pengujian Kekerasan
Dari  Gambar  1.  Grafik  Kekerasan  Versus Penambahan  Polimer  pada  Media  Pendingin menunjukkan  penurunan  kekerasan  setelah proses quench . Untuk 20% polimer kekerasan 24 HRC,  25%  polimer  kekerasan  21  HRC,  30% polimer  kekerasan  17  HRC,  35%  polimer kekerasan  17  HRC  dan  40% polimer  kekerasan 16  HRC.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa penambahan konsentrasi polimer dapat menurunkan  laju  pendinginan (cool  rate) pada media pendingin yang berakibat pada penurunan kekerasan material.
Gambar 1. Grafik Kekerasan Versus Penambahan Polimer

## 1.3. Hasil Pengamatan Struktur Mikro
Pengujian  foto  mikro  bertujuan  untuk mengetahui  struktur  yang  terkandung  dalam
spesimen  penelitian.  Posisi  Pengamatan  yang dilakukan adalah pada posisi permukaan (surface) dengan  pembesaran  200x  dan  pada  posisi  tengah
Series1,
20%Polimer, 24
Series1,
25%Polimer, 21
Series1, 30%Polimer, 17 Series1, 35%Polimer, 17 Series1, 40%Polimer, 16
HR C

## Grafik Pengaruh Kekerasan Terhadap Penambahan Polimer
No. Nama Unsur Simbol Kandungan (%) 1.  Ferro Fe 98.354 2.  Carbon C 0.4525 3.  Silicon Si 0.2313 4.  Sulfur S 0.0171 5.  Phospor P 0.0101 6.  Manganese Mn 0.7562 7.  Nikel Ni 0.0085 8.  Chromium Cr 0.1099 9.  Molybdem Mo 0.0056 10.  Vanadium V 0.0094 11.  Copper Cu 0.0272 12.  Seng Sn 0.0011 13.  Alumunim Al 0.0167
(center) dengan pembesaran 500x untuk tiap jenis spesimen.

## 1.3.1. Pengamatan
Struktur Mikro posisi Surface
Gambar 2 Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 20% polimer
Dari gambar 2. diatas terlihat material memiliki struktur mikro bainite . Struktur bainite tampak berwarna  hitam  seperti flake bersifat  keras akibat  kandungan  karbon  yang  dimiliki material.
Gambar 3. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 25% polimer
Bainite  terbentuk  karena  laju  pendinginan yang  cepat  tetapi  masih  dibawah  kecepatan pendinginan pada proses terbentuknya martensite. Gambar  3.  memperlihatkan  struktur  bainite  yang terbentuk  akibat  proses quenching setelah dihardening pada temperatur 850 o C. Butir bainite tampak  berbentuk  seperti  poligon.  Penyebaran bainite
mempengaruhi
kekerasan spesimen.Struktur  lain  yang  terbentuk  adalah ferrite  yang  terlihat  putih  dan  pearlite  terlihat hitam.
Gambar 4. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 30% polimer Proses quench dengan  konsentrasi  media pendingin  30%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  struktur  bainite.  Dari  gambar  4. terlihat  struktur  bainite  terlihat  seperti  jarum berwarna gelap berbutir kasar.
Gambar 5. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 35% polimer
Proses quench dengan  konsentrasi  media pendingin  35%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  struktur  ferrite,pearlite  dan  bainite. Dari  Gambar  5.  terlihat  struktur  bainite  terlihat seperti jarum berwarna gelap berbutir kasar.
Gambar 6. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 40% polimer
Proses quench dengan  konsentrasi  media pendingin  40%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  ferrite,pearlite  dan  bainite.  Dari Gambar 6. terlihat struktur ferrite terlihat berwarna putih  cerah  dan  bainite  terlihat  seperti  poligon berwarna gelap berbutir kasar.
1.3.2. Pengamatan Struktur Mikro
posisi Centre
Gambar 7. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan

## konsentrasi media pendingin 20% polimer
Dari  gambar  7.  diatas  terlihat  material  memiliki struktur  mikro  ferit  dan  pearlit.  Struktur  ferit tampak  berwarna  putih  sedangkan  pearlit  terlihat lebih gelap, masing-masing memiliki ukuran butir besar  dan  kasar.  Struktur  pearlit  bersifat  keras akibat  kandungan  karbon  yang  dimiliki  material, sedangkan ferit memiliki sifat lunak dan liat.
Gambar 8. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 25% polimer
Pada daerah tengah (centre) laju pendinginan lebih lambat  dibanding  pada  daerah  permukaan (surface)  sehingga  transformasi  austenite  ke pearlite dan transformasi austenite ke ferrite terjadi di daerah tengah (centre). Gambar 8. memperlihatkan  struktur  ferrite  dan  pearlite  yang terbentuk  akibat  proses quenching setelah dihardening pada temperatur 850 o C.
Gambar 9. Struktur mikro specimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 30% polimer
Proses quench dengan konsentrasi media pendingin  30%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  struktur  ferrite  dan  pearlite.  Dari gambar 9. terlihat struktur ferrite memiliki butiran yang lebih besar  terlihat berwarna putih cerah dan pearlite  terlihat  lebih  dominan  berwarna  gelap berbutir kasar.
Gambar 10. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 35% polimer
Proses quench dengan konsentrasi media pendingin  35%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  struktur  ferrite  dan  pearlite.  Dari Gambar  10.  terlihat  struktur  ferrite  terlihat berwarna putih dan pearlite terlihat berwarna gelap berbutir kasar.
Gambar 11. Struktur mikro spesimen setelah proses quenching dengan konsentrasi media pendingin 40% polimer
Proses quench dengan konsentrasi media pendingin  40%  polimer  pada  temperatur  850 o C membentuk  struktur  martensite  dan  bainite.  Dari Gambar  11.  terlihat  struktur  ferrite  batas  butir dominan terlihat berwarna putih cerah dan pearlite terlihat berwarna gelap berbutir kasar.
2. Hasil Pengujian Dye Penetran Inspection
(DPI )
Tabel 3 Hasil Pengujian Dye Penetran Inspection Pada pengujian retak terlihat bahwa seluruh spesimen  yang  di quench tidak  mengalami keretakanseperti yang terlihat pada tabel 3.
Gambar 12. Proses pengujian DPI dengan
penetran
Gambar 13. Proses pengujian DPI dengan developer
20% 4 0 25% 4 0 30% 4 0 35% 4 0 40% 4 0 Konsentrsi Media pendingin Jumlah Spesimen Uji (buah) Jumlah Spesimen Retak (buah)

## Gambar 14. Hasil pengujian DPI

## KESIMPULAN
a. Penambahan  konsentrasi  polimer  pada media  pendingin  dapat  menurunkan kekerasan pada material AISI 1040.
b. Penambahan  konsentrasi  sebesar  20% polimer, 25% polimer, 30% polimer, 35% polimer,  40%  polimer  pada  media pendingin untuk proses quench menghasilkan  fase  bainite  pada  daerah surface  dan  menghasilkan  fasa  pearlite dan ferrite pada daerah centre serta ferrite batas butir terbentuk dengan penambahan konsentrasi polimet 40%.
c. Penambahan  konsentrasi  sebesar  20% polimer, 25% polimer, 30% polimer, 35% polimer,  40%  polimer  pada  media pendingin  untuk  proses quench tidak mengakibatkan retak pada spesimen uji.

## ACKNOWLEDGMENT
Para  penulis  mengucapkan  terimakasih atas  dukungan  finansial  yang  diberikan  oleh Politeknik  Negeri  Medan,  Medan,  Indonesia,  di bawah Unit Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (UPPM-2017).

## DAFTAR PUSTAKA
[1] ASM  Handbook  Committe,  1985, Metals Handbook, Volume 9 Edisi 9, Metallography and Microstructures , American  Society  for  Metals  International, New York [2] ASM  Handbook  Committee,  1991, Metals Handbook ,  Volume  4, Heat  Treating, American  Society  for  Metals  International, New York.
[3] Amanto.  H  Dan  Daryanto,  1999,  “ Ilmu Bahan” , Jakarta: Bumi Aksara.
[4] Bala. P, Pacyna. J, and Krawczyk, J , 2007, The  kinetics  of  phase  transformations during  tempering  of  low  alloy  medium carbon steel ,
International Scientific Journalof  the  Committee  of  Materials Science of the Polish Academy of Sciences vol. 28, no. 2. Feb. 2007, pp. 98-104.
[5] Dwi haryadi gunawan. 2005. Pengaruh suhu tempering  terhadap  kekeraasan  struktur mikrodan  kekuatan  tarik  pada  baja  k-460. Rotasi - Vol.7, no.3. Juli 2005.
[6] Krauss G, 2006, Steel Processing, Structure, and Performance , Ohio.
[7] Lee,  W.S,  and  Su,  T.T.,  1999, Mechanical Properties And Microstructural Features Of Aisi  4340  High-Strength  Alloy  Steel  Under Quenched  And  Tempered  Conditions, Journal of Materials Processing Technology 87 (1999) 198–206.
[8] Ndaliman.  M.  B,  2006, An  Assessment  of Mechanical  Properties  of  Medium  Carbon Steel  under  Different  Quenching  Media, journal of  materials engineering (oct 2006) 100-104.
[9] Pramono agus. 2011. Karakteristik mekanik proses  hardening  baja  aisi  1045  media quenching  untuk  aplikasi  sprochet  rantai. Jurnal ilmiah teknik mesin. Vol.5, no.1. april 20
[10] Schonmentz. G, 1985, “ Pengetahuan Bahan dalam Pengerjaan Logam ”,Bandung Aksara. [11] William D. Callister, Jr. 2001, Fundamentalsofmaterials Science And Engineering / An Interactive , John Wiley &
Sons, Inc, New York.