Atmoko, dkk./ ROTASI, Vol. 23 No. 3  (Juli 2021) Hal. 26-30
Analisa Jenis Fluida Pendingin Proses Quenching pada Besi Cor Terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro
Nugroho Tri Atmoko a , Margono a , Bambang Hari Priyambodo a,*
a Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Warga
Jl. Raya Solo-Baki Km.2 Kwarasan, Solo Baru, Sukoharjo *E-mail: bambang.hari.priyambodo@gmail.com

## Abstract
The  quenching  process  is  a method  of  heat  treatment  metals  by  heating  the  material  at  the  austenite phase,  then  cooling  it  rapidly.  The  purpose  of  the  quenching  process  in  this  study  is  to  improve  the mechanical properties of hardness and physical properties. Furnace is used in this research as a tool to  heat  the  material.  The  furnace  temperature  set  8500 o C  (austenite  phase)  and  holding  time  at  20 minutes,  then  cooled  rapidly  using  cooling  fluide  as  water,  ice  water  and  oil.  Micro  characteristics were  carried  out  to  determine  the  structure  and  grain  size  after  that  to  determine  the  mechanical properties the vickers hardness test was carried out according to the ASTM E92 standard. The results show that the material structures seen are pearlite, ferrite and cementite. The structure and grain size tends  to  be  smaller  due  to  the  fast  cooling  effect.  The  mechanical  properties  of  hardness  have  also increased. The highest hardness was obtained in the cooling medium used ice water, namely 766.6 HV or an increase of about 350% compared to non treatment process. The increased level of hardness of cast  iron  is  due  to  the  smaller  grain  size  according  to  Hall  Petch's  law  where  the  smaller  the  grain size, the higher the hardness.
Keywords: cast iron, quenching, cooling media, microstructure, hardness.

## Abstrak
Proses quenching merupakan  salah  satu  metode  perlakuan  panas  terhadap  logam  dengan  cara memanaskan  material  pada  fasa  austenit,  kemudian  didinginkan  secara  cepat.  Tujuan  dari  proses quenching  pada  penelitian  ini adalah  untuk  meningkatkan  sifat  mekanik  berupa  kekerasan    dan  sifat fisis berupa struktur material. Furnace digunakan dalam penelitian ini sebagai alat untuk memanaskan material. Suhu furnace diatur pada temperatur 850 0 C (fase austenit) serta waktu tahan selama 20 menit, dilanjutkan  didinginkan  secara  cepat  menggunakan  media  pendingin  berupa  air,  air  es  dan  oli. Karakteristik mikro dilakukan untuk mengetahui struktur dan ukuran butir serta untuk mengetahui sifat mekanik  dilakukan  uji  kekerasan vickers ,  sesuai  standar  ASTM  E92.  Hasil  menunjukkan  bahwa struktur  material  yang  terlihat  berupa  pearlit,  ferrit  dan  cementit.  Struktur  dan  ukuran  butir  tersebut cenderung lebih kecil dikarenakan efek pendinginan yang cepat. Sifat mekanik berupa kekerasan juga mengalami  peningkatan.  Kekerasan  tertinggi  didapat  ketika  media  pendingin  yang  digunakan  air  es yakni  766.6  HV  atau  meningkat  sekitar  350%  dibandingkan  dengan  besi  cor non  treatment . Meningkatnya tingkat kekerasan besi cor dikarenakan ukuran butir menjadi kecil sesuai dengan hukum Hall petch dimana semakin kecil ukuran butir maka kekerasan semakin meningkat.
Kata kunci: besi cor, quenching , media pendingin, struktur mikro, kekerasan.

## 1. Pendahuluan
Besi cor merupakan material ferro yang dihasilkan dari proses pengecoran, material ini didominasi oleh unsur besi dan karbon dimana kandungan karbon berkisar antara 2.16-6.67% yang menandakan bahwa lebih dari batas kelarutan karbon di fasa austenit dan kurang dari kandungan karbon pada fasa sementit [1]. Besi cor juga termasuk jenis material yang  paling  banyak  digunakan  sebagai  bahan  dasar  pembuatan  komponen  mesin  seperti  roda  gigi, camshaft ,  poros pemandu  ( guides  rails )  dan  blok  mesin  ( engine  block )  [2][3].  Dalam  pengaplikasian  komponen  mesin  tersebut  sering menerima  beban  eksternal  berupa  gesekan  yang  berulang  sehingga  terdapat  kriteria  yang  mengharuskan  material  besi cor memiliki ketahanan terhadap aus serta tingkat kekerasan yang tinggi, dengan demikian masa pakai dan kinerja dari komponen mesin dapat bekerja secara optimal [4].
Secara umum besi cor yang ada di pasaran terbentuk dari struktur pearlit dan ferrit yang menghasilkan sifat sangat lunak, lemah dan memiliki ketahanan aus yang rendah [5]. Berdasarkan kriteria diatas maka perlu adanya peningkatan sifat  mekanik dari  material besi cor. Perlakuan panas pada logam  merupakan  salah satu  metode  yang bertujuan  untuk meningkatkan sifat mekanik,salah satunya dengan menggunakan metode quenching.
Atmoko, dkk./ ROTASI, Vol. 23 No. 3  (Juli 2021) Hal. 26-30
Tujuan quenching adalah  untuk  meningkatkan  sifat  mekanik  berupa  kekerasan  dan  ketahanan  terhadap  aus  [5]. Proses quenching merupakan  perlakuan  panas  paling  umum  dan  sederhana  yang  digunakan  dalam  industri,  dimana proses quenching tersebut dimulai dengan memanaskan spesimen di fasa austenit (austenitisasi) atau di atas suhu kritis yakni pada suhu kisaran 8450C sampai 8700C [6]. Setelah memastikan seluruh dimensi spesimen sudah dalam kondisi homogen pada fasa austenit, kemudian didinginkan secara cepat dengan menggunakan media pendingin [4].
Disisi  lain  terdapat  beberapa  faktor  yang  mempengaruhi  hasil  dari quenching yaitu  suhu,  media  pendingin  dan waktu tahan ( holding time ) [7]. Berdasarkan hal tersebut maka perlu adanya penelitian yang berfokus pada peningkatan sifat  mekanik  material  besi  cor  menggunakan  metode quenching dengan  memvariasikan  media  pendinginannya.  Hal tersebut  bertujuan  untuk  menginvestigasi  pengaruh  media  pendingin  pada  proses quenching terhadap  kekerasan  dan struktur mikro besi cor.

## 2. Material dan Metode Penelitian

## 2.1 Preparasi Spesimen
Material  besi  cor  digunakan  dalam  penelitian  ini.  Preparasi  dimulai  dengan  memotong  spesimen  menjadi ukuran  20x10x10  mm,  kemudian  dilakukan  proses  pengamplasan  menggunakan  kertas  amplas  yang  bertujuan  agar permukaan spesimen rata dan halus.
Gambar 1. Spesimen Besi Cor
2.2 Proses Quenching
Proses quenching pada  spesimen  besi  cor  memanfaatkan furnace sebagai  alat  untuk  memanaskan  material. Sedangkan  variasi  yang  digunakan  yakni  media  pendingin  diantaranya  air,  air  es  dan  oli. Furnace diatur  pada temperatur  850 0 C  serta  waktu  tahan  selama  20  menit.  Material  besi  cor  yang  sudah  mencapai  temperatur  850 0 C  dan waktu  tahan  20  menit  kemudian  didinginkan  secara  cepat  menggunakan  media  pendingin  yang  sudah  ditentukan. Semua variasi media pendingin menggunakan volume yang sama yakni 5 Liter.

## 2.3 Uji Foto Mikro
Uji foto  mikro bertujuan  untuk  mengetahui struktur  material dengan  skala  mikro pada spesimen besi cor setelah dan sebelum proses quenching . Preparasai yang dilakukan meliputi pengamplasan menggunakan kertas amplas dari grid 500 sampai 2000, finishing menggunakan metal polish hingga spesimen mengkilap kemudian dilanjut proses etsa yang bertujuan untuk membersihkan serta mengkorosi pada bagian batas butir spesimen uji. Perbesaran yang digunakan pada pengujian foto mikro ini sebesar 1000x.

## 2.4 Uji Kekerasan
Metode Vickers dilakukan sesuai dengan ASTM E92, untuk menguji tingkat kekerasan spesimen besi cor sebelum dan  setelah  proses quenching .  Beban  indentor  yang  digunakan  adalah  9.8  N dengan  waktu  indentasi  selama  15 detik. Pengambilan  data  kekerasan  dilakukan  sebanyak  3  kali.  Analisa  dilakukan  pada  bekas  injakan  dari  indentor  yang terbentuk  pada  permukaan  spesimen  uji.  Pengujian  kekerasan  dilakukan  untuk  menganalisa  dan  membandingkan kekerasan antara spesimen sebelum dan sesudah proses quenching . Formulasi untuk menghitung nilai kekerasan metode Vickers adalah sebagai berikut [8]:
VHN = 1,854 x (1) dimana : P = beban yang diterapkan (kg)
= panjang diagonal rata-rata (mm)
Gambar 2.1 Skema pengujian kekerasan vickers [8]

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Hasil Uji Kekerasan
Proses pengujian kekerasan Vickers bertujuan untuk mengetahui tingkat kekerasan rata-rata pada material sebelum dan sesudah mengalami proses quenching . Gambar 4. merupakan hasil dari pengujian kekerasan yang dilakukan pada material sebelum dan sesudah proses quenching dengan variasi media pendingin diantaranya air, air es dan oli.
Gambar 3. Variasi jenis media quenching terhadap kekerasan material besi cor
Gambar 3. menyajikan data peningkatan antara material sebelum dan sesudah proses quenching , dimana material besi cor sebelum  mengalami  proses quenching menghasilkan kekerasan rata-rata 213 HV. Tingkat  kekerasan  material besi cor tersebut meningkat setelah dilakukan proses quenching menggunakan media pendingin air, dimana kekerasan rata-rata  menjadi  719  HV.  Kekerasan  tertinggi  didapat  ketika  media  pendingin  yang  digunakan  adalah  air  es  yang menghasilkan  kekerasan  rata-rata  766  HV.  Kekerasan  spesimen  yang  dilakukan  quenching  dengan  media  oli  lebih rendah dari ketiga media quenching. Media oli mempunyai viskositas yang lebih tinggi dibandingkan media air dan air es. Hal tersebut menyebabkan proses pendinginan cenderung lebih lambat dibandingkan media pendingin air dan air es.
Pendinginan  yang  cepat  dapat  merubah  struktur  material  dan  ukuran  butir  menjadi  lebih  kecil.  Ukuran  butir semakin kecil dapat meningkatkan kekerasan material. Fenomena ini sesuai dengan hukum Hall petch (Hall petch law).

## 3.2 Hasil Uji Foto Mikro
Tujuan pengujian foto mikro adalah untuk menginvestigasi karakteristik dan struktur spesimen uji. Pengujian ini dilakukan  pada  permukaan  spesimen  yang  sebelumnya  sudah  melalui  proses  preparasi.  Pembesaran  lensa  foto  mikro yang  digunakan  yaitu  1000x  pembesaran.  Hasil  foto  mikro  pada  material  besi  cor  sebelum  dan  sesudah  proses quenching dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Foto micro pada spesimen benda uji: (a) non treatment ; (b) Air; (c) Air-es dan (d) Oli
Struktur material besi cor ( Non Treatment ) sebelum mengalami proses quenching dapat dilihat pada Gambar 4.a, terlihat  struktur  pearlit  dan  ferrit  yang  mendominasi  menumpuk  di  satu  titik.  Struktur  material  penyusun  besi  cor tersebut  menghasilkan  sifat  sangat  lunak,  lemah  dan  memiliki  ketahanan  aus  yang  rendah  [5].  Namun  setelah mengalami proses quenching struktur  material cenderung berbeda terutama pada persebaran struktur dan  ukuran butir ( grain  size ),  terlihat  struktur  material  ferrit  dan  pearlit  semakin  menyebar  rata  hampir  ke  semua  permukaan  material. Terbentuknya struktur cementit diakibatkan oleh pendinginan yang cepat pada material besi cor yang telah mengalami proses quenching, sedangkan ukuran butir cenderung lebih kecil. Gambar 4. menyajikan struktur mikro masing-masing spesimen. Spesimen dengan pendinginan air es menghasilkan ukuran butir yang lebih kecil dan rapat jika dibandingkan media  pendingin  air  atau  oli.  Ukuran  butir  ( grain  size )  tersebut  akan  mempengaruhi  sifat  mekanik  khususnya  tingkat kekerasan sesuai dengan hukum Hall petch ( Hall petch law) [9].

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan analisa dan pembahasan yang sudah dilakukan, maka penelitian tentang quenching material besi cor dapat diperoleh kesimpulan bahwa besi cor setelah mengalami proses quenching akan terbentuk struktur material baru yakni  cementit,  ferrit,  dan  pearlit.  Selain  itu  struktur  material  ferrit  dan  pearlit  pada  material  besi  cor  setelah  proses quenching  semakin  menyebar  rata  hampir  ke  semua  permukaan  material,  sedangkan  ukuran  butir  cenderung  menjadi lebih  kecil.  Sifat  mekanik  berupa  kekerasan  mengalami  peningkatan.  Kekerasan  tertinggi  didapat  dalam  media pendingin  yang  digunakan  air  es  yakni  766.6  HV  atau  meningkat  sekitar  350%  dibandingkan  dengan  besi  cor non treatment .

## Daftar Pustaka
[1] Kibble,  K.A.,  and  Pearce,  J.T.H.,  1993,  “ Influence  of  Heat  Treatment  on  the  Microstructure  and  Hardness  of 19% High-chromium Cast Irons, ” Cast Met. , 6(1):  9–15.
[2] Saeidi, F., Taylor, A.A., Meylan, B., Hoffmann, P., and Wasmer, K., 2017, “ Origin of scuffing in grey cast iron- steel tribo-system, ” Mater. Des. , 116: 622–630.
[3] Eperješi, Malik, J., Vasková, I., and Fecko, D., 2015, “ Increasing of utility properties of grey cast iron castings with heat treatment,” Arch. Foundry Eng. , 15(2): 13–16.
[4] Wang,  B.,  2020,  “ Effects  of  quench-tempering  and  laser  hardening  treatment  on  wear  resistance  of  gray  cast iron, ” J. Mater. Res. Technol. , 9(4): 8163–8171.
[5] Vershinin, V.V., 1972, “ Rapid heat treatment of cast iron, ” Met. Sci. Heat Treat. , 14(8): 717–720.
[6] Alabi, A.A., Madakson, P.B., Yawas, D.S.,and Ause, T., 2013, “ Effect of Bitumen on the Mechanical Properties of Medium Carbon Steel, ” J. Miner. Mater. Charact. Eng. , 1(4): 131–137.
(d) Pearlit Ferrite Cementi t (c) Pearlite Ferrite Cementi t (a) Pearlit Ferrite (b) Perlit Cementi t Ferrite
[7] Prabowo,  A.A.,  2019,  “ Pengaruh  Media  Pendingin  pada  Proses  Quenching  terhadap  Kekerasan,  Struktur Mikro, dan Kekuatan Bending Baja AISI 1010 ”.
[8] Quinn, G.D., Gettings, R., and Ives, L.K., 2004, “ A standard reference material for vickers hardness of ceramics and  Hardmetals, ” IMEKO TC5 Conf. Hardness Meas. Theory Appl.  Lab. Ind. HARDMEKO 2004, February: 90–97,.
[9] Callister, W.D., and Wiley, J., 2002, " Materials Science and Engineering ," 79.