TEKNIK

STUDI KOMPARASI BAJA PERKAKAS H.13 PRODUK COR YANG MENGALAMI TEMPER BERTINGKAT DENGAN PRODUK IMPOR STAN DAR JIS D1TINJAU DARI SIFAT MEKANIS DAN STRUKTUR MIKRO

Yuhani Djaja 'j

AbstractGenerally, industries in developing countries like Indonesia almost entirely use the production machines in which their components are using the import products from developed countries. In case one of the particular components is out of order, it may cause dependency on the machine producers and it is unbenejicial for the machine users. To anticipate such problem, we can use tool steel as the alternative. It is used as the basic material in the production machine components. One of the tool steel types is H-13 which is used mostly for dies at manufacture industries. This research is focusing on micro structure, mechanical behaviour, and basic charateristics of H-13 type tool steel. The process to produce it is by casting it and continued by the heat treatment process. The result shows that good hardness at its treatment is equal to 42 HRC till 45.63 HRC and has the best toughness through the temper III process which is equal to 310.9 N mm/mm3. The result of maximum tensile stress is obtained by temper II process in the tensile stress 1364.4 N/mm2. Key words: komparasi, baja perkakas, perlakuan panas, pengecoran

A. Pendahuluan 1. Latar Belakang Dalam industri manufaktur, diperlukan cetakan baja (steel dies) untuk menghasilkan produk dengan bentuk dan ukuran tertentu. Industri tersebut adalah industri otomotif, komponen peralatan kantor, peralatan rumah tangga, peralatan listrik, elektronika, dan sebagainya.') Fakullas Teknik UPN .Veleran" Jakarta

Proses-proses dalam industri manufaktur yang memerlukan cetakan baja diantaranya adalah cetakan cor (die casting), injeksi plastik (plastic injection), tekan (press), tempa, dan tarik dingin (deep drawing). Untuk memproduksi cetakan baja diperlukan baja dengan kualifikasi tertentu. (De Garmo, E.Paul, dkk, 1997).

http://www.univpancasila.ac.id 7/31 STUDt KOMPARASI, Yuhani Djaja

I 63

TEKNIK Cetakan baja tennasuk dalam kelompok baja perkakas (tool steels) yang mempunyai karakteristik khusus antara lain tahan terhadap temperatur tinggi, tahan terhadap abrasi, tahan terhadap beban kejut, tahan terhadap distorsi dan mempunyai kemampuan potong yang tinggi. Sampai saat ini, kebutuhan eetakan baja di Indonesia hampir seluruhnya merupakan produk impor. Padahal dilihat dari segi material, masih dimungkinkan membuat eetakan baja di Indonesia. Sebagian besar baja perkakas diproduksi melalui sistem steel making route yang dalam proses pembuatannya memerlukan mesin rol (rolling) atau tempa (forging), hal ini membutuhkan investasi yang besar dalam mengadakan alat-alat produksinya. Oleh karena itu, penelitian ini menitikberatkan pembuatan eetakan baja dalam negeri yang diproduksi melalui sistem pengeeoran (foundry route) yang dilanjutkan perlakuan panas (heat treatment) dengan harapan sifat mekanis eetakan baja yang dibuat dengan system pengeeoran (foundry route) ini dapat menyamai sifat mekanis baja perkakas yang dibuat dengan sistem steel making route. 2. Batasan Masalah Komparasi baja perkakas H-13 produk cor yang mengalami temper bertingkat dengan baja impor standar JIS ditinjau dari sifat mekanis dan struktur mikro, yang akan digunakan untuk eetakan baja. 3. a. Tujuan Penelitian Untuk mengetahui karakterisasi mekanis dan kimia baja perkakas H-13 yang dibuat dengan sistim foundry route atau pengeeoran. Untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas temper bertingkat terhadap sifat mekanis baja perkakas H-13 yang dibuat dengan sistem foundry route atau pengeeoran. Membandingkan karakterisasi mekanis dan kimia dari baja perkakas H-13 yang dibuat dengan sistim foundry route (yang dilanjutkan dengan heat treatment) dengan sistim steel making route.

b.

e.

4.

Manfaat Penelitian Dengan penelitian ini diharapkan dapat memberikan masukkan kepada industri pengeeoran di Indonesia, bahwa baja perkakas (khususnya eetakan baja) yang diproduksi dengan proses pengeeoran (yang dilanjutkan dengan proses perlakuan panas) dapat bersaing dati segi kualitasnya dengan yang diproduksi dengan sistim steel making route 5. Ruang Lingkup Ruang lingkup dati penelitian ini adalah untuk menganalisa sejauh mana ke1ayakan sifat mekanis dati eetakan baja yang termasuk ke dalam baja perkakas H-13 (menurut standar AISI atau SKD 61 menurut standar JIS) buatan dalam negeri dengan proses pengeeoran dibandingkan dengan produk impor yang diproduksi dengan sistim steel making route.7/31

64 I Bina Widya Vol 18 No. 01, April 2007

http://www.univpancasila.ac.id

TEKNIK B. Metodologi 1. Diagram Alir Penelitian Diagram alir dan penelitian dan pengujian yang dilakukan dapat dilihat pada gambar I dibawah ini. C. Hasil dan Pembahasan 1. Data-Data Hasil Pengujian. a. Data Hasil Pengujian Spectrometry Pengujian dilakukan dari sample hasil pengecoran (Y blok) dan dari pengujian didapatkan hasil :Tabel1 .. Data hasil SpectrometryNo Unsur Fe C Ferro Caroon Silicon Manganese Chromium Nickel Molybdenum Aluminium Vanadium Titanium Neobium Boron Sulphur Phosphorus Kadar(%)

C::~:m_::>

IZEi' ~--~

1 2

91.7504 0,4100 0,8700 0,1700 4,6900 0,0700 1,1500 0,0370 0,9900 0.0052 0,0007 0,0007 0,0010 0,0250

LbfjRol. .__ . . .__ .__ ._.__ .._._.

,i....1

34

SiMn Cr Ni Mo

jI

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

____ ~-~=~>.,

~f--i-r.'

I L ... ..__ ;

~_L_~}

AIV Ti Nb B

Gambar 1. Diagram A/ir Penelitian

S P

Material Penelitian Material penelitian yang digunakan adalah : baja perkakas H-13 as cast (A/Sf) atau SKD 61 (J/S) yang diproduksi dengan proses pengecoran (as cast) dengan standar bakalan pengecoran Y blok menurut JIS G 0307 .

2.

Data Hasil Pengujian Kekerasan Pengujian dilakukan pada lima lokasi disetiap benda uji (gambar E.l) yang mendapatkan perlakuan. Dan pengujian kekerasan dengan menggunakan mesin uji Rockwell skala C langsung diperoleh data-data sebagai berikut:Gambar 3. Lokasi pengujian kekerasan

b.

Specimen uji impad

Tampak alas

Tampak depan

Gambar 2. Baja Perkakas H-13 yang Diproduksi dengan Proses Pengecoran

o

Tampak samping

I~__

V_'

_

http://www.univpancasila.ac.id 7/31 STUDI KOMPARASI, Yuhani Djaja

I 65

TEKNIKlabel 2. Data uji kekerasanPenakuan Setelah Pennecoran Setelah Annealing Benda Uji I I II III I 55 32 26.5 30 Nilai kekerasan c ada titik (HRC) V IV III II 50 54 53 53 33 33.5 34 36 33.5 32.5 31.5 28 31.5 32 33 33 Nilai kekerasan pada titik IHRC\ V IV III II 405 535 475 485 51 505 52.5 53 50 48 47 45 39 42 51 45 45 46 44 40 415 415 40 425 42 42 39,5 35 45 47 46 45 49 49.5 48,5 495 41 43 465 51 435 46.5 47 45 45,5 4425 455 43 475 47 46 45 42125 44 425 42 45 46 43 445 49 32 32 435 485 455 45 495 HRC Rata2 53 337 304 31.9 HRC Rata2 472 5143 47.4 45,9 43,6 413 397 45 481 465 451 4425 459 42125 4430 4030 4766 HRC Rata2 Total 53 32

Penakuan Setelah Quench;nD Setelah Temper I Setelah Temper II Setelah Temper III Temo.550 Setelah Temper III Temo.6oo Setelah Temper III Temo.630

Benda Uji

III I II III I II III

I 46 50 47 525 43 41 40 42 44 51 435 43 43 40 43 45 495

HRC Rata2 Total 49,32 45,63

42

46,57

44,09

44,08

C.

Data Hasil Pengujian Impact Pengujian ini dilakukan dengan mengambil tiga sample tiap perlakuan untuk mendapatkan hasil yang layak. Adapun hasil yang tertera di tabel adalah hasil perhitungan dan nilai usaha yang dibutuhkan untuk mematahkan benda uji dibagi luas penarnpang. U = Usaha untuk mematahkan benda uji, bilangan ini dapat dillhat pada dial mesin uji impact setalah benda uji di impact. (Joule) Ao= Luas penampang benda uji yang diimpact. U HI = Harga impact, __ (J/cm2) Ao Untuk nilai U (Usaha untuk mematahkan benda uji) dapat dilihat langsung pada mesin impact dengan satuan Joule, karena cara perhitungan tiap spesimen sarna maka tidak

dituliskan satu per satu tiap perhitungannya dan hasil perhitungannya ditampilkan dalam tabel sebagai berikut:label 3. Data hasil uji impactPenakuan I Setelah Annealing Setelah Temper I Setelah Temper II Setelah Temper III Temp. 550 Setelah Temper III Temo.6oo Setelah Temper III Temo.63O 16,25 3,75 5,63 3,13 6.88 5 Benda uji HI (J/cm') II 16,25 5 5,63 5 7,5 6,88 Harga impact Rata-rata (J/cm') 17,29 3,96 5,21 4,79 6 6

III 19,37 3,13 4,38 6,25 3,75 6,25

Data Hasil Pengujian Tarik Pengujian dilakukan dengan mengarnbil dua spesimen dan tiap perlakuan dan dan pengujian tersebut didapatkan hasil kekuatan tarik dan ketangguhannya. Adapun hasil dan seluruh perhitungan di atas sebagai berikut :7/31

d.

http://www.univpancasila.ac.id 661 Bina Widya Vol 18 No. 01, April 2007

TEKNIKlabel 5. Data hasil uji tarikPeriakuan Setelah Annealing Setelah Temper I Setelah Temper /I Setelah Temper 11/ Temp. 550 Setelah Temper 11/ Temp. 600 ::ietelan emper 11/T"mn ~~n

a_657,2 1156,3 1370,2 1220,8 1150,9 1220,8 689,0 1150,6 1365,6 1236,3 1147,6 1219,9 675,2 1137,4 1357,4 1211,6 1145,8 1228,0 237,2 230,3 289,1 296,9 309,8 280,4

Ut 130,4 241,6 290,4 290,1 312,6 282,6 117,4 240,0 309,4 295,9 310,3 280,3

a_ rata2(N/mm')

Ut rata-rata (Nmm/mm') 161,7 237.3 296,3 294,3 310,9 281,1

673,8 1148,1 1364,4 1222,9 1148.1 1222,9

Data Hasil Pengujian Metallography Pada pengujian Metallography ini digunakan perbesaran 200 x pada tiap perlakuan, pada perbesaran 200 x ini diperoleh hasil sebagai berikut:

e.

As cast

Annealing

~ ~~Quenching Temper 2 Temper 3 (550.C)

Temper 3 (600.C)

Temper 3 (630.C)

2. Analisa Hasil Pengujian a. Analisa Hasil Pengujian Spectrometry Berdasarkan data yang didapat dari hasil pengujian spectrometry, maka dapat dilakukan analisa sebagai berikut :Tabel6. Perbandingan Pengamatan Menurut standar.II~

Baja H-13 hasil pengecoran ini termasuk baja paduan dimana terlihat jelas pada hasil spectrometry unsurunsur pemadu yang prosentase kandungannya dari 0, I sampai. dengan 5 %, cukup banyak (C, Si, Mn, Cr, Mo, V). Dilihat dari perbandingan komposisi kimia dengan standard JIS dibawah ini bahwa komposisi kimia dari baja perkakas H-13 hasil pengecoran memenuhi syarat sebagai baja perkakas H-13dengan standart JIS S Max 0,03 0,0010 . Cr 4,50-5,5 4,69 Mo H,5 1,15V

hasil Spectrometry Unsur(%) Mn Max 0,5 0,17 P Max 0,03 0,025

C 0,32-0,42 0,41

Si 0,80-1,2 0,87

0,8-1,2 0,99

Hasil Spectrometry

http://www.univpancasila.ac.id 7/31 STUDI KOMPARASI, Yuhani Djaja

I 67

TEKNIK Analisa Hasil Pengujian kekerasan Dari hasil pengujian kekerasan pada spesimen setelah pengecoran didapat nilai kekerasan sebesar 53 HRC (tabel E.2) hal ini terbukti bahwa material setelah pengecoran memiliki kekerasan yang cukup tinggi disebabkan karena kadar Cr dan Mo yang cukup tinggi, oleh karena itu di lapangan, material setelah pengecoran ini sangatlah sui it dilakukan pemotongan dan pemesinan. Dari proses annealing mengalarni penurunan nilai kekerasan sebesar 21 HRC (39,62%), terbukti bahwa proses annealing ini dapat melunakkan material. Didukung dengan hasil metallography terlihat bahwa butiranbutiran pada struktur rnikro membesar. Selain itu pada proses pemesinan dapat dengan mudah membentuk material tersebut menjadi benda uji. Berlanjut dari proses annealing material dilakukan proses pemanasan yang dilanjutkan dengan proses quenching dengan media pendingin udara tiup, pada proses ini terjadi peningkatan kekerasan sebesar 17,3 HRC (54,13%). Sesuai dengan diagram CCT untuk baja perkakas H-13 bahwa cukup dengan pendinginan udara tiup area transformasi fasa martensit sudah tercapai. Sesuai dengan teori bahwa pada proses temper akan menurunkan sifat kekerasan dari suatu material. Pada tahap ini terlihat kekerasannya menurun sebesar 3,96 HRC (8,08%) pada temper I dan 7,32 HRC(14,94) pada temper II. Untuk Temper ke III secara68

b.

umum terjadi peningkatan kekerasannya antara 6 sampai dengan 8 HRC (12,24%-16,33%) hal ini disebabkan teIjadinya secondary hardeningmengingat baja ini adalah baja paduano Dilihat dari perbandingan standar kekerasan tiap perlakuan semua masuk dalam range standard, kecuali anneal tetapi bila ditinjau dari segi tujuan anneal pada penelitian ini hanya untuk melunakkan material sehingga mudah dipotong dan dilakukan proses pemesinan, dan dalam kenyataan di lapangan material tersebut setelah dianneal dapat dilakukan proses pemesinan. Analisa Hasil Pengujian Impact Dilihat dari hasil uji impact bahwa pada anneal memiliki harga impact yang cukup tinggi yaitu sebesar 17,29 J/cm2. Hal tersebut dikarenakan sifat mekanisnya yang tidak terlalu keras. Bila dilihat pada perlakuan temper I harga impact menurun sebesar 13,33 J/crn2 (78,41%), hal ini disebabkan karena material setelah temper I memiliki nilai kekerasan diatas material setelah anneal (anneal = 32 HRC, temper I = 45,63 HRC ). Jika dibandingkan dengan nilai kekerasan maka nilai harga impact berbanding terbalik dengan nilai kekerasan apabila nilai kekerasannya tinggi maka harga impactnya rendah dan apabila nilai kekerasannya menurun, harga impactnya meningkat. Untuk nilai impact pada perlakuan temper IImengalami peningkatan sebesar 1,25 J/cm2 (7,35%)7/31

c.

I Bina

http://www.univpancasila.ac.id Widya Vol 18 No. 01, April 2007

TEKNIK berarti di sini terdapat peningkatan peningkatan sebesar 216,3 N/mm2 kemampuan impact dari material (18,84%) dari proses temper I. tersebut setelah mengalami temper Untuk ketangguhan disini terII. Dilihat dari nilai kekerasannya bukti bahwa proses temper dapat metemyata pada temper II ini memiliki ningkat kan ketangguhan. nilai kekerasan di bawah temper I, Pada proses anneal didapat nilai sehingga nilai impactnya naik ( temketangguhan sebesar 161,7 N mm/ per I = 45,63 HRC, temper II = 42 mm3. Ketika dilakukan proses temHRC). per I terjadi peningkatan nilai ketPada temper IIIpada suhu 550C, angguhan sebesar 75,6 N mm/mm3 600 C, 630C terlihat perbedaan har(46,67%), begitu pula pada proses sega impact. Untuk temper III dengan lanjutnya temper II sebesar 59 Nmm/ suhu 600C dan 630C mememiliki mm3 (24,89%) dari temper I. harga impact yang sarna yaitu 6 J/ Untuk temper III pada suhu cm2 hal ini disebabkan karena me600C teIjadi peningkatan nilai ketmiliki kekerasan yang sarna (Temper angguhan sebesar 14,6 N mm/mm3 III dengan suhu 600C dan 630C = (4,93%) tetapi pada proses temper 44,08 - 44,09 HRC) , tetapi pada temke III dengan suhu 550C dan 630C per III suhu 550C memiliki nilai imteIjadi penurunan ketangguhan sebepact yang yang rendah dibandingkan sar 0,68% untuk temper III dengan dengan perlakuan temper III dengan suhu 550C dan 5,14% untuk temper suhu 600C dan 630C yaitu sebesar III dengan suhu 630C dibandingkan 4,79 J/cm2 dikarenakan pada matedengan proses temper II, hal ini kerial dengan temper III suhu 550C mungkinan disebabkan karena nilai memiliki nilai kekerasan ( temper III suhu pad a temper III 550C di bawah 550C = 46,57 HRC ) diatas material nilai suhu temper II yaitu 610C dan dengan perlakuan temper III dengan untuk temper III dengan suhu 630C suhu 600C dan 630C. nilai suhu tempemya diatas nilai suhu temper II. Sehingga nilai suhu d. Analisa Basil Pengujian tarik yang rangenya labih jauh dari suhu Dilihat dari grafik EA. nilai dari temperatur II dapat dikatakan dapat kekuatan tarik maksimum naik dari menurunkan sifat ketangguhannya. mulai perlakuan anneal sarnpai temper. Perlakuan temper dapat menine. Analisa Basil Pengujian Metgkatkan nilai kekuatan tarik maksiallography mum baja perkakas H-13 ini. Dilihat dari foto metallography Dari proses anneal didapat nilai material setelah pengecoran bahwa kekuatan tarik maksimumnya sebesar struktrur mikronya berbentuk den673,8 N/mm2. .Setelah mengalami drite - dendrite halus berwama abuproses temper I teIjadi peningkatan abu dengan cabang kaki-kaki densebesar 474,3 N/mm2 (70,37%). Bedrite yang terlihat halus dan pada gitu pula pada proses temper II terjadi umumnya banyak terlihat bentukhttp://www.univpancasila.ac.id 7/31 STUDI KOMPARASI, Yuhani Djaja

I 69

TEKNIK struktur mikro yang tajam - tajam hal ini yang mengakibatkan nilai kekerasan yang cukup tinggi pada material ini (53 HRC) Setelah mengalami proses annealing struktur mikronya telihat besar-besar dan dominanferit sehingga membuat nilai kekerasan pada material setelah proses anneal ini menjadi lunak (32 HRC). Dilihat dari proses quenching struktur mikronya kembali mengecil dan gepeng panjang tajam-tajam dan dominan martensit hal ini yang membuat sifatnya keras meningkat dan dilihat dari hasil pengujian kekerasan nilai kekerasannya tinggi (49,32 HRC), tetapi karbidanya terlihat masih berkumpul di beberapa tempat. Pada foto untuk proses temper I dan II terlihat karbida sudah mulai tersebar ke seluruh bagian dari struktur mikro terse but. Terlihat juga fasa martemper, hal ini yang membuat material ini tangguh. Pada foto temper III dengan suhu 550C terlihat dominan fasa austeriit sisa (retained austenite) yang berwana abu-abu seperti pulau dan bentuk elips pipih . Pada foto temper III dengan suhu 600C terlihat endapan - endapan karbida yang terdistribusi merata pada permukaan struktur mikro yang bercampur dengan fasa martemper. Pada foto temper III dengan suhu 630C terlihat struktur fasa martens it masih dominan tetapi karbidanya mulai berdifusi menuju batas butir sehingga terlihat dengan jelas warna hitam berkumpul di batas butir hal ini70 I Bina Widya Vol 18 No. 01, April 2007

yang menyebabkan sifat kekerasannya menu run sebab karbida yang ada pada butir berdifusi ke batas butir. D. Simpulan Berdasarkan analisa dari data hasil penelitian, maka dapat ditarik simpulan sebagai berikut : 1. Secara umum cetakan (dies) dan proses pembuatan dari bahan baku baja perkakas H-13 dengan sistem cor kemudian dilanjutkan dengan proses perlakuan panas, setelah dibandingkan dengan produk impor, temyata memenuhi kriteria dalam standar JIS, sehingga hasil ini layak untuk dipakai dan digunakan. 2. Apabila cetakan (dies) diperlukan kekerasannya, maka dipilih baja H-13 dengan perlakuan temper 3 pada suhu 630 oC dengan hasil44,08 HRC (standar 38 HRC hingga 53 HRC). 3. Apabila cetakan (dies) diperlukan ketangguhannya, maka dip ilih baja H-13 dengan perlakuan temper 3 pada suhu 600 oC, dengan harga ketangguhan 310,9 N mm/mm. 4. Apabila cetakan (dies) dibutuhkan kekuatan tarik yang maksimum, maka dipilih baja H-13 dengan perlakuan temper 2 pada suhu 610 oC, didapat harga tegang an tarik 1364,4 N / mm.

http://www.univpancasila.ac.id

7/31

TEKNIK Daftar PustakaAgarwal, B.c. and Jain, S.P. 1990 , "A Text Book of Metallurgical Analysis ", Khanna Publisher, India. Annual Book of ASTM Standard, 1990 , "Ferrous Casting and Ferro Alloy", Vol. 03.02 , ASTM, Baltimore MD, USA. Annual Book of ASTM Standard, 1989, "Metal Test Methods and Analytical Procedures ", Vol. 03.02 , ASTM, Baltimore MD, USA. Annual Book of ASTM Standard, 1990, "fron & Steel Products, SteelBars, Forging, Bearing, Chain, Springs ", Vol.O1.15, ASTM, Baltimore MD, USA. ASM, 1989, "Heat Treater s Guide, Standard Practices & Procedures for Steel ", ASM, Metals Park, Ohio, USA. ASM Handbook, 1997, "Heat Treating", ASM, Vol. 4 , USA. ASM Handbook, 1990, "Properties and Selection: frons, Steel and High Performance Alloy", ASM, Vol. 1, USA. ASM Handbook, 1992, " Material Characterization ", ASM, Vol. 10, USA. Data sheets, 1991, Cold Work Tool Steel (AfSf A2) and Hot Work Tool Steel (AfSf H-J 3), Uddeholm Steel Division, Hagiors, Sweden. DeGarmo, E. Paul; J T. Black; Ronaldi~

A. Kohser, 1997, "Material and Processes in Manufacturing ", Prentice Hall Inc., Eight Edition, USA.

~'

'ir

http://www.univpancasila.ac.id KO~PARASI. Yuh~ni7/31 I 71 STUDI Djaja