heat treatment

Pengaruh media pendinginan pada Heat treatment terhadap sifat mekanik paduan logam AlCu dengan perlakuan Quenching

Tri Ilma Sari, Cahyaning F.K.M, Alfa Dinar C.P, Shelly Permatasari, M. Zainuri Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: triilmasari@gmail.com

Abstrak—Pengaruh media pendinginan pada Heat treatment terhadap sifat mekanik paduan logam AlCu dengan perlakuan Quenching dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui tingkat kekerasan paduan logam AlCu serta untuk mengetahui pengaruh viskositas medium pendingin terhadap nilai kekerasan. Prinsip yang digunakan pada percobaan ini yaitu heat treatment. Percobaan dilakukan dengan dipotongnya paduan logam AlCu menjadi 4 bagian, dengan masing-masing bagian yakni 2.5cm. Setelah itu paduan logam digrinding menggunakan kertas amplas mesh 220, 600, 800, dan 1000 secara berurutan hingga rata, setelah itu dipanaskan ke furnace dengan suhu 500^oC selama 30 menit, setelah 30 menit logam dimasukkan kedalam masing-masing pendingin hingga mencapai suhu ruang. Tahap terakhir yakni digrinding ulang 3 tembaga menggunkan mesh 800 dan 1000 hingga rata, kemudian diuji kekerasan dari keempat logam menggunakan microhardness vickers. Dari percobaan ini dapat disimpulkan bahwa paduan logam AlCu memiliki tingkat kekerasan sebesar 44.7 HV. Viskositas medium pendingin tinggi menghasilkan nilai kekerasan logam rendah.

Kata Kunci— Logam AlCu, Medium Pendingin, Tingkat Kekerasan

I.    PENDAHULUAN

P

ada era globalisasi ini yang penuh dengan pembangunan di sektor industri serta bidang-bidang lainnya, tentunya pembangunan itu membutuhkan suatu bahan logam yang cukup baik , entah itu sifat fisik maupun mekanisnya. Namun sifat fisik maupun mekanik dari logam tidaklah dengan mudah ditemukan .Oleh karena itu, perlu diberikan terlebih dahulu suatu perlakuan khusus, sehingga dapat menghasilkan suatu logam yang sesuai dengan yang diinginkan.

Perlakuan yang diberikan logam antara lain adalah perlakuan panas atau Heat treatment, yang merupakan suatu proses perlakuan terhadap logam yang diinginkan dengan cara memberikan pemanasan dan kemudian dilanjutkan pendinginan dengan media pendingin tertentu, sehingga sifat fisiknya dapat diubah sesuai dengan yang diinginkan. Selain sifat fisik, kadang-kadang juga sifat kimia dari suatu material [1].

Heat treatment meliputi beberapa proses, yaitu heating dan cooling. Heating adalah suatu proses untuk pemanasan terhadap suatu logam dengan suhu tertentu dengan periode waktu. Tujuannya yaitu untuk memberikan kesempatan terjadinya perubahan struktur dari atom-atom dapat menyeluruh. Cooling yaitu suatu proses pendinginan dengan kecepatan tertentu hingga pada suhu ruang, bertujuan untuk mendapatkan struktur dan sifat fisik maupun sifat mekanis yang diinginkan [2].

Heat treatment terdiri dari beberapa proses, yaitu: pengerasan (Quenching), proses quenching atau pengerasan yaitu suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit memerlukan waktu pemanasan yang cukup. Pemanasan ini dilakukan dibawah suhu kritis. Selanjutnya setelah dipanaskan, secara cepat dilanjutkan pendinginan. Hal ini mencegah proses suhu rendah, seperti transformasi fase sehingga dapat mengurangi kristalinitas dan dengan demikian meningkatkan ketangguhan paduan logam tersebut. Fase yang sangat keras bergantung pada keadaan karbon. Proses selanjutnya yaitu proses anneling, proses anneling yaitu proses pelunakan terhadap logam dengan temperatur diatas temperatur kritis (723^oC) kemudian dibiarkan beberapa lama sampai temperatur merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperatur bagian luar dan dalam kira-kira sama, dengan hal tersebut diperoleh struktur yang diinginkan dengan medium selain udara. Tujuan proses anneling yaitu untuk melunakkan material logam. Hasil dari anneling lebih baik daripada normalizing. Normalizing yaitu suatu proses pelunakan logam dengan cara memanaskan hingga mencapai fase austenit yang kemudian diinginkan secara perlahan-lahan dalam medium pendingin udara. Pada proses ini belum tentu dapat melunakkan logam berkarbon tinggi atau baja paduan tertentu. Tujuan proses normalizing yaitu untuk menghilangkan tegangan dalam atau sia, serta memperbaiki butir-butir logam. Selanjutnya proses tempering, proses tempering yaitu pemanasan logam sampai temperatur sedikit dibawah temperatur kritis, kemudian didiamkan dalam tungku dan suhunya dipertahankan sampai merata selama 15 menit. Selanjutnya didinginkan dengan medium pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalam hal ini keuletan dan ketangguhan logam akan meningkat [3].

Perlakuan panas lainnya yaitu hardening. Hardening adalah suatu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan benda kerja dalam furnace atau tungku pada temperatur yang ditentukan selama periode waktu tertentu, dan kemudian didinginkan secara cepat dengan media seperti air, air garam, oli dan solar yang mempunyai kerapatan pendingin berbeda-beda. Perlakuan panas hardening merupakan kombinasi pemansan dan pendinginan dari suatu logam untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Proses ini hampir sama dengan quenching [4].

Gambar 1. Diagram fasa paduan AlCu

Aluminium merupakan logam non-ferrous yang paling banyak digunakan pada kontruksi. Aluminium dapat dikeraskan dengan kerja dingin, dan sebagaian paduannya dapat diolah panas. Aluminium dapat dirol-dingin atau dirol-panas, dicor, ditempa, ditarik, dan distempel. Aluminium bersifat swa-lindung, mudah dimesin, dan memiliki konduktivitas termal dan listrik yang hampir sama dengan tembaga. Aluminium memiliki konduktivitas termal saat suhu 300K sebesar 237 W/mK. Kekerasan skala vickers yaitu 167 Mpa. Kemapuan Al untuk melarutkan Cu adalah 4%. Jika %Cu lebih besar dari 4 % maka atom Cu akan menempati matriks Al  sebagai intersiti. Oleh karena itu, fasa awal yang terjadi adalah fasa α dan θ. Paduan Al-Cu tersebut kemudian dipanaskan pada temperatur 550^oC agar fasa yang terjadi seluruhnya adalah fasa α. Kemudian paduan tersebut didingan secara cepat agar tidak terjadi AlCu₂. Fasa ini tidak stabil karena kestabilannya hanya 5%. Proses ini dinamakan solid solution strengthening. Paduan tersebut kemudian dipanaskan lagi pada temperaturesekitar 200^oC supaya terbentuk presipitat CuAl₂ yang akan meningkatkan kekerasan paduan tersebut. Proses ini dinamakan presipitation hardening. Sebenaranya pada suhu kamar maupun temperature dibawah 200^oC sudah terbentuk presipitat CuAl₂, akan tetapi bersifat metastabil. PaduanAl-Cu yang dapat dikeraskan adalah paduan yang kadar Cu nya kecil dari batas kelarutan maksimum [5].

Viskositas merupakan tahanan untuk mengalir dari suatu sistem yang mendapatkan suatu tekanan. Viskositas adalah ukuran resistensi zat cair untuk mengalir. Berikut adalah harga koefisien distribusi pada berbagai fluida [6].

Tabel 1. Koefisien viskositas medium pendingin

Fluida	Temperature (oC)	Koefisien viskositas
Air	20	1,0 ´ 10-3
Udara	20	0,0018 ´ 10-3
Oli sae	30	200´ 10-3
Larutan garam	30	0.8984

II.                  METODE

Pada Percobaan Pengaruh media pendinginan pada Heat treatment terhadap sifat mekanik paduan logam AlCu dengan perlakuan Quenching, peralatan dan bahan yang digunakan adalah paduan logam tembaga alumunium yang akan diuji kekerasannya, gergaji untuk memotong paduan logam AlCu, alat grinding untuk menghaluskan permukaan logam, 3 buah gelas beker sebagai tempat proses pendinginan, furnace sebagai alat untuk pemanas, microhardness vickers sebagai alat untuk menguji tingkat kekerasan, pyrometer sebagai alat untuk mendeteksi temperatur suatu benda, capit digunakan untuk mengambil dan meletakkan logam di dalam furnace, 4 buah amplas (Mesh 1000, 800, 600, 220) digunakan untuk menghaluskan permukaan logam, aquades sebagai medium pendingin, oli sae sebagai medium pendingin, larutan garam sebagai medium pendingin.

Gambar 1. Flowchart percobaan heat treatment

Percobaan Heat treatment ini dilakukan dengan dipotongnya paduan logam AlCu menjadi 4 bagian, dimana masing-masing bagian berukuran 2.5 cm. Logam yang telah dipotong, digrinding menggunakan kertas amplas (mesh 220, 600, 800, dan 1000) secara berurutan hingga permukaan rata dan halus. Kemudian dimasukkan kedalam furnace menggunakan capit dengan suhu 500^oC selama 30 menit. Setelah 30 menit, 3 logam dimasukkan ke dalam masing-masing medium pendingin (air, oli sae 30, larutan garam), dan 1 logam lainnya dibiarkan dengan medium udara hingga mencapai suhu ruangan (31^oC). Logam dengan medium pendingin selain udara digrinding menggunakan kertas amplas mesh 800 dan 1000 hingga permukaan rata dan halus kembali. Langkah terakhir yakni di uji kekerasan dari keempat logam tersebut meggunakan microhardness vickers.

III.                ANALISA DATA

Dari percobaan heat treatment yang telah dilakukan, diperoleh data sebagai berikut

Tabel 2. Data Percobaaan Heat treatment

No	Media pendingin	Kekerasan (HV)
1.	Larutan garam	46.3
2.	Udara	44.7
3.	Air	41.6
4.	Oli sae	39.8

         Berikut ini adalah gambar dari logam AlCu setelah dilakukannya Heat treatment

Gambar 2. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan tanpa medium pendingin (mediumnya di udara terbuka). Diperoleh nilai kekerasan sebesar 44,7 HV.

Gambar 3. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin air. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 41,6 HV.

Gambar 4. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin oli sae. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 39,8 HV.

Gambar 5. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin larutan garam. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 46,3 HV.

IV.                PEMBAHASAN

         Pada percobaan heat treatment pada paduan logam AlCu agar dapat mengetahui nilai kekerasan dari logam tersebut di berbagai medium pendingin, dilakukan dengan menghaluskan permukaan sebanyak dua kali. Proses menghaluskan permukaan pertama dilakukan menggunakan kertas amplas (mesh 220) terlebih dahulu. Hal tersebut dilakukan karena mesh 220 memiliki karakter lebih kasar daripada mesh lainnya. Setelah permukaan rata dengan mesh 220, maka diperhalus dan diratakan lagi dengan mesh 600, demikian seterusnya hingga mesh 1000. Setelah permukaan halus, maka dilakukan heat treatment dengan proses quenching. Logam dipanaskan di dalam furnace dengan suhu 500^oC. Quenching merupakan perlakuan panas dibawah suhu kritis. Paduan logam AlCu dilakukan dengan perlakuan panas dibawah suhu kritis agar paduan logam tidak tepat akan berubah fasa. Proses heat treatment terhadap logam, tidak hanya perlakuan panas saja, tetapi juga pendinginan. Jadi, setelah dilakukan proses quenching, paduan logam tersebut dimasukkan ke dalam viskositas medium pendingin. Viskositas medium pendingin yang dilakukan pada percobaan ini yaitu air, udara, oli sae 30, dan larutan garam. Proses pendinginan ini dilakukan untuk mendapatkan nilai kekerasan dari logam tersebut dengan variasi medium pendinginan. Proses pendinginan yang dilakukan sampai pada suhu ruangan. Setelah itu, proses menghaluskan permukaan kedua dilakukan menggunakan kertas amplas mesh 800 dan mesh 1000. Tujuan memperhalus permukaan yang kedua ini adalah untuk menghilangkan kotoran akibat dari proses pendinginan. Memperhaluskan dan merata kan permukaan pada paduan logam AlCu ini bertujuan untuk dapat mengetahui nilai kekerasan dari logam tersebut, karena jika permukaan dari logam yang di uji tidak rata, maka alat microhardess vickers tidak dapat mengamati nilai dari kekerasan paduan logam tersebut.

         Pada diagram fasa paduan logam AlCu, dapat dilihat bahwa proses furnace dilakukan pada suhu 500^oC. Hal tersebut dilakukan karena tembaga dan aluminium mencapai batas jenuhnya. Bila temperatur diturunkan maka akan ada tembaga yang keluar dari padatan berupa CuAl₂. Semakin turun temperatur nya, maka kelarutan tembaga dalam aluminium juga menurun. Jika temperatur semakin tinggi, maka logam tersebut akan berubah fasa.

         Dari tabel 1, dapat kita lihat bahwa viskositas dari setiap larutan berbeda-beda. Viskositas larutan garam lebih besar daripada yang lainnya. Sedangkan viskositas yang terendah yaitu udara. Semakin besar viskositas, maka kemampuan untuk menyerap panas semakin berkurang. Semakin lama untuk menyerap panas, maka kekerasannya semakin berkurang sebab waktu untuk mendinginkan logam paduan AlCu semakin lama. Suatu atom-atom yang terdapat pada logam jika dilakukan pemanasan, atom-atom tersebut bergerak bebas. Dan ketika dari pemanasan dilanjutkan pendinginan secara cepat, maka atom-atom tersebut tidak sempat untuk berdifusi keluar dan akhirnya terjebak dalam struktur kristal dan membentuk struktur tetragonal yang ruang kosong antar atomnya kecil. Hal tersebut membuat kekerasan dari suatu logam meningkat. Pada percobaan ini kekerasan logam paling tinggi hingga paling rendah yakni dengan medium pendingin larutan garam, udara, air, dan oli.

         Selain dipengaruhi dari viskositas, penyebab lain juga dipengaruhi oleh konduktivitas termal. Konduktivitas dapat memperlambat laju pendinginan, sehingga kekerasan menjadi kecil. Ketika material dipanaskan pada suhu dan waktu tertentu dan kemudian dilanjutkan dengan pendinginan secara cepat, maka struktur mikro material akan mengalami perubahan yang signifikan, yakni struktur yang baru memiliki kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada sebelumnya. Ketika suatu logam dipanaskan maka temperatur logam akan naik. Setelah mencapai suhu tinggi, atom-atom akan bergerak keluar dari struktur nya. Kemudian setelah didinginkan dengan media pendingin, maka akan lebih cepat dingin dan kembali ke suhu ruangan. Ketika logam dari 500^oC menuju 250^oC, membentuk austenit tidak stabil, kemudian dibawah 250^oC terbentuk austenit dan martensit. Martensit ini terbentuk karena atom-atom karbon yang ada pada permukaan tidak sempat berdifusi akibat pendinginan yang terlalu cepat dan struktur logamnya merapat. Sifat martensit yakni keras dan ulet.

         Dari hasil percobaan didapatkan kesalahan data pada nilai kekerasan larutan garam. Seharusnya nilai kekerasan paling tinggi ke yang lebih rendah yaitu logam dengan medium pendingin udara, air, oli, dan larutan garam. Namun pada percobaan tidak demikian. Hal tersebut dikarenakan komposisi air dan garam berbeda dengan viskositas larutan garam yang ada.

V.                  KESIMPULAN

Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa tingkat kekerasan paduan logam aluminium tembaga yakni 46.3. Viskositas medium pendingin tinggi menghasilkan nilai kekerasan logam rendah.

LAMPIRAN

1.       Foto Alat dan Bahan

Gambar 1. Capit, pyrometer, dan paduan logam Al-Cu

Gambar 2. Mesin grinding, amplas, gelas beker, dan alat furnace

Gambar 3. Medium pendingin (dari kiri ke kanan: larutan garam, oli sae, dan air)

Gambar 4. Microhardness vickers

2.       Foto Hasil Uji Kekerasan dengan Microhardness vickers

Gambar 5. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan tanpa medium pendingin (mediumnya di udara terbuka). Diperoleh nilai kekerasan sebesar 44,7 HV.

Gambar 6. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin air. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 41,6 HV.

Gambar 7. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin oli sae. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 39,8 HV.

Gambar 8. Hasil uji kekerasan dengan microhardness vickers pada paduan logam Al-Cu dengan medium pendingin larutan garam. Diperoleh nilai kekerasan sebesar 46,3 HV.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Asisten Laboratorium, Cahyaning Fajar Kresna Murti, Alfa Dinar Callista P., dan Shelly Permatasari, yang telah membimbing dalam melakukan percobaan ini. Dan kepada teman-teman kelompok praktikum yang telah bekerjasama dengan baik dalam melakukan percobaan dan  menyelesaikan laporan ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1]      Boyer, Howard. 2006. “Practical Heat Treating”. USA: ASM International.

[2]      Callister, W.D. 2001. “Fundamental of Materials Science and Engineering, Departemen of Metallurgical Engineering”. New York: John Willey & Sons, inc.

[3]      Crankovic, G.M. 1986. “Materials Characterization”. USA: ASM International.

[4]      Surdia, T. 1992. “Pengetahuan Bahan Teknik”. Jakarta: Pradnya Paramita.

[5]      Allen, Edward. 2002. “Dasar-dasar Kontruksi Bangunan”. Jakarta: Erlangga.

[6]      Halliday, D. 2011. “Fisika Dasar”. Jakarta: Erlangga.