MORFOLOGI METALOGRAFI TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN 3401 PADA KONDISI PENDINGINAN MEDIA UDARA

Reza Fadhila Jurusan Teknik Mesin - Fakultas Teknik

Universitas Negeri Medan

ABSTRAK

Telah dilakukan suatu penelitian kaji ulang terhadap bahan baja hadfield yang biasa dipakai sebagai bahan dasar rel kereta api dimana dilakukan pendataan ulang kembali terhadap perubahan mikrostruktur akibat perlakuan panas pada daerah temperatur aging . Bahan dipanaskan hingga 1050°C yang diikuti dengan proses pendinginan cepat yang menyebabkan larutan padat karbida mengendap pada butir fase austenit murni. Dengan pemanasan kembali fase austenit ini, akan terjadi dispersi parsial austenit.

Pemanasan dilakukan pada temperatur ( 400°C, 450°C, 500°C, 550°C dan 600°C) dengan tahapan 30 menit dan 60 menit yang selanjutnya. Mikrostruktur yang didapat didatakan morphologinya dengan Optical Microscopy ( OM ) dan elemen yang terkandung diuji dengan X-ray Fluorecence Spectroscopy ( XRF ). Pada pendataan morphologinya terlihat bahwa pada temperatur rendah plat-plat ferrit akan tumbuh dan mulai bernukliasi pada permukaan butir fasa austenit.

Pada temperatur lebih tinggi, fasa ferrit tersebut akan tumbuh membentuk plat-plat ferit assikular yang tumbuh kesegala arah. Fasa baru yang tumbuh pada 400°C sampai dengan 500°C merupakan transfomasi dari keadaan amorf ke fasa assikularnya. Pada temperatur yang cukup tinggi yaitu 600°C akan terbentuk fasa pearlit dimana struktur ferritnya masih dapat diobservasi. Keywords: Baja Hadfield, Temperatur aging, larutan padat karbida, plat ferit assicular.

1. PENDAHULUAN

Baja sangat berperan penting bagi kehidupan manusia dan tidak lepas dari kebutuhan mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator, sampai kerangka gedung dan jembatan pada umumya menggunakan baja.[1,2] Pada baja mangan Hadfield mempunyai perbandingan komposisi paduan 10 % wt Mangan dan 1 % wt karbon. Baja mangan Hadfield dipakai dalam dunia industri, misal: rel dan roda kereta api [1,2,3,20,21]. Untuk mendapatkan baja dengan kualitas yang dibutuhkan harus dilakukan beberapa perlakuan untuk menghasilkan suatu fasa baru dengan cara pemanasan ( heat treatment ) dengan waktu penahanan 30 menit dan 60 menit sampai fasa austenit, kemudian di re-heat treatment sampai fasa pearlit sehingga dapat mempengaruhi struktur mikro yang dihasilkan.[11,12,13,14]

Untuk memperoleh fasa baru dan sifat fisis yang dihasilkan dalam bidang material dapat dilakukan antara lain : 1. Heat treatment, 2. Pendinginan cepat (quenching), 3. Re-heat treatment. Akibat perlakuan yang diberi pada sampel baja mangan Fe-Mn dapat diperoleh fasa stabil.[15,16,17] Fasa baru dapat diidentifikasi dengan foto mikrostruktur. Perlakuan panas ( heat-treatment ) dapat didefenisikan sebagai suatu kombinasi operasi pemanasan

dan pendinginan terhadap logam dan paduannya. Proses perlakuan panas yang diberikan pada logam dan paduannya, jika berlangsung pada temperatur yang berbeda-beda disertai dengan waktu perlakuan yang berbeda-beda, kemudian didinginkan dengan pendinginan media udara, maka akan dihasilkan perubahan fasa dan perubahan ukuran butiran dari material tersebut.[4,5,6,7,18]

Baja mangan Fe Mn dengan fasa austenit saat ini banyak digunakan dalam berbagai bidang industri. Secara umum fasa austenit dapat bertransformasi dikarenakan pengaruh temperatur, komposisi material , waktu dan laju pendingin dari baja mangan. Berdasarkan diagram fasa Fe-Mn, baja mangan (Fe Mn) yang dipanaskan (heat treatment) mencapai suhu austenit, kemudian didinginkan secara lambat (air cooling) akan membentuk suatu struktur fasa stabil yaitu fasa ferrit dan fasa austenit.[8,9,10] 2. Prosedur Penelitian

Spesimen test untuk penelitian metallografik dipotong dan dipreparasi dari pelat-pelat di atas, yang mempunyai ukuran 1 × 2 × 2,5 cm dengan mesin pemotong presisi untuk menghindari perubahan transformasi fase. Benda uji yang telah dipreparasi diheatreatment pada temperatur 1050°C selama 1 jam pada tungku listrik PID pengolah-panas tipe Vectar VHT-3, kemudian semua benda uji didingkan dengan cara dicelup cepat (quench) ke dalam air . Selanjutnya sampel-sampel direheatreatment kembali pada temperatur yang berbeda dengan waktu yang bervariasi. Temperatur yang dipilih reheattreatment sampel adalah dari 400°C sampai 600°C dengan selang peningkatan temperatur 50°C dengan variasi waktu pemanasan yaitu 30 menit dan 60 menit dan diikuti dengan pendinginan di udara. Pemilihan temperatur diatas atas dasar prediksi yang ada pada diagram fase Fe-Mn. Untuk pengujian metalografinya sampel sample digerinda di dalam mesin pemoles dengan menggunakan kertas ampelas dari ukuran kekasaran 100, 350, 600, 800, 1000, 1500 hingga 2000 mesh. Untuk sebagian besar operasi, dengan laju rotasi 450 putaran/menit. Setelah penggerindaan selesai pada kertas ampelas 2000 mes, sampel dipoles dengan menggunakan pasta alumina 1µ pada kain beludru untuk memperoleh permukaan mirip cermin. Preparasi sampel metalografi diakhiri dengan pembersihan sample-sampel dengan menggunakan mesin pembersih ultrasonik, Branson 1210, Model B1210E-MT 47 KHz, 230 Volt. Etsaan yang digunakan untuk memunculkan fasa-fasa pada sample diperlihatkan pada tabel dibawah ini.

Jenis larutan Komposi Larutan A 100 ml alkohol 3 ml HNO3 Larutan B 90 ml ethanol 10 ml HCl Larutan C 100 ml ethanol 2 ml NH4OH

Penentuan gambar mikrostruktur dilakukan dengan menggunakan alat mikroskop analisator bayangan optik (Epiplan Hdlenz, Carl Zeiss, 220 V – 60 Hz, 80 VA) dengan pembesaran 100X. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Transformasi Fasa Pada umumnya reaksi terbentuknya fasa pearlit pada range temperatur antara 550°C -720°C. Sebaliknya pembentukan fasa martensit biasanya terjadi pada suhu yang lebih rendah yaitu antara 250°C - 550°C. Pada range temperatur ini juga akan terbentuk fasa-fasa lainnya yang dimulai dengan pembentukan agregat halus yang dapat berbentuk pelat-pelat ferit maupun partikel sementit. Fasa yang terbentuk diantaranya biasanya dikatakan sebagai struktur bainit. Dengan kata lain bainit akan muncul selama perlakuan termal pada pendinginan udara dari pearlit sebelum dihasilkan martensit. [ 1,3,8,17]

3.2. Morfologi Mikrostruktur Pada Pemanasan 1050°°°°C Diikuti proses Water Quenching Mikrostruktur baja mangan austenit Hadfield bila diheat treatment pada temperatur 1050°C dan kemudian diikuti dengan proses pendinginan cepat diperlihatkan pada Gambar 4.1.

Gambar 3.1. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 1050°C perbesaran 100x

Gambar 3.1 menunjukkan butir-butir austenit baja Hadfield dengan kehadiran twin-twin bagaimana telah ditemukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Warna putih merupakan Austenit dan warna putih kehitaman merupakan Austenit yang diperkaya dengan karbida (Fe3C) maupun elemen penyusun lainnya. Pengaruh pengkayaan elemen-elenen penyusun baja tersebutlah yang menandakan tingkat kehomogenan didalam bahan baja tersebut 3.3.a Morfologi Mikrostruktur Pada Daerah Pemanasan 400°°°°C Gambar 3.2a dan 3.2b mikrostruktur baja mangan austenit Hadfield setelah perlakuan panas pada temperatur 1050°C diikuti proses water quench , kemudian dipanaskan kembali sampai 400°C dengan masa penahanan 30 menit dan 60 menit yang diikuti dengan kondisi pendinginan udara.

Pada Gambar 3.2a dan 3.2b diperlihatkan pembentukan awal struktur martensit dimana struktur parent austenitnya tetap ada. Pada dasarnya penampilan struktur martensit terkandung struktur austenit didalam. Pada Gambar 3.2a tampak lamel- lamel goretan (scrach) yang ada lebih teratur daripada Gambar 3.2b. Martensit adalah suatu fasa transisi yang terbentuk antara Austenit dan ferrit + karbida. Martensit memiliki struktur HCP, karbon terperangkap dalam kisi dan slip sulit terjadi . Oleh karena itu martensit keras, kuat dan rapuh. Martensit sebagai fasa yang metastabil yang mengandung karbon sehingga larutannya padat. Pada suhu dibawah suhu autectoid dalam waktu cukup lama, larutan carbon terus berubah menjadi bentuk ferrit dan karbida yang lebih stabil .

Gambar 3.2a. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 400°C penahanan 30 menit, perbesaran 100x

Gambar 3.2b. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 400°C penahanan 60 menit, perbesaran 100x

3.3.b Morfologi Mikrostruktur Pada Daerah Pemanasan 450°°°°C Gambar 3.3a dan 3.3b diperlihatkan mikrostruktur baja mangan austenit hadfield setelah perlakuan panas pada 1050°C yang didinginkan secara cepat kemudian dipanaskan sampai 450°C dengan masa penahanan 30 menit dan 60 menit yang diikuti dengan kondisi pendinginan udara. Pada rentang temperatur tersebut terbentuk struktur mikro fasa bainit. Dimana bainit merupakan transformasi pro-eutektoid dari pada ferrit dan karbida itu sendiri. Fe3 C merupakan persipitat yang bergerak kebatas butir , sebagai awal dari kemunculan fasa bainit. Pada gambar ini terlihat bahwa bainit ditandai dengan terbentuknya pelat-pelat ferrit baik didalam maupun dibatas butir. Jika dibandingkan Gambar 3.3a dan 3.3b terlihat bahwa telah terjadi pengkasaran ferrit disebabkan kehadiran Fe3 C. 3.3.c Morfologi Mikrostruktur Pada Daerah Pemanasan 500°°°°C Gambar 3.4a dan 3.4b memperlihatkan mikrostruktur baja mangan austenit Hadfield setelah perlakuan panas pada 1050°C kemudian didinginkan secara cepat dan dilanjutkan pemanasan kembali pada temperatur 500°C pada dua masa penahanan kemudian diikuti dengan pendinginan udara. Dengan membandingkan hasil pemanasan kembali pada temperatur 450°C untuk 30 menit dan 60 menit dengan pemanasan kembali pada temperatur 500°C dan untuk 30 dan 60 menit, dapat ditarik analogi bahwa jika temperatur naik, kemungkinan ferrit yang terbentuk pada batas butir jauh lebih besar terjadi pada temperatur 500°C. Pada temperatur 500°C dengan proses pendinginan-udara, ferrit yang terbentuk pada batas butir tampaknya berkembang baik pada batas butir maupun didalam butir. Mikrostruktur untuk keadaan ini jelas tampak seperti pada Gambar 3.4a dan Gambar 3.4b. Dari gambar terlihat bahwa warna kuning adalah fasa austenit, garis putus-putus menyilang ditandai sebagai fasa ferrit dan bintik hitam fasa sementit ( Fe3C ).

Gambar 3.3a. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 450°C penahanan 30 menit, perbesaran 100x

Gambar 3.3b. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 450°C penahanan 60 menit, perbesaran 100x

Gambar 4.4a. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 500°C penahanan 30 menit, perbesaran 100x

Gambar 4.4b. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 500°C penahanan 60 menit, perbesaran 100x

Hal ini lebih jelas dapat deperlihatkan melalui hasil fasa bainit pada Gambar 3.4c dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM)

Pada foto SEM menunjukkan hasil yang sama dengan foto mikroskop optik baik pada keadaan awal ataupun pada keadaaan annelisasi re-heatreatment dengan perbesaran yang lebih tinggi dari foto mikroskop optik tetap terlihat hasil yang sama,sehingga dapat dikatakan bahwa fasa bainit bukannya hanya berada dilapisan permukaan fasa ferrit tetapi memang telah masuk dan tumbuh didalam fasa ferrit. 3.3.d Morfologi Mikrostruktur Pada Daerah Pemanasan 550°°°°C Gambar 3.5a dan Gambar 3.5b memperlihatkan mikrostruktur baja mangan austenit hadfield setelah perlakuan panas pada 1050°C dan dipanaskan kembali pada 550°C dengan proses pendinginan udara. Dengan menaikkan temperatur pemanasan, lebih banyak endapan akan terbentuk pada batas butir. Pada gambar mikrostruktur terlihat bahwa akan lebih banyak endapan terbentuk pada batas butir hal ini disebabkan ferrit yang terbentuk pada batas butir sudah mencapai batas maksimumnya. Pada rentang waktu 550°C sampai 600°C tersebut terbentuk struktur mikro fasa Pearlit. Pearlit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenit dengan komposisi eutectoid yang memiliki transformasi fasa stabil yaitu ferrit dan karbida. Kedua fasa baru α + Fe3 C bernukleasi pada batas butir austenit dan tumbuh secara serentak didalam butir. Karbon memisah meninggalkan ferrit dan berkonsentrasi dalam karbida. Pada temperatur 550°C pearlit terlihat belum terbentuk secara sempurna.

Gambar 4.4c. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 500°C penahanan 30 menit, perbesaran SEM 10000x

Gambar 3.5a. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 550°C penahanan 30 menit, perbesaran 100x

Gambar 3.5b. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 550°C penahanan 60 menit, perbesaran 100x

3.3.e Morfologi Mikrostruktur Pada Daerah Pemanasan 600°°°°C Gambar 4.6a dan 4.6b memperlihatkan mikrostruktur baja mangan austenit hadfield setelah perlakuan pada 1050°C dan dipanaskan kembali pada 600°C selama waktu yang bervariasi kemudian mengalami pendinginan udara. Selama pendinginan terbentuk sedikit fasa bainit. Seiring dengan peningkatan temperatur dan waktu tahan formasi pembentukan pearlit akan semakin halus.

4. KESIMPULAN Pada jurnal ini dicoba untuk melihat perkembangan morfologi mikrostruktural baja mangan austenit – AISI 3401 disebabkan perlakuan panas yang berbeda-beda diikuti dengan proses pendinginan cepat. Bahan dipanaskan hingga 1050°C diikuti dengan proses pendinginan cepat yang menyebabkan larutan padat carbide mengendap pada butir fase austenit murni. Dengan fase austenit ini, akan terjadi dispersi parsial austenit. Waktu dan temperatur pemanasan akan mempengaruhi luas dispersi pada fase austenit. Temperatur despersitas ditetapkan antara 400°C sampai 600°C dengan tahapan peningkatan 50°C. Kajian mikrostruktur sampel menunjukkan bahwa pengendapan pada batas butir fasa austenit dimulai dengan pengendapan besi dan mangan carbide, kemudian secara progresif diikuti oleh kemunculan unsur baru yang kemudian paduan menuju interior batas-batas butirnya. Pendinginan cepat biasanya menyebabkan karbida yang mengendap pada batas-batas butir terdispersi kembali pada butir-butir. Pembentukan fase baru ini meningkat seiring dengan adanya peningkatan temperatur. Gambar-gambar mikro struktural dari pada bainit akan memunculkan parent austenit dan ferrit dan juga produk-produk karbida yang ada. Kandungan karbon didalam fasa bainit dari pembentukan fasa ferrit dari awal sampai pada keadaan jenuhnya. Berdasarkan morpologi metallografi terjadi : 1. Bukti-bukti nyata dari pembentukan bainit haruslah merupakan pemisahan reaksi dari produk-produk hasilan

fasa-fasa eutectoid yaitu ferrit dan pearlit. Pada saat tersebut sub struktur akan berhubungan dengan komposisi dari pada pembentukan fasa ferrit sehingga pengaruh temperatur akan sangat signifikan. Pembentukan fasa bainit paduan akan selalu berhubungan dengan reaksi interface antar fasa ferrit/austenit.

2. Pertumbuhan rata-rata pada butir akan dikontrol oleh difusi elemen karbon dan mekanisme pergeseran yang terlibat didalamnya. Hal ini terlihat pada struktur pelat-pelat ferrit accicular yang tampak pada fasa bainit.

3. Pertumbuhan pada fasa bainit dibawah temperatur bainitik awal selayaknya seperti konsep-konsep nukleasi yang cepat. Fasa martensitik dicapai pada temperatur 400°C. Pada temperatur tersebut kemungkinan-kemungkinan terbentuknya fasa sementit akan merupakan presipitat yang memperluas fasa ferrit.

4. Perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk membuktikan kapan/bilamana waktu tertentu terbentuknya fasa-fasa martensit, bainit, ferrit , pearlite dan butir serta penyebeb-penyebab yang cukup mendukungnya

Gambar 4.6a. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 600°C penahanan 30 menit, perbesaran 100x

Gambar 4.6b. Mikrostruktur pada daerah pemanasan 600°C penahanan 60 menit, perbesaran 100x

Dari penelitian yang dilakukan diharapkan dapat memahami struktur mikro baja mangan yang diberi perlakuan panas diiringi dengan pendinginan udara (air cooling). Penelitian ini diharapkan dapat membuat peta struktur mikro dari baja mangan yang telah diberi perlakuan sebagai dasar acuan dalam dunia industri. Memperkaya khasanah studi fisika metalurgi bagi para rekayasawan yang berminat dalam bidang material di Indonesia

5. DAFTAR PUSTAKA

1. Amstead, B.H, dkk.1993. Teknologi Mekanik. Terjemahan Ir. Sriati Djaprie. Edisi ke-7. Jilid I. Jakarta: Erlangga.

2. Beumer, B. J. M. 1980. Pengetahuan Bahan. Terjemahan B. S. Anwil Matondang. Jilid III. Jakarta: Bhatara Karya Aksara.

3. Budinski, Kenneth G. 1996. Engineering Materials. Properties and Selection. Fifth Edition. New Jersey Colombus, Ohio: Prentice Hall Upper Saddle Rivers.

4. Clarck D.S and Varney W.R, " Metallurgy for Engineers", 2'd ed.p.205 228, 462 .1 (1962) 5. Dieter, George E. 1996. Metalurgi Mekenik. Edisi ke-3. Jilid I. Jakarta: Erlangga. 6. Edgar C. Bain, Alloying Element in Steel, Second Edition, American Society for Metals, Metals Park,

Ohio, 1939. 7. George S. Brady and Hendry R. Clauser, Material Hand Book, Mc. GrawHill Book Company New York 8. Herman W. Pollack, Material Science and Metallurgy, Reston Publsh. Coy Virginia 1981. 9. J.L.T. Thong, The Environment SEM, Jurnal Mikroskopik Dan Mikro Analisis, Vol.1, no.2, 1998. 10. Lawrence H. Van Vlack, Element Of Materials Science and Enginering, 5th ed. Addison-Wesley Publishing

Company, USA (1985) 11. R.E. Smallman, Modern Physical Metallurgy, 4th ed. (1985) 12. R.W.Smith, A. DeMonte, W. B. F. Mackay, Development Of High-Manganese Steels For Heavy Duty

Cast-To-Shape Applications, Journal of Material Processing Technology 153-154 (2004) 589-595. 13. Reza Fadhila, A.G.Jaharah, M.Z. Omar, C.H. Che Haron, and C.H. Azhari, A Microstructural Mapping of

the Austenitic Manganese Steel-3401 in Rapid Cooling, Journal of Solid State Science and Technology Letters, vol.12, p 143-148 (2005)

14. Reza Fadhila, Microstructural of the austenitic 3401 in rapid cooling process, Jurnal Penelitian Saintika Unimed, Vol 2, p 04-08 (2011)

15. Shackelford James, Introduction to Materials Science for Engineers, fourth edition, Prentice Hall International Inc.

16. Surdia, Tata. MS. dan Saito, Shinroku. 2005. Pengetahuan Bahan Teknik. Cetakan ke-6. PT. Prandnya Paramita, Jakarta.

17. Thornton, Peter A. And Colangelo, Viro J. 1985. Fundamentals of Engineering Materials. Inc: Prentice-Hall International.

18. Wahid Suherman, “ pengetahuan Bahan “ ITB Surabaya (1987) 19. Vander Voort G.F., Metallography Principle and Practice", McGrawHill, p.215,632 (1984) 20. Vernon Jonh, Testing of Materials, Mc. Millan, New York. 21. Reza Fadhila, Microstructural Hadfield Manganesse in aging Treatment, Journal International Material

Engineering Confrence, vol 3, paper No OMG09 (2005) (scribd.com/doc/12771879/Reza-Fadhila-1-Paper-No-OMG09)

22. Reza Fadhila , Fundamental Mapping Manganesse Steel due to heat-treatment, International Metallurgy Confrence (2006) (scribd.com/doc/12798041/Reza-Fadhila-No-P-09-International-Metalurgy-Confrence-910th-Dec06)

23. Reza Fadhila, Microstructural Hadfield Manganesse in aging Treatment, Journal International Material Engineering Confrence, Poster Research Mn-Steel 3401 (2005) (scribd.com/doc/12798226/Reza-Poster-Research-Mn-Steel3401-Rapid-Cooling-Process)

24. Reza Fadhila, Fundamental Micro Mapping Hadfield Manganesse in aging Treatment, Journal International Material Engineering Confrence, (2006) (scribd.com/doc/12810447/No-264-Fund-Micro-Mapping)

25. Fadhila Reza, Fundamental Microstructure Mapping of the Hadfield Manganesse Steel during the Treatmeny in (α + γ) Region, Journal RCSST-UITM (2005) (scribd.com/doc/12798965/Reza-Ukm-Rcsst05-Di-Uitm-Kuantan-151)

26. Reza Fadhila, Poster of Fundamental Microstructure Mapping of the Hadfield Manganesse Steel during the Treatmeny in (α + γ) Region , Journal of International Metallurgy Confrence (2008) (scribd.com/doc/12772025/Reza-Fadhila-3-No-264-Fund-Micro-Mapping)

27. Reza Fadhila, Poster of Fundamental Micro Mapping Manganesse Steel due to its aging Treatment, Journal of ITEX (2008) (scribd.com/doc/12860923/Reza-Fadhila-POSTER-1-Dan-2-Pada-ITEX-2008)

28. Reza Fadhila, Poster of Fundamental Micro Mapping Manganesse Steel in isothermal cooling, Journal of ITEX (2009) (scribd.com/doc/12798381/Reza-Fadhila-Broshure-Research-Mn-Steel3401-in-Iso-Thermal-Cooling)