6
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Material Carbide (Karbida) Tungsten karbida (WC) adalah senyawa
kimia anorganik
yang
mengandung bagian yang sama dari atom tungsten dan karbon. Tungsten carbide sering hanya disebut karbida. Dalam bentuk yang paling dasar itu adalah bubuk abu-abu halus, tetapi dapat ditekan dan dibentuk menjadi bentuk untuk digunakan dalam mesin industri, alat-alat, abrasive, serta perhiasan. Tungsten karbida adalah sekitar tiga kali lebih kekakuan dari baja, dengan modulus Young sekitar 550 GPa, dan jauh lebih padat daripada baja atau titanium. Hal ini sebanding dengan korundum (α-Al2O3 atau safir) dalam kekerasan dan hanya dapat dipoles dan selesai dengan abrasive kekerasan unggulan seperti silikon karbida, cubic boron nitride dan berlian antara lain, dalam bentuk bubuk, roda dan senyawa. Tungsten Carbide adalah bahan yang sangat serbaguna yang datang dalam berbagai jenis untuk memberikan sifat yang berbeda-beda. Karakteristik yang berbeda-beda adalah alasan utama untuk popularitas dalam berbagai aplikasi dan industri. Tungsten Carbide jatuh antara 8,5 dan 9,0 pada skala kekerasan Moh, membuatnya hampir sekeras berlian. Tungsten Carbide jatuh antara 8,5 dan 9,0 pada skala kekerasan Moh, membuatnya hampir sekeras berlian.
7
Gambar 2.1 Skala Kekerasan Moh (www.wesltd.com/divisions/hardmetal/html/services/TungstenCarbide Blog.html) Dalam kondisi biasa, ketika uncombined, Tungsten adalah logam baja berwarna abu-abu, Tungsten hanya ditemukan secara alami di bumi bila dikombinasikan dalam senyawa kimia. Hal ini ditemukan pada tahun 1781. Unsur bebas dikenal karena sifat fisik yang berat, terutama fakta bahwa ia memiliki titik leleh tertinggi logam non-paduan dan tertinggi kedua dari semua elemen di belakang karbon. Tungsten Carbide (WC) adalah senyawa kimia anorganik yang terbentuk dari bagian yang sama dari Tungsten dan Carbon. Hal ini dibentuk dengan mereaksikan karbon dan Tungsten pada suhu antara 1400-20000C (2552-3632 derajat Fahrenheit). Ini suhu tinggi membuatnya ideal untuk untuk pabrik dan alat pemotong untuk keperluan industri, yang dapat diperlukan penggunaan berat dan suhu tinggi. Tungsten Carbide dimulai sebagai bubuk abu-abu halus, dalam hal ini membentuk sifat-sifatnya memakai keras membuat untuk abrasif yang sangat baik, atau bubuk ini dapat ditekan dan dibentuk menjadi bentuk yang diinginkan, misalnya alat, perhiasan dan mesin.
8
Sifat fisik yang langka dan luar biasa disimpan oleh Tungsten Carbide membuatnya berguna untuk berbagai aplikasi. Hal ini sangat besar dan kuat tahan aus, begitu banyak sehingga hanya ada sejumlah langka bahan di bumi yang dapat memotong atau awal Tungsten Carbide, dengan abrasive berlian industri menjadi satu. Hal ini penting untuk memahami bahwa Tungsten Carbide tersedia di kelas yang berbeda, yang sifat bervariasi tergantung pada penggunaan. Ada banyak nilai yang berbeda dari Carbide, yang bervariasi pada hanya beberapa parameter: ukuran butir, kekerasan, dan sejauh mana pengikat yang digunakan. 2.2 Heat Treatment Heat Treatment (perlakuan panas) adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan spesimen pada electrik terance (tungku) pada temperatur rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin seperti udara, air, air garam, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda. Sifat-sifat logam yang terutama sifat mekanik yang sangat dipengaruhi oleh struktur mikrologam disamping posisi kimianya, contohnya suatu logam atau paduan akan mempunyai sifat mekanis yang berbeda-beda struktur mikronya diubah. Dengan adanya pemanasan atau pendinginan dengan kecepatan tertentu maka bahan-bahan logam dan paduan memperlihatkan perubahan strukturnya. Perlakuan panas adalah proses kombinasi antara proses pemanasan aatu pendinginan dari suatu logam atau paduannya dalam keadaan padat untuk mendaratkan sifat-sifat tertentu. Untuk mendapatkan hal ini maka kecepatan pendinginan dan batas temperatur sangat menetukan.
9
Gambar 2.2 Tungku Heat Treatment (Sumber http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_treating) Tujuan heat treatment adalah: 1. Memulihkan sifat semula suatu bahan yang terganggu karena proses pengerjaan 2. Membuat sifat tertentu sesuai kebutuhan operasional atau fungsional dan spesifikasi desain Proses laku-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu. Proses perlakuan panas diklasifikasikan menjadi 3: 1. Thermal Yaitu proses perlakuan panas yang hanya memanfaatkan kombinasi panas dalam mencapai tujuan heat treatment itu 2. Termo-kimia Yaitu proses perlakuan panas yang memnfaatkan kombinasi panas dan
10
disertai dengan suatu rekasi dengan zat kimia atau dengan melakukan inerstisi dari unsur-unsur kimia pada bahan yang sedang diberi perlakuan panas untuk mencapai tujuan heat treatment itu. 3. Termo-mekanik Yaitu proses perlakuan panas yang memanfaatkan kombinasi panas dan perlakuan mekanik (ditempa, dibubut, dipukul, dsb) pada bahan yang sedang diberi perlakuan panas untuk mencapai tujuan heat treatment itu. 1. Heat Treatment Thermal a) Annealing Annealing adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan proses restorasi (pengembalian sifat-sifat semula) atas paduan cold-worked atau yang telah diberi perlakuan panas. mengembalikan tekanan residual
Annealing juga berfungsi
dalam suatu
part
manufaktur
untuk demi
meningkatkan tingkat machinability dan kestabilan dimensional. Istilah annealing juga digunakan pada perlakuan panas pada kaca atau produk serupa, pada produk pengecoran, dan pada produk pengelasan. Prose ini terdiri dari beberapa langkah, yaitu: 1. Memanaskan benda kerja ke daerah temperatur tertentu di dalam sebuah furnace 2. Menahan temperatur benda pada temperature tersebut selama periode tertentu 3. Melakukan pendinginin lewat udara bebas atau dengan furnace Proses ini dapat dilakukan dalam suatu atmosfer inert atau terkontrol, ataupun dapat dilakukan pada temperatur yang lebih rendah untuk mencegah atau meminimialisir pembakaran permukaan.
11
b) Artificial Aging Artificial aging adalah proses perlakuan panas yang dilakukan pada suatu bahan untuk meningkatkan sifat kekerasannya dengan cara mengkombinasikan antara pemanasan di atas suhu kamar dengan waktu pemanasan. c) Austenitizing Austenitizing
adalah
perlakuan
panas
yang
dilakukan
dengan
memanaskan bahan hingga temperatur tertentu hingga membentuk 100% austenite. d) Full annealing Full annealing adalah suatu istilah yang digunakan untuk menyatakan proses anneling pada Ferrous Alloy, umumnya pada low-carbon steel atau medium-carbon steel. Baja dipanaskan hingga temperatur diatas 7380 C dan kemudian didinginkan secara perlahan ( biasanya 100 C per jam), dalam sebuah furnace. Struktur yang terbentuk melalui full annealing adalah coarse pearlite yang lembut, ductile serta memiliki butir-butir yang kecil dan seragam. e) Hardenability f) Jominy end-quench test Jominy end-quench test adalah proses perlakuan panas yang diawali dengan austenitizing pada bahan yang berbentuk batang, setelah itu di-quench langsung pada salah astu ujungnya dengan semburan air pada suhu 240 0C. Dengan begitu, cooling rate menjadi bervariasi sepanjang batang bahan tersebut. Rasio pendinginan terbesar terdapat pada ujung batang yang bersentuhan langsung dengan air. Hal ini menyebabkan tingkat kekerasan sepanjang batang menjadi bervariasi pula. Tingkat kekerasan batang yang kontak langsung dengan
12
media quench adalah yang tertinggi, tingkat kekerasan batang berkurang seiring jarak dari media quench. g) Overaging Overaging adalah bagian dari precipitation hardening dimana jika alloy dipanaskan kembali dan ditahan pada temperatur tertentu pada temperatur tinggi selama waktu yang cukup lama sehingga precipitate mulai menyatu dan tumbuh. Mereka menjadi lebih besar tetapi lebih sedikit, hasilnya adalah alloy menjadi lebih lembut dan lemah. h) Natural Aging Natural aging adalah proses perlakuan panas yang dilakukan pada suatu bahan untuk meningkatkan sifat kekerasannya dengan cara mengkombinasikan antara pemanasan dalam suhu kamar dengan waktu pemanasan. i) Precipitation Hardening Precipitation hardening adalah proses perlakuan panas untuk meningkatkan kekuatan struktur dari suatu bahan. Tekniknya adalah dengan mendispersikan secara seragam partikel kecil dari suatu fasa selain fasa asal ke dalam matriks dari fasa asal. Tiga tahap yang terjadi dalam precipitation hardening, yaitu: 1. Larutan padatan di-quench 2. Age-hardened, presipitasi dimulai dalam struktur submikroskopis 3. Overaging, presipitasi menjadi beraglomerasi j) Precipitation Heat Treatment k) Process Annealing Process annealing, yang disebut juga intermediate annealing, subcritical annealing, atau in-process annealing, adalah proses perlakuan panas
13
dimana bahan di-anneal untuk mengembalikan tingkat keulutannya, sebagian atau seluruh bagian bahan di-exhaust dengan pengerasan kerja selama cold-working. Setelah itu, bagian bahan tersebut dapat mengalami proses pengerjaan lebih jauh sampai bentuk akhir yang diinginkan. Jika tempratur yang digunakan terlalu tinggi dan/atau waktu annealing yang terlalu lama, akan menyebabkan pertumbuhan butir, dengan efek yang tidak diinginkan pada tingkat formability dari bagian yang yang dilakukan annealing tersebut. l) Solution Heat Treatment Pada solution heat treatment, alloy dipanaskan hingga mencapai fase kappa solid solution, katakanlah 5400 C (10000F) dan kemudian didinginkan dengan cepat, misalnya, dengan di-quench dalam air. Struktur yang dihasilkan segera setelah quenching terdiri hanya satu fasa kappa. Alloy ini memiliki kekuatan moderat dan tingkat keuletan yang dapat dipertimbangkan. m) Spheroidizing n) Stess Relief Stress relief, yang sering disebut juga sebagai stress relief annealing atau stress relieving, adalah proses perlakuan panas yang ditujukan untuk mengurangi atau mengeliminasi tekanan-tekanan residual. Temperatur dan waktu yang dibutuhkan dalam proses ini tergantung oleh bahan dan magnitude dari tekanan-tekanan residual yang ada. Tekanan-tekanan residual yang ada dapat terjadi selama waktu forming, machining, atau proses pembentukan lain yang dapat disebabkan oleh perubahan volume selama transformasi fasa. Untuk baja, part tidak perlu dipanaskan hingga7380C agar dapat menghindari transformasi fasa. Pendinginan lambat, seperti terjadi dengan udara bebas, biasanya digunakan. Proses ini menghasilkan kestabilan dimensional
14
dalam situasi-situasi dimana subsequent relaxing dari tekanan-tekanan residual dapat menyebabkan distorsi dari part ketika dalam service time(guarantee time). Proses ini juga mengurangi tendensi hingga peretakan akibat tekanan korosi. o) Maraging Maraging adalah precipitation hardening untuk kelompok spesial dari alloy high-strength iron-base. Kata maraging berasal dari kata martensite age hardening. Dalam proses ini, satu atau lebih intermetallic compound dipresipitasi dalam matriks low-carbon martensite. Umumnya, baja maraging dapat mengandung 18% Nickel sebagai tambahan elemen lain dan aging dilakukan pada temperatur 4800C (9000F). Proses pengerasan dengan maraging tidak tergantung dari cooling rate, akibatnya, tingkat kekerasan seragam dapat dihasilkan diseluruh bagian dengan distorsi minimal. Biasanya, penggunaan maraging steel dalam dies dan tooling untuk casting, molding, forging, dan extrusion, 2. Heat Treatment Termo-kimia a) Karburisasi b) Nitriding c) Karbo-nitriding d) De-karburisasi e) Boronizing Boronizing adalah proses perlakuan panas termo-kimia pada baja dimana baja dipanaskan dengan menggunakan gas atau padatan yang mengandung boron yang kontak langsung dengan bagiannya. Karakteristik umum dari baja hasil proses ini adalah permukaan yang sangat keras dan wear resistance, case depth 0.025-0.075 mm. Umumnya
15
baja boronizing digunakan sebagai tool dan die steel. f) Cyaniding Cyaniding adalah proses perlakuan panas yang dikerjakan pada low-carbon steel dan alloy steel dimana steel dipanaskan hingga 760-8450C dalam molten bath dari larutan sianida(misalnya natrium sianida) dan garam lain. Dalam proses ini, unsur C dan N ditambahkan pada permukaan baja, sehingga karakteristik hasil proses ini adalah kekerasan permukaan dari 53-62 HRC, case depth 0.07-0.5 mm, dan lebih sedikit distorsi daripada karburisasi. Umumnya, aplikasi dari baja yang mengalami proses ini adalah sebagai baut, mur, sekrup dan gear kecil. 2.3 Uji Kekerasan Vickers Kekerasan (Hardness) adalah salah satu sifat mekanik (Mechanical properties) dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan (frictional force) dan deformasi plastis. Deformasi plastis sendiri
suatu keadaan
dari suatu material ketika material tersebut diberikan gaya maka struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali kebentuk asal artinya material tersebut tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan
suatu material untuk menahan beban identasi
atau penetrasi (penekanan). Pengujian kekerasan yang akan dibahas kali ini adalah dengan pengujian kekerasan dengan metode Vickers. Uji kekerasan vickers menggunakan indentor piramida intan yang pada dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besar sudut antar permukaan piramida intan yang saling berhadapan adalah 136 derajat. Nilai ini
16
dipilih karena mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antar diameter lekukan dan diameter bola penumbuk pada uji kekerasan brinell (dieter, 1987).
Gambar 2.3 Pengujian Kekerasan Vickers (Sumber http://www.bam.de/de/_pic_u_film/web/kompetenzen) Angka kekerasan vickers didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya. Luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. VHN dapat ditentukan dari persamaan berikut : VHN = (2P sin(ϴ/2)/d2) = (1.854)P/d2 Dengan : P = beban yang digunakan (kg) D = panjang diagonal rata- rataa (mm) θ = sudut antara permukaan intan yang berhadapan = 1360 Kareana jejak yang dibuat dengan penekanan piramida serupa secara geometris dan tidak terdapat persoalan mengenai ukuranya, maka VHN tidak
17
tergantung kepada beban. Pada umumnya hal ini dipenuhi, kecuali pada beban yang sangat ringan. Beban yang biasanya digunakan pada uji vickers berkisar antara 1 hingga 120 kg. Tergantung pada kekerasan logam yang akan diuji. Hal hal yang menghalangi keuntungan pemakaian metode vickers adalah : 1. Uji ini tidak dapat digunakan untuk pengujian rutin karena pengujian ini sangat lamban. 2. Memerlukan persiapan permukaan benda uji. 3. Terdapat pengaruh kesalahan manusia yang besar pada penentuan panjang diagonalnya 2.4 Proses Punch Punch (Press tool) adalah peralatan yang mempunyai prinsip penekanan dengan melakukan pemotongan pembentukan atau gabungan dari keduanya. Peralatan ini digunakan untuk membuat produk secara masal dengan produk output yang sama dalam waktu yang relatif singkat. Press tool adalah metode pembentukan dengan menggunakan tool sebagai media pembentukan. Yang akan dibahas pada kesempatan kali ini adalah metode press tool pada proses pelubangan pelat. Pelat akan dilubangi hingga ribuan lubang dengan menggunakan 1 (satu) tool, pada tengah proses tool akan di asah dengan menggunakan grinda dan dibentuk kembali dengan mengacu pada ukuran yang telah ditentukan. Pelat akan dipasang pada jig dan plat akan dicekam pada jig tersebut. Posisi tool tegak lurus dengan jig, dan tool akan bergerak vertical (naik turun sesuai penyetelan).
18
2.5 Uji Statistik Analisis Varians (Analysis off variance, Anova) Analisis varians (analysis of variance, ANOVA) adalah suatu metode analisis statistika yang termasuk ke dalam cabang statistika inferensi. Dalam literatur Indonesia metode ini dikenal dengan berbagai nama lain, seperti analisis ragam, sidik ragam, dan analisis variansi. Ia merupakan pengembangan dari masalah Behrens-Fisher, sehingga uji-F juga dipakai dalam pengambilan keputusan. Analisis varians pertama kali diperkenalkan oleh Sir Ronald Fisher, bapak statistika modern. Dalam praktik,analisis varians dapat merupakan uji hipotesis (lebih sering dipakai) maupun pendugaan (estimation, khususnya di bidang genetika terapan). 1. Hipotesis dalam Anova (analysis of variance) Dalam analysis of variance hanya satu hipotesis yang digunakan yaitu hipotesis dua arah (two tail). artinya hipotesis ini yaitu apakah ada perbedaan rata-rata, tidak spesifik yang mana yang berbeda. Berikut hipotesis dalam Anova. H0: μ1 = μ2 = μ3 = ... = μn, Tidak ada perbedaan yang nyata antara rata-rata hitung dari n kelompok H1: μ1 ≠ μ2 ≠ μ3 ≠ ... ≠ μn, Ada perbedaan yang nyata antara rata-rata hitung dari n kelompok
2. Alasan penggunaan ANOVA Uji hipotesis dengan ANOVA digunakan, setidaknya karena beberapa alasan berikut: a. Memudahkan analisa atas beberapa kelompok sampel yang berbeda dengan resiko kesalahan terkecil.
19
b. Mengetahui signifikansi perbedaan rata-rata (μ) antara kelompok sampel yang satu dengan yang lain. Bisa jadi, meskipun secara numeris bedanya besar, namun berdasarkan analisa ANOVA, perbedaan tersebut tidak signifikan sehingga perbedaan μ bisa diabaikan. Sebaliknya, bisa jadi secara numeris bedanya kecil, namun berdasarkan analisa ANOVA, perbedaan tersebut Signifikan, sehingga minimal ada satu μ yang berbeda dan perbedaan μ antar kelompok sampel tidak boleh diabaikan. Analisis varians relatif mudah dimodifikasi dan dapat dikembangkan untuk berbagai bentuk percobaan yang lebih rumit. Selain itu, analisis ini juga masih memiliki keterkaitan dengan analisis regresi. Akibatnya, penggunaannya sangat luas di berbagai bidang, mulai dari eksperimen laboratorium hingga eksperimen periklanan, psikologi, dan kemasyarakatan. 3. Asumsi-asumsi yang harus dipenuhi dalam analisis varians (anova): Data berdistribusi normal, karena pengujiannya menggunakan uji F-Snedecor Varians atau ragamnya homogen, dikenal sebagai homoskedastisitas, karena hanya digunakan satu penduga (estimate) untuk varians dalam contoh Masing-masing contoh saling bebas, yang harus dapat diatur dengan perancangan percobaan yang tepat Komponen-komponen dalam modelnya bersifat aditif (saling menjumlah). 4. Langkah-langkah melakukan uji hipotesis dengan ANOVA a. Kumpulkan sampel dan kelompokkan berdasarkan kategori tertentu. Untuk memudahkan pengelompokkan dan perhitungan, buat tabel data sesuai dengan kategori berisi sampel dan kuadrat dari sampel tersebut. Hitung pula total dari sampel dan kuadrat sampel tiap kelompok. Selain itu, tentukan pula hipotesis nol (H0) dan hipotesis alternatif (H1).
20
b. Menentukan tipe anova Apakah masuk tipe satu arah, tipe dua arah tanpa interaksi atau tipe dua arah dengan interaksi. karena akan berpengaruh pada perhitungan. Menentukan tipe seperti pada penejalasan diatas. c. Menghitung variabilitas dari seluruh sampel. Pengukuran total variabilitas atas data dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian: Total of sum squares (SSt) – jumlah kuadrat total (jkt). Merupakan jumlah kuadrat selisih antara skor individual dengan rata-rata totalnya. Sum Square Between(SSb) – jumlah kuadrat kolom (jkk). Variansi
rata-rata
kelompok
sampel
terhadap
rata-rata
keseluruhannya. Variansi di sini lebih terpengaruh karena adanya perbedaan perlakuan antar kelompok. Sum Square within(SSw) – jumlah kuadrat galat (jkg). Variansi yang ada dalam masing-masing kelompok. Banyaknya variansi akan tergantung pada banyaknya kelompok, dan variansi di sini tidak terpengaruh / tergantung oleh perbedaan perlakuan antar kelompok. d. Menghitung derajat kebebasan (degree of freedom). Derajat kebebasan atau degree of freedom (dilambangkan dengan v, dof, atau df) dalam ANOVA akan sebanyak variabilitas. Oleh karena itu, ada tiga macam derajat kebebasan yang akan kita hitung:
Derajat kebebasan untuk JKT merupakan derajat kebebasan dari Jumlah kuadrat total (JKT) ini akan kita lambangkan dengan dof JKT
21
Derajat kebebasan untuk JKK Merupakan derajat kebebasan dari Jumlah kuadrat kolom (JKK) ini akan kita lambangkan dengan dof JKK
Derajat kebebasan untuk JKG Merupakan derajat kebebasan dari Jumlah kuadrat galat (JKG) ini akan kita lambangkan dengan dof JKG
Derajat kebebasan juga memiliki sifat hubungan yang sama dengan sifat hubungan variabel, yakni: dof JKT = dof JKK + dof JKG e. Menghitung variance antar kelompok dan variance dalam kelompok. Variance dalam ANOVA, baik untuk antar kelompok maupun dalam kelompok sering disebut dengan kuadrat tengah atau deviasi rata-rata kuadrat (mean squared deviation) dan dilambangkan dengan MS atau KT. Dengan demikian, maka mean squared deviation masing-masing dapat dicari dengan rumus sebagai berikut: KTK = JKK/dof jkk KTG = JKG/dof jkg f. Menghitung F hitung Menghitung nilai distribusi F (Fhitung) berdasarkan perbandingan variance antar kelompok dan variance dalam kelompok.Fhitung didapatkan dengan rumus di bawah ini: Fhitung = KTK/KTG g. Menghitung F tabel Selain itu, F berdasarkan tabel (Ftabel) juga dihitung, berdasarkan nilai derajat kebebasan (langkah ke-4) menggunakan tabel distribusi-F. Jangan
22
lupa untuk mencantumkan gambar posisi Fhitung dan Ftabel dalam grafik distribusi-F. Membandingkan Fhitung dengan Ftabel : Jika Fhitung > Ftabel : tolak H0 Jika Fhitung ≤ Ftabel : terima H0 Buat kesimpulan, sesuai dengan kasus awal yang ditanyakan. Simpulkan, apakah perlakuan (treatment) memiliki efek yang signifikan pada sampel data atau tidak. Jika hasil tidak signifikan, berarti seluruh rata-rata sampel adalah sama. Jika perlakuan menghasilkan efek yang signifikan, setidaknya satu dari rata-rata sampel berbeda dari rata-rata sampel yang lain.
