BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pisau Potong (Cutting Tool) Pisau adalah salah satu alat yang sudah ada dalam sejarah peradaban. Para manusia Gua mempertajam batu atau batu untuk digunakan sebagai alat pemotong. Awal pedang yang terbuat dari perunggu dan dengan perkembangan baja datang revolusi industri. Paduan baja dimulai sebagai paduan sederhana. Selama 80 tahun terakhir, baja perkakas telah berevolusi dengan perkembangan teknologi dalam proses pembuatan baja. Nilai baja perkakas selama periode awal terdiri atas, O-1 O-2, W-1, W-2, W-3, L-6 dan kecepatan tinggi seperti, M-1 M-2 dan T-1. Dengan munculnya tungku busur listrik, nilai paduan tinggi mampu dikembangkan dan kualitas baja perkakas membaik. Perkembangan ini memungkinkan untuk pengenalan nilai fo seperti A-2, A-6, D-2, D-7, S-5, S-7, Vascowear, 154CM ®, dan sebagian besar baja stainless. (Crucible Industries, 2009). Salah satu aplikasi dari baja adalah pembuatan pisau potong, dimana dalam pengembanganya adalah untuk mesin crusher. Berikut beberapa tipe dan jenis mesin crusher dan kegunaanya (PMJN, 2010) : 1. Jaw Crusher Jaw crusher adalah tipe crusher yang paling umum, dimana sistem kerjanya memampatkan/menghimpit material hingga hancur, biasa digunakan untuk menghancurkan batu jenis batu yang keras. 2. Impact Crusher Impact crusher adalah tipe crusher dengan sistem pukul rotary dengan kecepatan rpm yang cukup tinggi, impact crusher biasa digunakan untuk menghancurkan batu kali dan batu gunung. 3. Roll crusher Roll crusher adalah tipe crusher dengan sistem gilas rotary dengan kecepatan rpm yang relatif lebih rendah dari impact crusher. Roll crusher biasa
banyak
digunakan
didunia
pertambangan,
yaitu
untuk
menghancurkan batuan dengan tingkat kekerasan & keuletan yang relatif
6
rendah, seperti batu bara, batu kapur, bahan semen, batu tembaga, belerang, dan sebagainya. 4. Cone crusher Cone crusher ini biasa digunakan sebagai secundery crusher/crusher lanjutan yaitu menghancurkan batuan sehingga bisa menghasilkan struktur pecahan batu yang relatif homogen dengan bentuk cubical ( kotak). 5. Shredder/crusher potong Crusher potong/shredder adalah tipe crusher yang berfungsi multiguna, bekerja dengan prinsip memotong material dengan sistem rotary dan terdiri dari gigi pisau yang jumlahnya relatif banyak. Mesin crusher ini biasa digunakan untuk menghancurkan/mereduksi ukuran menjadi serpihan kecil-kecil dari berbagai jenis limbah industri, seperti limbah otomotif, limbah elektronik, limbah cat, limbah kertas karton, limbah logam plant, dan sebagainya. 6. Crusher plastik. Crusher ini merupakan tipe crusher potong juga, tetapi memiliki konstruksi yang agak berbeda, berkerja dengan sistem potong rotari dengan kecepatan rpm yg cukup tinggi. Biasa digunakan untuk menghancurkan segala jenis material yang terbuat dari bahan plastik menjadi serpihan dengan ukuran sekitar 1 cm2. Gambar 2.1 adalah salah satu jenis dari mesin crusher plastik yang ada.
Gambar 2.1 Crusher Plastik (PMJN, 2010)
7
7. Hammer mill Mesin crusher jenis hammer mill ini adalah mesin crusher yang bekerja dengan prinsip pukul rotari dengan kecepatan rpm yang tinggi. Hampir sama dengan impact crusher. Mesin hammer mill ini biasa digunakan untuk memproduksi pasir halus, konsentrat mineral, mineral ore, tepung batubatuan yg unsur2 pembentuknya berupa butiran halus seperti kapur, dolomite, zeolit, dan sebagainya. 8. Hammer roller mill Mesin crusher jenis ini prinsip kerja nya sama seperti mesin hammer mill, hanya saja proses nya dilanjutkan dengan roll mill. Mesin hammer roller mill digunakan untuk membuat konsentrat dari batu mineral dgn kekerasan tinggi, dan mampu menghasilkan produk dengan tingkat kehalusan tinggi. Sangat cocok utk digunakan dalam penambangan emas, penampangan tembaga, supplier pupuk, produksi dolomite, zeolit, batu kapur, dan sebagainya.
2.2 Material Pisau Terdapat Banyak sekali jenis bahan yang di gunakan untuk alat potong, mulai dari baja karbon tinggi, keramik dan berlian, yang digunakan sebagai alat pemotong dalam industri pengerjaan logam hari ini. Adalah penting untuk menyadari bahwa perbedaan ada di antara bahan dari alat potong tersebut, apa perbedaannya, dan aplikasi yang benar untuk setiap jenis bahan. Dimana Sebuah alat pemotong harus memiliki karakteristik tertentu untuk menghasilkan kualitas pemotongan yang baik dan ekonomis. Berikut adalah karakteristik dari alat potong (Schneider Jr, 2009) : a. Keras. b. Tangguh dan tahan terhadap beban pukul (benturan). c. Tahan terhadap panas kejut (tiba-tiba). d. Tahan pakai atau awet. e. Stabilitas dan bereaksi dengan bahan-bahan kimia.
8
2.2.1 Macam-Macam Material Pisau Potong Bahan yang digunakan untuk pisau potong sangat beragam disesuaikan jenis bahan yang akan di pototng berikut adalah beberapa jenis material dari pisau potong. (Marinov, 2012) 1.
Baja Karbon Kandungan karbon antara 0,6 ~ 1,5% dengan sejumlah kecil dari silikon, kromium, mangan, vanadium dan untuk memperbaiki ukuran butir. Kekerasan maksimal adalah sekitar 62 HRC. Bahan ini memiliki ketahanan aus rendah dan kekerasan panas rendah. Penggunaan bahan-bahan ini sekarang sangat terbatas.
2.
Baja Kecepatan Tinggi (HSS) Terdiri dari paduan vanadium yang tinggi, kobalt, molibdenum, tungsten dan kromium ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan panas dan ketahanan aus. HSS dapat dikeraskan dalam berbagai kedalaman dengan pemaanasan dan pendinginan yang tepat, kekerasan dingin di kisaran 63-65 HRC.
3.
Semen Karbida Merupakan bahan yang cukup penting hari ini, karena kekrasan yang tinggi dan ketahanan aus yang baik. Kerugian utama dari karbida disemen adalah ketangguhan yang rendah. Bahan-bahan ini diproduksi dengan metode serbuk metalurgi, sintering butir carbide tungsten dalam sebuah cobalt (Co) matriks (untuk memberikan ketangguhan). dimungkinkan ada karbida lainnya dalam campuran, seperti titanium karbida (TiC) dan / atau tantalum karbida (TAC) di samping carbide tungsten.
4.
Keramik Keramik terdiri dari bahan utama oksida halus, aluminium(Al2O3), dengan tingkat kemurnian yang tinggi, yang bahan pengikatnya tanpa menggunakan Cubic boron nitride (CBN) dan berlian sintetik.
9
5.
Diamond Merupakan substansi yang paling keras dari semua material yang diketahui, pemotong jenis ini paling populer semua bahan. Bahan ini juga biasa digunakan sebagai bahan pelapis dalam bentuk polikristalin, atau sebagai alat berlian kristal tunggal untuk aplikasi khusus, seperti finishing cermin non-ferrous
2.3 Struktur Logam Sifat-sifat yang dimiliki logam akan berpengaruh dalam penggunaan logam, hal inilah yang merupakan dasar dari pemilihan bahan. Sifat-sifat yang dimiliki setiap logam sangatlah berbeda karena adanya perbedaan unsurunsur penyusun serta paduan yang akan membentuk struktur mikronya. Bentuk geometri dari persenyawaan logam besi dan baja biasanya berupa kubus, yang tersusun dari atom-atomnya. Bentuk geometris inti adalah BCC (Body Center Cubic), FCC (Face Center Cubic), HCP (Hexagonal Close Pocked) (Arifin, 2006). Seperti terdapat pada Gambar 2.2 berikut:
Gambar 2.2 Bentuk Geometris Kristal Logam (Arifin, 2006)
Macam-macam struktur logam antara lain: 1. Struktur Austenite Austenite disebut juga besi gamma (γ) seperti Gambar 2.3 dibawah, fase ini terjadi diatas tempratur 723oC, sifat dari austenite adalah lunak, tidak magnetis, dan dapat di tempa. Austenite merupakan pemanasan lanjut dari ferrite dan pearlite (Arifin, 2006)
10
Gambar 2.3 Struktur austenite (http://www.worldautosteel.org) 2. Struktur Ferrite Struktur ferrite sering juga disebut besi alpha (α) seperti Gambar 2.4 dibawah yang merupakan larutan karbon pada besi murni, fase ini terjadi pada tempratur 723 oC ≥ 910 oC. kandungan C sebesar 0.025, sifat dari baja ini adalah lunak, ulet, magnetis dan baik untuk di tempa. .
Gambar 2.4 Struktur ferrite pada baja lunak (Arifin, 2006) 3. Struktur Cementite Cementite disebut juga karbid besi atau Fe3C, Struktur Cementite adalah struktur yang sifatnya sangat keras, yang mengandung 6.67% C. sifat dari besi ini adalah keras, rapuh dan magnetis sampai pemanasan pada suhu 210oC. (Arifin, 2006). Struktur sementite seperti pada Gambar 2.5 berikut:
11
Gambar 2.5 Struktur sementite pada baja karbon tinggi (http://www.sciencedirect.com)
4. Struktur Pearlite Struktur pearlite adalah struktur yang terbentuk karena persenyawaan antara struktur ferrite dan struktur cementite yang seimbang, Struktur pearlite jika dipanaskan sampai suhu 723 oC
akan berubah menjadi
struktur austenite. Sifat dari pearlite adalah keras, dan lebih kuat dari pada ferrite, tetapi kurang ulet, dan tidak magnetis. Struktur pearlite seperti terdapat pada Gambar 2.6 berikut:
Gambar 2.6 Struktur pearlite pada baja karbon rendah (0,25% C) (Arifin, 2006) 5. Sruktur martensite Struktur martensite sifatnya sangat keras dengan susunan kristalnya berbentuk kubus pusat tetragonal (BCT). Sruktur martensite seperti terlihat pada Gambar 2.7 dibawah ini. 12
Gambar 2.7 Struktur Martensite Pada Baja Karbon (www.worldautosteel.org)
2.4 Baja Besi atau baja dihasilkan dari campuran antara besi (Fe) dan elemen pemadu, elemen pemadu utama besi atau karbon adalah karbon (C) dan juga ditambahkan unsur-unsur lain (S, P, Mg, Si, dll), namun unsur-unsur ini hanya dalam prosentase yang kecil. Kandungan karbon di dalam baja sekitar 0,1% sampai 1,7%, sedangkan unsur lainnya dibatasi oleh prosentasenya (Amanto, 2003). 2.4.1 Klasifikasi Baja Karbon Menurut persentase karbonya baja komersial diklasifikasikan menjadi 3 jenis yaitu: 1. Baja karbon rendah Baja ini disebut baja ringan (Mild Steel) atau baja perkakas, baja ini bukan baja yang keras karena kandungan karbonya rendah yaitu kurang dari 0.3%. Baja ini dapat dijadikan mur, baut, ulir skrup dan lain-lain. Baja jenis karbon rendah mempunyai sifat tidak terlalu keras, cukup kuat, ulet, mudah dibentuk dan ditempa, tetapi karena kurangnya kadar karbon maka tidak dapat disepuh keras. (Amanto, 2003). 2. Baja karbon sedang Baja karbon sedang merupakan baja dengan kandungan karbon 0,3–0,6%, cukup keras dibandingkan dengan baja karbon rendah. Baja ini memungkinkan untuk dikeraskan sebagian dengan pengerjaan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon sedang
13
digunakan untuk roda gigi, poros engkol, sekrup dan sebagainya. (Amanto, 2003). 3. Baja karbon tinggi Baja karbon tinggi mempunyai kandungan karbon 0,6–1,5%, baja ini sangat keras namun keuletannya rendah, biasanya digunakan untuk alat potong seperti gergaji, pahat, kikir, pegas dan lain sebagainya. Karena baja karbon tinggi sangat keras, maka jika digunakan untuk produksi harus dikerjakan dalam keadaan panas. (Amanto, 2003). 2.4.2 Diagram Fe3C Gambar 2.8 dibawah adalah Diagram Fe3C, yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan lambat dan pemanasan lambat dengan kandungan karbon (%C). Diagram fasa besi dan karbida besi Fe3C ini menjadi landasan untuk laku panas kebanyakan jenis baja yang kita kenal (Lawrench, 1989)
Gambar 2.8 Diagram Fe– C (Tata Surdia, 1999) 14
Dengan memperhatikan diagram fasa tersebut maka baja karbon yang karbonnya <0.83 % adalah jenis baja hypoeutektoid, sedangkan baja dengan kadar karbon 0.83-2.14 adalah jenis baja hypereutectoid 2.4.3 Mata Pisau Crusher Dengan semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi sekarang ini, jenis logam yang digunakan untuk alat potong semakin bervariasi, salah satunya adalah baja karbon tinggi akan tetapi kekerasan dan keuletanya harus disesuaikan dengan bahan yang akan di potong. Salah satu bahan pembuat mata pisau yang biasa digunakan untuk pemotongan sampah plastik adalah jenis D2 dengan kekerasan mula 210 HB (17 HRC) (Uddeholm, 2010). Seperti di tunjukan pada Tabel 2.2 dan Tabel 2.3 dibawah ini. Sedangkan Gambar 2.9 dibawah adalah salah satu jenis mata pisau untuk crusher plastic Tabel 2.2 D2 Standart Condition (Uddeholm, 2010) Typical Analysis
C 1.55
Si 0.3
Mn 0.4
Cr 11.8
Standard Specification
AISI D2, W.-Nr. 1.2379
Delivery Condition
Soft Annealed To Approx. 210 HB
Color Code
Yellow/White
Mo 0.8
V 0.8
Tabel 2.3 Aplikasi AISI D2 (Uddeholm, 2010) Cutting
Material thickness
Tools for: Blanking, fineblanking, punching, cropping.
<1/8" (3mm)
shearing, trimming, 1/8–1/4"(3–6 mm) clipping Short, cold shears. Shredding knives for waste plastics. Granulator knives Circular shears Clipping, trimming tools for forgings Wood milling cutters, reamers, broaches
Material hardness (HB) <180 HRC
>180 HRC
60–62
58–60
58–60
54–56 56–60 58–60 Hot 58–60 Cold 56–58 58–60
15
Gambar 2.9 Pisau Crusher Plastik (http://jinhengli01.en) 2.5 Pengaruh Unsur Paduan Terhadap Baja Baja yang hanya mengandung unsur C tidak akan memiliki sifat seperti yang diinginkan, dengan penambahan unsur-unsur paduan seperti Si, Mn, Ni, Cr, V, W, dan lain sebagainya dapat menolong untuk mencapai sifatsifat yang diinginkan (Amanto, 2003). Penambahan beberapa unsur paduan spesifikasi terhadap sifat baja antara lain (Amanto, 2003) : a. Unsur Silikon (Si) Silikon merupakan unsur paduan yang ada pada setiap baja dengan jumlah kandungan lebih dari 0,4% yang mempunyai pengaruh kenaikan tegangan tarik dan menurunkan kecepatan pendinginan kritis (laju pendinginan minimal yang dapat menghasilkan 100% martensite) b. Unsur Mangan (Mn) Unsur Mangan dalam proses pembuatan baja berfungsi sebagai deoxider (pengikat O2) sehingga proses peleburan dapat berlangsung baik. Kadar Mn yang rendah dapat menurunkan kecepatan pendinginan kritis. c. Nikel (Ni) Nikel memberi pengaruh sama seperti Mn yaitu menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis. Ni membuat struktur butiran menjadi halus dan menambah keuletan.
16
d. Unsur Krom (Cr) Unsur krom meningkatkan kekuatan tarik dan keplastisan, kekerasan, mungurangi korosif dan tahan suhu tinggi. e. Unsur Vanadium (V) dan Wolfram (W) Unsur Vanadium dan Wolfram membentuk karbida yang sangat keras dan meningkatkan keekrasan baja, kemampuan potong dan daya tahan panas, untuk pahat potong dengan kecepatan tinggi. 2.6 Perlakuan Panas Perlakuan panas (heat treatment) didifinisikan sebagai kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan yang terkontrol dalam keadaan padat untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu pada baja/logam atau paduan. Terjadinya perubahan sifat tersebut dikarenakan terjadi perubahan struktur mikro selama proses pemanasan dan pendinginan, di mana sifat baja/logam atau paduan sangat dipengaruhi oleh struktur mikronya. (Arifin, 2006). Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis (Suhardi, 2011) : 1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Near Equilibrium ini diantaranya adalah untuk : melunakkan struktur kristal, menghaluskan butir, menghilangkan tegangan dalam dan memperbaiki machineability. 2. Non Equilirium (Tidak setimbang) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Non Equilibrium ini adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan
panas
Non
Equibrium,
misalnya
:
Hardening,
Martempering, Austempering, Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)
2.6.1 Near Equilibrium Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium antara lain Process annealing Normalizing dan Homogenizing. .
17
a. Annealing : Baja dipanaskan sampai suhu austenit kemudian didinginkan dalam tungku sehingga temperaturnya turun. Annealing mempunyai sifat melunakkan, menghilangkan tegangan dalam dan membentuk butiran yang kasar dengan sifat lunak, Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid, 25 derajat hingga 50 derajat celcius diatas garis a3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 derajat hingga 50 derajat celcius diatas garis A1) (ASM Vol 4, 1991)
b. Normalising : Memanaskan baja sampai sedikit di atas suhu kritis kemudian setelah suhu merata didinginkan diudara. Normalising mempunyai tujuan menghaluskan struktur butir, menambah kekerasan dibandingkan annealing. (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara) (ASM Vol 4, 1991) a. Homoginizing (Penyamarataan) adalah pelunakan yang dilakukan pada suhu tinggi (di atas Ac3 untuk baja hipotektoid) dengan selang waktu penahanan pada suhu tersebut yang cukup lama, kemudian diikuti oleh pendinginan yang sesuai untuk mendapatkan distribusi yang merata dari konstituen yang terlarut (BSN, 2005)
2.6.2 Non Equilirium Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, adalah Hardening, Martempering,
Austempering,
Surface
Hardening
(Carburizing,
Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening) a.
Hardening : Baja dipanaskan mencapai suhu tertentu antara 770oC – 830 oC, kemudian di tahan pada suhu tersebut selama beberapa saat dan didinginkan secara mendadak dengan mencelupkan ke dalam air, air garam, oli atau media pendingin lainnya. Hardening (berpendingin air) mempunyai fasa martensit dimana fasa ini mempunyai sifat keras dan getas juga rapuh. Hardening
18
(berpendingin oli) mempunyai fasa martensit dan bainit dimana fasa ini mempunyai sifat yang kurang dari fasa martensit. b.
Martempering : merupakan proses perlakuan panas dengan celup terputus yang diikuti denlgan proses agar terbelntuk martensit temper. Dalam proses ini baja yang telahl diaustenisasi dicelup dengan cepat ke dalam lelehan garam atau minyak yang memiliki temperatur sekitar 200 - 400oC. Pendinginan cepat terjadi tanpa memotong hidung kurva transformasi. Hal ini dilakukan untuk menghindari terbentukuya ferit dan sementit. Temperatur ditahan sedikit di atas temperatur Ms, temperatur mulai terbentuknya fasa martensit untuk beberapa lama agar diperoleh distribusi temperatur yang seragam pada seluruh bagian benda kerja. Kondisi ini memungkinkan
transfornasi
berlangsung
dengan
serempak
sehingga retak kerena celup cepat dapat dihindari. Selanjutnya pendinginan diteruskan dengan lebih lambat menggunakan udara dingin Samlpai temperatur ruang untuk mencapai transformasi martensit. c.
Austempering adalah transformasi isotermal dari paduan besi pada suhu di bawah pembentukan perlit dan di atas bahwa pembentukan martensit (biasanya 790-915 ° C) (ASM Vol 4, 1991)
d.
Surface Hardening adalah sebuah metode yang digunakan untuk meningkatkan ketahanan aus pada luar bagian tanpa mempengaruhi interior.
2.7 Baja Fasa Ganda Baja fasa ganda merupakan hasil proses perlakuan panas pada temperature pemanasan daerah (α dan y) dan ditahan beberapa waktu kemudian didinginkan dengan laju pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan kritis, sehingga diperoleh kombinasi struktur mikro martensite yang keras dengan ferrite yang ulet. Baja hypoeutektoid dipanaskan di antara temperatur kritis atas (A3) dan temperatur kritis bawah (A1). Kemudian didinginkan dengan cepat melebihi laju pendinginan kritisnya. Pendinginan
19
cepat dari temperatur tersebut akan menghasilkan struktur 10-20% martensit dalam matrik
ferrit, di mana butir ferrit yang terbentuk setelah proses
pembentukan fasa ganda adalah poligonal (memiliki sisi banyak). (ASM Vol 4, 2002). Gambar 2.10 dibawah menjelaskan laju pendingan terhadap waktu
Gambar 2.10 Continues Cooling Transformations (CCT), Diagram Baja Hypoeutektoid (Tri Joko, 2005) Struktur martensit dalam bentuk matrik ferrit memiliki ciri atau sifat tegangan luluhnya rendah akibat adanya tegangan sisa dari proses transformasi austenite ke martensite dan penguatan regang yang mengikat (Thelning, 1984) Pada temperatur kamar, baja hypoeutektoid terdiri dari butiran kristal ferite dan pearlite. Apabila temperatur pemanasan mencapai tempertaur kritis bawah A, maka pearlite akan mengalami reaksi eutektoid sehingga laurel-laurel ferite dan sementite dari pearlite akan bereaksi menjadi austenite. Transformasi austenite didahului dengan pengintian yang selanjutnya diikuti pertumbuhan kristal austenite (ferrit BCC menjadi austenit FCC) dan setelah temperatur mencapai A3 seluruh ferite akan menjadi austenite, lihat Gambar 2.11 dibawah, skema perubahan struktur mikro selama pemanasan. (Tri Joko, 2005)
20
Gambar 2.11 Skema Perubahan Struktur Mikro Selama Pemanasan (Tri Joko, 2005) Proses annealing untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur kritisnya A3, o
o
lihat Gambar Diagram fe3C (25 C–50 C di atas temperatur A3), dan ditahan beberapa saat pada temperatur tersebut, kemudian didinginkan dengan laju pendinginan lambat di dalam dapur. Sifat baja hasil proses annealing adalah menjadi lebih lunak dan ulet (tegangan tarik dan kekerasannya menurun). Proses normalising untuk baja hypoeutektoid dilakukan dengan memanaskan sampai temperatur sedikit di atas temperatur proses annealing yaitu mencapai 50oC di atas temperatur kritis A3, dengan laju pendinginan lebih cepat dari annealing yaitu pendinginan dengan udara terbuka. Hasil proses normalising baja akan berbutir lebih halus, lebih homogen dan lebih keras dari hasil annealing. Proses pengerasan atau hardening untuk baja hypoeutektoid
temperatur
pemanasannya diatas temperatur kritisnya atau berada di fase austenite dan pendinginannya sangat cepat menggunakan media pendingin zat cair, seperti air, oli dan sejenisnya, sehingga hasilnya diperoleh struktur martensite yang keras dan menjadikan sifat baja tersebut keras dan rapuh. (Tri Joko, 2005)
21
Proses tempering adalah pemanasan kembali hasil proses o
o
hardening, pemberian panas 50 C–100 C di bawah temperatur kritis A1 dan membiarkannya atau menahan temperatur tersebut beberapa saat, kemudian didinginkan dengan pendinginan lambat yaitu pada media udara terbuka. Hasil proses tempering adalah menghilangkan tegangan sisa dan mengembalikan sebagian keuletan dan ketangguhan bahan meskipun kekerasan dan tegangan tariknya menurun (Tri Joko, 2005) 2.8 Pengujian Kekerasan Kekerasan yaitu ketahanan bahan terhadap indentasi secara kualitatif menunjukan kekuatannya (Shackelford, 1976). Skala yang lazim dalam pengujian kekerasan antara lain skala Brinell, Vickers, Rockwell dan Knop a. Uji kekerasan Brinell Pengujian kekerasan Brinell merupakan pengujian standard secara industri, tetapi karena penekannya memakai bola baja yang diperkeras (hardened steel ball) dengan beban dan waktu indentasi tertentu, sebagaimana penekanan bola baja ditunjukkan oleh Gambar 2.13 di halaman selanjutnya. Hasil penekanan adalah jejak berbentuk lingkaran bulat, yang harus dihitung diameternya di bawah mikroskop khusus pengukur jejak. Contoh pengukuran hasil penjejakan diberikan oleh Gambar 2.12
Sedangkan pengukuran nilai kekerasan suatu material
hitung menggunakan rumus sebagai berikut: BHN =
dimana
(2.1)
P
: Beban (kg)
D
: Diameter indentor (mm)
d
: Diameter jejak (mm)
22
Gambar 2.12 Ilustrasi Indentasi Metode Brinell (Akhmad, 2009)
Walaupun demikian pengaturan beban dan waktu indentasi untuk setiap material dapat pula ditentukan oleh karakteristik alat penguji. Nilai kekerasan suatu material yang dinotasikan dengan ‘HB’ tanpa tambahan angka di belakangnya menyatakan kondisi pengujian standar dengan indentor bola baja 10 mm (Gambar 2.13 dibawah), beban 3000 kg selama waktu 1—15 detik. Untuk kondisi yang lain, nilai kekerasan HB diikuti angka-angka yang menyatakan kondisi pengujian. Contoh: 75 HB 10/500/30 menyatakan nilai kekerasan Brinell sebesar 75 dihasilkan oleh suatu pengujian dengan indentor 10 mm, pembebanan 500 kg selama 30 detik.
Gambar 2.13 Hasil Indentasi Brinell Berupa Jejak Berbentuk Lingkaran Dengan Ukuran Diameter Dalam Skala Mm. (Akhmad, 2009) b. Metode Rockwell Metode Rockwell Berbeda dengan metode Brinell dan Vickers dimana kekerasan suatu bahan dinilai dari diameter atau diagonal jejak yang dihasilkan maka metode Rockwell merupakan uji kekerasan dengan pembacaan langsung (direct-reading). Metode ini banyak dipakai dalam
23
industri karena pertimbangan praktis. Variasi dalam beban dan indetor yang digunakan membuat metode ini memiliki banyak macamnya. Metode yang paling umum dipakai adalah Rockwell B dengan referensi ASTM E 18 memakai indentor bola baja berdiameter 1/6 inci dan beban 100 kg dan Rockwell C memakai indentor intan dengan beban 150kg. Sedangkan untuk bahan lunak menggunakan penetrator yang digunakan adalah bola Baja (Ball) yang kemudian dikenal dengan skala B dan untuk bahan yang keras penetrator yang digunakan adalah kerucut intan (Cone) dengan sudut pncak 1200, yang bisa dilihat pada Gambar 2.14 di bawah, kemudian dikenal dengan skala C.
Gambar 2.14 Identer Kerucut Pada Ujung Diamon (ASM Vol.8, 2008)
Walaupun demikian metode Rockwell lainnya juga biasa dipakai. Oleh karenanya skala kekerasan Rockwell suatu material harus dispesifikasikan dengan jelas. Contohnya 82 HRB, yang menyatakan material diukur dengan skala B. Indentor 1/6 inci dan beban 100 kg. Berikut ini diberikan Tabel 2.4 yang memperlihatkan perbedaan skala dan range uji dalam skala Rockwell. Dalam pengujian kekerasan Rockwell perlu memperhatikan nilai minimum ketebalan material pengujian. nilai ketebalan minimum material pengujian mengikuti rasio 1:10 tetapi ini berdasarkan akumulasi data pengujian untuk berbagai macam ketebalan pada baja karbon rendah, tinggi dan baja temper.
24
Tabel 2.4 Skala Pada Metode Uji Kekerasan Rockwell (ASM Vol.8, 1998) Skala
Beban Mayor (Kg)
Tipe Indentor
Tipe Material Uji
A
60
1/16” bola intan kerucut
B
100
1/16” bola
C
150
Intan kerucut
D
100
1/8” bola
E
100
Intan Kerucut
F
60
1/16” bola
G
150
1/8” bola
H
60
1/8” bola
K
150
¼” bola
L
60
¼” bola
Baja kawakan Kuningan yang dianealing dan tembaga Tembaga, berilium, fosfor, perunggu Pelat alumunium, timah Besi cor, paduan alumunium, timah Plastik, logam lunak
M
100
¼” bola
Plastik, logam lunak
R
60
¼” bola
Plastik, logam lunak
S
100
½” bola
Plastik, logam lunak
V
150
½” bola
Plastik, logam lunak
Sangat keras, tungsten, karbida Kekerasan sedang, baja karbon rendah dan sedang, kuningan, perunggu Baja keras, paduan yang dikeraskan, baja hasil tempering Besi cor, paduan alumunium, magnesium yg dianealing
Pengujian kekerasan Rockwell memiliki tiga
metode yang biasa
digunakan yaitu: 1) Metode dengan Kerucut (HRC) Pada percobaan dengan metode ini menggunakan identer kerucut untuk penekanan ke material diperlihatkan pada Gambar 2.15 dibawah, dengan besar nilai kekerasan HRC. Skala HRC memiliki nilai kekerasan 0 sampai 100.
25
Gambar 2.15. Ilustrasi Uji Kekerasan Rockwell (ASM Vol.8, 1998)
Namun pengujian untuk material tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan mesin khusus yang memiliki kapasitas beban 1-30 kg. Metode ini hanya cocok untuk bahan-bahan dengan susunan yang homogen. Gambar 2.16 dibawah menunjukan bagan pengujian Rockwell Cone atau HRC:
Gambar 2.16. Bagan Pengujian HRC
2) Metode dengan Peluru (HRB) Metode ini pada dasarnya sama dengan metode kerucut. Hanya saja metode ini menggunakan penetrator sebuah peluru. Berikut ini adalah bagan pengujian Rockwell Ball atau HRB yang dilustrasikan pada Gambar 2.17 sebagai berikut:
26
Gambar 2.17. Bagan Pengujian HRB 3) Metode Rockwell Superficial Perbedaannya dengan Rockwell biasa adalah dalam beban minor dan beban mayor. Pada Rockwell Superficial, beban minor adalah 3 kg, sedangkan beban mayor adalah 15, 30 dan 45 kg untuk mengetahui besarnya beban dan dan jenis identor bisa dilihat pada Tabel 2.5. Tabel 2.5. Skala Superficial Rockwell (ASM Vol.8, 1998) Simbol
Identor
15 N 30 N 45 N 15 T 30 T 45 T 15 W 30 W 45 W
Diamond Diamond Diamond 1/16 in ball 1/16 1n ball 1/16 in ball 1/8 in ball 1/8 in ball 1/18 in ball
Besar beban (Kg) 15 30 45 15 30 45 15 30 45
c. Metode Vickers Banyak
masalah
metalurgi
yang
membutuhkan
penentuan
kekerasan pada permukaan yang sangat kecil misalnya penentuan kekerasan pada permukaan terkarburasi, daerah sambungan, daerah difusi dua material yang berbeda dan penentuan kekerasan pada part jam tangan.
27
Untuk pengujian spesimen-spesimen sangat kecil ini, mengunakan uji Vickers dan untuk prosedur pengujian menggunakan referensi ASTM E 384 Pada metode ini, digunakan indentor intan berbentuk piramida dengan sudut 136o, seperti diperlihatkan oleh Gambar 2.18. Prinsip pengujian adalah sama dengan metode Brinell, walaupun jejak yang dihasilkan berbentuk bujur sangkar berdiagonal. Panjang diagonal diukur dengan skala pada mikroskop pengujur jejak. Untuk menghitung nilai kekerasan suatu material menggunakan rumus sebagai berikut: VHN =
(2.2)
Dimana P = Besar beban (kg) d = Rata-rata diameter pijakan identer d 1 dan d2 (mm)
Gambar 2.18 Indentasi Dengan Metode Vickers (Akhmad, 2009)
2.9 Pengujian Struktur Mikro Untuk mengetahui struktur mikro dari suatu logam pada umumnya pengujian dilakukan dengan reflek pemendaran (sinar), pada pemolisan atau etsa, tergantung pada permukaan logam uji polis, dan diperiksa langsung di bawah mikroskop atau dietsa lebih dulu, baru diperiksa di bawah mikroskop, dibawah ini Gambar 2.19 adalah alat yang di gunakan untuk pengujian struktur mikro.
28
Gambar 2.19 Mikroskop Olympus BX 416 Adapun beberapa tahap yang perlu dilakukan sebelum melakukan pengujian struktur mikro, yaitu: 1. Pemotongan (Sectioning) Pemilihan sampel yang tepat dari suatu benda uji studi mikroskopik merupakan hal yang sangat penting. Pemilihan sampel tersebut didasarkan pada tujuan pengamatan yang hendak dilakukan. Pada umumnya bahan komersil tidak homogen, sehingga satu sampel yang diambil dari suatu volume besar tidak dapat dianggap representatif. Pengambilan
sampel
harus
direncanakan
sedemikian
sehingga
menghasilkan sampel yang sesuai dengan kondisi rata-rata bahan atau kondisi di tempat-tempat tertentu (kritis), dengan memperhatikan kemudahan pemotongan pula. Secara garis besar, pengambilan sampel dilakukan pada daerah yang akan diamati mikrostruktur maupun makrostrukturnya. Sebagai contoh, untuk pengamatan mikrostruktur material yang mengalami kegagalan, maka sampel diambil sedekat mungkin pada daerah kegagalan (pada
daerah
kritis
dengan
kondisi
terparah),
untuk
kemudian
dibandingkan dengan sampel yang diambil dari daerah yang jauh dari daerah gagal. Perlu diperhatikan juga bahwa dalam proses memotong, harus dicegah kemungkinan deformasi dan panas yang berlebihan. Oleh
29
karena itu, setiap proses pemotongan harus diberi pendinginan yang memadai. 2. Pemegangan (Mounting) Spesimen yang berukuran kecil atau memiliki bentuk yang tidak beraturan akan sulit untuk ditangani khususnya ketika dilakukan pengamplasan dan pemolesan akhir. Sebagai contoh adalah spesimen yang berupa kawat, spesimen lembaran metal tipis, potongan yang tipis, dll. Untuk memudahkan penanganannya, maka spesimen-spesimen tersebut harus ditempatkan pada suatu media (mounting). Secara umum syaratsyarat yang harus dimiliki bahan mounting adalah: Bersifat inert (tidak bereaksi dengan material maupun zat etsa) Sifat eksoterimis rendah Viskositas rendah Penyusutan linier rendah Sifat adhesi baik Memiliki kekerasan yang sama dengan sampel Flowabilitas
baik,
dapat
menembus
pori,
celah
dan
bentuk
ketidakteraturan yang terdapat pada sampel Khusus untuk etsa elektrolitik dan pengujian SEM, bahan mounting harus kondusif Media mounting yang dipilih haruslah sesuai dengan material dan jenis reagen etsa yang akan digunakan. Pada umumnya mounting menggunakan material plastik sintetik. Materialnya dapat berupa resin (castable resin) yang dicampur dengan hardener, atau bakelit. Penggunaan castable resin lebih mudah dan alat yang digunakan lebih sederhana dibandingkan bakelite, karena tidak diperlukan aplikasi panas dan tekanan. Namun bahan castable resin ini tidak memiliki sifat mekanis yang baik (lunak) sehingga kurang cocok untuk material-material yang keras. 3. Pengamplasan kasar (Grinding) Grinding dilakukan dengan menggunakan disc pengamplasan yg ditutup dengan Silicon carbide kertas dan air. Ada sejumlah ukuran amplas, yaitu 180, 240, 400, 1200, butir Silicon carbide per inci persegi.
30
Ukuran 180, menunjukkan kekasaran dan partikel ini adalah ukuran untuk memulai operasi pengamplasan. Selalu menggunakan tekanan langsung di pusat sampel. Lanjutkan pengamplasan hingga semua noda kasar telah dihapus, permukaan sampel rata, dan semua goresan yang pada satu posisi. Hal ini membuat mudah untuk dilihat ketika goresan semuanya telah dihapus. Setelah operasi pengamplasan selesai pada ukuran amplas 1200, cuci sampel dengan air diikuti oleh alkohol dan keringkan sebelum dipindah ke polish. Atau juga dapat tahap ini ukurannya 240, 800, 1000, 1500. Berikut adalah beberapa tahap dalam pengampelasan, yaitu:
Persiapan, tahap ini adalah tahap dimana melakukan pemilihan amplas yang dimulai dengan menggunakan amplas dengan nomor yang paling rendah (kasar) dan juga ditambah dengan penggunaan air dengan tujuan supaya tidak terjadi gesekan antara permukaan spesimen dengan amplas yang dapat mengakibatkan percikan bunga api.
Abrasion damage, adalah tahap menghaluskan permukaan dari spesimen dengan menggunakan amplas dari nomor rendah (nomor 360) ke nomor yang paling tinggi (nomor 2000) sampai permukaan dari spesimen yang diuji rata dan tidak ada lagi scratch pada material bila dilihat di mikroskop.
4.
Pemolisan (Polishing) Tahap polishing bertujuan untuk menghasilkan permukaan spesimen yang rata dan mengkilap, tidak boleh ada goresan yang merintangi selama pengujian. finish lap merupakan tahap penghalusan akhir material dengan menggunakan kain yang telah diolesi polisher agar permukaan mengkilap dan rata atau bias disebut juga dengan polishing. Polish yang terdiri dari disc pengamplasan ditutup dengan kain lembut penuh dengan partikel berlian (ukuran 6 dan 1 mikron) dan minyak pelumas yang berminyak. Mulai dengan ukuran 6 mikron dan terus menggosok sampai goresan hilang
31
5.
Etsa (Etching). Etching digunakan dalam metallography untuk memperlihatkan mikrostruktur dari spesimen dengan menggunaka mikroskop. Specimen yang akan dietching harus dipolish secara teliti dan rata serta bebas dari perubahan yang disebabkan deformasi pada permukaan specimen, alur material, pullout, dan goresan. Meskipun dalam mikrography beberapa informasi sudah dapat diketahui tanpa proses etching, tetapi mikrostruktur suatu material biasanya baru dapat terlihat setelah dilakukan pengetsaan. Hanya sekitar 10% informasi yang dapat terlihat tanpa proses etching. Hanya reaktan, pori, celah, dan unsur non-metalik lainya yang dapat diamati hanya dengan polishing, selebihnya diperlukan etching. Secara umum tujuan dari etching adalah:
Memberi warna pada permukaan benda uji sehingga tampak jelas ketika diamati dengan mikoskop (color enhancement)
Menimbulkan korosi sehingga memperjelas batas butir
Meningkatkan kontras antar butir dan batas butir (optical enhancement of contrast)
6.
Mengidentifikasi fasa pada suatu spesimen (anodizing process)
Pemotretan (Photo) Dimaksudkan untuk mendapatkan gambar dari struktur kristal yang dimaksud. Untuk mendapatkan foto mikrografi yang tajam, variabel berikut harus terkontrol yaitu penghilangan getaran, pelurusan pencahayaan, penyesuaian warna cahaya terhadap korelasi objek, menjaga kejernihan objek, penyesuaian daerah pengamatan, dan lubang diagram serta kecepatan fokus.
32
