BAB III METODE PENELITIAN
3.1
Diagram Alir Penelitian Untuk dapat mengetahui hasil dari penelitian ini maka pada bab ini akan di bahas
mengenai metode penelitian yakni mengenai proses pelaksanaan dan prosedur penelitian yang akan di lakukan dalam menguji benda uji, dimana pelaksanaannya di mulai dari persiapan benda uji sampai proses pengujian material yang di lakukan. Ada beberapa pengujian yang dilakukan antara lain meliputi uji unsur kimia, uji kekerasan sebelum dan sesudah di hardening, uji aus sebelum dan sesudah di hardening, dan pengujian struktur mikro sebelum dan sesudah di hardening.Adapun prosedur ini sesuai dengan diagram alir yang telah dibuat pada gambar 3.1. Dari hasil pengujian tersebut akan didapat kondisi normal proses laku panas yang diterapkan meliputi temperatur dan waktu tahan.Adapun prosedur penelitian dilakukan seperti yang terlihat pada gambar 3.1 yang mana terlihat tentang proses penelitian meliputi : •
Pemilihan bahan
•
Pembuatan Spesimen banda uji
•
Perlakuan panas
•
Pengujian sifat mekanis dan struktur mikro
•
Analisa dan pembahasan
•
Kesimpulan
Preparasi Sample Material Baja AISI 4140
Komposisi Kimia Baja karbon AISI 4140
Material Non Heat Tretament
Uji Kekerasan
Variasi Holding Time Quenching ( 15,30,45 ) menit
Uji Metallografi
Data Hasil Pengujian
Pembahasan
KESIMPULAN
Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Penelitian
Uji Keausan
3.2
Pemilihan Material Benda Uji Pada penelitian ini benda uji yang dipilih adalah baja paduan chrom-molybdenum
(chrom-molybdenum alloy steels) tipe 4140 atau disebut baja paduan SCM 4 standar JIS (Japan Industrial Standar). Bahan ini merupakan baja karbon rendah dengan paduan Chromium (Cr) dan kadar karbon (C) rendah seperti terlihat pada tabel 3.1, hasil komposisi kimia menunjukkan bahwa baja paduan ini yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsur-unsur paduannya dan dapat digunakan untuk bahan benda uji penelitian karena memenuhi standar bahan baja paduan chrom-molybdenum AISI tipe 4140.
Tabel 3.1. Komposisi Kimia Baja AISI 4140
3.3
Unsur
% Komposisi Menurut Analisa Kimia dengan (Emission Spectrometer)
Karbon (C)
0.38 – 0.43
Mangan (Mn)
0.75 – 1.00
Silikon (Si)
0.15 – 0.30
Chromium (Cr)
0.80 – 1.10
Molybdenum (Mo)
0.15 – 0.25
Sulfur (S)
0.04 (max)
Phospor (P)
0.035 (max)
Persiapan Material Benda Uji Untuk mendapatkan kondisi pengujian dan hasil terbaik, maka dilakukan
persiapan-persiapan percobaan dan pengujian di laboratorium. Dibawah ini akan diuraikan mengenai persiapan bahan (spesimen), diantaranya beberapa percobaan perlakuan panas, pengujian kekerasan, pengujian aus dan struktur mikro.
Bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah material baja paduan 4140 berbentuk silinder berdiameter dalam 12 mm dan diameter luar 18 mm dengan panjang 61 mm. Untuk menyesuaikan dengan mesin-mesin penguji dan alat yang digunakan dalam percobaan, batang baja bulat tersebut dipotong-potong kemudian dibuat batang spesimen. Kemudian batang spesimen dikelompokkan sesuai dengan proses perlakuan yang akan dilakukan seperti terlihat pada tabel 3.2 berikut :
Tabel 3.2. Perincian Benda Uji Proses Perlakuan Panas Jumlah benda Uji (buah)
5
Non Heat Treatment (2 buah)
Jumlah Uji Mekanik Uji Aus (Buah)
Pengujian Stuktu Mikro (2 kali) Pembesaran
1
1
10
1
1
45
10
1
1
Suhu Kamar
10
2
2
Proses Perlakuan Panas Holding Time Hardening (menit) 15
Uji Kekerasan (Titik) 10
30
Benda uji kekerasan ukuran panjang, lebar dan tinggi dibuat sama seperti ukuran benda uji heat treatment supaya pada saat proses pemotongan dengan Wire Cutting dapat dikerjakan sekaligus.
3.4
Proses Perlakuan Panas Setelah melakukan persiapan benda uji maka sebagai langkah selanjutnya
dilakukan perlakuan panas, perlakuan panas bertujuan untuk meningkatkan kekerasan dan ketangguhan, serta agar dapat mengetahui seberapa besar perubahan struktur mikro pada benda uji tersebut, adapun proses perlakuan panas yang diberikan meliputi :
3.4.1
Proses Austenisasi Pada proses awal ini semua spesimen baja dimasukkan kedalam dapur pemanas
secara bergiliran untuk kemudian dilakukan proses austenisasi yaitu memanaskan baja sampai mencapai suhu 850°C dengan waktu tahan (Holding Time) selama 15, 30, 45 menit. Setelah itu spesimen dikeluarkan dari dapur pemanas untuk kemudian dilakukan pendinginan cepat dengan media air.
3.4.2
Proses Quenching Proses quenching bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanis bahan. Dalam
penelitian ini, proses quenching yang dilakukan adalah dengan variasi holding time yaitu 15, 30, 45 menit dengan suhu 8500C, kemudian dilanjutkan dengan pendinginan secara cepat di air.
Gambar 3.2 Tungku HOFMANN 3.5
Pengujian Sifat Mekanis
Setelah selesai proses perlakuan panas (proses austenisasi,dan quenching) terhadap benda uji, langkah selanjutnya adalah meneliti sifat mekanis yang meliputi :
3.5.1
Pengujian Kekerasan Kekerasan merupakan ketahanan suatu material terhadap penetrasi material lain
atau dapat juga dikatakan ketahanan terhadap deformasi, dan untuk logam dengan sifat tersebut merupakan ketahanannya terhadap deformasi plastis atau deformasi permanen. Uji kekerasan dilakukan dengan menekankan identer ke permukaan logam yang diukur kekerasannya. Identer biasanya terbuat dari material yang lebih keras dari pada benda uji, contohnya hardened steel, tungsten carbide atau intan. Biasanya identer berbentuk bola, pyramid, atau kerucut. Uji kekerasan standar dilakukan dengan menekankan identer dengan hati-hati ke permukaan benda uji secara tegak lurus (900). Setelah proses pengidentasian, identer ditarik dari benda uji dan nilai kekerasan akan terhitung atau terbaca dari skala, berdasarkan kedalaman bekas penekanan dan diameter lekukan. Kekerasan juga dapat didefinisikan sebagai : -
Ketahanan terhadap identasi permanen dibawah beban statis atau dinamis (kekerasan identasi)
-
Energy yang diserap dibawah beban impak (kekerasan pantulan)
-
Ketahanan terhadap goresan (kekerasan gores)
-
Kekerasan terhadap aus (kekerasan aus)
-
Kekerasan terhadap pemotongan (cutting) atau drill (drilling)
9 Metode Rockwell
Dalam metode ini penetrator ditekan dalam benda uji. Harga kekerasan didapat dari perbedaan kedalaman dari beban mayor dan minor. Beban minor adalah beban pertama yang diberikan identer kepada specimen pada saat mencapai permukaan specimen juga berfungsi sebagai landasan untuk beban mayor. Sedangkan beban mayor adalah beban yang diberikan pada benda uji sampai mencapai kedalaman tertentu pada specimen dari identer. Jadi nilai kekerasan didasarkan pada kedalaman bekas penekanan. Metode ini sangat cepat dan cocok untuk pengujian massal. Karena hasilnya dapat secara langsung dibaca pada jarum penunjuk, maka metode ini sangat efektif untuk pengetesan massal. Uji kekerasan ini banyak digunakan disebabkan oleh sifat-sifatnya yang cepat dalam pengerjaannya, mampu membedakan kekerasan pada baja yang diperkeras, ukuran penekanan relative kecil, sehingga bagian yang mendapatkan perlakuan panas dapat diuji kekerasannya tanpa menimbulkan kekerasan. Uji ini menggunakan kedalaman lekukan pada beban yang konstan sebagai ukuran kekerasan. Mula-mula diberikan beban kecil sebesar 10 kgf untuk menempatkan benda uji. Hal ini untuk memperkecil kecenderungan terjadinya penumbukan keatas atau penurunan yang disebabkan oleh identer. Kemudian diberikan beban yang besar sebagai beban utama ,
secara otomatis kedalaman bekas penekanan akan terekam pada “gauge” penunjuk yang menyatakan angka kekerasannya. Pengujian kekerasan Rockwell didasarkan pada kedalaman masuknya penekan benda uji, makin keras benda yang akan diuji makin dangkal masuknya penekan tersebut. Sebaliknya semakin dalam masuknya penekan tersebut berarti benda uji makin lunak. Cara Rockwell disukai karena dapat dengan cepat mengetahui harga kekerasan suatu material tanpa menghitung seperti cara brinell dan Vickers. Nilai kekerasan dapat langsung dibaca setelah beban utama dihilangkan, dimana beban awal masih menekan benda tersebut. Uji
kekerasan
Rockwell
mempunyai
kemampuan
ulang
(reproduciable), namun perlu diperhatikan : •
Penekan dan landasan harus bersih dan terpasang dengan baik.
•
Permukaan yang diuji harus bersih, kering, halus, dan bebas dari pengotor.
•
Permukaan harus datar dan tegak lurus terhadap penekan.
•
Menguji permukaan silinder memberikan hasil pembacaan yang rendah. Pengukuran pada permukaan silinder memerlukan koreksi dimana data-data koreksinya secara teoritis dan empiris telah dipublikasikan.
•
Jarak antara satu pengujian dengan pengujian berikutnya harus 3-5 kali diameter bekas penekan.
•
Kecepatan pembebanan harus sama dengan waktu pemberian beban, baik untuk pengujian pertama maupun selanjutnya.
•
Tebal benda uji harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi gembung pada permukaan dibaliknya. Dianjurkan agar tebal benda uji minimal 10 kali kedalaman bekas penekanan. Pusat dari penekanan tidak boleh kurang dari 2,5 kali garis tengah penekanan dari tiap sisi benda uji tersebut dan dari segala macam penekan lainnya.
Tabel 3.3 Skala Kekerasan Rockwell Skala
Beban Mayor
Tipe Identor
Tipe material uji
Sangat keras, tungsten, karbida
(kg) A
60
Intan kerucut
B
100
1/16”
bola Kekerasan sedang, baja karbon rendah
baja
dan sedang, kuningan, perunggu
Intan kerucut
Baja keras, paduan yang dikeraskan,
C
150
baja hasil tempering
Gambar 3.3 Rockwell Hardness Tester HR-150
Kelebihan :
Cepat dan lebih sederhana
Mampu untuk membedakan perbedaan kekerasan kecil pada baja yang diperkeras
Ukuran lekukan kecil, sehingga bagian yang mendapat perlakuan panas yang lengkap dapat diuji kekerasan tanpa menimbulkan kerusakan.
Kekurangan :
Skala kekerasan pengukuran yaitu kombinasi antara penetrator yang digunakan dan beban penekanan yang diijinkan untuk setiap material berbeda-beda, sehingga harus disesuaikan.
Dengan bekas tekanan yang kecil maka kekerasan rata-rata tidak dapat ditentukan untuk bahan yang tidak homogeny.
Dengan pembesaran dalamnya bekas tekanan yang kecil terdapat kesalahan pengukuran yang besar.
Gambar 3.4. Material Uji Kekerasan
Gambar 3.5. Titik Uji Kekerasan Keterangan : Diameter Dalam
: 12,1 mm
Diameter Luar
: 18 mm
Tinggi
: 61 mm
3.5.2
Proses Pengujian Keausan 1. Dalam proses pengujian keausan ini diperhatikan beberapa hal sebagai berikut : ¾ Memasang piringan (disc) pada alat uji dan pada pemegang specimen dipasang specimen uji. ¾ Diatas pemegang specimen dipasang pemberat, dan mengatur jarak specimen uji pada radius tertentu dari pusat piringan. ¾ Setelah semua terpasang dengan baik kemudian motor penggerak piringan dijalankan bersamaan dengan motor penggerak lengan pemegang specimen.
Gambar 3.5. Alat Uji Keausan Type Pin-on-disc
Gambar 3.6. Specimen Uji Aus 2. Prosedur Pengujian ¾ Sebelum pengujian a. Memasang amplas pengabrasi yang telah disesuaikan dengan ukuran piringan mesin uji.
Gambar 3.7. Amplas Yang Telah Dipasang Di Piringan
b. Menyetel kedataran permukaan piringan yang telah dipasang amplas dan kedataran lengan dengan menggunakan waterpass. c. Specimen uji terlebih dahulu dibersihkan dengan alcohol dan kemudian dikeringkan d. Menimbang specimen untuk mengetahui beratnya sebelum dilakukan pengujian dengan menggunakan neraca digital dengan ketelitian 0,001 gram.
Gambar 3.8. Neraca Digital 3. Saat Pengujian a. Memasang specimen uji pada pemegang specimen dengan posisi tegak lurus terhadap permukaan datar piringan.
Gambar 3.9. Specimen Uji Dipasang Pada Pemegang b. Memasang beban sebagai gaya penekan specimen, dengan besarnya beban yang konstan. c. Menghidupkan saklar power dari alat uji. d. Mengembalikan saklar motor penggerak piringan pada posisi off. e. Melepaskan beban penekan specimen.
f. Melepaskan specimen dan dibersihkan dengan alcohol dan dikeringkan, kemudian ditimbang kembali untuk mengetahui massa yang hilang setelah pengujian. g. Mengulang kembali prosedur diatas untuk pengujian selanjutnya.
3.6
Pengujian Metallografi (Struktur Mikro) Untuk mendapatkan tampilan struktur mikro dari benda uji baik yang belum
dilakukan proses hardening maupun yang sudah di lakukan proses hardening di dapatkan melalui langkah-langkah preparasi sampel metalografi sebagai berikut: Metode pengujian ini memerlukan persiapan yang cukup teliti dan cermat, agar diperoleh hasil metalllografi yang baik, oleh karenanya diperlukan beberapa tahap dalam persiapannya yaitu : ¾ Pemotongan Benda Uji Untuk dapat melihat struktur dalam benda uji mikroskop optik dengan baik, maka benda uji dipotong sesuai dengan ukuran alat uji metallografi dalam arah vertikal dan horizontal.
Gambar 3.5. Hasil Pemotongan untuk Pengujian Metalografi ¾ Mounting
Setelah dipotong kemudian benda uji di mounting, yang bertujuan agar memudahkan pengoperasian selama proses preparasi (grinding dan polishing).
Gambar 3.6. Hasil Mounting ¾ Grinding Setelah benda uji di mounting baru kemudian diamplas secara berurutan dari yang kasar sampai yang halus memakai kekasaran kertas amplas dengan nomor : 220, 400, 500, 800, 1000, 1200, 1500 dan 2000. Kertas amplas terbuat dari bahan alumunium oxide waterproof. Dalam proses grinding harus selalu dialiri air bersih secara terus menerus dengan tujuan menghindari timbulnya panas dipermukaan benda uji yang kontak langsung dengan kertas amplas dan juga untuk menghilangkan partikel-partikel bahan abrasive menempel pada permukaan benda uji. ¾ Polishing Dalam memoles digunakan kain poles beludru dan mesin poles. Kain beludru ditempelkan pada piringan yang berputar pada mesin poles, kemudian kain diberi pasta alumina berupa partikel abrasive yang sangat halus. Selama pemolesan benda uji digerakkan kedepan, kebelakang dan berputar dengan tujuan agar partikel-partikel abrasive dapat terdistribusi dengan merata diatas piringan
penoles. Setiap satu langkah pemolesan berakhir, benda uji harus senantiasa dicuci dan dibersihkan, yaitu dengan menggunkan alkohol lalu dikeringkan dengan udara hangat. Benda uji yang sudah dipoles kemudian diperiksa dibawah mikroskop untuk dilihat apakah masih ada goresan-goresan, inklusi non logam, retakan dan lain-lain. Apabila masih ada goresan, retakan maka benda uji harus dipoles kembali. Polishing akan berakhir bila sudah diperoleh permukaan benda uji yang bebas dari goresan, retakan dan permukaannya seperti cermin. ¾ Etsa Setelah benda uji mengalami proses polishing, maka dilakukan pengetsaan, dimana permukaan benda uji dicelup dengan waktu ± 5 detik menggunakan larutan Nitral 2 % (alkohol 97 % 100ml + HNO3 3 ml) setelah itu dibersihkan dengan air dan alkohol 97 % kemudian dikeringkan dengan udara hangat, tujuannya agar terhindar dari oksidasi udara sekitar.
Gambar 3.7. Mikroskopik
