BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Rancangan Penelitian Secara umum rancangan penelitian dapat digambarkan sebagai berikut : Start Studi literatur Jurnal, Text book
Persiapan alat dan bahan
Pembentukan spesimen uji
Pembuatan alat uji keausan
Spesimen uji & Uji Kandungan Unsur
Uji kekerasan
Metalografi
Preparasi spesimen uji
Pelapisan combustion flame spray powder coating
Uji kekerasan
Metalografi
Uji keausan Data hasil pengujian Analisa data dan pembahasan
Kesimpulan Gambar 4.1 Rancangan Penelitian
25
26
4.2 Alat dan Bahan Penelitian 4.2.1 Alat Penelitian Adapun alat-alat yang digunakan selama proses penelitian adalah sebagai berikut : 1. Flame Spray Torch powder coating 2. Air Sand Blasting Gun 3. Metallurgical speciment grinding 4. X-Ray Fluoresence (Pananalitical minipal IV) 5. Scanning Electron Microscope (FEI Inspect S-50) 6. Optical Microscope 7. Alat Uji Keausan 8. Oksi-Assitilen Gas Regulator
4.2.2 Bahan Penelitian Adapun bahan-bahan yang digunakan selama proses penelitian adalah sebagai berikut : 1. Cylinder liner Besi tuang kelabu yang digunakan sama dengan material yang digunakan pada komponen cylinder lineryang dibeli di pasaran berbentuk silinder. 2. Grit blasting Al2O3 Grit blasting Al2O3 dipergunakan untuk mengasarkan permukaan dari spesimen uji untuk mendapatkan adhesi yang baik antara layer dengan substrat yang akan dilapisi.
27
3. Powder Ni-Cr Bahan pelapisan yang dipakai untuk powder flame spray coating adalah paduan nikel-kromium dengan kode produksi P5860 produksi dari Vikers Metals USA dengan komposisi seperti dalam tabel 4.1 berikut ini. Tabel 4.1 Kandungan thermal spray powder Vickers P5860 Powder vickers P5860 Hardness Composition Wt % Ni Balance Cr 14.5 Si 3.5 C 0.70 40 – 50 RC B 0.5 Cu 0.2 Fe 4 Mn 0.2
4. Diamond Paste ukuran 0,1 mikron Diamond Paste
digunakan untuk
preparasi
spesimen uji
untuk
mendapatkan hasil polishing yang baik. 5. H2O2 dan HNO3 Larutan H2O2 dan HNO3 digunakan untuk mendapatkan etsa yang baik pada proses metalografi. 6. Resin
4.3
Prosedur Penelitian Didalam penelitian ini terdapat beberapa tahap penelitian antara lain
sebagai berikut :
28
4.3.1
Persiapan Penelitian Pada tahapan ini dilakukan berbagai bentuk persiapan dalam melakukan
penelitian, baik itu studi literatur, pencarian informasi tentang lokasi pengambilan sample penelitian, serta peninjauan dan pengecekan ketersediaan peralatan pengukuran yang akan digunakan dalam penelitian.
4.3.2
Perancangan dan Pembuatan Alat Pengujian Keausan
Adapun rancangan alat uji keausan yang akan dibuat seperti yang terlihat dalam gambar 4.2 berikut.
Gambar 4.2 Rancangan Alat Uji Keausan
4.3.3
Pembentukan Spesimen Uji
Adapun rancangan spesimen yang akan dilapisi menggunakan thermal spray powder coating adalah sebagai berikut :
29
20 mm
70 mm
5 mm
Gambar 4.3 Rancangan Spesimen Uji Untuk memperoleh dimensi sampel dengan panjang 70 mm, lebar 20 mm dan tebal 5 mm dilakukan pemotongan dengan gerinda (High Speed Abrasive Cutting), kemudian salah satu permukaan sampel dilakukan proses permesinan (machining) untuk mendapatkan permukaan yang rata dan tegak lurus terhadap tinggi sampel dengan menggunakan mesin scrap dengan cairan pendingin. Pembentukan spesimen dilanjutkan dengan pengikiran bagian tepi permukaan benda uji yang akan dilapisi kemudian setelah semua proses pembentukan selesai dilakukan pengukuran dimensi awal sampel dengan jangka sorong guna memastikan keseragaman dimensi awal seperti terlihat pada Gambar 4.3.
4.3.4
Preparasi Permukaan Spesimen Uji Proses preparasi permukaan spesimen uji untuk pelapisan berbeda dengan
proses preparasi permukaan uji metalografi maupun uji kekerasan. Tujuan dari proses preparasi permukaan adalah mempersiapkan substrat agar memiliki kondisi
30
yang sesuai untuk proses pelapisan. Preparasi yang dilakukan terdiri dari beberapa tahapan, yaitu : 1. Polishing Untuk mendapatkan permukaan yang rata dilakukan polishing sampel dengan melakukan grinding menggunakan kertas amplas Silicon Carbon dengan grade 300, 500, 600, 1000. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan akibat gesekan dan perputaran alat tersebut maka dialirkan air. 2. Proses pembersihan permukaan (degreasing) Proses pembersihan specimen tahap awal menggunakan thinner. Pembersihan dengan thinner bertujuan untuk membersihkan permukaan sampel dari kotoran, minyak atau produk korosi yaitu dengan menggunakan kain yang dicelupkan ke dalam thinner dan kemudian menggosokkannya ke permukaan substrat. 3. Pengeringan (drying) Proses pengeringan sampel dengan mendekatkan nyala api berbahan bakar LPG selama 1 menit yang bertujuan untuk menghilangkan thinner yang masih tersisa pada substrat. 4. Grit Blasting Proses grit blasting menggunakan air sand blast yang bertujuan untuk mengkasarkan permukaan sampel dan menghilangkan sisa kotoran melalui penumbukan partikel abrasif yang disemprotkan dengan udara bertekanan. Material grit blast yang digunakan adalah Aluminium Oksida (Al2O3)
31
berukuran 24 mesh. Untuk mengkondisikan sampel agar memiliki tingkat kekasaran permukaan yang sama, maka digunakan tekanan grit blast yang seragam yaitu 5 bar dengan jarak 10 cm. Pengasaran permukaan dihentikan jika seluruh permukaan substrat (permukaan yang akan dilapisi) telah seutuhnya menjadi kasar (warna permukaan substrat berbeda dengan warna permukaan substrat sebelum di-blasting). Permukaan yang telah di blasting disemprotkan dengan angin agar partikel-partikel blasting tidak ada yang menempel pada permukaan specimen. Pembersihan dilanjutkan dengan menggunakan aseton dan dilanjutkan dengan dikeringkan. Permukaan yang telah di-blasting harus dijaga kebersihannya dan harus segera dilapisi untuk mencegah adanya kontaminasi ataupun oksidasi permukaan. 4.3.5
Pelapisan Thermal Spray Powder Coating Spesimen yang akan dilapisi diletakkan pada penjepit kemudian
menyalakan torch pemanas dan pengaturan parameter proses, seperti tercantum pada Tabel 4.2 berikut ini : Tabel 4.2 Parameter Proses Combustion Metal Spay Powder Coating Spray parameter Bahan Bakar Tekanan oksigen Tekanan Asittelin Powder Feeder Jarak Spray Torch Transverse Speed Sudut pelapisan
Satuan Oksigen & Asittelin 4 Bar 0.7 Bar ± 32g/min 140 mm ± 5 mm/s 90 0
32
Selanjutnya pemanasan awal (preheating) sampel dengan flame spray torch tanpa menggunakan serbuk pelapis, pemanasan yang dilakukan hingga mencapai suhu ± 1500 C yang diukur menggunakan infrared. Spesimen yang telah dipanaskan kemudian langsung dilakukan pelapisan benda uji dengan serbuk NiCr dengan mengarahkan ujung gun membentuk sudut ± 90o dengan jarak ± 14 cm. Pelapisan dilakukan beberapa pass hingga mencapai ketebalan lapisan ± 250 µm, ±450 µm, ±650 µm. Setelah proses spray maka benda uji dibiarkan mendingin dan dilepaskan dari penjepit.
4.3.6
Pengujian Kekerasan
Proses indentifikasi dengan kekerasan adalah untuk mengetahui kekerasan suatu logam. Spesimen yang diuji adalah permukaan spesimen sebelum dilapisi dengan thermal spray dan permukaan spesimen pasca pelapisan. Spesimen yang telah dilapisi sebelum diuji kekerasan dilakukan pemotongan spesimen kemudian dilakukan mounting agar didapatkan nilai kekerasan pada bidang cross-section. Sebelum dilakukan uji kekerasan dilakukan preparasi sampel yaitu polishing sampel dengan melakukan grinding menggunakan kertas amplas Silicon Carbon dengan grade 300, 500, 600, 1000, 1500. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan akibat gesekan dan perputaran alat tersebut maka dialirkan air. Selanjutnya proses polishing dilanjutkan dengan diamond paste ukuran 0,1 mikron. Pada proses polishing ini sampel dibuat sampai bebas goresan akibat proses grinding dan cacat lain, sehingga permukaan tampak seperti cermin lalu dicuci dengan air dan alcohol kemudian dilakukan pengujian kekerasan.
33
Standar pengujian kekerasan untuk thermal spray coating adalah dengan Vickers hardness test, seperti terlihat pada gambar 4.10. Pengujian kekerasan vickers menggunakan indentor intan berbentuk piramida yang membentuk sudut 136o. Nilai yang diperoleh sebagai hasil kekerasan vickers diperoleh dari beban yang dikalikan dengan luas area indentasi, yaitu : ...................................................... (4.1) Dimana P : beban yang digunakan (kg) L : rata-rata lebar diagonal (mm) θ
: sudut antar sisi piramida intan (136o)
HV : nilai hardness Vickers kg/mm2
Gambar 4.4 Skema identasi piramida intan pada pengujian Hardnes Vickers Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui ketahanan bahan terhadap deformasi plastis atau perubahan bentuk yang tetap. Metode pengujian kekerasan yang digunakan pada penelitian ini adalah metode kekerasan Vickers sesuai dengan standar ASTM E 92 -82 dengan beban 500 kgf dan waktu pembebanan (loading time) 15 detik. Kekerasan dari bahan dapat diketahui dengan mengukur luas hasil penekanan dari indentor alat tersebut (penekan piramida intan) dengan
34
sudut bidang dua 136° dan dasar berbentuk segi empat, kemudian dihitung harga rata-rata pada kedua panjang garis diagonal tersebut.
Pengujian kekerasan pada posisi cross-section dilakukan dengan cara memotong spesimen yang telah dilapisi, kemudian dilakukan mounting dan polishing. Adalpun skema dari pengujian kekerasan pada posisi cross-section dapat dilihat pada gambar berikut ini: 100 µm 100 µm 100 µm
Identasi kekerasan Lapisan
Substrat
4.3.7
Pengujian Keausan Prinsip dari pengujian keausan pada dinding silinder adalah dengan
menggesekkan dinding cylinder liner dengan ring piston, sesuai dengan prinsip kerja dari piston dan ring piston tersebut. Sampel yang telah dilapisi akan dipotong dengan ukuran 20 mm x 10 mm x agar memudahkan proses dalam pengujian keausan. Motor listrik dari pada mesin uji keausan ini menggerakkan sampel cylinder liner, sehingga sampel cylinder liner bergerak horisontal menggesek ring piston yang diberikan beban sebesar P.
35
Pengujian keausan dilakukan menggunakan beban sebesar 25 N dengan stroke 10 mm dan frekuensi 2 hz sejauh 100 m lintasan. Adapun proses pengujian keausan dilakukan dengan membandingkan besarnya jejak hasil gesekan yang hasilnya akan dikonversikan kepada volume keausan pada permukaan yang tergesek antara spesimen yang dilapisi dengan spesimen yang tidak dilapisi. Adapun perhitungan volume keausan yang dihitung berdasarkan besarnya jejak keausan adalah sebagai berikut : P
r
Spesimen
Gambar 4.5 Identasi hasil uji keausan Lebar jejak hasil pengujian dapat diukur menggukan mikroskop yang hasilnya dinyatakan dalam x. Dari besaran x dapat dicari besarnya sudut yang dibentuk oleh garis x yaitu : x2=2r2-2r2.cos( ) x2=2r2 (1-cos ) (x2)/(2r2)= 1-cos sehingga :
36
........................................ (4.2) Besarnya sudut yang telah diperoleh dapat dicari luasan dan volume keausan yaitu : ............................. (4.3) Sehingga : ..................................... (4.4) Dimana : v = volume keausan (mm3) a = luas keausan (mm2) l = panjang stroke pengujian (mm) r = jari-jari piston ring (mm) x = lebar goresan pengujian keausan (mm)
4.3.8
Pengujian Metalografi Analisis
metalografi
dilakukan
untuk
mengetahui
mikrostruktur
permukaan sampel. Guna memperoleh mikrostruktur pada posisi crosssectionmaka material hasil pelapisan dipotong menggunakan cutting machine dengan ukuran rata-rata 5 mm x 10 mm. Selanjutnya untuk mempermudah penanganan maka sampel yang sudah dilapisi dimounting dengan resin untuk memudahkan proses preparasi. Proses dilanjutkan dengan polishing sampel dengan melakukan grinding menggunakan kertas amplas Silicon Carbon dengan grade 300, 500, 600, 1000, 1500, 2000, 2500. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan akibat gesekan dan
37
perputaran alat tersebut maka dialirkanair. Selanjutnya proses polishing dilanjutkan dengan diamond paste ukuran 0,1 mikron. Pada proses polishing ini sampel dibuat sampai bebas goresan akibat proses grinding dan cacat lain, sehingga permukaan tampak seperti cermin lalu dicuci dengan air dan alkohol. Proses etsa dilakukan untuk memperoleh hasil mikrostrukur yang baik. Sampel di etsa dengan dua macam larutan, yaitu H2O2 dan HNO3, larutan H2O2 untuk bagian coating dan HNO3 untuk bagian base metal. Selanjutnya untuk menghilangkan sisa larutan etsa maka sampel dibilas dengan air dan alkohol dan dikeringkan dengan dryer kemudian sampel siap diambil gambar mikrostrukturnya dengan optical microscope 4.3.9
Pengambilan Data Adapun data-data hasil pengujian kekerasan dan keausan yang akan diambil
dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Hasil uji kekerasan permukaan spesimen 2. Hasil Uji kekerasan posisi cross-section 3. Hasil uji Keausan 4. Hasil uji Friction Coefficient
4.3.10 Analisa Grafik Tabel hasil pengujian akan di plot dalam bentuk grafik sebagai acuan untuk menganalisis hasil penelitian.
38
4.4 Lokasi dan Waktu Penelitian 4.4.1 Lokasi Penelitian 1. Pembuatan spesimen uji dan alat uji keausan dilakukan di Laboratorium Produksi Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana Bukit Jimbaran. 2. Pengujian
kekerasan,
keausan,
dan
metalografi
dilakukan
di
Laboratorium Metalurgi Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana. 4.4.2 Waktu Penelitian Adapun alokasi waktu penelitian mulai dari persiapan (studi literatur) sampai dengan publikasi (jurnal dan seminar) selama 7 bulan yaitu dari bulan Desember 2013 s/d Juni 2014.
