BAB V HASIL PENELITIAN
Berikut ini hasil eksperimen disusun dan ditampilkan dalam bentuk tabel, gambar mikroskop dan grafik. Eksperimen yang dilakukan menggunakan peralatan sebagai berikut : XRF (X-Ray Fluorecense), SEM (Scanning Electron Microscope), uji kekerasan dan uji keausan.
5.1.
Karakteristik substrat material dan coating powder Kandungan unsur kimia didalam substrat dan coating powder yang
diperiksa menggunakan XRF ditunjukkan pada gambar 5.1, 5.2 dan tabel 5.1
Gambar 5.1 Pola difraksi Sinar X substrat material
39
40
Gambar 5.2 Pola difraksi Sinar X coating powder Ni-Cr Hasil
difraksi
sinar
X
yang
menggunakan
X-Ray
Fluoresence
(Pananalitical minipal IV) base metal pada gambar 5.1 teridentifikasi hanya terdapat unsur Fe, Ni, dan sedikit unsur-unsur lain . Terlihat untuk unsur Fe mempunyai energi sebesar 5,8 keV dan intensitas sinar-X untuk Fe sebesar 1950 cps/channel sedangkan unsur nickel pada base metal memiliki energi sebesar 7,5 keV dengan intensitas 100 cps/ channel. Sedangkan untuk unsur lain memiliki intensitas kurang dari 100 cps/channel, sehingga dapat dikalkulasikan berat unsur penyusun dari base metal pada tabel 5.1. Coating powder diperoleh dominan Ni,
41
Cr, Si dan sedikit unsur-unsur lainya, terlihat dari puncak intensitas dari energi yang dipancarkan oleh atom penyusun materialnya yang terlihat pada gambar 5.2 Mengingat analisis XRF hanya bersifat semi kuantitatif karena sejumlah unsur seperti C, N, H, B, O yang merupakan unsur-unsur ringan tidak dapat terdeteksi oleh XRF. Tabel 5.1 Hasil uji XRF kandungan unsur kimia substrat material dan coating powder Base metal
Powder Vickers P3860
Unsur
Wt (%)
Unsur
Wt (%)
Fe
93,21
Ni
78,68
Ni
2,97
Cr
14,1
Si
0,82
Fe
3,91
P
0,62
Y
3,2
Ca
0,61
Zr
1,9
Mn
0,44
Si
0,78
Cr
0,17
Mn
0,24
Re
0,2
Ca
0,15
La
0,2
Ti
0,058
Berdasarkan hasil uji XRF dan katalog produk untuk coating powder cukup konsisten, terlihat dari kandungan unsur chromium memiliki perbedaan sebesar 0.4 % wt dari hasil uji XRF. Sedangkan unsur Fe memiliki perbedaan sebesar 0.1 % wt.
42
5.2
Mikrostruktur Substrat Material dan Coating Powder
Serpihan Grafit
Porositas
Gambar 5.3 Foto SEM substrat material Gambar 5.3 memperlihatkan mikrostruktur dari base metal (cylinder liner) yaitu sebagian besar dalam bentuk serpih, hal ini disebut besi cor kelabu, atau besi abu-abu, karena ketika rusak, jalur rekahan sepanjang grafit serpih memiliki tampilan abu-abu hitam.
Garis-garis hitam pada gambar, merepresentasikan
serpihan grafit, yang secara fisik akan memberikan kekuatan, makin halus dan makin merata serpihan grafit nya, makin kuat logam nya. Serpih ini bertindak sebagai raisers stres, akibatnya besi kelabu memiliki duktilitas yang rendah dan lemah dalam tegangan, akan tetapi kuat dalam kompresi. Kehadiran grafit serpih pada bahan ini memberikan kapasitas untuk mengurangi getaran yang disebabkan oleh gesekan internal dan kemampuan untuk meredam energi . Kapasitas ini membuat besi cor kelabu yang cocok dan umum digunakan bahan untuk membangun dasar alat mesin dan struktur.
43
Gambar mikrostruktur dari base metal juga menunjukkan adanya porositas yang terjadi saat pengecoran. Porositas tersebut terjadi karena terjebaknya gas pada logam cair ketika logam cair tersebut membeku.
Gambar 5.4 Foto SEM coating powder Ni-Cr Hasil SEM pada gambar 5.4 menunjukkan coating powder berbentuk oblate spheroidal dan prolate spheroid dengan ukuran partikel yang cukup kecil namun bervariasi yaitu antara 20 µm – 50 µm. Proses pembuatan coating powder ini adalah dengan metoda atomisasi gas. Atomisasi gas cenderung menghasilkan butiran dengan bentuk oblate spheroidal dan prolate spheroid serta tidak menghasilkan bentuk butiran yang tajam (Davis, 2004). Semakin besar energi yang diberikan kepada logam cair maka akan dihasilkan serbuk yang lebih halus.
44
Kekerasan
lapisan
meningkat,
kekasaran
permukaan
lapisan
menurun,
pengurangan berat lapisan menurun, dan jumlah siklus menuju patah akibat impak meningkat jika ukuran metal powder semakin kecil (Rasfa, 2010). 5.3
Mikrostruktur Hasil Pelapisan Thermal Spray
MOUNTING RESIN unmelt Porositas Porositas BASE METAL
Gambar 5.5 Foto mikro hasil pelapisan thermal spray Porositas
unmelt
oxide
Gambar 5.6 Foto mikro hasil pelapisan thermal spray
Hasil pengamatan secara visual menunjukkan bentuk permukaan sedikit bergelombang dan tidak halus. Kondisi ini diakibatkan sebelum dilakukan pelapisan dengan proses thermal spraying, dilakukan grit blasting pada substrat
45
guna mendapatkan daerah permukaan yang memungkinkan terjadi ikatan antara substrat dan material pelapis. Patikel abrasif ditumbukkan pada permukaan substrat dengan kecepatan yang relatif tinggi, mengakibatkan sudut-sudut tajam pada partikel grit blasting yang menumbuk permukaan substrat menyebabkan permukaan terkikis dan menjadi tidak rata. Material pelapis berupa partikel serbuk yang disemprotkan pada temperatur tinggi dengan kecepatan yang tinggi pula, menyebabkan material pelapis akan menumbuk permukaan yang tidak rata dan terus menumpuk permukaan yang ada sebelumnya yang mengakibatkan permukaan hasil coating tidak rata. Gambar 5.5 menunjukkan mikrostruktur hasil pelapisan termal spray dengan tebal ± 400 µm berbentuk lempehan-lempehan yang diakibatkan tumbukan dari material yang meleleh (splats) yang mengenai substrat akibat dari energi
kinetik. Partikel cair menabrak sustrat akan melakukan ikatan pada
permukaan kasar pada substrat dan diikuti oleh partikel-partikel berikutnya sehingga membentuk ketebalan lapisan tertentu. Hasil gambar mikrostruktur juga terdapat porositas yang diakibatkan karena pada saat proses pelapisan. Porositas dapat terjadi dari akibat bentuk lelehan partikel (splats) yang tidak mengisi penuh material yang sebelumnya atau dibawahnya, sehingga terdapat kekosongan yang menyebabkan terjadinya porositas. Gambar 5.6 menunjukkan adanya partikel yang tidak meleleh (unmelt), hal ini terjadi karena pada saat powder coating dialirkan dalam jumlah yang besar (jutaan) secara bersamaan, dan karena distribusi suhu yang tidak seragam serta
46
ukuran partikel yang berbeda-beda mengakibatkan partikel tidak mengalami tingkat pemanasan yang sama sehingga terdapat partikel yang tidak meleleh. Oksida pada lapisan juga terlihat dimana oksida dihasilkan dari reaksi antara oksigen dengan kromium atau nikel pada waktu proses penyemprotan berlangsung. Hal ini terjadi karena partikel dalam keadaan superheated pada saat berterbangan setelah meleleh bereaksi dengan oksigen dan membentuk oksida pada saat menuju substrat, sehingga lapisan oksida terdapat di sekeliling splats.
5.4
Hasil Pengujian Kekerasan Tabel 5.2 Hasil pengujian kekerasan permukaan hasil pelapisan Sample
HV (kg/mm2)
Substrat Material tanpa pelapisan
206
Ketebalan Lapisan 200 µm
537
Ketebalan Lapisan 400 µm
538
Ketebalan Lapisan 600 µm
536
Hasil pengujian kekerasan pada tabel 5.2 menunjukkan kekerasan dari permukaan spesimen, dimana substrat material tanpa pelapisan memiliki kekerasan sebesar 206 HV, sedangkan kekerasan material setelah dilapisi kemudian dilakukan preparasi berupa grinding dan polishing adalah 537 HV untuk ketebalan lapisan 200 µm, 538 HV untuk ketebalan 400 µm, dan 536 HV untuk ketebalan 600 µm. Hasil uji kekerasan pada sampel substrat material dan as-coated dimana substrat material tanpa pelapisan dan setelah dilapisi memiliki
47
perbedaan yang cukup signifikan, yaitu dengan kekerasan hampir 3x lipat kekerasan daripada material substrat. Tabel 5.3 Hasil pengujian kekerasan cross-section hasil pelapisan ketebalan 600 µm Sample
Jarak
HV (kg/mm2)
Ketebalan lapisan 600 µm
100 µm 200 µm 300 µm 400 µm 500 µm 550 µm 650 µm 700 µm 800 µm 900 µm
539 543 534 526 530 530 207 208 207 205
Kekerasan As-coated (600 um) Kekerasan (HV)
600 500 400
300 200 100 0 0
500
1000
1500
Jarak (um) Gambar 5.7 Grafik distribusi kekerasan sampel as-coated dengan ketebalan lapisan 600 µm pada posisi cross-section.
Gambar 5.7 memperlihatkan distribusi hasil uji kekerasan hasil pelapisan thermal spray dimana pada daerah coating memiliki perbedaan kekerasan yang
48
tidak terlalu signifikan sampai dengan bagian substrat. Hal ini terjadi karena terdapat porositas pada lapisan, sehingga mengakibatkan kekerasan tidak merata. Akan tetapi perbedaan kekerasan pada lapisan tidak terlalu signifikan. Kekerasan pada permukaan substrat sampai dengan bagian dalam substrat memiliki perbedaan yang tidak terlalu signifikan.
5.5
Hasil Pengujian Keausan Pengujian keausan yang dilakukan dengan variabel yaitu beban konstan
sebesar 25 N, stroke 10 mm, jarak lintasan sepanjang 100 m, frekuensi 2Hz dengan counter material adalah piston ring (hard crome steel) ditunjukkan dalam tabel berikut ini : Tabel 5.4 Volume keausan SAMPLE Substrat Material tanpa pelapisan Ketebalan Lapisan 200µm Ketebalan Lapisan 400µm Ketebalan Lapisan 600µm
Volume (mm3) 67,5x10-3 12x10-3 12,5x10-3 12,3x10-3
Volume keausan untuk material tanpa pelapisan memiliki nilai yang besar jika dibandingkan dengan material as-coated yaitu 67,5 x 10-3 mm3 . Sedangkan perbedaan ketebalan lapisan tidak terlalu signifikan terhadap volume keausan yang terjadi dengan nilai rata-rata sebesar 12,3x10-3 mm3.
49
0.4
0.35 0.3
CoF (µ)
0.25 0.2
Tanpa Pelapisan
0.15
Ketebalan 200 um
0.1
Ketebalan 400 um
0.05
Ketebalan 600 um
0 0
20
40
60
80
100
120
Jarak Lintasan (m)
Gambar 5.8 Grafik Perbandingan Coeficient of Friction Data hasil uji terlihat bahwa coeficient of friction specimen tanpa pelapisan memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan specimen yang dilapisi. Friction force terlihat meningkat terhadap jarak lintasan/waktu yang semakin panjang. Hal ini terjadi karena kekasaran permukaan yang meningkat akan menyebabkan nilai dari friction force akan meningkat dan coefficient of friction meningkat. Kekerasan material yang lebih tinggi menunjukkan nilai dari CoF lebih rendah.
