Laporan Tugas Akhir (MM091381) Pengaruh Kecepatan Potong Pada Turning Process Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja AISI 4340 Gita Primasari 27 08 1000 76 Dosen Pembimbing: Ir. Muctar Karokaro, M.Sc. Budi Agung K. , ST. , M.Sc. JURUSAN TEKNIK MATERIAL FAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2012
Abstrak Pengerasan permukaan dapat dikatakan sebagai proses laku panas untuk diperolah kekerasan hanya pada permukaannya saja. Dengan model pendekatan baru surface hardening by machining yaitu baja dibubut dengan kondisi pemotongan tertentu agar dihasilkan kekerasan permukaan yang tertentu pula. Peningkatan temperatur pada permukaan baja dapat diperolah akibat terjadinya gesekan antara mata pahat dengan benda kerja. Dari gesekan ini diperoleh sumber panas utama yang memunculkan white layer dengan sebagian struktur mikro metastabil yaitu banit maupun martensit. Suatu penelitian dilakukan untuk mengetahui bagaimana pengaruh kecepatan potong pada turning process terhadap kekerasan dan kedalaman pengerasan baja AISI 4340. Dengan pendinginan udara (normalizing) yang kemudian dilakukan Pengujian mekanik dengan menggunakan microhardness tester untuk melihat sifat mekanik yaitu kekerasan dan kedalaman pengerasan. Dilakukan pula uji karakterisasi menggunakan uji makro, uji mikro, serta uji XRD.
Berdasarkan hasil penelitian, pengerasan permukaan yang optimal dihasilkan dari turning process dengan variasi kecepatan potong 2500 mm/s. Dengan kekerasan pada permukaan 520 HV (50,5 HRC) dengan pengerasan permukaan yang dihasilkan sebesar 33,67% dari daerah bulknya. Dihasilkan pula gradien kedalaman pengerasan yang paling tinggi pada kecepatan potong ini.
Latar Belakang
Banyak komponen presisi yang terbuat dari baja 4340 yang menghendaki kekerasan permukaan yang tinggi agar tahan terhadap deformasi plastis maupun gesekan saat menjalankan fungsinnya. Sehingga dibutuhkan adanya pengerasan hanya pada permukaannya saja. Maka sebuah pendekatan baru yaitu surface hardening by machining, pengerasan permukaan pada proses permesinan dengan turning process atau pada industri sering dikenal dengan sebutan hard turning. Pada pendekatannya, gesekan yang dilkukan antara mata pahat dan benda kerja mampu menghasilkan sumber panas utama. Sumber panas utama inilah menentukan proses laku panas yang dapat terjadi pada benda kerjanya.
Rumusan Masalah
1
2
• Bagaimana pengaruh kecepatan potong terhadap kekerasan permukaan AISI 4340.
• Bagaimana distribusi kekerasan akibat kecepatan potong.
Batasan Masalah
1
• Baja AISI 4340 yang dianggap homogen tanpa perlakuan.
2
• Sudut pemotongan dan kedalaman potong pada mesin bubut dianggap konstan.
3
• Pengaruh kondisi lingkungan diabaikan.
4
• Efek regangan plastik dan laju regangan diabaikan
Tujuan Penelitian menganalisa pengaruh kecepatan potong terhadap struktur mikro yang dihasilkan, pengaruh terhadap sifat mekanis dengan melihat kekerasan, distribusi kekerasan, dan pengaruh perbedaan kecepatan potong terhadap ketebalan white layer dengan struktur mikro dan struktur makro pada hasil pemotongan AISI 4340
White Layer Modifikasi permukaan terjadi karena panas lokal dan kecepatan thermal pada pengerjaan panas yang dihasilkan dengan transformasi metalurgi dan mungkin interaksi kimia.
Jenis permasalahan menarik upaya substansial yang disebut “surface integrity”. Istilah ini meliputi semua aspek
pada permukaan seperti surface finishing, perubahan metalurgi dan tegangan sisa. Penyebutan white layer
dikarekanakan ketahanannya terhadap standard etsa dan tampak putih dibawah mikroskop optik.
White Layer
Surface profile White layer Feed Modulation Dark layer
Bulk
Gambar 1 Struktur transformasi fasa pada proses permesinan pemukaan baja AISI 4340 (Chou, 2002)
Transformasi austenit Baja AISI 4340
Gambar 2 Kurva Transformasi Austenit
I-T Diagram untuk Shallow Hardening
Gambar 2.3 kurva pendinginan di permukaan dan sumbu bagian suatu benda disuperimpose pada diagram transformasinnya, menggambarkan kondisi pengerasan shallow hardening
Skema produk transformasi Austenit
Model Pengerasan Pemukaan dengan Thermomekanik Gambar3 menunjukkan model
pemotongan dengan kecepatan (v) pada sepanjang bidang keausan tepi pahat
(VB). Panas yang ditimbulkan selama proses pembubutan (pada zona ii) akan
dirambatkan ke dalam benda kerja, kemudian setelah kontak (zona iii), panas
secara cepat dibuang melalui pendinginan udara lingkungan.
Gambar 3 beban termomekanis
Geometri Model Pengerasan Pemukaan dengan Thermomekanik
Gambar 4 Geometri model thermal yang ditunjukkan flank wear sumber panas gesekan dalam persegi pada pengerjaan permukaan (Chou, 1999)
Siklus Surface hardening secara Thermomekanik
Gambar 5 Perubahan temperatur pada permukaan mesin (Ac : temperatur austenisasi, Ms: temperatur transformasi martensit) (Chou, 2002)
Gambar 6 Transient suhu dan waktu pada baja AISI 4340 (Chou, 2002)
Gambar 7 Hubungan kecepatan potong dengan kedalaman white layer (Chou, 1999)
Gambar 2.15 Hubungan kekerasan menggunakan Microhardness dengan kedalaman dari permukaan pada baja AISI 4340 (Chou, 2002)
Penelitian Terkait Turning Process Pada Baja AISI 4340 kekerasan pada white layer meningkat mendekati 525 HK500 (49HRC) dan 300 HK500 (28 HRC) pada daerah bulk. Hasil kekerasan yang didapatkan bukan merupakan hasil kekerasan maksimum pada lapisan yang dikeraskan, karena strukturmikronya tidak seluruhnya martensit. (Chou 2002) Pada percobaan turning process pada Baja AISI 52100 dengan diameter 19,05 mm dan panjang 67,2 mm. Dapat diketahui bahwa kekerasan white layer dapat lebih keras 30% dari daerah bulk dan daerah dark layer dapat lebih lunak 60% dari daerah bulk. (Guo, 2004) Pada baja AISI 4337 yang diberi perlakuan turning process dan di quenching dengan air mengalami peningkatan kekerasan dari kekerasan awal raw material 37 HRC menjadi 51,7 HRC. dibandingkan dengan proses konvensional (induksi maupun case hardening) terhadap bahan yang sama kekerasannya bisa mencapai 55 HRC (Bagus, 2007)
start
Metodologi
Persiapan spesimen Pemotongan AISI 4340
V = 1800 mm/dtk d =.2 mm
V = 2000 mm/dtk d = 0.2 mm
V = 2250 mm/dtk d = 0.2 mm
V = 2500 m m/dtk d = 0.2 mm
Pengujian spesimen
MikroHardness
Makro
XRD
Pengumpulan Data Analisa dan Pembahasan Kesimpulan
End
Struktur Mikro
Bahan
1. Benda kerja yang digunakan ialah 4 buah batang baja AISI 4340 dengan masing-masing penampang ϕ 19 x 200 mm 200 mm. 19mm
(a)
(b)
Gambar 3.1 (a) spesimen baja AISI 4340 (b) dimensi baja AISI 4340 Tabel 3.2 Komposisi Baja AISI 4340 Komposisi Baja AISI 4340 (V155)(VCN150) Carbon 0,34% Silikon 0,3% Mangan 0,6% Crom 1,5% Molidenum 0,2% Nickel 1,5% (sumber: PT. Bhinneka Bajanas, Bohler High Grade Steel)
2. Serbuk Alumina Alumina ini berfungsi untuk menghilangkan goresan pada spesimen setelah dipoles 3. Larutan Picral Zat kimia yang digunakan adalah Picral yang berfungsi untuk memunculkan struktur pada material yang telah mengalami pengerasan permukaan dengan mengkorosikannya. .
Alat No 1 2 3 3 5 6
Nama Mesin/Alat Mesin Turning Hardness Tester Jangka sorong Thermokopel Mesin Gerinda pahat Mesin Gerinda potong
7
Mesin Polishing
8
Kertas gosok (grade 120 sampai 2000)
9
Kain blundru
10
Gelas ukur
11
Mikroskop Optik
12 12
Kamera digital Mesin Uji Difraksi SinarX (XRD)
Kegunaan Proses Turning/Bubut Alat uji kekerasan Pengukuran geometri benda kerja Mengukur temperatur Pembentuk bidang Pemotong benda kerja objek mikroskop Penghalus permukaan spesimen benda kerja objek mikroskop Penghalus permukaan spersimen setelah proses grinding. Dimana grade 120 memiliki tingkat kekasaran yang tinggi, sedangan grade 2000 mempunyai permukaan yang halus. Berfungsi pada saat memoles spesimen dan digunakan pada saai finishing sebelum spesimen di etsa/ Mengukur zat kimia atau larutan yang digunakan untuk proses etching. Untuk mengamati struktur mikro dan grain size dengan pembesaran tertentu. Untuk uji makro Untuk analisis kualitatif (identifikasi unsur tunggal dan senyawa) dan analisis kuanitatif (penentuan komposisi, ukuran kristal, regangan, tegangan sisa)
Proses Turning 4 Buah Batang AISI 4340 ( 19 x200 mm)
Pendinginan Udara
Penumpulan mata pahat: Dikikir
Proses Bubut divariasikan pd V= 1800;2000;2250;2500 (mm/s)
Dipotong
Membuat Program pada CNC
Pengujian Pengujian Makro & Mikro Diampelas (grade 120-2000) – dipolish dengan alumina – di etsa menggunakan picral – dibilas dengan alkohol -pengambilan gambar Mikro dengan mikroskop optik. Gambar Makro dilakukan dengan kamera biasa. Gambar 3.5 Jalan Sinar Pada Pengamatan Metallography
Pengujian Mikro Indetation Hardness
HV = 1.8544 P/d2
Sehingga untuk pengujian kekerasan Baja AISI 4340 dengan proses turning adalah sebagai berikut: D = 17 mm = 17000 µm R = 8, 5 mm = 8500 µm
d = 47,39 µm
Gambar 3.7 Jarak minimum untuk indentasi Microhardness Vickers
jarak minimum indentasi antar titik = 142,17 µm (dari tepi) atau 189,56 µm (dari perpotongan diagonal).
Gambar Pengujian Hardness 5 4 3 2 1
1
2 3 4 5
Pengujian XRD
Semakin tinggi peak dari hasil pengujian XRD, semakin banyak pula kemungkinan fasa yang terbentuk. Gambar 3.11 Difraksi sinar-X dari Kristal 2d sin θ = nλ ; n = 1,2,3
Untuk mengetahuli ukuran kristal dari Ukuran kristal dari Baja 4340 diketahui dari persamaan Scherer.:
0,9 λ D= 𝐵 cos θ
…………………..(4.1)
Dimana λ adalah panjang gelombang radiasi (Ǻ), B adalah Full Width at Half Maximum (rad4.) dan ө adalah sudut Bragg (o).
Pengujian
Mikro & Makro Hardness (Microhardness) XRD
Hasil dan Analisa Pengujian XRD
Ukuran kristal baja AISI 4340 setelah treatment λ(Ǻ)
B(rad)
Ө(o)
Cos ө
kecepatan (mm/s ) 1800
D
1.54056
0.01
22.2725
0.9255
150,01
2000
1.54056
0.0087
22.2473
0.9255
173,06
2250
1.54056
0.0078
22.0498
0.9268
193,03
2500
1.54056
0.00697
22.293
0.92525
215,9
kekerasan dan ukuran kristal pada titik 5 (6000 µm dari tepi) pada pengujian kekerasan
Grain Size dan Kecepatan potong
Hasil dan Analisa Pengujian Makro White Layer tidak dapat dilihat secara makro
Hasil dan Analisa Pengujian Mikro Struktur Mikro Raw Material Baja AISI 4340 (preharden-temper) pada perbesaran 1000x
Austenit sisa
Bainit Atas
Struktur Mikro variasi kecepatan potong 1800 mm/s pada Turning Process pada perbesaran 1000x
“Pada fenomena ini, menunjukkan bahwa temperatur yang dihasilkan belum mampu melewati temperatur A3” Hardness :385 HV Tepi (Permukaan)
Bainit Atas
Hardness :346 HV
Tengah (6000 µm dari tepi)
Austenit sisa
Austenit sisa
Bainit Atas
Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2000 mm/s pada Turning Process pada perbesaran 1000x “peningkatan temperatur dari permukaan hanya mampu sedikit diatas A3” Hardness :413 HV Tepi (Permukaan)
Austenit sisa
Hardness :342 HV Tengah (6000 µm dari tepi)
Bainit Atas
Austenit sisa
Bainit Atas
Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2250 mm/s pada Turning Process pada perbesaran 1000x
“peningkatan temperatur dari permukaan mampu melewati diatas A3”
Hardness :445 HV Tepi (Permukaan)
Austenit sisa
Hardness :380 HV Tengah (6000 µm dari tepi)
Bainit Bawah
Bainit Atas Austenit sisa
Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2500 mm/s pada Turning Process pada perbesaran 1000x “Hal ini bisa terjadi karena distribusi temperatur pada bagian tengah baja AISI 4340 sudah mampu melewati temperatur A3”
Hardness :520 HV Tepi (Permukaan)
Martensit
Hardness :331 HV Tengah (6000 µm dari tepi)
Austenit sisa Bainit Bawah
Austenit sisa Perlit
Hasil dan Analisa Pengujian Makro Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 dari Tepi sampai Tengah
Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 pada bagian Permukaan
Grafik pertambahan persentasi kekerasan pada daerah tepi terhadap daerah bulk
Kesimpulan 1. Dengan kecepatan potong 2500 mm/s pada turning process dan kemudian pendinginan udara (normalizing), dihasilkan pengerasan permukaan yang paling optimal. Hal ini didasarkan dari strukturmikro permukaannya yang berupa martensit dan austenit sisa dengan kekerasan 520 HV (50,5 HRC) pada bagian tepi, Semakin tinggi kecepatan potong pada turning process, semakin mampu bagi mata pahat dan benda kerja untuk menghasilkan temperatur yang lebih tinggi. 2. Distribusi kekerasan yang paling baik terdapat pada baja AISI 4340 dengan kecepatan potong 2500 mm/s. Pada kecepatan potong ini, pengerasan permukaan yang dihasilkan sebasar 33.67% dari daerah bulknya. Dengan gradien kedalaman pengerasan yang paling tinggi.
Saran 1. Untuk penelitian perlu dilakukan pengujian hardness terlebih dahulu sebelum pengambilan gambar mikro, untuk mempermudah dalam memberi hubungan antara kekerasan dengan struktur mikro. 2. Sebaiknya dilakukan pengukuran temperatur untuk mengetahui secara tepat transformasi yang terjadi. 3. Perlu dicoba penelitian tentang distribusi kekerasan pada turning process dengan media pendinginan yang berbeda.
