Meningkatkan kekerasan permukaan sparepart lokal kendaraan bermotor dengan cara Karburasi Cair Yusril Irwan Staf Pengajar jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Nasional-Bandung
ABSTRAK Pada bagian-bagian komponen tertentu atau khusus dari suatu mesin terbuat dari baja yang dirancang untuk menerima beban, gesekan, dan kekuatan endurance yang tinggi, tentunya dibutuhkan baja yang mempunyai sifat kekerasan yang sangat tinggi tetapi tetap memiliki tingkat keuletan yang tinggi, hal ini dengan proses karburasi di harapkan gabungan sifat mekanik yang diinginkan itu dapat tercapai. Karburasi yang digunakan adalah metoda karburasi cair, dimana pada karburasi ini menggunakan media: 45%K4Fe(CN)6 + 18% KCL + 37% Na2CO3 Temperatur pemanasan adalah 850ºC dan 950º selama 30 menit dengan pendinginan udara dengan kecepatan tinggi. Spesimen yang digunakan adalah poros lokal roda belakang motor Karisma. Dari hasil karburasi kenaikan kekerasan permukaan poros lokal jadi meningkat dari kekerasan awal dan kekerasan di bagian dalam nya masih tetap rendah, hal ini menandakan bahwa material secara keseluruhan bersifat ulet. Kata kunci : Baja karbon, karburasi cair, sifat mekanik
i
PENDAHULUAN Di pasaran spareparts kendaraan bermotor terdiri dari dua jenis, lokal dan orisinil. Dua jenis komponen ini memiliki sifat mekanik, umur pakai dan harga yang berbeda. Contohnya poros roda belakang atau sproket sepeda motor. Komponen ini harus memiliki kombinasi sifat yaitu kekerasan pada bagian permukaan tetapi secara keseluruhan komponen tersebut harus memiliki keuletan yang tinggi sehingga kekuatan endurance-nya meningkat. Untuk komponen lokal hal ini sulit tercapai, bisa saja di sebabkan karena bahan dasar yang di gunakan tanpa perhitungan atau produknya tanpa mengalami perlakuan lanjutan untuk meningkatkan kualitas yang sama dengan komponen orisinil. Biasanya produk lokal ini di produksi oleh indutri-industri kecil, yang memiliki modal terbatas untuk membeli bahan baku yang tepat dengan harga relatif tinggi. Maka dalam penelitian ini memberikan salah satu cara untuk meningkatkan kualitas produk lokal tanpa merubah bahan baku, tetapi mencoba untuk menyamai sifat produk orisinil. Untuk memperoleh kombinasi sifat diatas dilakukan dengan surface treatment, yaitu proses “Liquid Carburizing”, dengan cara ini diperoleh suatu kondisi dimana terjadinya peningkatan kekerasan pada permukaan poros lokal roda belakang motor, hingga tahan terhadap gesekan tetapi pada bagian dalamnya mempunyai sifat keuletan yang baik, sehingga didapat ketangguhan yang tinggi. Metoda yang di lakukan dalam penelitian ini dapat di terapkan pada komponen-komponen lokal kendaraan bermotor lainnya seperti roda gigi atau sproket.
TINJAUAN UMUM Dalam dunia perancangan, material logam yang paling banyak digunakan adalah baja, karena selain jenisnya yang bervariasi, bersifat kuat, ketahanan aus yang tinggi dan sifat mampu bentuk yang tinggi. Baja merupakan paduan dari besi (Fe) dengan kandungan karbon (C) yang kurang dari 2,1% dan unsur-unsur paduan pendukung lainnya. Sifat-sifat yang di miliki baja dapat di ubah dengan cara; merubah fasa, bentuk serta ukuran butir dan komposisi kimia dari paduannya. Sedangkan metode untuk merubah sifat baja itu bisa dengan proses perlakuan permukaan, perlakuan panas dan deformasi plastis. Beberapa komponen logam dikehendaki dengan sifat kombinasi yang sulit didapatkan seperti bersifat keras akan tetapi juga harus ulet, tahan goncangan juga keras dan tahan aus seperti poros dan roda gigi. Masalah ini dapat diatasi dengan cara perlakuan permukaan yaitu merubah komposisi kimia pada permukaan baja karbon rendah dengan pengerasan permukaan atau nitriding. Proses perlakuan permukaan terjadi apabila terjadinya proses difusi, seperti difusi karbon. Proses difusi karbon digunakan sebagai proses peningkatan sifat mekanik permukaan, ini berdasarkan kenyataan bahwa karbon akan mengurai semakin banyak kedalam besi padat, dengan bentuk kristal FCC. Disini karbon mengurai secara intertisi dalam besi, atom karbon cukup kecil untuk masuk diantara atom Fe yang lebih besar. Perlakuan permukaan untuk mencapai difusi karbon pada permukaan antara lain adalah:
Karburasi Proses karburasi merupakan proses perlakuan pada baja yang bertujuan untuk meningkatkan kandungan karbon pada permukaan baja agar permukaan baja tersebut menjadi keras dan tahan terhadap gesekan. Proses karburasi harus berada pada temperatur austenit (γ) (Tγ = TAC3 + 50º) dimana karbon mudah berdifusi pada temperatur tersebut. Pada proses karburisasi, karbon bebas akan berdifusi jika konsentrasi karbon pada media karburisasi lebih tinggi dari konsentrasi karbon didalam baja. Pada temperatur tertentu jumlah karbon yang berdifusi dapat 5
mencapai batas kelarutannya. Karburisasi dilakukan pada temperatur relatif tinggi tujuannya untuk meningkatkan laju difusi karbon, karena cepat atau lambatnya laju peningkatan kadar karbon didalam benda kerja dipengaruhi oleh temperatur. Selain itu, jenis kelarutan karbon didalam benda kerja juga mempengaruhi laju peningkatan kadar karbon. Sedangkan besar kecilnya kelarutan karbon didalam logam tergantung pada temperatur karburisasi. Dari diagram fasa untuk sistem FeFe3C terlihat bahwa kelarutan karbon didalam besi gamma pada temperatur 900oC adalah 1,3 %, dan pada temperatur 1100oC adalah 2,0%. Dari data tersebut dapat diketahui bahwa untuk kenaikan temperatur dari 9000C hingga 1100oC akan menaikan kemampuan melarutkan karbon. Temperatur yang biasanya digunakan untuk proses karburisasi adalah 925oC. Pada temperatur ini diperoleh laju karburisasi yang relatif cepat dan pada prakteknya tidak membutuhkan tungku pembakaran khusus. Pemakaian temperatur karburisasi lebih tinggi biasanya dilakukan bila diinginkan harga kedalaman dari hasil karburisasi tinggi. Sedangkan jika diinginkan kedalaman rendah, maka temperatur operasi yang digunakan adalah temperatur rendah. Menurut data, rentang suhu karburisasi adalah antara 8150C hingga 9550C atau 1500oF hingga 1750oF. Ada beberapa jenis – jenis proses karburasi : Karburasi padat Media karburasi yang digunakan adalah arang karbon yang berasal dari sisa pembakaran kayu, batok kelapa, dan sebagainya. Difusi karbon pada permukaan logam dapat diperoleh dari reaksi antara besi dengan karbon monoksida (CO). CO2 (g) + C(g) ↔ 2CO(g) Fe(s) + 2CO(g) ↔ Fe(C) (S) + CO2(g) Notasi Fe(c) memberi arti bahwa karbon larut dalam unsur besi, dalam hal ini besi gama atau austenit. Karburizing Cair Pada karburizing cair, baja dimasukan bersama garam kalium ferro Cyanida dan dipanaskan hingga temperature austenit sehingga karbon dan sedikit nitrogen dapat berdifusi kedalam permukaan baja. Proses ini menyerupai proses sinaniding (Cyaniding), hanya saja karbon yang dihasilkan lebih tinggi dan nitrogen yang dihasilkan memiliki kadar lebih rendah. Cara ini baik untuk pengerasan permukaan pada benda – benda yang berukuran kecil. Bahan-bahan kimia yang digunakan pada karburasi cair ini antara lain: K4Fe(CN)6 + Na2CO3 + KCl + Fe Na2CO3 dan KCl berfungsi sebagai katalisator (Sebagai media mempercepat difusi karbon kedalam permukaan baja) pada reaksi ini proses karburasi harus menggunakan tabung reaksi yang terbuat dari bahan non logam, ini disebabkan untuk mencegah difusi karbon pada tabung reaksi tersebut ketika berlangsungnya proses karburasi. Salah satu jenis tabung reaksi yang dapat dipergunakan dalam proses karburasi cair tersebut adalah keramik. Penggunaan keramik ini dikarenakan karbon tidak dapat bereaksi dengan keramik oleh karena itu diharapkan karbon yang terkandung pada larutan kimia tersebut dapat berdifusi dengan baik pada baja yang dikenakan proses karburasi, faktor lain dari keramik yaitu bahan yang tahan terhadap temperatur yang sangat tinggi.
6
Karburasi gas Karburasi gas dilakuakan untuk memperoleh lapisan tipis, ketebalan yang didapatkan antara 0,1 – 0,75 mm. Proses karburasi gas menggunakan media gas alam atau gas propan. Cara ini diterapkan untuk karburasi bagian – bagian kecil dan dapat dicelup langsung setelah dipanaskan hingga temperatur austenit didalam tungku.
Nitriding Proses: baja dipanaskan 500 - 590ºC dalam lingkungan yang kaya akan nitogen. Pengerasan yang terjadi akibat terbentuknya senyawa nitrida yang sangat keras. Nitrogen yang digunakan dalam bentuk N2. gas N2 ini harus dapat dirubah menjadi gas N yang monoatomik. N monoatomik dapat diperoleh melalui amoniak.
Carbonitriding Carbonitiding adalah proses pengerasan permukaan dengan memanfaatkan penyerapan unsur C dan N, suhu proses antara 800 – 900 ºC. Proses carbonitiding: pada tahap awal dilakukan proses karburizing gas kemudian baru dialirkan gas monoatomik atau merupakan proses karburizing gas dimana pada saat yang sama terjadi proses nitriding. Dengan catatan dalam hal pengaliran gas amoniak dilakukan bersama-sama dengan gas hidrokarbon, maka atom N akan mengalami difusi dari atom karbon. Manfaat proses karbonitriding antara lain menaikan mampu keras bahan dengan menambah ketahanan aus, dan memberikan lapisan keras yang seragam.
Nitocarburizing Proses nitocarburizing mirip dengan karbonitiding hanya suhu oprasinya berbeda (450 590º). Peaksanaannya dapat dilakukan dengan menggunaan medium cair, padat, dan gas.Hasil Nitrocarborizing adalah hanya lapisan berfasa tunggal yang sangat tipis. Lapisan ini merupakan senyawa terner heksagonal antara Fe, N, dan C yang terbentuk pada rentan suhu 450 – 590 ºC.
METODE PENELITIAN Pada Penelitian ini spesimen yang di gunakan adalah komponen lokal Poros roda belakang motor Honda Karisma 125, kemudian hasil penelitian di bandingkan dengan produk original.
Gambar 1. Poros roda belakang Motor Honda Karisma 125.
Dari segi dimensi dan bentuk kedua poros ini (gambar.1) memiliki kesamaan tetapi memiliki kekerasan permukaan yang jauh berbeda, yaitu kekerasan rata-rata poros original adalah 337 VHN 7
sedangkan poros lokal adalah 180 VHN. Oleh sebab itu penulis mengambil spesimen uji dari poros lokal ini. Adapun langkah-langkah penelitiannya adalah : a. Penentuan Kadar karbon Untuk mengetahui kadar karbon spesimen lokal dan original di lakukan dengan metoda garis, yaitu dengan melihat fasa yang terdapat pada kedua spesimen. Fasa untuk kedua spesimen hampir sama yaitu fasa perlit dan ferit, dengan metoda pengukuran garis di dapat persentase kedua fasa dan kemudian dilakukan perhitungan persentase karbon menggunakan kaedah lengan (lever arm) pada diagram fasa Fe-Fe3C di dapatkan kadar karbon untuk spesimen original adalah 0.3% sedangkan spesimen lokal adalah 0.26%.
SPESIMEN LOKAL
SPESIMEN ORIGINAL
Gambar 2. Struktur Mikro kedua spesimen yaitu perlit dan ferit.
b. Persiapan Spesimen Uji Pertama-tama poros di potong dan di bubut sesuai dengan bentuk spesimen uji tarik kemudian di lakukan pemanasan hingga temperatur 450OC dan kemudian didinginkan dengan cepat untuk penghalusan butir dari spesimen. Penghalusan butir bertujuan untuk meningkatkan keuletan.
6 12
50
50
50
Gambar 3. Spesimen pengujian.
c. Proses Karburasi Cair Dalam proses karburasi ini di gunakan keramik sebagai wadah, karena keramik tahan pada temperatur tinggi. Setelah itu bahan kimia yang di gunakan di masukan bersamaan dengan spesimen kedalam keramik ini. Bahan kimia yang dipakai pada proses karburasi terdiri dari K4Fe(CN)6. Pengaruhnya terhadap proses karburasi logam adalah sebagai medium dapat mengurai menjadi karbon (C) dan nitrogen (N) yang dapat masuk kedalam permukaan logam sehingga meningkatkan kekerasannya. Dan di tambahkan KCl + Na2CO3 yang berpengaruh terhadap proses karburasi logam sebagai katalisator yaitu membantu proses difusi karbon kedalam permukaan logam.
8
Gambar 4. Wadah tempat proses karburasi
Gambar 5. Bahan kimia yang di gunakan.
Keramik silinder selanjutnya dimasukan kedalam tungku pemanas yang telah mencapai temperatur difusi. Ada dua variasi temperatur di fusi yang diambil pada penelitian ini yaitu temperatur 850ºC dan 950ºC, variasi temperatur ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh temperatur terhadap perubahan sifat yang terjadi. Pemanasan dilakukan selama 30 menit .
Gambar 6. Tungku pemanas dengan temperatur maksimum 1200oC
9
Waktu pemanasan ini adalah waktu perkiraan dimana pada 30 menit sudah terjadi difusi yang sempurna dan merata pada permukaan spesimen, kemudian keramik dikeluarkan dari dalam tungku dan dilakukan pendinginan dengan cara penyemprotan spesimen dengan udara kecepatan tinggi yang di umpan dari kompresor. Pendinginan dengan cepat ini berguna untuk mendapatkan fasa keras di permukaan saja. Apabila pendinginan di lakukan dengan pencelupan ke dalam air, maka di kuatirkan fasa austenit akan berubah menjadi fasa martensit yang bersifat getas di seluruh bagian dari spesimen.
Gambar 7. Spesimen Hasil Karburisasi
d. Pengujian Mekanik dan Analisa Struktur Mikro Setelah spesimen di bersihkan, kemudian dilakukan pengujian kekuatan menggunakan mesin uji tarik, hingga spesimen patah dan di dapatkan angka kekuatan. Uji tarik ini juga di lakukan pada spesimen poros original dan spesimen poros lokal yang tidak di kaburasi sebagai pembanding. Setelah di uji tarik spesimen di potong- potong pada bagian yang tidak terpengaruh oleh aliran deformasi plastis akibat uji tarik. Dengan metoda Grossman spesimen dipotong dalam arah tegak lurus batang poros, ini dilakukan untuk mengetahui peningkatan perubahan akibat difusi karbon dari permukaan kulit hingga ketengah poros.Lalu di mounting atau dibingkai. Pembingkaian di maksud agar mudah dalam melakukan pengujian selanjutnya. Kemudian spesimen di amplas mulai dari amplas dengan mesh yang kasar hingga mesh yang paling halus (600, 1000, 1500, dan 2000) dan kemudian di poles dengan menggunakan pasta yang mengandung alumina. Setelah goresan hasil amplas benar-benar hilang kemudian di etsa menggunakan larutan Nital 2% – 5% (Nitit Acid 2% dan Alkohol 99%) selama 10 detik. Setelah etsa di lanjutkan dengan Analisa Struktur Mikro menggunakan mikroskop elektrik untuk melihat perubahan struktur mikro pada permukaan spesimen dan kemudian di lanjutkan dengan uji keras menggunan mikro Vicker dengan beban 1000gr. Pengujian kekerasan di lakukan pada beberapa titik pada permukaan hingga di bawah permukaan.
10
Gambar 8. Alat uji yang di gunakan ( Mesin Mikro Vicker, Mesin Uji keras, Mikroskop electrik, mesin amplas, dan spesimen mounting)
HASIL PENELITIAN a. Hasil Uji Tarik . Pengujian di lakukan pada 8 spesimen yaitu satu untuk spesimen original dan lokal dan enam untuk spesimen lokal yang di karburisasi pada dua temperatur. Hasil uji tarik dari spesimen adalah sebagai berikut : Spesimen Original Lokal Lokal 1 Lokal 2 Lokal 3 Rata-rata
Tabel 1. Hasil Uji Tarik. Tanpa karburising Karburising Kg/mm2 850oC (Kg/mm2) 58.72 49.69 53.56 57.74 55.67 55.65
Karburising 950oC (Kg/mm2) 59.77 61.66 60.95 60.79
Gambar 9. Grafik Perbandingan hasil uji tarik
b. Hasil Uji Keras. Pengambilan harga kekerasan untuk specimen setelah proses karburasi dilakukan bertahap dari permukaan hingga ketengah batang specimen, ini dilakukan untuk mengetahui perubahan kekerasan yang terjadi di setiap titik pada potongan spesimen, daerah pengujian dapat di lihat pada gambar 10. Setiap garis pada gambar 10 dilakukan 10 titik pengujian dan kemudian di rata-ratakan. Garis 1 Garis 2
Garis 3
11
Gambar 9. Titik yang uji keras
Uji keras Mikro Vickers dengan pembebanan 1000gr dengan hasil sebagai berikut. Spesimen Original Lokal Lokal 1 Lokal 2 Lokal 3 Rata-rata
Tabel 2. Harga kekerasan Permukaan pada garis 1 (gambar 10) Tanpa karburising Karburising 850oC Karburising 950oC (VHN) (VHN) (VHN)
337 180 319 298 308 308
411 391 407 403
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras
Spesimen Original Lokal Lokal 1 Lokal 2 Lokal 3 Rata-rata
Tabel 3. Harga kekerasan di tengah garis ke 2 (gambar 10) Karburising 950oC Tanpa karburising Karburising 850oC (VHN) (VHN) (VHN) 317 177 233 279 252 268 247 261 244 269
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras pada bagian tengah spesimen
Spesimen Original Lokal
Tabel 4. Harga kekerasan di tengah garis ke 3(gambar 10) Karburising 950oC Tanpa karburising Karburising 850oC (VHN) (VHN) (VHN) 315 175
12
Lokal 1 Lokal 2 Lokal 3 Rata-rata
205 200 189 198
219 208 211 212
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras sekitar titik sumbu spesimen.
c. Hasil Analisa Struktur Mikro Kedalaman difusi ini dapat dilihat dengan bantuan mikroskop elektrik dengan perberasan 40X.
Gambar 12. Gambar kedalaman difusi karbon pada 850oC dan 950°C
Kedalaman difusi karbon pada spesimen karburasi cair 850°C adalah sekitar 1000-1200 mikrometer. Sedangkan kedalaman difusi karbon pada spesimen karburasi cair 950°C berkisar antara 1300 hingga 1500 mikrometer
KESIMPULAN DAN PEMBAHASAN 1. Difusi di pengaruhi oleh temperatur dan lama pemanasan. Semakin tinggi temperatur, maka jumlah di fusi juga meningkat. Hal ini dapat di lihat pada hasil analisa struktur mikro. Pada temperatur 950oC difusi lebih dalam di bandingkan pada temperatur 850oC. Dengan selisih hingga 300 mikrometer. 2. Dimana dengan naiknnya kekerasan permukaan akan menaikan kekuatan tarik di logam tersebut. Hasil uji kekerasan, temperatur 950oC memiliki kekerasan yang tinggi, sehingga mempengaruhi hasil uji tarik, dimana kekuatan tertinggi terdapat pada pemanasan 950oC, dimana kekuatanya melebihi kekuatan spesimen original. 3. Namun kekerasan di bahagian dalam dari spesimen masih rendah, hal ini menyatakan keuletan dari spesimen masih tinggi. 4. Jadi untuk manaikan kekerasan dan kekuatan baja tersebut dengan menggunakan proses karburasi cair, sebaiknya di lakukan pada temperatur 950oC selama 30 menit, 13
hal ini akan meningkatkan jumlah karbon di permukaan sehingga kekerasan dan kekuatan tarik serta endurance dari logam tersebut akan meningkat. DAFTAR PUSTAKA o Handbook of Chemistry and Physics, 71st edition, CRC Press, Ann Arbor, Michigan, 1990. o N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Pergamon Press, 1984. ISBN 0-08-022057-6 o "Physical Metallurgy Principles". Reed-Hill, Robert. 3rd. Edition. PWS Publishing. Boston. 1991. o DeGarmo, E.P., Materials and Processes in Manufacturing, Macmillan Publishing Company, New York, 1984. o George krauss, Heat Treatment and Processing Principles, University Of Colorado. o William D Callister, Jr. Materials Science and Engineering, University of Utah , 1982.
14
