TUGAS AKHIR
PENGARUH PROSES LAKU PANAS QUENCHING AND PARTITIONING TERHADAP UMUR LELAH BAJA PEGAS DAUN JIS SUP 9A DENGAN METODE REVERSED BENDING Oleh : Viego Kisnejaya Suizta
2104 100 043 Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010
Latar Belakang Fungsi Pegas : Membuat stabil kendaraan bermotor saat menerima beban statik dan dinamik untuk memberi kenyamanan pada pengendara.
Sifat Mekanik Yang Dibutuhkan Pegas Daun : 1. Kekuatan tarik 2. Ketangguhan 3. Keuletan 4. ketahanan korosi
5. Kekakuan 6. Impact strength 7. kekerasan 8. Fatique strength
Latar Belakang (Lanjutan) Baja pegas JIS SUP 9A dapat dipakai sebagai material pegas daun bila mendapatkan proses laku panas quenching dan tempering (standar JIS dan SNI). Proses laku panas quenching dan partitioning yang baru beberapa tahun ini dikembangkan dapat menjadi alternatif untuk mendapatkan sifat mekanik lebih baik. (banyak dipakai untuk trip steel dan ADI). Patah lelah merupakan salah satu penyebab utama kegagalan material atau konstruksi. Pegas daun rentan terhadap kerusakan akibat lelah karena mendapatkan beban dinamis (berulang-ulang).
Perumusan Masalah Mencari pengaruh umur lelah baja pegas daun pada uji lelah reversed bending, akibat proses laku panas quenching and partitioning lalu membandingkan umur lelahnya dengan baja pegas daun awal (non treat) juga pada material hasil proses laku panas quenching and tempering hasil penelitian ornag lain.
Batasan Masalah Material yang digunakan untuk penelitian ini sesuai standar dan sertifikat material JIS SUP 9A dan memiliki struktur mikro yang homogen. Pemanasan pada saat proses quenching dan partitioning sempurna dan merata diseluruh material uji. Waktu pemindahan spesimen uji dari dapur pemanas ke media pendingin dan dari media pendingin ke media pendingin berikutnya adalah sama untuk semua spesimen uji. Kondisi peralatan yang digunakan saat pengambilan data diasumsikan terkalibrasi. Pengujian dilakukan pada frekuensi kerja dan mesin yang sama yaitu mesin uji lelah reversed bending model LFE 150 yang ada di laboratorium Metalurgi ITS.
Batasan Masalah (Lanjutan) Tidak terdapat cacat maupun retak visual. Hasil pengujian mekanik, seperti data hasil uji tarik dan struktur mikro yang pernah dilakukan pada penelitian sebelumnya memiliki data yang valid.
Tujuan Penelitian 1. Mengetahui pengaruh proses laku panas quenching and partitioning terhadap umur lelah pegas daun. 2. Membandingkan umur lelah pegas daun proses laku panas quenching and partitioning dengan material awal (non treat). 3. Membandingkan umur lelah pegas daun proses laku panas quenching and partitioning dengan proses laku panas quenching and tempering hasil penelitian orang lain sebelumnya.
Dasar Teori Baja pegas : baja karbon dan baja paduan yang biasa digunakan oleh pabrik pembuat pegas dan pembuat komponenkomponen kendaraan yang digunakan untuk menerima beban statik dan dinamik.
JIS SUP 9A
Pegas Daun
Dasar Teori (Lanjutan) Material Baja Pegas : Baja kadar karbon tinggi dalam bentuk koil/wire Contoh : JIS SUP 10 dan JIS SUP 12
Baja kadar karbon tinggi dalam bentuk plat/strip Contoh : JIS G 4801 (SUP 3, SUP 6, SUP 7, SUP
9A, SUP 9,
SUP 11A, SUP 13)
Baja pegas paduan Contoh : Chromium Vanadium, ASTM A231
Baja pegas stainless steels Contoh : Stainless Type 304, ASTM A313 (18% chromium, 8% nickel)
Baja pegas paduan dasar tembaga Contoh : Spring Brass, ASTM B 134 (70% copper, 30% zinc)
Baja pegas paduan dasar nikel Contoh : Monel* (67% nickel, 30% copper)
Baja pegas paduan dasar nikel dengan modulus elastisitas konstan Contoh : Elinvar* (nickel, iron, chromium)
Dasar Teori (Lanjutan) Proses Laku Panas Proses laku panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan dengan temperatur, waktu tahan dan laju pendinginan tertentu untuk mendapatkan fase dan struktur mikro akhir tertentu dan sifat mekanik yang relatif lebih baik. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses laku panas: • Kadar karbon/unsur paduan • Temperatur austenisasi • Waktu penahanan (holding time) • Laju pendinginan • Kondisi permukaan • Ukuran benda kerja
Dasar Teori (Lanjutan) Pengerasan (hardening) Pengerasan (hardening) adalah suatu proses laku panas untuk mendapatkan kekerasan maksimum serta kekuatan yang lebih tinggi dari baja/paduan. Pengerasan terdiri dari tiga tahap : 1. Pemanasan sampai daerah austenisasi 2. Holding time pada temperatur austenisasi 3. Laju pendinginan yang relatif cepat
Dasar Teori (Lanjutan) Quenching Quenching adalah suatu proses laku panas dan dingin dengan laju pendinginan yang cepat yang dilakukan pada suatu media semisal air, oli atau salt bath untuk memperoleh sifat mekanik yang lebih keras. Media pendingin yang umum digunakan adalah 1. Air 4. Air garam/brine 2. Oli 5. Air dan minyak/emulei 3. Salt bath
Dasar Teori (Lanjutan) Partitioning Partitioning adalah: 1.
Suatu proses perlakuan panas yang dilakukan setelah proses quenching dengan menahan pada temperatur diantara temperatur MS dan MF dan menaikan pada temperatur tertentu untuk memperoleh struktur akhir martensit dan austenit sisa yang kaya karbon dan menstabilkan pada temperatur ruang dengan laju pendinginan cepat. [Speer, J.G., et. al., 2005]
2.
Proses perlakuan panas yang dilakukan setelah proses quenching dengan menahan pada temperatur diantara MS dan MF dan menaikkan pada temperatur tertentu untuk mendapatkan struktur akhir martensit dan austenit sisa yang kaya karbon dengan menghambat pertumbuhan presipitasi karbida dengan laju pendinginan cepat. [Edmondsa, D.V., et. Al., 2005]
Dasar Teori (Lanjutan) Tujuan Partitioning adalah Membatasi kelarutan karbon dalam martensit dan memperkaya karbon pada austenit sisa Memperoleh austenit sisa yang kaya akan karbon dan stabil pada temperatur kamar Mencegah timbulnya presipitasi karbida Perbedaan antara proses partitioning, austempering dan tempering berdasarkan struktur akhir yang dihasilkan adalah
Dasar Teori (Lanjutan) Menurut prosesnya Quenching dan Partitioning ada 2, yaitu: 1. One step treatment 2. Two step treatment
One step treatment
Two step Treatment
Dasar Teori (Lanjutan) Kelelahan (Fatique) Mekanisme awal retakan : •Goresan pada permukaan • Retakan pada permukaan/ dekat permukaan • Inklusi
RETAK AWAL
Pemusatan tegangan akibat adanya cacat
Cacat permukaan
Deformasi plastis setempat
Garis-garis slip pada Permukaan spesimen
Dasar Teori (Lanjutan) Umur lelah didefinisikan sebagai jumlah siklus yang dicapai material sampai material tersebut mengalami patah dengan pembebanan tertentu. Batas lelah (endurance limit/fatigue limit) didefinisikan sebagai besarnya beban maksimal yang menghasilkan umur lelah tak terhingga.
Penelitian yang pernah dilakukan pada baja pegas daun JIS SUP 9A Andika, Beny pada tahun 2010 dengan judul penelitian tugas akhirnya Pengaruh Temperatur Dan Waktu Penahanan Saat Partitioning Pada Proses Quenching Dan Partitioning Terhadap Sifat Mekanik Baja Pegas JIS SUP 9A. Dengan hasil data yang didapatkan, diantaranya adalah Material Awal (non treat) Sifat Mekanik Spesimen
0,2 % yield strength
UTS
Elongation
(N/mm2)
(N/mm2)
(%)
1171
1240
8,97
2
1200
1251
9,50
Rata-rata ± SD
1185 ± 14
1246 ± 6
9.235 ± 0,265
1
Penelitian yang pernah dilakukan pada baja pegas daun JIS SUP 9A (Lanjutan) Andika, Beny pada tahun 2010 dengan judul penelitian tugas akhirnya Pengaruh Temperatur Dan Waktu Penahanan Saat Partitioning Pada Proses Quenching Dan Partitioning Terhadap Sifat Mekanik Baja Pegas JIS SUP 9A. Dengan hasil data yang didapatkan, diantaranya adalah Material Quencing 190°C and Partitioning 250°C dengan Holding Time 10 detik Hasil Uji Tarik
Spesimen
Tensile Strength
Elongation (%)
(N/mm2) 1
1824
4,649
2
1861
6,762
Rata-rata ± SD Tensile Strength ±
Elongation ±
SD
SD
(N/mm2)
(%)
1843 ± 19
5,705 ± 1,057
Penelitian yang pernah dilakukan pada baja pegas daun JIS SUP 9A (Lanjutan) Eko Juniardi, Romi pada tahun 2010 dengan judul penelitian tugas akhirnya Studi Eksperimen Perbandingan Umur Lelah Material Baru Dan Rekondisi Pada Baja Pegas JIS SUP 9A. Dengan hasil data yang didapatkan, diantaranya adalah Hasil Uji Tarik
Spesimen
Tensile Strength
Rata-rata ± SD
Tensile Elongation (%)
(psi)
Strength ± SD (psi)
1
156087,1
7,862
153406 ±
2
150724,9
9
2681,102
Elongation ± SD (%)
8,431 ± 0,569
Metodologi
M u la i
Diagram alir penelitian :
S tu d y li te r a tu r P e r s ia p a n m a te r ia l a w a l B a ja J I S S U P 9 A
P e m o to n g a n d a n p e m b e n tu k a n S p e s im e n u ji l e la h r e v e r s e d b e n d in g
M a te r i a l A w a l u ji le la h r e v e r s e d b e n d i n g
P r o s e s Q u e n c h i n g a n d P a r ti tio n i n g M a te r ia l u ji le la h r e v e r s e d b e n d in g
P r o s e s Q u e n c h in g T e m p e r a tu r 8 6 0 ° C d a n H o ld in g T im e 3 0 m e n it la lu d ila k u k a n p e n d in g in a n s a m p a i te m p e r a tu r 1 9 0 ° C d e n g a n S a lt B a th s e la m a 3 d e tik
P r o s e s P a r ti tio n in g T e m p e ra tu r 2 5 0 °C d a n H o ld in g T im e 1 0 d e tik
A
Metodologi (Lanjutan) A
U ji L e la h M a te r ia l A w a l T in g k a t B e b a n : 0 ,5 S u ; 0 ,8 S u
U ji L e la h M a te r ia l Q u e n c h in g a n d P a r titio n in g T in g k a t B e b a n : 0 ,5 S u ; 0 ,6 5 S u ; 0 ,8 S u
U m u r L e la h
K u rv a S -N : - H a s il E k s p e r im e n - P e r h itu n g a n T e o r itis
A n a lisa D a ta D an P em b ah asan
K e s im p u la n
S e le sa i
Komposisi Kimia SUP 9A Komposisi kimia material SUP 9A pada JIS G 4801-1984 (Spring Steel) dan sertifikat material :
Proses Quenching and Partitioning
Uji Kelelahan Dilakukan pada spesimen yang telah diberi perlakuan panas quenching and partitioning dan material awal (non treat). Pengujian kelelahan yang dilakukan adalah fatique reversed bending test dengan menggunakan mesin LFE-150 di Laboratorium Metalurgi Teknik Mesin ITS. Pengujian dilakukan dengan tingkat beban pada : Material awal (non treat)
: 0,5σu ; 0,8σu
Material quenching and partitioning : 0,5σu ; 0,65σu ; 0,8σu
Mesin Uji Lelah
Gambar mesin uji lelah reversed bending LFE-150
Spesimen Uji Lelah Spesimen uji lelah dibentuk sesuai dengan manual handbook operational for LFE-150 fatique machine test.
Gambar Spesimen Uji Lelah Reversed Bending LFE-150
Rancangan Tabel Uji Lelah Contoh tabel uji lelah penelitian:
No
Kode Spesimen
Tingkat Beban
Defleksi, D
Umur Lelah, NF
Nf
(in)
(Siklus)
Rata-rata
A1 0,8 σu
1. B1 A2
0,65 σu
2. B2 A3
0,5 σu
3. B3
Catatan : σu = tegangan ultimate material Baja Pegas Daun JIS SUP 9A
Data Uji Lelah Tabel hasil uji lelah material baja pegas awal (non treat) No
Kode Spesimen
Tingkat Beban
Defleksi, D
Umur Lelah, Nf
Nf
(psi)
(in)
(Siklus)
Rata-rata
A1
17199 0,8 σu
1.
144566,392
19649 1,235
B1
22099
A2
127399 0,5 σu
2.
90353,995
(2,0x104)
524699
0,772
B2
921999
(5,2x105)
Kondisi material awal (non treat ) setelah uji lelah reversed bending
0,8σu
0,5σu
Data Uji Lelah (Lanjutan) Tabel hasil uji lelah material baja pegas dengan laku panas quenching and partitioning
No
Kode Spesimen
Tingkat Beban
Defleksi, D
Umur Lelah, Nf
Nf
(psi)
(in)
(Siklus)
Rata-rata
A3
15099 0,8 σu
3.
213832,952
B3
11599
A4
27899 0,65 σu
4.
173739,273
A5
25199
0,5 σu
133645,595
1,142
(1,3x104)
26549
1,485
B4
5.
13349 1,827
78199
(2,6x104)
68249 (6,8x104)
Data Uji Lelah (Lanjutan) Kondisi material quenching and partitioning setelah uji lelah reversed bending
0,8σu
0,65σu
0,5σu
Data Uji Lelah (Lanjutan) Kurva S-N percobaan dan teoritis material awal (non treat)
Data Uji Lelah (Lanjutan) Kurva S-N percobaan dan teoritis material Quenching and partitioning
Data Uji Lelah (Lanjutan) Kurva S-N Gabungan hasil percobaan material quenching and partitioning, material awal (non treat), serta material quenching and tempering
Data Uji Lelah (Lanjutan) prosentase perbandingan umur lelahnya yaitu :
