PERUBAHAN KETANGGUHAN BAHAN ST.40 YANG TELAH MENGALAMI PROSES DOUBLE HARDENING DENGAN CARBURIZING
Skripsi Diajukan dalam Rangka Penyelesaian Studi Strata 1 untuk Mencapai Gelar Sarjana Pendidikan
Disusun Oleh : Nama
: Widya Mukti Setiadji
NIM
: 5201401043
Prodi
: Pendidikan Teknik Mesin S1
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2007
1
2
PENGESAHAN Skripsi Perubahan ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami Proses Double Hardening Dengan Carburizing. Telah dipertahankan dihadapan panitia sidang ujian skripsi Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang pada tanggal:
Panitia Ujian Ketua
Sekretaris Drs. Supraptono, M. Pd NIP. 131125645
Drs. Pramono NIP. 131474226 Tim Penguji Pembimbing I
Penguji I
Drs. Murdani, M. Pd NIP. 130894848
Drs. Karsono, M. Pd NIP. 130515762
Pembimbing II
Penguji II
Hadromi, S. Pd., MT NIP. 132093201
Drs. Murdani, M. Pd NIP. 130894848 Penguji III Hadromi, S. Pd., MT NIP. 132093201 Mengetahui, Dekan Fakultas Teknik Prof. Dr. Soesanto, M. Pd NIP. 130875753
ii
3
ABSTRAK Widya Mukti Setiadji Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, UNNES 2007. “Perubahan Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses Double Hardening dengan Carburizing”. Double hardening adalah proses pengerasan setelah mengalami proses carburizing yang diakhiri dengan proses tempering. Tujuan dari proses double hardening adalah untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti. Pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang perubahan kekuatan baja yang dihasilkan dari ketangguhan baja pada proses double hardening setelah proses carburizing. Penelitian dilakukan pada material baja karbon dengan kandungan 0,135% C, kemudian bahan dibuat spesimen pukul takik pada standart (ASTM E 23-56) dengan metode charpy V sudut 450. Proses carburizing pada material dengan suhu 9500 C dan holding time 4 jam. Proses double hardening dilakukan pada material hasil carburizing. Proses double hardening dibagi menjadi tiga tahap: tahap I adalah proses pengerasan inti yaitu pada suhu 9000 C dengan holding time 20 menit dan media pedinginnya air, tahap II pengerasan bagian kulit yaitu pada suhu 7600 C dengan holding time 20 menit dan media pendinginnya air, selanjutnya proses ini diakhiri dengan proses tempering pada suhu 1800 C. Teknik analisis data yang digunakan pada penelitian ini adalah menggunakan statistika deskriptif, yaitu dengan cara melukiskan dan merangkum dari penelitian yang telah dilakukan. Data-data yang dihasilkan digambarkan secara grafis dalam histogram. Nilai ketangguhan dari raw material 1,689 J/mm2 setelah proses carburizing menurun 1, 2562 J/mm2. Hasil proses carburizing diberi perlakuan double hardening I menurun 1,6468 J/mm2, double hardening II menurun 1, 5944 J/mm2. Proses double hardening diberi proses tempering menurun 1,4739 J/mm2. Proses double hardening berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah proses carburizing. Pada raw material perubahan struktur mikro dari ferrit dan perlit menjadi sementit, yang diperoleh setelah mengalami proses carburizing yang menyebabkan timbulnya struktur kristal yang berbentuk serpihan-serpihan. Ini menunjukkan adanya penambahan unsur karbon yang terikat oleh Fe. Struktur martensit diperoleh setelah mengalami proses double hardening I dan II, yang menyebabkan struktur kristal meningkat lebih banyak berbentuk serpihan kecil yang menunjukkan bahan bersifat getas. Proses tempering akan mengurai struktur martensit kembali dengan susunan kristal yang lebih besar dan merata/homogen yang menyebabkan bahan bersifat getas di luar bagian dalam bersifat ulet. Simpulan dari penelitian ini adalah adanya perubahan ketangguhan pada proses double hardening dengan carburizing yaitu menurunkan ketangguhan bahan ST.40. Jika menginginkan satu jenis baja yang bersifat bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya dilakukan proses double hardening setelah melakukan proses carburizing.
iii
4
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Motto: Kekurangan bukanlah suatu kelemahan melainkan kelebihan dan karunia yang dianugrahkan kepada setiap manusia. Keberhasilan adalah buah dari usaha dan kesabaran tanpa ada rasa penyesalan dan keputus asaan. Kebesaran diri, akan kita peroleh apabila kita dapat membesarkan dan menghargai orang lain. Tidak ada suatu musibah pun yang menimpa seseorang kecuali dengan izin Allah; dan barang siapa yang beriman pada Allah, niscaya Dia akan memberi petunjuk kepada hatinya. Dan Allah Maha Mengetahui segala sesuatu. (Qs. At Taghaabun: 11)
Persembahan Skripsi ini kupersembahkan teruntuk: ¾ Papi & Mama tercinta terima kasihku untuk do’a dan dukungannya, kebahagiaan kalian merupakan semangat buatku. ¾ Bulek & Kakak-Kakakku yang menjadi suri tauladanku. ¾ Seseorang yang selalu menemani hatiku, (DiMaSa)..thanks buat semua yang telah kamu berikan..senyummu kesejukan hatiku. ¾ Almamaterku.
iv
5
KATA PENGANTAR Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kemudahan dan karunia-Nya sehingga proses penelitian sekaligus penulisan skripsi berjalan dengan lancar. Penulis mengakui bahwa dalam penelitian dan penulisan ini tidak lepas dari banyak kekurangan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak penelitian ini dapat terlaksana dengan baik. Pada kesempatan ini pihak penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Prof. H. Sudijono Sastroatmodjo, M. Si., Rektor Universitas Negeri Semarang 2. Prof. Dr. Soesanto, M.Pd.,
Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri
Semarang 3. Drs. Pramono, Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang 4. Drs. Murdani, M.Pd., Dosen Pembimbing I yang telah membimbing, mengarahkan dan memotivasi penulis. 5. Hadromi, S. Pd., MT., Dosen Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat selesai, 6. Seluruh dosen-dosen di jurusan Teknik Mesin, yang telah memberikan ilmu yang berguna bagi peneliti. 7. Bapak dan Ibu yang telah memberi do’a dan dukungannya. 8. Bulek dan Kakak-kakakku yang telah memberikan pengertiannya selama penulisan skripsi. 9. Seseorang (DiMaSa) yang telah membantu do’a, tenaga dan pikiran dalam penyusunan skripsi. 10. Teman-temanku yang setia menunggu sampai ujian skripsi.
v
6
11. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak ataupun peneliti. Peneliti menyadari bahwa skripsi ini jauh dari kesempurnaan, karena kesempurnaan hanyalah milik Allah dan kekurangan hanya milik kita. Kritik dan saran yang membangun atas segala kekurangan dalam skripsi ini penulis terima dengan senang hati. Semarang,
April 2007
Penulis
vi
7
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL........................................................................................... i ABSTRAK ......................................................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN............................................................................. iii MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................................... iv KATA PENGANTAR ........................................................................................ v DAFTAR ISI....................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix DAFTAR TABEL............................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xii BAB I. PENDAHULUAN .................................................................................. 1 A. Latar Belakang ................................................................................. 1 B. Permasalahan.................................................................................... 4 C. Tujuan............................................................................................... 4 D. Manfaat ............................................................................................ 4 E. Penegasan Istilah .............................................................................. 5 F. Sistematika Penulisan Skripsi ........................................................... 7 BAB II. LANDASAN TEORI ............................................................................ 9 A. Landasan Teori................................................................................ 9 1. Baja ............................................................................................ 9 2. Penambahan Unsur Campuran.................................................... 15 3. Carburizing ................................................................................. 16 4. Double Hardening ....................................................................... 20 5. Tempering ................................................................................... 20 6. Media Pendingin ......................................................................... 6 7. Ketangguhan ............................................................................... 24 B. Kerangka Berpikir ........................................................................... 28 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 31 A. Bahan Penelitian.............................................................................. 31 B. Variabel Penelitian .......................................................................... 32
vii
8
C. Metode Penelitian............................................................................ 32 D. Waktu Dan Tempat Penelitian ........................................................ 37 E. Diagram Alir Penelitian................................................................... 38 F. Tehnik Pengumpulan Data............................................................... 39 G. Analisis Data ................................................................................... 39 BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................... 40 A. Hasil Penelitian ............................................................................... 40 B. Pembahasan ..................................................................................... 57 BAB V. PENUTUP............................................................................................. 62 A. Simpulan ......................................................................................... 62 B. Saran ................................................................................................ 63 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 64 LAMPIRAN........................................................................................................ 65
viii
9
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Diagram Fe-C (Fasa)......................................................................... 11 Gambar 2. Diagram transformasi besi ................................................................ 12 Gambar 3. Struktur Face Center Cubic ............................................................. 13 Gambar 4. Struktur Body Center Cubic .............................................................. 13 Gambar 5. Grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan karbon ....................... 19 Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan ....................................................... 21 Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper............................................. 22 Gambar 8. Alat uji impact Charpy...................................................................... 24 Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (ASTM E 23-56) ..................... 25 Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy........................................... 25 Gambar 11. Daerah ulet getas dan transisi.......................................................... 27 Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact ................................................ 33 Gambar 13. Peletakan spesimen saat pemanasan ............................................... 34 Gambar 14. Kotak carburizing ........................................................................... 34 Gambar 15. Diagram alir Penelitian.................................................................... 38 Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material ............................................. 42 Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing ............................................... 43 Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I ................................... 43 Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II .................................. 44 Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering.................................................. 44 Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata ....................................... 45 Gambar 22. Alat metalurgi mikroskop................................................................ 47 Gambar 23. Struktur mikro baja raw material................................................... 48 Gambar 24. Struktur mikro material carburizing bagian tepi............................. 49 Gambar 25. Struktur mikro material carburizing bagian tengah ........................ 49 Gambar 26. Struktur mikro material double hardening I bagian tepi ................ 50 Gambar 27. Struktur mikro material double hardening I bagian tengah ............ 50 Gambar 28. Struktur mikro material double hardening II bagian tepi ............... 51
ix
10
Gambar 29. Struktur mikro material double hardening II bagian tengah........... 51 Gambar 30. Struktur mikro material tempering bagian tepi ............................... 52 Gambar 31. Struktur mikro material tempering bagian tengah........................... 53 Gambar 32. Penampang patah benda raw material ............................................ 54 Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing........................... 55 Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I............... 55 Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II ............. 56 Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering ............................. 56
x
11
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Daya spesifikasi air .............................................................................. 23 Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact ............................................ 39 Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material).................................. 40 Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing ......................................................... 41 Tabel 5. Hasil pengujian impact raw material.................................................... 42 Tabel 6. Hasil pengujian impact carburizing...................................................... 42 Tabel 7. Hasil pengujian impact double hardening I.......................................... 43 Tabel 8. Hasil pengujian impact double hardening II......................................... 44 Tabel 9. Hasil pengujian impact tempering ........................................................ 44 Tabel 10. Nilai rata-rata kekuatan impact ........................................................... 45
xi
12
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Uji komposisi raw material............................................................ 66 Lampiran 2. Uji komposisi material carburizing................................................ 67 Lampiran 3. Hasil pengujian impact ................................................................... 68 Lampiran 4. Contoh perhitungan mencari tenaga patah dan ketangguhan ......... 70 Lampiran 5. Dokumentasi................................................................................... 71 Lampiran 6. Surat keterangan selama penyusunan skripsi ................................. 73
xii
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat kuat, liat, keras, dan mempunyai titik cair yang tinggi. Logam terbuat dari bijih logam yang ditemukan dalam keadaan murni atau bercampur. Bijih logam ini didapat dari proses penambangan mulai dari pendahuluan, pengeboran, sampai pengolahan logam. Dari pengolahan logam inilah baru didapat logam yang kita inginkan. Logam yang telah jadipun masih disebut logam setengah jadi (raw material) sehingga masih diperlukan pengerjaan-pengerjaan dengan mesin, untuk mendapatkan bentuk dan kualitas yang lebih baik. Agar memperoleh hasil yang baik, komponen-komponen dari hasil mesin skrap, mesin bubut, mesin frais, yang selanjutnya diberi perlakuan panas seperti pengerasan, penempaan, penormalan, yang bertujuan memperbaiki sifat-sifat logam tersebut. Dari bagian mesin, sering dijumpai suatu bahan yang diperlukan kekerasan dan keliatannya. Misalnya poros transmisi dan roda gigi. Saat mengalami perpindahan persneling, poros transmisi dan roda gigi mengalami beban puntir. Komponen tersebut juga harus mempunyai sifat lentur, karena dengan sifat lentur ketika terjadi perpindahan transmisi,
diharapkan dapat
mengurangi hentakan keras pada saat roda gigi mengalami perkaitan.
1
2
Gabungan antara beban puntir dan lentur, juga diperlukan pada saat transmisi dan roda gigi mengalami beban berat dan putaran tinggi. Dengan mempertimbangkan kondisi di atas, maka diinginkan suatu konstruksi bahan yang keras pada permukaan dan ulet pada intinya untuk mencegah kerusakan. Kemudian agar memperoleh hasil yang baik, komponen-komponen dari mesin-mesin tesebut selanjutnya diberi perlakuan panas
seperti
pengerasan,
penempaan,
penemperan
yang
bertujuan
memperbaiki sifat-sifat logam tersebut. Perlakuan panas (heat treatment) adalah proses memanaskan bahan sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan dengan metode tertentu (Amanto, 1999 : 63). Perlakuan panas terutama ditujukan untuk memperoleh sifat-sifat yang sesuai dengan penggunaannya, khususnya untuk mendapatkan kekerasan, kekuatan dan sifat liat yang diperlukan. Untuk mencegah keausan pada logam, maka logam perlu mendapatkan kekerasan pada bagian permukaan saja sedang inti tetap ulet. Untuk itu perlu dilakukan proses pengerasan permukaan (surface treatment). Jadi dalam hal ini pengerasan dapat dilakukan pada bagian-bagian tertentu saja sesuai kebutuhan dan fungsi alat tersebut. Menurut Palallo (1995: 57) menuliskan proses carburizing adalah proses penambahan unsur karbon ke dalam logam pada bagian permukaan yang didapat dari bahan-bahan yang mengandung karbon sehingga kekerasan meningkat dengan adanya penambahan unsur karbon pada logam, menyebabkan ukuran butir membesar.
3
Pemanasan pada temperatur tinggi untuk jangka waktu yang relatif lama menyebabkan ukuran butir membesar, ini berarti butir-butir ferrit di bagian dalam dan butir-butir perlit pada bagian permukaan menjadi kasar (Suratman, 1994: 143). Kekurangan pada proses carburizing pada logam dapat diperbaiki dengan proses pengerasan lanjut (double hardening). Proses double hardening dilakukan untuk memperhalus ukuran butir struktur logam. Ukuran struktur yang halus dapat menghasilkan kekerasan yang lebih baik dari pada ukuran butir struktur logam yang besar (Endri Maulana, 2006: 2). Perlakuan panas tempering akan menghasilkan struktur yang homogen, tegangan sisa, mengembalikan kondisi bahan pada kondisi normal akibat pengaruh pengerjaan sebelumnya, memperhalus kristal yang akan berpengaruh terhadap keuletan bahan dan meningkatkan kekuatan serta memperbaiki struktur setelah bahan mengalami deformasi dalam keadaan panas dan dingin sehingga bahan mempunyai sifat bagian luar getas sedangkan bagian dalam ulet. Untuk mengetahui sejauh mana perlakuan panas proses carburizing, double hardening – tempering terhadap perubahan sifat-sifat bahan dan ketangguhan bahan setelah mengalami perlakuan. Untuk pengkajian lebih lanjut maka perlu dilakukan pengujian bahan dengan menggunakan uji impact dan uji struktur mikro. Dari pertimbangan-pertimbangn tersebut di atas maka perlu diadakan penelitian “Perubahan Ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami Proses Double Hardening Dengan Media Pendingin Air Setelah Proses Carburizing”
4
B. Permasalahan Adapun permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah: 1. Adakah perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil proses double hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing. 2. Adakah perubahan struktur mikro bahan ST40 hasil proses double hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing. C. Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui tingkat perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil proses double hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing. 2. Mengetahui perubahan stuktur mikro bahan ST. 40 hasil proses double hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing.
D. Manfaat Dengan adanya penelitian mengenai pengaruh kekuatan impact pada proses double hardening setelah proses carburizing terhadap material baja St.40 ini dapat diambil manfaat antara lain : 1. Memberikan informasi kepada dunia industri dalam perlakuan panas baja tentang kekuatan baja yang dihasilkan dari perubahan ketangguhan baja pada proses double hardening setelah proses carburizing .
5
2. Memberikan kontribusi terhadap pengembangan ilmu bahan dan konstruksi. 3. Memberikan wawasan baru bagi perancangan suatu produk yang membutuhkan kekuatan suatu bahan yang tinggi.
E. Penegasan Istilah Penegasan istilah dimaksudkan untuk memberi arah penulisan skripsi agar tidak menyimpang dari tujuan, sehingga judul mudah dipahami dan dapat diketahui lingkup penelitiannya. Pengungkapan makna kata yang terkait memerlukan peninjauan istilah baik menurut tata bahasa maupun kamus untuk mencegah adanya penafsiran yang salah pada judul skripsi. Adapun yang perlu ditegaskan dalam judul skripsi ini adalah: 1. Perubahan Perubahan adalah sesuatu yang ada atau timbul karena rangkaian atau tindakan pembuatan atau pengolahan produk. (Tim penyusun kamus, 2002:899) 2. Double Hardening Double Hardening adalah proses pengerasan dari bahan yang telah mengalami proses Carburizing. Untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti benda kerja. 3. Media Pendingin Menurut kamus Bahasa Indonesia pendingin adalah alat untuk mendinginkan (Anton M. Moeliono, 1983: 207). Dalam penelitian ini
6
diartikan sebagai media yang digunakan untuk menurunkan temperatur baja jenis St.40 pada proses double hardening adalah air (H2O). 4. Baja St.40 Baja St.40 adalah baja dengan kandungan C maksimum 0,15%, S = 0,05%, P = 0,16%,( Metalic Material Specification hand book, Robert B Ross), Arti dari baja jenis St.40 adalah baja karbon rendah yang mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/mm2. 5. Carburizing Carburizing (pengarbonan) adalah suatu proses pengerasan permukaan dengan menambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja dengan jalan memanaskan benda kerja dalam kedap udara selama waktu tertentu di dalam bahan yang mengandung unsur karbon. Pengaruhnya adalah bahwa dari bahan tambah yang mengandung karbon masuk ke lapisan benda kerja. 6. Pengujian Ketangguhan Baja karbon yang biasanya bersifat ulet dapat diubah menjadi getas bila berada kondisi tertentu. Menurut G. E. Diater (1988), terdapat tiga faktor dasar yang mendukung terjadinya patah getas, keadaan tegangan tiga sumbu, suhu rendah dan laju regangan tinggi atau laju pembebanan yang cepat. Ketiga faktor tersebut tidak harus ada secara bersamaan pada waktu terjadi patah getas. Maka disini untuk menentukan kepekaan bahan terhadap patah getas, sering kali digunakan pengujian impact.
7
Jadi, yang dimaksud dengan perubahan ketangguhan bahan St.40 yang telah mengalami proses double hardening dengan proses carburizing adalah sesuatu yang timbul dari pengujian kepekaan patah getas yang telah mengalami proses pengerasan bahan untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti dengan cara menurunkan temperatur baja karbon rendah yang mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/ mm 2
setelah proses
penambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja. F. Sistematika Penulisan Skripsi Sistematika penulisan skripsi ini disusun
untuk memudahkan
pemahaman tentang stuktur dan isi skripsi. Secara terperinci bagian-bagian tersebut akan dijabarkan sebagai berikut : 1. Bagian pendahuluan skripsi berisi halaman judul, abstraksi, halaman pengesahan, halaman motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar tabel, daftar gambar serta lampiran. 2. Bagian isi skripsi terdiri atas: Bab I.
Pendahuluan, berisi alasan pemilihan judul, permasalahan, penegasan
istilah,
tujuan
dan
manfaat
penelitian
serta
sistematika penulisan skripsi. Bab II.
Landasan Teori dan Hipotesis, berisi teori-teori yang diperoleh dari kajian teori, keramgka berpikir yang merupakan jembatan penghubung antara teori yang dikemukakan dengan hipotesis yang diajukan, dan hipotesis yang merupakan jawaban sementara terhadap permasalahan penelitian.
8
Bab III
Metode
Penelitian,
berisi
tentang
bahan
atau
meteri
penelitian,alat, jalan penelitian dan teknik analisa data yang dipergunakan dalam penelitian. Bab IV. Hasil Penelitian dan Pembahasan, Berisi tentang hasil penelitian yang berupa data, deskripsi data yang diperoleh dari hasil penelitian lapangan serta analisanya, dan pembahasan. Bab V. Kesimpulan dan Saran, berisi
kesimpulan yang memuat
pernyataan singkat dan tepat dari penjabaran hasil penelitian dan pembahasan serta saran. 3. Bagian akhir skripsi, berisi daftar lampiran sebagai pelengkap laporan skripsi serta daftar pustaka.
BAB II LANDASAN TEORI
A. Landasan Teori 1. Baja (Steel) Baja adalah merupakan suatu campuran dari besi (Fe) dan karbon (C), dimana unsur karbon (C) menjadi dasar. Disamping unsur Fe Dan C, baja juga mengandung unsur campuran lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), dan mangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi. Baja karbon adalah baja yang mengandung karbon antara 0,1% 1,7%. Berdasarkan tingkatan banyaknya kadar karbon, baja digolongkan menjadi tiga tingkatan : a. Baja karbon rendah Yaitu baja yang mengandung karbon kurang dari 0,30%. Baja karbon rendah dalam perdagangan dibuat dalam bentuk pelat, profil, batangan untuk keperluan tempa, pekerjaan mesin, dan lain-lain. b. Baja karbon sedang Baja ini mengandung karbon antara 0,30% – 0,60 %. Didalam perdagangan biasanya dipakai sebagai alat-alat perkakas, baut, poros engkol, roda gigi, ragum, pegas dan lain-lain. c. Baja karbon tinggi Baja karbon tinggi ialah baja yang mengandung kerbon antara 0,6% – 1,5%. Baja ini biasanya digunakan untuk keperluan alat-alat konstruksi yang
berhubungan
dengan
9
panas
yang
tinggi
atau
dalam
10
penggunaannya akan menerima atau mengalami panas, misalnya landasan, palu, gergaji, pahat, kikir, bor, bantalan peluru, dan sebagainya (Amanto,1999). Beberapa jenis baja karbon tinggi: a) Baja konstruksi umum Baja konstruksi umumnya terdiri atas baja karbon dan baja kualitas tinggi tanpa paduan yang dipertimbangkan atas tegangan tarik yang tinggi. Baja jenis ini banyak digunakan dalam kontruksi bangunan, gedung, jalan, poros mesin dan roda gigi. b) Baja otomat Baja otomat terdiri dari baja paduan tinggi, baja ini mengandung 0,070,65% Karbon, 0,18-0,% Belerang, 0,6-1,5% Mangaan, 0,05-0,4% Silisium. c) Baja case hardening Baja jenis ini diperoleh dengan cara menaruh baja karbon rendah dalam bahan yang kaya akan kandungan karbon dan dipanaskan bersama dalam oven sampai suhu kritis atas, baja case hardening tetap liat pada bagian inti namun keras pada bagian permukaan. Berdasarkan hasil pemaduan antara besi dengan karbon, karbon berada di dalam besi dapat berbentuk larutan atau berkombinasi membentuk karbida besi (Fe3C). Diagaram fasa menggambarkan diagram fasa besi karbon untuk seluruh rentang paduan besi dengan karbon yang mencakup baja dan besi cor. Kadar karbon pada diagram tersebut bervariasi dari nol sampai 2%. Seperti pada tabel atau diagram fasa besi karbon.
11
Gambar 1. Diagram Fe-C/fasa (Rochim Suratman,1994:93) Karbon adalah unsur penstabil austenit. Larutan maksimum dari karbon pada austenit adalah sekitar 1,7% (E) pada 11400 C. sedangkan larutan karbon pada ferrit naik dari 0% pada 9100 C menjadi 0,025%
pada 7230 C. Pada pendinginan lanjut, larutan karbon pada ferrit menurun menjadi 0,08% pada temperatur kamar. Pada saat presentase karbon mencapai 0,8% pada temperatur 7230 C, titik ini disaebut titik autectoid. Baja untuk kadar karbon 0,8% disebut baja autectoid dan
sedangkan baja dengan kadar karbon lebih dari 0,8% disebut baja hypereutectoid.
Baja autectoid didinginkan dari temperatur austenitisasinya, maka pada saat titik-titik sepanjang garis tersebut akan bertransformasi menjadi satu campuran autectoid yang disebut pearlit. Jika baja
12
hypoeutectoid didinginkan dari temperatur austenitisasi, pada saat garis
GS, ferrit akan terbentuk disepanjang batas butir austenit. Jika
baja
hypereutectoid
didinginkan
dari
temperatur
austenitisasinya akan terjadi pemisahan cementit pada batas butir austenit disepanjang garis SE.
Sifat allotropik dari besi memungkinkan adanya variasi struktur mikro pada berbagai jenis baja. Pengertian allotropik adalah adanya transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) ke bentuk susunan atom yang lain. Besi sangat stabil pada temperatur di bawah 910o C dan disebut sebagai besi alfa (Fe α). Pada temperatur antara 910o C dan 1392o C, besi dikenal dengan besi gamma (Fe γ) dan pada temperatur di atas 1392o C disebut sebagai besi delta (Fe δ).
Gambar 2. Diagram transformasi besi (Rochim Suratman 1994:92) Fenomena allotropik dari besi memberikan kemungkinan untuk memperbaiki sifat-sifatnya sesuai dengan kebutuhan dan mencakup dua bentuk susunan atom. Pada temperatur di bawah 910oC susunan
13
atomnya berbentuk Body Centered Cubic (BCC). Mulai suhu 910o C akan terjadi perubahan susunan atom. Di atas suhu tersebut susunan atomnya berubah menjadi bentuk Face Centered Cubic (FCC). Jika proses pemanasan dilanjutkan, bentuk susunan atomnya pada temperatur 1392 ºC berubah kembali menjadi bentuk BCC lagi dan dikenal dengan sebutan besi delta.
Gambar .3. Struktur Face Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92)
Gambar 4. Struktur Body Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92) Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan getaran atom semakin besar sehingga pada temperatur 1536o C gaya kohesif yang memelihara susunan atom tersebut tidak ada lagi dan membuat besi menjadi cair. Pada saat membekukan besi cair ke temperatur kamar,
14
maka akan terjadi transformasi yang urutannya kebalikan dari proses pemanasan. Penambahan unsur paduan pada besi, khususnya karbon, memungkinkan membuat berbagai jenis baja yang jika dikombinasikan dengan berbagai metode perlakuan panas akan menghasilkan sifat-sifat yang memadai untuk penggunaan tertentu. Baja yang digunakan dalam penelitian ini termasuk ke dalam baja karbon rendah karena pada baja tersebut hanya memiliki unsur karbon kurang lebih 0,17 % mengandung unsur sulfur (S) sebesar 0,05% dan mengandung unsur fosfor (P) sebesar 0,08%. Kandungan unsur sulfur dan fosfor dalam baja mengakibatkan baja sukar dilas (Sucahyo, 1995). 2. Penambahan unsur campuran
Untuk mengatasi kekurangan sifat yang dimiliki oleh baja, maka dilakukan penambahan unsur kedalamnya. Tujuan utama dalam penambahan unsur adalah untuk mengurangi sifat yang tidak dinginkan pada baja karbon. Pengaruh unsur campuran sewaktu dilakukan pemanasan dan pendinginan adalah sebagai berikut : 1. Pengaruh yang menyeluruh Pengaruh ini berhubungan dengan kecepatan pendinginan kritis dan pengerasan bagian dalam baja. Kecepatan pendinginan kritis dapat diturunkan dengan menambahkan kromium, mangan, dan wolfram ke dalam baja. 2. Baja bercampur dengan nikel
15
Nikel membuat suhu pemanasan menjadi menurun dan membentuk struktur austenit (baja harus dipanaskan lebih tinggi selama proses pengerasan). Pembentukan unsur karbid dengan menambahkan kromium dan molibdenum akan menghasilkan pengerasan bagian dalam dan pengaruh menyeluruh terhadap baja akan menurun. Unsur campuran dalam baja membawa pengaruh sebagai berikut: 1) Silisium (Si) Silisium merupakan unsur yang selalu ada dalam baja dengan jumlah lebih dari 0,4%. Si mempengaruhi kenaikan tegangan tarik dan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. 2) Vanadium dan Wolfram Unsur Vanadium dan Wolfram ini membentuk karbida yang sangat keras, kemampuan potong dan daya tahan panas yang cukup tinggi yang sangat diperlukan pada pahat potong. 3) Nikel (Ni) Nikel
memberi
pengaruh
sama
seperti
Mn
yaitu
menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis. Ni membuat struktur butiran menjadi halus dan menambah keuletan.
3. Carburizing
Pada pengarbonan padat dipakai arang yang dicampur dengan 10%-40% Na2CO3, Ba CO3 (Frederick Palallo, 1995: 54), baja dimasukkan
16
ke dalam campuran ini, ditempatkan dalam suatu wadah dan di tutup rapat kemudian dipanaskan pada temperatur 9000 C- 9500 C (Surdia,T,2000). Temperatur ini adalah temperatur austenit paduan besi karbon yang mempunyai bentuk kisi kristal kubik pemusatan sisi atau face centered cubik (FCC). Bentuk kisi ini mempunyai jarak atom yang lebih besar,
sehingga intersisinya memungkinkan ditempati oleh atom karbon, dengan demikian permukaan baja akan mempunyai kadar karbon yang lebih tinggi. Kandungan karbon akan bervariasi dalam arah menuju inti. Pada permukaan kandungan karbon tinggi, dan akan berkurang dalam arah menuju inti. Konsekuensinya struktur mikro akan berubah pula dari permukaan menuju inti. Untuk dapat melakukan penyepuhan, kadar karbon
yang
dibutuhkan
minimal
0,3%.
Carburizing
bertujuan
memberikan tambahan unsur karbon. Carburizing dilakukan dengan cara memanaskan bahan sampai pada suhu antara 900° - 950°C selama 3 – 6 jam dalam kondisi yang dapat menyerahkan karbon. (Amanto, 1994: 85), diikuti dengan pendinginan dalam oven, hal ini dapat terjadi karena pada suhu tersebut berada pada fasa austenit, karbon dapat meresap ke dalam lapisan luar benda secara berdifusi. Carburizing juga disebut dengan penumpukan karbon atau penyemenan. Adapun proses pengarbonan ada tiga macam cara yaitu pengarbonan proses bubukan (pack carburizing), pengarbonan proses cairan (liquid carburizing) dan pengarbonan proses gas (gas carburizing).
17
Pengarbonan bubukan adalah proses pengarbonan pada permukaan benda kerja dengan menggunakan karbon yang didapatkan dari bubukan arang, benda dibungkus dengan bubuk yang kaya dengan kandungan karbon, proses pemanasan antara 900° - 950°C selama 3 - 6 jam, bubuk karbon akan bereaksi dengan oksigen dan membentuk karbon dioksida (CO2). CO2 ini kemudian bereaksi dengan karbon dari medium menurut reaksi sebagai berikut : Reaksi pengarbonan bubukan dijelaskan seperti reaksi dibawah ini : CO2 + C (arang) ↔ 2 CO Pada saat
suhu semakin tinggi kesetimbangan reaksi bergeser
kesebelah kanan, kadar gas CO bertambah banyak dan mengurai dengan permukan baja menjadi : 2CO ↔ CO 2 + C (arang) Atom karbon yang dihasilksan kemudian menyatu pada fasa austenit dan berdifusi. CO2 hasil dari reaksi tersebut bereaksi kembali
dengan karbon yang lain diikuti dengan penguraian CO pada permukaan logam, proses penguraian CO2 dengan CO berlangsung sangat lambat. Kekerasan lapisan baja dapat mencapai 1 mm. Salah satu cara agar mempercepat reaksi tersebut dengan menambahkan bahan katalis, katalis yang sering digunakan yaitu barium karbonat (BaCO3), kalium ferosianida (K4Fe(CN)6). Komposisi yang umum campuran bubuk arang dengan bahan tambah adalah :
18
a. Komposisi I 60 % arang kayu ditambah 40% BaCO3 (Barium Karbonat) b. Komposisi II 45% arang kayu, 50% BaCO3 (Barium Karbonat) dan 5% K4Fe(CN)6 (Kalium ferosianida) Pada suhu yang tinggi katalis akan bereaksi dan membentuk gas CO seperti dibawah ini : BaCO 3 ↔ BaO+ CO2 CO2 + C ↔ 2CO Gas CO akan larut pada fasa austenit dan bereaksi dengan Fe sebagai berikut: 3Fe + 2CO ↔ Fe3C + CO2 Gas CO2 yang terbentuk dari reaksi diatas kemudian bereaksi dengan BaO dan membentu BaCO3, dengan demikian BaCO3 senantiasa ada selama proses sehingga reaksi-reaksi dapat berjalan terus. Semakin banyak kandungan karbon dipermukaan, atom karbon mulai berpindah menuju inti melalui mekanisme difusi. Penetrasi karbon kedalam baja dipengaruhi suhu, waktu penahanan (holding time), dan bahan pengarbonan.
19
Gambar .5. grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan carbon (PEDC Bandung, Ilmu Bahan Logam. 1983: 120) Dari garafik di atas dapat dipahami untuk membuat lapisan karbonisasi setelah 2,5 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar 15-20 jam, sedangkan jika dengan suhu 9000C dibutuhkan waktu sekitar 45 jam. Menurut Beumer (1980: 37-38), lapisan karbonisasi yang sering dibuat oleh dunia industri adalah sekitar 1,0 mm. Jika kita lihat kembali garis dalam grafik diatas maka untuk mendapatkan ketebalan lapisan karbon 1,0 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar 3 – 6 jam. Oleh karena itu dalam penelitian ini peneliti menggunakan suhu 9500C dan waktu 4 jam penahanan untuk proses karbonasi, dengan asumsi pada suhu 9500C tersebut proses penyusupan lebih cepat sehingga kandungan karbon dalam besi bias lebih meningkat sesuai dengan harapan. Waktu 4 jam penahanan proses karbonasi tersebut dapat memberikan waktu yang cukup untuk penyerapan unsur karbon kedalam baja.
20
4. Double hardening Double hardening termasuk perlakuan suatu proses pengerasan
dengan jalan memanaskan benda yang diikuti dengan pendinginan cepat dari bahan yang telah mengalami proses carburizing. Pada material karburizing terjadi perbedaan kandungan karbon. Sebagai contoh pada bagian kulit mengandung 0,8%C dan pada bagian intinya tetap 0,2%C. perbedaan kandungan karbon dengan bagian inti dari proses carburizing tersebut sehingga tidak menghasilkan kekerasan yang baik, untuk itu harus dilakukan pengerasan ulang yang disebut (double hardening) (Endri Maulana, 2006:14). Dengan adanya proses ini bahan mempunyai sifat getas sehingga ketangguhan bahan menjadi rendah. Proses double hardening sendiri dibagi menjadi tiga tahap pemanasan. Pemanasan pertama dilakukan sampai suhu 9000 C, hal ini dilakukan untuk memecah cementit pada permukaan benda, kemudian didinginkan dengan cepat menggunakan air. Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 7600 C, bertujuan untuk mengurangi tegangan yang tidak diinginkan kemudian didinginkan dengan cepat. Dari pemanasan kedua ini akan menghasilkan butiran kristal yang lebih halus. Proses ini harus diakhiri proses pemudaan (tempering) pada suhu 1800 C. 5. Tempering Pada dasarnya baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak
cocok untuk digunakan. Melalui temper, kekerasan, dan kerapuhan dapat diturunkan sampai memenuhi persyaratan. Kekerasan turun, kekuatan tarik
21
akan turun, sedang keuletan dan ketangguhan akan meningkat (Djafrie, 1985). Pada saat tempering dapat terjadi proses difusi yaitu karbon dapat melepaskan diri dari martensit berarti keuletan (ductility) dari baja naik, akan tetapi kekuatan tarik, dan kekerasan menurun (Djafrie, 1986) Perlakuan untuk menghilangkan tegangan dalam dan menguatkan baja dari kerapuhan disebut dengan memudakan (tempering). Tempering didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan pada temperatur tempering (di bawah suhu kritis), yang dilanjutkan dengan proses pendinginan (Koswara, 1999: 134). Baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cocok untuk digunakan, melalui proses tempering kekerasan dan kerapuhan dapat diturunkan sampai memenuhi persyaratan penggunaan. Kekerasan turun, kekuatan tarik akan turun pula, sedang keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat.
Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan Keterangan: 1. Struktur awal 2. Austenit 3. Martensit 4. Struktur temper H. Suhu pengerasan A. Suhu penemperan, dan R. Suhu ruangan
22
Pada suhu 2000 C sampai 3000 C laju difusi lambat dan hanya sebagian kecil karbon dibebaskan, hasilnya sebagian struktur tetap keras tetapi mulai kehilangan kerapuhannya. Diantara suhu 5000 C dan 6000 C difusi berlangsung lebih cepat, dan atom karbon yang berdifusi diantara atom besi dapat membentuk sementit. Perubahan sifat mekanis akibat temper martensit baja karbon 0, 45% dapat dilihat pada Gb. di bawah ini.
Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper. Prosesnya adalah memanaskan kembali berkisar antara suhu 1500 C 6500 C dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja tersebut, menurut tujuannya proses tempering dibedakan sebagai berikut. a. Tempering pada suhu rendah ( 1500 C - 3000 C ) Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan dan
kerapuhan dari baja, biasanya untuk alat-alat kerja yang tidak mengalami beban berat seperti alat-alat potong, mata bor dll.
23
b. Tempering pada suhu menengah ( 3000 C - 5500 C ) Tempering pada suhu sedang bertujuan untuk menambah keuletan, dan
kekerasannya sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang mengalami beban berat misalnya palu, pahat, pegas. c. Tempering pada suhu tinngi ( 5500 C - 6500 C ) Tempering pada suhu tinggi bertujuan untuk memberikan daya keuletan
yang besar dan sekaligus kekerasannya menjadi agak rendah, misalnya pada roda gigi, poros, batang penggerak dan sebagainya. 6. Media Pendingin
Air mempunyai efek pendinginan yang lebih efektif
bila
dibandingkan dengan zat yang lain sehingga dalam proses pengerasan logam banyak dipakai sebagai media pendingin, pada baja karbon rendah sangat cocok menggunakan pendingin air. Air merupakan senyawa yang dapat berwujud padat, cair dan gas. Pada rumus kimia air adalah H2O, yang berarti pada setiap molekul air ada dua atom hidrogen yang terikat dengan atom oksigen. Air membeku pada suhu 2730K = 00C, dan menguap dibawah tekanan normal padasuhu 3730K = 1000C. Air memiliki berat terbesar 2770K = 40C. Tabel 1. Daya spesifikasi air Spesifikasi air
Daya
Kapasitas panas per massa C
4,186 kj/kg0K
Penguapan panas per massa I
2256 kj/kg
Koefisien penghantar panas
0,582 j/ms0K
24
7. Ketangguhan
Ketangguhan adalah ketahanan bahan terhadap beban tumbukan atau kejutan. Ketangguhan juga dapat diartikan jumlah energi yang diserap bahan sampai terjadi perpatahan (Djaprie.1992). Pengujian impact adalah pengujian yang berdasarkan pada prinsip hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa jumlah energi mekanik selalu konstan. Maksud utama dari pengujian impact adalah untuk mengukur kegetasan atau keuletan bahan terhadap beban kejut dengan cara mengukur energi potensial sebuah palu godam yang dijatuhkan pada ketinggian tertentu. Pengujian impact merupakan pengujian dengan menggunakan beban sentakan (tiba-tiba). Metode
yang
sering
digunakan
adalah
metode
Charpy
dengan
menggunakan alat uji Impact Charpy.
Gambar 8. Alat uji Impact Charpy Pada metode Charpy, batang uji diletakkan mendatar dan ujungujungnya ditahan ke arah mendatar oleh penahan yang berjarak 40 mm. Bandul akan berayun memukul benda uji tepat di belakang takikan. Untuk
25
pengujian ini digunakan sebuah mesin dimana suatu batang dapat berayun secara bebas. Pada ujung batang dipasang pemukul yang diberi pemberat. Batang uji diletakkan dibagian bawah mesin dan takikan tepat berada pada bidang lintasan bandul.
Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (AS TM E 23 -56)
Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy Pada pengujian ini bandul pemukul dinaikkan sampai pada ketinggian H. pada posisi ini pemukul memiliki energi potensial sebesar
26
WH (W adalah berat pemukul). Dari posisi ini pemukul dilepaskan dan berayun bebas memukul, batang uji hingga patah dan pemukul masih terus berayun sampai ketinggian H1. Selisih antara energi awal (WH) dengan energi akhir (WH1) adalah energi yang digunakan untuk mematahkan batang uji. Ketahanan batang uji terhadap pukulan (impact strength ) dinyatakan dengan banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan batang uji (satuan Kgm/ft lb atau Joule). Impact strength merupakan ketangguhan, yaitu ketangguhan benda uji terhadap beban kejut pada batang uji yang bertakik (notch toughness). Logam yang getas akan memperlihatkan impact strength yang rendah. Bahan yang ulet menunjukkan nilai impact
yang besar. Suatu bahan yang diperkirakan ulet ternyata dapat mengalami patah getas. Patah getas ini dapat diakibatkan oleh beberapa hal antara lain adanya takikan (notch), kecepatan pembebanan yang tinggi yang menyebabkan laju peregangan yang tinggi pula dan temperatur yang sangat rendah. Patah ulet selain ditandai oleh nilai impact yang tinggi tetapi juga ditandai oleh permukaan patah yang berserabut yaitu karena adanya deformasi plastis pada daerah patah. Permukaan patah getas ditandai dengan permukaan patah yang tampak mengkilat karena patahannya kristalin. dengan demikian sebuah bahan yang akan beroperasi pada temperatur sangat rendah, misalnya pada suatu instalasi cryogenic perlu
27
diuji impact. Khususnya untuk mengetahui temperatur transisi antara ulet dan getas, sifat peretakan pada baja dapat terjadi dalam tiga bentuk (Sukadi, 2004:20) yaitu : 1. Keretakan getas atau keretakan bersuara, adalah rata dan mempunyai permukaan
yang
mengkilap.
Kalau
potongan-potonganya
kita
sambungkan lagi ternyata keretakan atau patahan itu tidak dibarengi dengan deformasinya bahan. Tipe ini mempunyai pukulan takik yang rendah 2. Patahan liat atau patahan perubahan bentuk, patahan ini mempunyai permukaan yang tidak rata dan nampak seperti beludru, buram dan berserat. tipe ini mempunyai nilai pukulan yang tinggi. 3. Patahan campuran, ialah patahan yang sebagian getas dan sebagian liat. Patahan ini terjadi paling banyak.
Gambar 11. Daerah ulet, getas, dan transisi
28
Tenaga untuk mematahkan benda uji atau besarnya tenaga yang diserap oleh benda uji sebelum terjadi patah dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: E = GR ( cos β – cos α ) Dengan : E = Besarnya energi yang diserap (Joule ) G = Berat palu godam ( N) R = Jarak titik putar ketitik berat palu godam (m) α = Sudut jatuh (°) β = Sudut ayun (°) Keliatan bahan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: HKB =
E A
Dengan : HKB = Keliatan bahan (joule / mm2) E = Tenaga untuk mematahkan benda uji (Joule) A = Luas penampang patahan benda uji (mm2
B. Kerangka Berpikir
Baja karbon yamg banyak digunakan pada industri-industri otomotif, kebutuhan rumah tangga yaitu mempunyai sifat sesuai kebutuhan, maka baja karbon tersebut dikenai perlakuan panas (heat treatment). Pengarbonan bertujuan memberikan kandungan karbon yang lebih banyak pada bagian permukaan dibanding dengan dinding bagian dalam pada suhu 900o C s.d 950oC (Surdia, T, 2000). Pada dasarnya proses perlakuan
29
panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat logam tersebut (Avner, 1974). Salah satu perlakuan panas adalah carburizing. Dari hasil carburizing, perbedaan karbon yang ada dalam bahan dari bagian kulit dengan bagian inti sangat berbeda. Misalnya kulit 0, 8% C dan ada bagian intinya tetap pada 0, 2%C sehingga pada bagian dalam adalah baja hipoentektoid dan bagian kulit baja adalah baja hyperentektoid. Oleh karena
itu untuk menyamakan kandungan karbon antara bagian permukaan dengan inti diperlukan perlakuan panas lanjut dengan melakukan proses double hardening (pengerasan ganda). Double hardening (pengerasan ganda) adalah
proses pengerasan dari bahan yang telah mengalami proses carburizing untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti benda kerja (Frederick Palallo, 1995: 53). Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 880o C s.d 900oC yaitu untuk memperbaiki bagian dalam benda kerja yang mengalami pemanasan yang berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan cementit pada bagian luar sehingga akan terjadi pengerasan unsur karbon pada
bagian luar ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat. Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 750 s.d 780 untuk mengurangi tegangan-tegangan akibat pemanasan yang berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi dari hasil carburizing kemudian didinginkan dengan cepat dari hasil pengerasan ganda, akan menghasilkan butiran-butiran kristal yang halus. Dari proses ini harus diakhiri dengan proses pemudaan (tempering) pada suhu
30
150oC s.d 180oC. Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan dan kerapuhan pada baja.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bahan Penelitian.
1. Bahan penelitian Bahan penelitian dibuat dari baja karbon rendah (low carbon steel) dengan kandungan C 0,149 %. Pengerjaan material mengunakan mesin bubut sebanyak 15 buah dengan ukuran 10x50 mm. Hal ini sesuai dengan teori bahwa baja dengan kandungan karbon > 0,3% tidak dapat disepuh keras, agar dapat disepuh keras maka diberi tambahan karbon dengan cara karbonasi. Variabel Penelitian
Variabel penelitian adalah gejala yang bervariasi dan menjadi objek peneliti (Suharsimi, 1991: 89). Variabel yang diambil dalam penelitian ini adalah : 1. Variabel bebas Variabel bebas dari penelitian ini adalah carburizing dan double hardening. 2. Variabel terikat Variabel terikat dalam penelitian ini adalah nilai ketangguhan dan struktur mikro. 3. Varabel kontrol Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah raw materiall (ST. 40), suhu pemanasan proses carburizing, proses hardening, tempering, holding time dan media pendinginan.
31
32
Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan adalah metode deskriptif yaitu metode penelitian dengan memberikan perlakuan pada spesimen yang dilihat dengan gejala dideskriptifkan. 1. Peralatan Penelitian Alat- alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a) Alat uji ketangguhan: mesin uji impact merk “ Frank” b)
Alat uji komposisi
c) Furnace (dapur pemanas): dapur listrik, kotak carburizing, tang penjepit, bak berisi air, sarung tangan, masker. d)
Mesin bubut (engine lathe C06230)
e) Mesin foto mikro: mikroskop optik merk Olympus 2. Uji Komposisi Uji komposisi dilakukan guna mengetahui komposisi kimia C, Fe, Mn, Al dan unsur lainnya yang terkandung dalam bahan uji. Langkah dalam pengujian komposisi adalah sebagai berikut : a) Spesimen dipotong dengan panjang 20 cm dibubut rata sampai halus dan rata. b) Spesimen dibakar dengan menggunakan sinar laser hingga bahan mengalami pencairan/rekristalisasi. Alat uji komposisi akan menangkap warna sensor cahaya dari proses rekristalisasi dan komputer mencatat hasil yang diperoleh.
33
3. Pembuatan Spesimen Pembuatan spesimen dilakukan dengan menggunakan mesin bubut dan mesin skrap konvensional yang sebelumnya telah dilakukan pengujian komposisinya. Pengerjaan material dengan jumlah dan ukuran yang telah ditentukan.
Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact. 4. Carburizing Proses pengarbonan dilakukan dengan menggunakan media bubukan arang kayu. Proses pengarbonan ini memerlukan kotak sebagai wadah benda uji yang terbuat dari pelat baja. Pemanasan dilakukan dengan temperatur 900°C - 9500C dalam lingkungan yang menyerap karbon, lalu ditahan beberapa lama pada suhu tersebut kemudian didinginkan. Gas karbon menyusup kelapisan atas dan disana memperkaya kandungan karbon sesuai kebutuhan yaitu 0,6 – 0,9% (Schonmetz, 1985 : 66). Pengarbonan ini dilakukan dengan cara benda uji dimasukkan dalam kotak yang telah ditaburi dengan bubuk arang yang telah dicampur dengan 40% BaCO3, benda uji diatur dengan jarak antara benda 2 cm kemudian
34
ditaburi kembali dengan bubuk arang batok kelapa secara merata. Tutup kotak dipasang dengan rapat dan dimasukkan dalam dapur pemanas (furnace) yang telah diatur dengan temperatur 9500C dan ditahan selama 4 jam. Material yang telah dipanaskan pada dapur, kemudian didinginkan pada dapur pemanas hingga mencapai temperatur kamar. Kemudian dilakukan uji komposisi untuk mengetahui penambahan kadar karbon.
5. Double Hardening Proses pengerasan ganda ini dilakukan dengan 3 tahap pemanasan :
35
a) Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 9000C yaitu untuk memperbaiki inti benda kerja yang mengalami pemanasan yang berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan cementit pada bagian luar sehinga akan terjadi penetrasi karbon pada bagian kulit ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat dengan media pendingin air. b) Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 7600C untuk mengurangi tegangan-tegangan yang tidak diinginkan akibat pemanasan yang berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi dari hasil carburizing
kemudian didinginkan dengan cepat dengan media
pendingin air, tujuan dari pemanasan kedua menghasilkan butiranbutiran kristal yang halus. c) Proses terakhir adalah proses tempering pada suhu 1800C, yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan dalam yang terjadi selama proses pengerasan dengan temperatur yang tinggi dan membuat baja tidak rapuh. 6. Foto struktur mikro
Langkah yang dilakukan sebelumnya adalah pemolesan pada raw material, hasil proses carburizing, double hardening yang dimulai dengan
menggunakan ampelas, autosol, agar permukaan menjadi mengkilap. Kemudian melaksanakan foto struktur mikro terhadap bahan uji dengan
36
mesin foto struktur mikro. Proses ini dilakukan di laboratorium teknik UGM. 7. Pengujian Ketangguhan Pengujian ketangguhan dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan bahan dalam menerima beban kejut. Pengujian ketangguhan dilakukan dengan metode impak Charpy. Pelaksanaan pengujian Impact Charphy adalah sebagai berikut: d. Mengukur luasan benda uji sebelum di bentur dengan alat impact. Pengukuran terutama pada lebar dan kedalaman takikan. e. Menaikkan pengangkat pembentur sesuai dengan sudut yang telah
ditentukan dengan memutar handle beban pembentur, mengunci pembentur dengan benar. f. Melepaskan kunci dari pembentur setelah beban berada pada puncak yang telah ditentukan, beban berayun tanpa tahanan dari benda uji. g. Setelah kembali dari puncak ayunan, dapat dihentikan perlahan-lahan dengan direm. h. Mencatat jarum penunjuk (merah) pada skala yang benar berapa derajat sudut ayunan pembentur tanpa benda uji (sudut α). i.Menaikkan pembentur sedikit keatas. j.Memasang benda uji pada anvil, tepatkan dengan penyenteran dan lepaskan penyenter tersebut jika posisi benda uji sudah benar. k. Pembentur dinaikkan perlahan-lahan dengan memutar handle tepat pada sudut yang ditentukan. Kuncikan pengunci pembentur dengan baik.
37
l.
Melepas kunci pembentur.
m. Biarkan pembentur bergerak jangan sampai kita menarik handle pengereman. Karena hal ini akan sangat berpengaruh pada ketelitian pengujian. n. Setelah pembentur berayun mematahkan benda uji. Pembentur dapat di hentikan dengan mengerem secara perlahan-lahan. o. Mencatat jarum penunjuk pada skala yang benar sebagai sudut β. p. Memfoto penampang patahan benda uji. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian
ini
dilaksanakan
pada
bulan
Januari
2007
adapun
pelaksanaannya sebagai berikut : 1. Proses pembuatan spesimen dilaksanakan di Laboraturium SMK Muhammadiyah Salatiga. 2. Pengujian komposisi dilakukan di PT. Itokoh Ceperindo Klaten. 3. Perlakuan panas dilakukan di BLKI Semarang. 4. Pengujian ketangguhan di Laboraturium Bahan Teknik Mesin UGM. 5. Foto struktur mikro dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik Mesin UGM.
38
Diagram Alir Penelitian
Gambar 15. Diagram Alur Penelitian
39
Teknik Pengumpulan Data
Pengumpulan data dalam penelitian ini dilakukan dengan memasukkan data yang diperoleh dari penelitian dalam lembar pengamatan. Data yang diperoleh berupa hasil pengujian komposisi, foto mikro, pengujian impact. Lembar pengamatan data sebagai berikut : Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact. Nilai Pengujian No
Pengujian Pengujian rata-
Proses pengerjaan I
II
III rata
1
G.
RAW MATRIAL
2
H.
CARBURIZING
3
I.
D.HARDENING I
4
J.
D.HARDENING II
5
K.
TEMPERING
Analisis data
Teknik analisis data yang dipakai dalam penelitian ini adalah menggunakan analisis deskriptif yaitu menggambarkan data hasil penelitian dalam bentuk table dan grafis.
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
7. Hasil Penelitian
Penelitian tentang pengaruh double hardening dengan media pendingin air terhadap ketangguhan bahan ST.40 yang telah mengalami proses carburizing menghasilkan data yang berupa angka dalam tabel, grafis
histogram dan foto yang meliputi: uji komposisi, pengamatan struktur mikro, pengujian impact, dan bentuk patahan. Uji Komposisi Berdasarkan uji komposisi pada penelitian ini dilakukan dengan metode sampel. Sampel 1 untuk uji komposisi adalah dari kelompok raw material, maka dapat digeneralisasikan komposisi kimia seperti yang
tercantum pada tabel 3 dapat diklasifikasikan ke dalam jenis baja karbon rendah (mild steel). Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material) Komposisi kimia Unsur Fe
Prosentase (%) 98,87
Unsur V
S
0,021
Mn
0,560
Al
0,000
Mo
< 0,004
C
0,135
W
0,04
Ni
0,094
P
0,009
Nb
0,00
Cu
0,105
Si
0,114
Ti
0,00
Cr
0,048
-
-
40
Prosesntase (%) < 0,00
41
Sampel ke 2 adalah dari kelompok material carburizing. Pada material double hardening tidak dilakukan uji komposisi, karena dianggap tidak ada proses penambahan unsur karbon. Uji komposisi pada material carburizing digunakan untuk melihat ada tidaknya penambahan unsur karbon. Uji komposisi pada sampel material carburizing dapat kita lihat lebih jelas pada tabel 4:
Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing. Komposisi kimia Unsur
Prosentase (%)
Unsur
Prosesntase (%)
Fe
75
V
0,002
S
0,009
Mn
0,009
Al
0,054
Mo
0,009
C
> 4,584
W
0,013
Ni
0,047
P
0,034
Nb
0,024
Cu
0,208
Si
0,115
Ti
0,009
Cr
0,006
Mg
> 0,038
Klasifikasi uji komposisi ini ditentukan oleh kadar karbon dalam suatu material. Semua sifat-sifat yang dimiliki oleh baja dipengaruhi komposisi kimia. Uji komposisi kimia ini bertujuan untuk mengetahui penambahan unsur karbon setelah proses carburizing. Hasil Pengujian Impact Pengujian impact dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari material baja karbon rendah sebagai material uji dalam penelitian ini. Hasil pengujian impact pada umumnya adalah parameter ketangguhan (nilai pukulan takik).
42
Data pengujian ini diperoleh dalam lima kelompok pengujian yaitu spesimen raw material, hasil proses carburizing, double hardening (hardening I dan hardening II), dan diakhiri dengan proses tempering. Hasil pengujian impact ditunjukkan dalam tabel dan grafik, maka akan diperoleh hasil - hasil berikut ini: Tabel 5. Hasil Pengujian Impact Raw Material No.
Kode
Lebar (mm)
1 2 3
BD1 BD2 BD3
10,3 10,1 10,0
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
9,99 10,0 10,10
8,2 8,1 8,0
84,46 81,81 80,0
Tenaga patah (Joule) 143 138 135
HKB (J/mm2) 1,693 1,687 1,687
Grafik Kekuatan Impact Raw Material HKB (J/mm2)
1,700 1,695
1,693
1,690 1,687
1,687
2
3
1,685 1,680
1
Material
Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material Tabel 6. Hasil Pengujian Impact Carburizing No. 1 2 3
Kode
Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
C1 C2 C3
10,2 10,0 10,2
10,1 9,99 10,0
7,5 8,1 8,0
76,5 81 81,6
Tenaga patah (Joule) 33 35 35,5
HKB (J/mm2) 0,4314 0,4321 0,4350
43
Grafik Kekuatan Impact Carburizing HKB (J/mm2)
0,4360 0,4350
0,4350 0,4340 0,4330 0,4321
0,4320
0,4314
0,4310 0,4300
1
2
3
Material
Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing Tabel 7. Hasil Pengujian Impact Double Hardening I
1 2 3
Kode
Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
DH I 1 DH I 2 DH I 3
10,1 10,0 9,5
10,05 10,0 10,01
8,3 8,0 7,7
83,83 8,0 73,15
Tenaga patah (Joule) 3,5 3,4 3,1
HKB (J/mm2) 0,0417 0,0425 0,0424
Grafik Kekuatan Impact Double Hardening I 0,0435 0,0430
HKB (J/mm2)
No.
0,0425 0,0420
0,0425
0,0424
2
3
0,0417
0,0415 0,0410 0,0405
1
Material
Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I
44
Tabel 8. Hasil Pengujian Impact Double Hardening II No. 1 2 3
Kode
Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
DH II 1 DH II 2 DH II 3
10,0 9,6 10,3
10,0 10,05 10,1
8,4 8,3 8,2
84,0 79,68 84,64
Tenaga patah (Joule) 8 7,5 8,0
HKB (J/mm2) 0,0952 0,0941 0,0947
Grafik Kekuatan Impact Double Hardening II 0,0965
HKB (J/mm2)
0,0960 0,0955
0,0952
0,0950
0,0947
0,0945
0,0941
0,0940 0,0935
1
3
2
Material
Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II Tabel 9. Hasil Pengujian Impact Tempering
1 2 3
Kode
Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
T1 T2 T3
10 10,1 10,0
10,03 10,0 10,03
8,2 8,0 8,3
84 80,8 83
Tenaga patah (Joule) 18 17,5 17,8
Grafik Kekuatan Impact Tempering 0,2170
0,2166
0,2165
HKB (J/mm2)
No.
0,2160 0,2155 0,2150 0,2145
0,2144
0,2143
0,2140 0,2135 0,2130
1
2
3
Material
Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering
HKB (J/mm2) 0,2143 0,2166 0,2144
45
Tabel 10. Nilai Rata-Rata Kekuatan Impact No
Proses pengerjaan
Pengujian
Pengujian Pengujian
I
II
III
Nilai rata-rata
1
RAW MATRIAL
1,693
1,687
1,687
1,689
2
CARBURIZING
0,4314
0,4321
0,4350
0,4328
3
D.HARDENING I
0,0417
0,0425
0,0424
0,0422
4
D.HARDENING II
0,0952
0,0941
0,0947
0,0946
5
TEMPERING
0,2143
0,2166
0,2144
0,2151
Diagram Hasil Pengujian Impact Rata-Rata
HKB (J/mm2)
2,000
1,689
1,500
1,000 0,4328 0,500
0,0422
0,0946
0,2151
0,000
BD
C
DH I
DH II
T
Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata. Dari pengujian impact didapatkan nilai rata-rata kekuatan impact pada setiap spesimen, adalah sebagai berikut: Dari kelompok spesimen raw material rata-rata mempunyai nilai impact 1,689 J/mm2. Nilai dari raw material ini digunakan sebagai pembanding.
46
Dari kelompok spesimen carburizing, diperoleh data nilai impact rata-rata sebesar 0,4328 J/mm2. Dari perlakuan panas ini kekuatan impact bahan mengalami penurunan yang signifikan yaitu sebesar 1,2562 J/mm2 atau menurun sebesar 74,37%. Penurunan ini terjadi karena adanya penambahan unsur karbon. Nilai impact pada proses double hardening I adalah 0,0422 J/mm2 dan mengalami penurunan 1,6468 J/mm2 atau menurun sebesar 97,50% terhadap raw material. Juga mengalami penurunan sebesar 0,3906 J/mm2 atau menurun sebesar 90,24% terhadap proses carburizing, dikarenakan material mengalami pengerasan pada inti baja. Nilai impact pada proses double hardening II adalah 0,0946 j/mm2 dan mengalami penurunan 1,5944 J/mm2 atau menurun sebesar 94,39% terhadap raw material, sedangkan terhadap double hardening I meningkat sebesar 0,0524 J/mm2 atau meningkat sebesar 124,17%. Hal ini dikarenakan material mengalami pengerasan ulang pada permukaan menyebabkan butiran struktur kristal logam lebih halus pada bagian permukaan, sedangkan pada bagian inti kekerasannya berkurang sehingga ketangguhan menjadi lebih baik. Nilai impact pada proses tempering adalah 0,2151 J/mm2 dan mengalami penurunan 1,4739 J/mm2 atau menurun sebesar 87,26 % terhadap raw material. Jadi dari data hasil pengujian impact di atas diketahui bahwa
setelah proses double hardening hasil pengujian impact lebih rendah terhadap proses carburizing begitu juga terhadap baja raw material
47
dikarenakan adanya pengerasan ulang terhadap material yang menyebabkan butir struktur kristal logam lebih halus. Foto Struktur Mikro Foto mikro menggunakan dua buah lensa yaitu lensa obyektif dan lensa okuler. Lensa okuler berfungsi untuk memperoleh fokus gambar yang akan di ambil. Lensa obyektif
berfungsi untuk memperbesar gambar dari lensa
okuler. Foto mikro logam disebut juga metalurgi mikroskop.
Gambar 22. Alat Metalurgi Mikroskop Cara menggunakan metalurgi mikroskop: 1. Hidupkan Metalurgi Mikroskop dengan menekan tombol “ON” 2. Nyalakan lampu dengan menaikkan “Light Intencity Level” untuk memilih cahaya yang diinginkan (untuk pemotretan sebaiknya pada angka 10 –11) 3. Letakkan spesimen pada “Stage” lalu jepit dengan “Spesimen Holder” 4. Pilih
pembesaran
“Revolvingnes Piece”
lensa
“Objective”
dengan
memutarkan
48
5. Lihat pada “Eye Piece” yaitu pada lensa okuler atau hidupkan layar monitor 6. Putar “Coorse Focus” dan “ Fine Focus” untuk memperoleh gambar yang fokus 7. Pilih lokasi pada spesimen yang diinginkan dengan memutar “Y- Axis Knop” atau “X-Axis Knop”
8. Untuk melakukan pemotretan pertama masukan film pada kamera kemudian tekan “Expose” untuk melakukan pemotretan. Hasil foto mikro adalah sebagai berikut: Raw Material
Struktur mikro material terlihat jelas dengan menggunakan mikroskop program untuk diambil gambar strukturnya. Raw material yang digunakan pada penelitian ini mengandung unsur karbon sebesar 0,135%. Untuk foto mikro baja raw material seperti terlihat pada gambar mempunyai struktur ferrit dan perlit. Baja mempunyai sifat liat dan lunak.
Perlit ferrit
Gambar 23. Struktur mikro baja raw material
49
Material hasil proses Carburizing Baja karbon rendah yang diberi perlakuan carburizing pada suhu 9500 C dan dipertahankan selama 4 jam dan kemudian didinginkan dengan suhu ruangan. Pada proses carburizing ini kadar karbon meningkat secara signifikan pada bagian permukaan dan struktur mikro yang dihasilkan pada proses carburizing ini adalah sementit dan perlit.
Perlit Sementit
Gambar 24. Stuktur mikro material carburizing bagian tepi.
Perlit ferri
Gambar 25. Stuktur mikro material carburizing bagian tengah. Struktur sementit ini terbentuk karena adanya penambahan unsur karbon dan terikat oleh struktur Fe. Proses carburizing hanya
50
menambah unsur karbon pada bagian permukaan, sehingga pada bagian inti material strukturnya tetap yaitu ferrit dan perlit lebih merata, maka ketangguhan akan menurun. Jadi hal ini mengurangi ketangguhan pada baja raw material. Material hasil proses double hardening I Proses double hardening I merupakan pengerasan inti. Dari proses ini struktur mikro yang terbentuk pada material baja hasil double hardening I adalah struktur perlit dan sementit.
Sementit
Perlit
Gambar 26. Stuktur mikro material double hardening I bagian tepi.
ferrit
Perlit
Gambar 27. Stuktur mikro material double hardening I bagian tengah. Proses pengerasan inti pada double hardening I terlihat struktur ferrit dan perlit pada bagian tengah. Pada bagian tepi proses double
51
hardening I struktur sementitnya lebih besar dan struktur perlit mulai
terurai, sedangkan bagian inti perlit lebih tebal yang menyebabkan pada bagian permukaan dan inti lebih keras. Jadi, ketangguhan proses double hardening I lebih rendah dari carburizing.
Material hasil proses double hardening II Pada proses double hardening II merupakan pengerasan permukaan. Dari proses ini struktur mikro yang terbentuk pada material baja hasil double hardening II adalah struktur martensit yang menyebabkan pada bagian tepi material menjadi sangat keras.
Sementi Martensit
Gambar 28. Stuktur mikro material double hardening II bagian tepi.
Ferrit Perlit
Gambar 29. Stuktur mikro material double hardening II bagian tengah.
52
Proses pengerasan permukaan pada double hardening II terlihat struktur ferrit dan perlit lebih tipis pada bagian tengah dibandingkan dengan double hardening I. Hal ini menunjukkan baja mempunyai ketangguhan yang lebih baik dari double hardening I. Material hasil proses tempering Proses double hardening pada penelitian ini meliputi pengerasan inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses tempering. Dari proses tempering kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan, dari proses yang sedemikian rupa struktur mikro yang terbentuk pada material baja hasil double hardening adalah struktur martensit temper, akan tetapi struktur martensit pada penelitian ini kekerasanya agak rendah sehingga ketangguhan manjadi lebih tinggi dari pada proses double hardening karena telah dikenai proses tempering.
Perlit Martensi
Gambar 30. Stuktur mikro material tempering bagian tepi.
53
Ferrit Perlit
Gambar 31. Stuktur mikro material tempering bagian tengah. Dari penelitian ini dapat kita ambil untuk ketangguhan pada proses double hardening menjadi sangat rendah. Dengan adanya tempering pada bagian inti struktur yang terdapat pada material tetap ferrit dan perlit, sehingga ketangguhan menjadi lebih baik dari proses double hardening I dan II. Pada penelitian ini proses carburizing
merubah susunan struktur mikro ferrit dan perlit pada raw material menjadi sementit, setelah proses
double hardening dengan media
pendingin air yang diakhiri dengan proses tempering struktur mikro berubah menjadi martensit, sehingga ketangguhan proses double hardening lebih rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga
terhadap baja raw material. Penampang Patah Spesimen setelah dikenai pengujian pukul takik akan patah pada penampang kritis yang telah ditentukan, parameter keliatan/keuletan yang ditunjukkan dengan reduksi penampang (reduction of area) maupun bentuk penampang patahannya.
54
Penampang hasil patahan inilah yang akan diamati. Penampang hasil patahan pengujian takik secara teliti dapat dilihat perbedaannya, masingmasing bentuk patahan mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Secara umum bentuk patahan pada pengujian pukul takik ada 3 bentuk, yaitu: patah getas/rapuh, patah liat dan patah campuran. a. Raw Material
Penampang patah raw material tampak terjadi pengecilan penampang yang tidak rata dengan bentuk kristal yang tidak rata, sehingga menunjukkan raw material mempunyai bentuk patahan liat dengan sifat ulet dan lunak. Penelitian ini dapat diketahui unsur karbon mempengaruhi katangguhan baja.
Gambar 32. Penampang patah benda raw material b. Carburizing
Spesimen dengan perlakuan carburizing, mempunyai pengecilan patahan, penampang patahnya terlihat rata dan butiran kristalnya halus pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian tengah terlihat butiran kristalnya tidak rata, kasar dan berserat yang menandakan bahan ini
55
ketangguhannya tidak terlalu tinggi disebabkan adanya penambahan unsur karbon pada bagian tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk patah campuran.
Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing. c. Double Hardening I Spesimen dengan perlakuan double hardening I penampang patahnya terlihat rata, butiran kristalnya rata pada bagian tengah dan tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk patah getas.
Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I d. Double Hardening II Spesimen dengan perlakuan double hardening II penampang patahnya terlihat rata, butirannya lebih halus pada tepi, pada bagian tengah terlihat lebih kasar. Hal ini menandakan bahwa material mempunyai unsur karbon lebih banyak pada bagian tepi, sedangkan
56
pada bagian tengah berkurang. Jadi patahan baja berbentuk patah getas.
Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II e. Tempering
Spesimen dengan perlakuan tempering penampang patahnya terlihat serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah terlihat berserat dan lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata. Hal ini menandakan material mempunyai unsur karbon yang merata pada bagian tepi. Setelah ditemper kandungan unsur karbon pada bagian tengah berkurang sehingga patahan baja berbentuk patah campuran.
Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering.
57
Dalam perlakuan double hardening pada penelitian ini meliputi pengerasan inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses tempering menyebabkan ketangguhan pada baja dari carburizing
menjadi berkurang setelah mengalami proses double hardening. Karena baja mengalami pengerasan yang berulang-ulang, sehingga kandungan serat dalam baja sangat sedikit. Dengan adanya proses pemudaan (tempering) baja menjadi lebih liat terhadap proses double hardening. Dari masing-masing bentuk patahan, patahan raw material
mempunyai bentuk patahan yang liat, sedangkan pada proses double hardening mempunyai bentuk patahan campuran. Jadi dari bentuk
patahan baja pada penelitian ini dapat disimpulkan bahwa proses carburizing mempengaruhi penurunan ketangguhan, setelah proses double hardening dengan media pendingin air ketangguhan lebih
rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga terhadap baja raw material.
8. Pembahasan Pada proses carburizing adalah heat treatment yang bertujuan untuk menambah unsur karbon pada bagian permukaan agar dapat disepuh keras, karena pada baja karbon rendah mempunyai kandungan karbon di bawah 0,3% tidak dapat disepuh keras. Dengan proses carburizing material mempunyai lapisan luar yang keras dan bagian inti yang kenyal dan liat. Pada penelitian ini katangguhan baja sangat jauh menurun setelah baja mengalami proses carburizing. Begitu juga pada proses double hardening
58
ketangguhan baja semakin menurun dikarenakan proses double hardening yang diakhiri proses tempering yaitu proses pengerasan ulang terhadap material hasil carburizing, untuk memperhalus butiran struktur kristal lebih baik pada bagian permukaan maupun inti. Hasil penelitian ini dideskripsikan dalam bentuk diagram di atas diketahui ada penurunan tingkat ketangguhan antara spesimen carburizing dengan double hardening I, Double hardening II dan tempering terhadap raw material. Pada penelitian ini raw material hanya digunakan sebagai
pembanding. Perbedaan tingkat ketangguhan yang diketahui antara spesimen carburizing dengan spesimen double hardening I dan II, pada double hardening juga diketahui perbedaan antara proses hardening I dan hardening
II. Setelah mengalami proses tempering dapat diketahui perbedaan ketangguhan antara proses double hardening dengan tempering. Nilai ketangguhan rata-rata pada spesimen proses carburizing mengalami penurunan sebesar 74,37% (1,2562 J/mm2), pada spesimen proses double hardening I mengalami penurunan sebesar 97,50% (1,6468 J/mm2), pada
spesimen proses double hardening II mengalami penurunan sebesar 94,39% atau 1,5944 J/mm2. Sedangkan pada proses tempering mengalami penurunan sebesar 87,26% atau 1,4739 J/mm2. Pada proses carburizing, double hardening, dan tempering mengalami penurunan terhadap raw material.
Berdasarkan data-data di atas perubahan nilai ketangguhan pada tiap kelompok
spesimen
mempengaruhinya.
dapat
terjadi
karena
beberapa
faktor
yang
59
Proses carburizing adalah proses penambahan unsur karbon pada permukaan material, sehingga unsur karbon bertambah. Penampang patahnya terlihat rata dan butirannya halus pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian tengah terlihat butiran kasar berserat. Penambahan unsur karbon pada material memungkinkan terbentuknya struktur sementit pada bagian tepi, tetapi pada bagian tengah tetap mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur ini menyebabkan baja menjadi getas pada bagian luar sedangkan bagian dalamnya ulet dan mengalami penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar 1,2562 J/mm2 terhadap raw material, sedangkan carburizing terhadap double hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,3906 J/mm2. Carburizing terhadap double hardening II mengalami kenaikan nilai
ketangguhan 0,3382 J/mm2, begitu juga carburizing mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,2177 J/mm2 terhadap tempering. Jadi, baja mempunyai sifat luar getas, bagian dalamnya ulet dan memiliki bentuk patahan campuran. Pada proses double hardening I bahan mengalami pengerasan inti, akibat proses pengerasan itu menyebabkan struktur sementit menjadi lebih besar dan struktur perlit mulai terurai pada bagian tepi sedangkan pada bagian tengah struktur perlit terlihat tebal dan lebar sehingga baja menjadi getas. Nilai ketangguhan rata-ratanya cenderung menjadi paling rendah, yaitu sebesar 1,6468 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahannya terlihat merata dengan butiran yang agak kasar pada bagian inti dan permukaan. Proses ini merupakan proses pengerasan inti pada baja yang mempunyai patahan yang berbentuk patah getas.
60
Proses double hardening II merupakan proses pengerasan permukaan menyebabkan bahan mempunyai struktur martensit pada bagian tepi sedangkan bagian tengah struktur perlit lebih merata dan kembali seperti semula. Proses ini mempunyai penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar 1,5944 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahanya terlihat rata, butiranya lebih halus pada tepi, bagian tengah terlihat lebih kasar. Jadi, proses double hardening II mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,0524 J/mm2
terhadap proses double hardening I dan bentuk patahan baja bersifat getas. Proses tempering adalah proses pemudaan yang mempunyai penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar 1,4739 J/mm2 terhadap raw material. Tetapi terhadap double hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,1729 J/mm2, begitu juga mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,1205 J/mm2 terhadap double hardening II dikarenakan struktur martensit bagian tepi hasil penemperan kekerasanya agak rendah sedang
bagian tengah/inti tetap ferrit dan perlit dengan penampang patahnya terlihat serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah terlihat berserat dan lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata. Jadi, baja mempunyai luar getas sedangkan bagian dalamnya ulet dan mempunyai patahan yang berbentuk patah campuran. Berdasarkan pembahasan data-data penelitian yang telah diuraikan di atas, raw material mempunyai nilai ketangguhan yang paling tinggi sebesar 1,689 J/mm2 setelah dikenai perlakuan panas dimana dalam hal ini adalah proses carburizing dan pengerasan adalah proses double hardening yang
61
diakhiri dengan proses tempering. Dalam penelitian ini proses carburizing mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,4328 J/mm2, double hardening I sebesar 0,0422 J/mm2, double hardening II sebesar 0,0946 J/mm2, dan proses tempering yang mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,2151 J/mm2. Dari
semua data penelitian di atas diperoleh data yang dapat membuktikan bahwa proses carburizing berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah mengalami proses double hardening dengan media pendingin air tingkat ketangguhan menjadi lebih banyak berkurang dibanding proses carburizing maupun terhadap raw material.
BAB V PENUTUP
A. Simpulan Berdasarkan hasil penelitian dan evaluasi data serta pembahasan di atas, maka dapat diambil kesimpulan antara lain: 1. Nilai ketangguhan rata-rata raw material adalah 1.689 J/mm2, nilai ketangguhan rata-rata material carburizing adalah 0,4328 J/mm2, nilai ketangguhan rata-rata material double hardening I adalah 0,0422 J/mm2, nilai ketangguhan rata-rata material double hardening II adalah 0,0946 J/mm2 dan nilai ketangguhan material tempering adalah 0,2151 J/mm2. Karena nilai ketangguhan rata-rata raw material 1,689 J/mm2 dan nilai ketangguhan rata-rata proses double hardening 0,2151 J/mm2 maka nilai ketangguhannya menurun sebesar 87,26 %. Jadi, dapat diambil kesimpulan bahwa proses double hardening dengan media pendingin air pada bahan ST.40 setelah mengalami proses carburizing adalah menurunkan ketangguhan baja. 2. Raw material mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur sementit pada bagian permukaan diperoleh setelah spesimen mengalami proses carburizing sedangkan pada bagian tengah spesimen tetap ferrit dan perlit. Pada proses double hardening
mengurai struktur martensit
kembali menjadi struktur ferrit dan perlit dengan susunan kristal yang lebih besar dan merata atau homogen. Jadi, proses double hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing
62
63
adalah terjadi perubahan ukuran butir kristal dan susunan struktur mikro raw material. 3. Penampang patah bahan menunjukkan patah campuran pada spesimen perlakuan proses carburizing, penampang patah bahan menunjukkan patah getas pada spesimen perlakuan proses double hardning I dan II. Patah campuran kembali ditunjukkan pada proses double hardening setelah mendapat perlakuan proses tempering.
B. Saran Saran yang dapat diberikan sehubungan dengan penelitian tentang proses double hardening setelah mengalami proses carburizing terhadap bahan ST. 40 adalah ketangguhan bahan menjadi hilang tetapi, untuk dapat memperoleh sifat baja yang bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya dilakukan proses double hardening untuk memperbajki kualitas baja.
64
40
Lampiran 1
41
42
Lampiran 2
43
44
Contoh Mencari Tenaga Patah dan Ketangguhan
Contoh. Spesimen Raw Mentari 1 Diketahui : Bahan = Baja karbon ST. 40 Luas penampang patahan benda uji (A) = 84,46 mm2 Berat palu godam (G) = 150 kg Jarak titik putar ketitik berat palu godam (R) = 0,75 m Sudut jatuh (α) = 157 0 Sudut ayun (β) = 69,50 0. Hitung : a. Tenaga Patah (E)? b. Ketangguhan (HKB)? Penyelesaian: a) E = GR ( cos β – cos α ) = 150. 0,75 ( cos 69,50 0 – cos 157 0 ) = 112,5 (0,3502 – (- 0,921)) = 112,5 (1,271) = 143 joule. b) HKB=
143 E = = 1,693 j/mm2 A 84,46
45 Lampiran 5
Gambar 5a. Dapur pemanas
Gambar 5b. Pengaturan Suhu
Gambar 5c. Spesimen penelitian
46
Gambar 5d. Mesin uji impact
Gambar 5e. Spesimen penelitian
47
PERNYATAAN SELESAI BIMBINGAN
Yang bertanda tangan dibawah ini, pembimbing skripsi dari mahasiswa: Nama : Widya Mukti S NIM
: 5201401043
Prody : Pendidikan Teknik Mesin Menyatakan bahwa mahasiswa tersebut telah selesai bimbingan skripsinya yang berjudul “Pengaruh Double Hardening Dengan Media Pendingin Air
Terhadap Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses Carburizing” dan skripsi tersebut siap diujikan. Demikian, semoga menjadi periksa.
Semarang, Februari 2007 Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Murdani, M. Pd NIP. 130894848
Hadromi, S. Pd, M. T NIP. 132093201 Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin FT. UNNES
Drs. Pramono NIP. 131474226
