Studi Pengerasan Permukaan Dengan Cara Pengerasan Induksi Pada Baja Paduan Rendah Tarsono Dwi Susanto Dosen Mesin STT Wiworotomo Purwokerto Abstrak Perlakuan permukaan ( Surface Treatment ) pada suatu material dalam mata kuliah bahan teknik di jurusan teknik mesin STT Wiworotomo Purwokerto merupakan salah satu topik yang sangat menarik untuk diteliti dan dikembangkan. Fakta menunjukan bahwa kerusakan suatu material atau komponen mesin hampir selalu diawali dari permukaannya,sehingga penelitian dan pengembangan ilmu perlakuan permukaan tersebut masih sangat dibutuhkan peneliian ini bertujuan untuk menambah referensi mata kuliah bahan teknik khususnya ilmu perlakuan permukaan dan sekaligus membuka wawasan bagi mahasiswa bahwa data bahan yang ada didalam buku masih dapat ditambah atau bahkan diperbaiki.Induksi Hardening merupakan perlakuan yang sangat efektif terhadap kekerasan permukaan. Dikarenakan terjadinya pemanasan lebih cepat,sehingga waktu dan biaya operasi produksi lebih cepat dan murah. Baja paduan rendah Cr-mn yang diinduksi dengan memvariasikan jarak kumparan dan waktu.Hasil pengujian dapat disimpulkan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. Pengaruh induksi hardening terhadap kekerasan pada baja paduan rendahCr-Mn. Dalam kekerasan maksimum 628 HV dan kedalaman pengerasan efektif dengan jarak antara kumparan dan uji 1.5 mm dan semakin lama waktu pemanasan mengakibatkan kekerasan permukaan semakin besar. Hasil dan metode penelitian ini dapat disimpulkan sebagai salah satu acuan bagi mahasiswa apabila akan mempelajari perlakuan permukaan secara lebih mendalam. Kata kunci = perlakuan permukaan, induksi hardening, kekerasan. PENDAHULUAN A. Latar belakang
Perlakuan permukaan (Surface Treatment) pada suatu material dalam mata kuliah bahan teknik di jurusan teknik mesin STT Wiworotomo Purwokerto merupakan salah satu topik yang menarik untuk diteliti dan dikembangkan. Fakta menunjukan bahwa kerusakan suatu material atau komponen mesin selalu diawali dari permukaannya,sehingga penelitian dan pengembangan ilmu perlakuan permukaan tersebut masih sangat dibutuhkan penelitian ini bertujuan untuk menambah referensi mata kuliah bahan teknik khususnya ilmu perlakuan
42
permukaan dan membuka wawasan bagi mahasiswa bahwa data bahan yang ada didalam buku masih dapat ditambah atau bahkan diperbaiki. Material yang diberi perlakuan permukaan hanya mengalami perubahan pada permukaanya saja,sedangkan material dasar yang berada dilapisan lebih dalam tidak mengalami perubahan sifat. Berdasarkan perubahannya perlakuan permukaan dapat dibagi menjadi 3, yaitu : 1.) Dengan menambah komposisi kimiannya seperti yang terjadi pada proses Carburizing,Nituiding,Cyaniding dan Carbonituiding. 2.) Dengan merubah fasa atau struktur kristalnya melalui pemanasan pada suhu tertentu seperti, Quenching, Tempering, dan Blackening, dan 3.) Dengan cara mekanik seperti Shot Peening dan Stutching. Pengerasan Induksi adalah perhalusan permukaan yang sangat efektif untuk membentuk kedalaman pengerasan yang kecil (0.25 mm – 1.5 mm) seperti pada komponen “rocker – arm shafts”. Baja paduan rendah adalah salah satu material pembuatan kumparan mesin. Apakah baja paduan rendah ini dapat menghasilkan perubahan nilai kedalaman dan kekerasan, merupakan permasalahan yang dapat dirumuskan pada penelitian ini. Baja ASSAB Fermo yang diberi perlakuan induction Hardening, dengan berbagai variasi waktu pemanasan, jarak antara koil benda kerja. Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah memberikan konstribusi pemecahan masalah yang berkaitan dengan kekerasan bahan khususnya pada industri otomotif dan industri pesawat terbang, disamping itu memotivasi mahasiswa selalu berfikir inofatif dibidang rekayasa material. B. Tujuan Penelitian
Pokok – pokok yang menjadi tujuan penelitian a. Meningkatkan ketahanan Aus baja standar dengan jalan memperkeras pada permukaan ( Surface Hardening ). b. Menganalisa baja hasil proses Induksi haredening, dengan vaiabel waktu dan jarak kumparan dan benda kerja.
43
c. Pelaksanaan salah salah satu Tri Darma Perguruan tinggi yaitu bidang Penelitian. C. Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode eksperimental dengan melakukan percobaan pengerasan Induksi pada baja paduan rendah.
KAJIAN TEORI A.Prinsip Pengerasan Induksi
Prinsip pengerasan Induksi adalah memanfaatkan arus listrik dengan frekuensi tinggi. Baja yang akan dikeraskan ditempatkan dalam kumparan tembaga melalui kumparan ini dialihkan arus listrik bolak – balik dengan frekuensi tinggi. Medan magnet bolak – balik yang terjadi akan membangkitkan arus imbas pada baja yang mengalir dalam lingkaran tersebut sebagai arus pusar (edi current). Karena baja mempunyai tahanan listrik dengan adanya cara imbas ini akan menimbulkan panas permukaan saja. Pada prinsip dari pengerasan induksi ini diperlihatkan pada gbr. 1
Gambar 1. Prinsip pengerasan Induksi
Penggunaan arus listrik bolak – balik dengan frekuensi tinggi dimaksudkan untuk menghasilkan temperatur tinggipada baja dalam waktu singkat. Sedangkan besarnya dana yang ditimbulkan pada baja dapat dihitung dengan rumus :
H = I2 . R
Dimana : H = Panas yang timbul ( Wattt ) I = arus induksi pada baja ( Ampere ) R = tahanan listrik baja ( Ohm )
44
Setelah temperatur untuk pengerasan dapat dicapai selanjutnya dilakukan proses pendinginan dengan cepat. Akibat pendinginan yang cepat struktur mikro permukaan baja akan berubah, bersifat keras tapi bagian didalamnya tetap ulet. Hal ini terjadi jika permukaan baja dipanaskan hingga mencapai temperatur austenisasi maka struktur mikro baja akan berubah menjadi austenit, sedangkan bagian dalamnya hampir tidak mengalami perubahan. Karena pemanasan hanya terbatas pada bagian permukaan jika dilakukan pendinginan secara cepat maka pada bagian permukaan baja akan terbentuk struktur martesit yang keras. Beberapa variabel yang perlu diperhatikan untuk mendapatkan hasil optimum yaitu : temperatur pemanasan, waktu pemanasan dan jarak antara kumparan dengan benda kerja. 1.Temperatur Pemanasan
Temperatur pemanasan untuk pengerasan induksi umumnya ditentukan 50 0
C lebih tinggi dari pada temperatur pengerasan terutama pada pengerasan baja
karbon biasa dan baja paduan yang tidak mengandung unsur pembentuk karbida. 2. Waktu Pemanasan
Lamanya pemanasan yang dilakukan menentukan kedalaman kekerasan, maka lama waktu pemanasan makin dalam kekerasannya. Tetapi waktu yang terlalu lama akan menimbulkan penetrasi panas sehingga kekerasannya makin dalam pula hal ini akan menimbulkan retak karena adanya perbedaan tegangan setelah dilakukan pendinginan. 3. Jarak antara kumparan dengan benda kerja
Prinsip pengerasan ini menggunakan prinsip pengerasan induksi listrik. maka jarak antara kumparan dan benda kerja sangat mempengaruhi kedalaman kekerasanya jika jarakantara kumparan dan benda kerja cukup besar mengakibatkan benda kerja mengalami daerah medan magnet yang cukup lemah sehingga waktu pemanasan lebih lama dan pengerasanya kurang dalam.untuk memperoleh pemindahan energi yang efisien maka perlu dilakukan pengujian karena itu tiap – tiap jenis bahan kerja berbeda sifat .
45
B. Desain Kumparan
Keberhasilan dari pengersan Induksi berhubungan dengan pemelihan desain kumparan. Desain ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti ukuran dan bentuk benda kerja yang dipanaskan, waktu pemanasan dan daya. Kumparan umumnya dibuat dari tembaga yang bagian dalamnya dialiri air pendingin sebagai pendingin. Pada metoda single - shot hardening dengan siklus pemanasan yang singkat, kumparan digabung dengan ring pendingin yang dapat melakukan pekerjaan dua sekaligus. Kumparan scaning dengan satu gulungan dapat mengalirkan arus yang besar mencapi 20 kA. Kumparan-kumparan dengan satu gulungan disuplai dari transformer, voltase yang rendah mengurangi resiko kerusakan voltase akibat media pendigin. Tekanan air untuk memadai untuk daya 50 kW, dapat digunakan tabung tembaga dengan diameter luar 3.1 mm dan tebal diniding 0.45 mm. Kumparan jenis multi-turn ( gulungan lebih dari satu ), digunakan pada single-shot hardening dan jarak antara kumparan 1.6mm – 2.3 mm.Tipe-tipe kumparan ditujukan pada gambar.2.
Gambar .2. Tipe-tipe kumparan untuk pengerasan Induksi pada baja frekuensi tinggi METODOLOGI PENELTIAN
1. Bahan penelitian Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah baja ASSAB Fermo dengan komposisi kimia sebagai berikut : 0,48% C, 0,90% Un, 1,5% Cr, 0,40% Si
46
Spesikan uji di buat dengan diameter 39mm,diameter 41mm dan diameter 45 mm tebal = 20 seperti tampak pada gambar 3 2.Parameter operasi pengerasan induksi
Parameter operasi pengerasan Induksi adalah sebagai berikut : Tabel.1. Parameter Pengersan Induksi Benda Uji
Diameter (mm)
Waktu Pemenasan (detik)
Jarak antara kumparan dan Benda Kerja ( MM )
30A
39
30
3.5
30B
41
30
2.5
30C
43
30
1.5
30D
45
30
2.5
40A
39
40
3.5
40B
41
40
2.5
40C
43
40
1.5
40D
45
40
2.5
3. Diagram Alir Penelitian MATERIAL UJI SPEKTROMETRI PEMBUATAN SPESIMEN
RAW MATERIAL
INDUCTION HARDENING
UJI KEKERASAN UJI METALOGRAFI HASIL ANALISA KESIMPULAN
Gambar .3. Diagram alir penelitian
4. Mesin dan alat yang digunakan
3.4.1 Uji kekerasan vickers Merek
: Buchler Mikroment II
47
Kapasitas : 10 Kg Alat ukur : Mikroskop 3.4.2. Uji Metalografi Kamera
: NIXON FX – 35WAO
Lensa
: Osyektif : 20 dan Okuler : 10
3.4.3. Uji Spektrometer Alat
: Spektrometer
Merk
: Simodzu Gum 1012
5. Persiapan dan pelaksanaan pengerasan induksi
Peralatan yang digunakan adalah mesin tungku induksi dengan spesifikasi sebagai berikut : Merek
: Huttinger
Tipe
: HGL 850
Frekuensi
: 600 Khz
Daya generator
: 15 Kw
Tegangan normal
: 350 Volt
Kapasitas mengeraskan benda kerja. -
Diameter maksimum : 450 mm
-
Panjang maksimum
: 850 mm
-
Fluida pendingi
: air
6. Proses pengerasan induksi
1. Pasang koil dan ring pendingin yang telah dipilih sesuai dengan bentuk dan ukuran benda kerja. 2. Benda kerja diletakan diantara dua center. 3. Putar tombol selektor program keposisi yang diinginkan. 4. Tekan tombol utama. 5. Putar system pengatur pompaair dan semua keran dibuka untuk generator dan mesin. 6. Generator dihidupkan. 7. Putar dan atur kecepatan senter bawah untuk memastikan bahwa benda kerja tepat ditengah koil.
48
8. Buka katup air pendingin koil, lampu petunjuk menyala. 9. Tekan tombol “release generator” lampu petunjuk menyala. 10. Pemanasan dilakukan dengan menginjak tombol kaki, selama pemanasan benda kerja diputar dengan putaran 40 rpm pemanasan dihentikan dengan melepaskan tombol kaki, yang dilanjutkan dengan pendingin cepat 7. Menentukan Kedalaman Pengerasan
Kedalaman pengerasan ditentukan berdasarkan standar JLS.G 0559 dilakukan dengan cara : 1. Cara pengukuran dengan uji sturuktur mikro 2. Cara pengukuran dengan pemeriksaan struktur mikro Dari kedua cara diatas ,pengukuran dengan uji kekerasan yang biasa dilakukan, karena lebih teliti dan menghasilkan suatu kurva transisi kekerasan sehingga dapat dihitung kedalaman kekerasan efektif dan kedalaman pengerasan total. 8. Persiapan pengujian kekerasan
1. Benda kerja dipotong didaerah yang mengalami proses pengerasan 2. Pengujian kekerasan dimulai dari permukaan sampai bagian dalam benda kerja secara vertikal dengan menggunakan uji kekerasan Vickers dengan beban 100 gr 3. Dari uji kekerasan diatas ,dibuat kurva hubungan antara kekerasan dengan kedalaman pengerasan 4. kedalaman pengerasan efektif dihitung dari kurva transisi kekerasan pada 400 HV(%.C=0,43-0,53%) sesuai dengan tabel 1 Tabel 2. kekerasan kritis untuk kedalaman pengerasan efektif Kadar karbon (%)
HV (kgf/mm2)
HRC
0,23-0,33
350
36
0,33-0,43
400
41
0,433-0,53
450
45
> 0,53
500
49
49
HASIL DAN PEMBAHASAN 1.Komposisi kimia
Tabel 3. Komposisi kimia benda uji Unsur
C Cr Mn Si
Komposisi Kimia Benda Uji Hasil Spectrometer (%) I 0.4.221 1.514 0.8955 0.3927
II 0.4.223 1.524 0.8946 0.3957
ASSAB fERMO (%) Rata-rata 0.4224 1.519 0.8950 0.3939
0.42-0.48 1.40-1.70 0.60-0.90 0.10-0.40
2. Kekerasan benda kerja Awal. Pengujian kekerasan bahan benda kerja sebelum dikeras dilakukan pada berapa titik pengujian dengan hasil sebagai berikut : Tabel 4. Nilai kekerasan Titik
HB rata-rata
1
Kekerasan HB Kgf/mm2 227
2 3
227 228
227,3
Struktur Mikro
Sturktur Mikro sebelum di Induksi Hardening
Gambar 4. Foto struktrur Mikro bahan benda kerja sebelum di Induksi hardening Hasil pemeriksaan struktur mikro pada benda kerja awal pembesaran 400x. Etsa Nital 3% diperoleh struktur mikro ferit dalam perlit
50
Hasil pengujian kekerasan secara mikro menunjukan kekerasan maksimum Yang dapat dicapai pada semua benda kerja berada diatas kekerasan kritis (400 HV),sedangkan kekerasan tertinggi dicapai benda kerja 40 C dengan jarak kumparan dengan benda kerja 1,5 mm. Dengan demikian menunjukan bahwa jarak antara yang kecil dan waktu pemanasan yang lebih lama menghasilkan kekerasan yang tinggi Hasil Kedalaman Pengerasan Dan Kekerasan Maksimum Hasil dari percobaan pengerasan dengan pengerasan induksi pada baja
Assab Fermo dapat dilihat pada tabel 5. dibawah ini. Tabel .5. Hasil kedalaman efektif dan kedalaman total Benda kerja
Kedalaman Pengerasan Efektif (400 HV) 0,90 1,40 2,00 1,10 1,20 1,30 1,80 1,20
30 A 30 B 30 C 30 D 40 A 40 B 40 C 40 D
Kedalaman Pengerasan Total( 250 HV) 1,00 1,50 2,10 1,30 1,40 1,50 2,00 1,60
Kekerasan Maksimum(HV) 538,8 598 628 578 619 657 690 653
GRAFIK HASIL PENGUJIAN Kurva hasil pengujian kekerasan benda kerja 40A dan 30A 700 600
Kekerasan HV
500 400 Benda Kerja 40-A
300
Benda Kerja 30-A
200 100 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Jarak dari permukaan
Gambar 5. Kurva hasil pengujian benda kerja 40A dan 30A
51
Kurva hasil pengujian benda kerja 40B dan 30B 700
Kekerasan (HV)
600 500
Benda Kerja 40-B
400
Benda Kerja 30-B
300 200 100 0 0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
Jarak dari pe rmukaan (mm)
Gambar 6. Kurva hasil pengujian benda kerja 40B dan 30B
Kurva hasil pengujian kekerasan benda kerja 40C dan 30C 800
Kekerasan HV
700 600 500
Benda Kerja 40-C
400
Benda Kerja 30-C
300 200 100 0 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Jarak dari permukaan (mm)
Gambar 6. Kurva hasil pengujian benda kerja 40C dan 30C
Kurva hasil pengujian kekerasan benda kerja 40D dan 30D 700
Kekerasan HV
600 500 400
Benda Kerja 40-D
300
Benda Kerja 30-D
200 100 0 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Jarak dari permukaan (mm)
Gambar 6. Kurva hasil pengujian benda kerja 40D dan 30D
GAMBAR HASIL UJI METALOGRAFI ( Pembesaran 400 x )
Spesimen 30 A
Spesimen 30 B
52
Spesimen 30 C
Spesimen 40 C
Spesimen 40 B
Spesimen 30 D
Spesimen 40 D
Spesimen 40 A
KESIMPULAN Percobaan mengeraskan permukaan baja ASSAB FERMO pada tungku
induksi yang menggunakan fluida pendingin air menghasilkan kekerasan permukaan sebagai berikut : 1. Pada benda kerja dengan jarak kumparan 1,5 mm dan lama pemanasan 30 detik dapat menghasilkan kekerasan maksimal 628 HV 2. Pada benda kerja dengan jarak kumparan 1,5 mm dan lama pemanasan 40 detik dapat menghasilkan kekerasan maksimal 690 HV 3. Hasil pengersan induksi memperoleh kedalaman pengersan efektif dengan jarak antara kumparan dan benda kerja 1,5 mm adalah benda kerja : 30 C = 2,0 mm , 40 C =1,80 mm 4. Semakin lama waktu pemanasan, penetrasi kekersan semakin besar.
53
5. Dari hasil uji struktur mikro permukaan benda kerja terdiri dari fasa martensit menunjukan kekerasan tinggi. DAFTAR PUSTAKA Karl.Erik Thelning. 1978. Steel and Its Heat treatment. London. Butterworths Davies.Jhon and Simpson. 1978. Induction Heating Hand Book. Mc. Graw Hill Company. Rochim Suratman. 1984 Panduan Proses Perlakuan Panas. Bandung. ITB Djafri. Sriati. 1993. Metalurgi Mekanik .Jakarta. Erlangga. Amstead. .BH. 1991. Teknologi Mekanik, jilid 1. Jakarta. Erlangga Rahmat supardi .1990. Pengetahuan Bahan . Bandung. Unjani
54
