TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007

Prosedur Penelitian

TUGAS AKHIR PENGARUH WAKTU TAHAN PROSES NITROCARBURIZING DENGAN MENGGUNAKAN DAPUR FLUIDIZED BED TERHADAP KEKERASAN PADA BAJA ASSAB 8407 S ( AISI H-13 )

Disusun Oleh :

Nama

: Doni Haryadi

NIM

: 01301 - 029

TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007 Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

FALKUTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

LEMBAR PENGESAHAN

Nama

: DONI HARYADI

Nim

: 01301-038

Jurusan

: Teknik Mesin

Fakultas

: Tehnologi Industri

Judul

: “PENGARUH WAKTU TAHAN PROSES NITROCARBURIZING DENGAN MENGGUNAKAN DAPUR FLUIZED BED TERHADAP KEKERASAN BAJA ASSAB 8407 S (AISI H-13)”

Jakarta,

2007

Mengetahui

IR. FATAH NURDIN. MM Pembimbing Tugas Akhir

Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

FALKUTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

LEMBAR PENGESAHAN

Nama

: DONI HARYADI

Nim

: 01301-038

Jurusan

: Teknik Mesin

Fakultas

: Tehnologi Industri

Judul

: “PENGARUH WAKTU TAHAN PROSES NITROCARBURIZING DENGAN MENGGUNAKAN DAPUR FLUIZED BED TERHADAP KEKERASAN BAJA ASSAB 8407 S (AISI H-13)”

Jakarta,

September 2007 Mengetahui

NANANG RUHIYAT. ST.MT Koordinator Tugas Akhir


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

LEMBAR PERNYATAAN

Saya yang bertanda tangan dibawah ini :

Nama

: Doni Haryadi

Nim

: 01301-029

Jurusan

: Teknik Mesin

Fakultas

: Teknologi Industri

Menyatakan bahwa karya ilmiah / Skripsi yang berjudul :

“PENGARUH

WAKTU

TAHAN

PROSES

NITROCARBURIZING

DENGAN MENGGUNAKAN DAPUR FLUIZED BED TERHADAP KEKERASAN BAJA ASSAB 8407 S ( AISI H-13 )”

Menyatakan bahwa sunguh-sunguh bahwa tugas akhir ini adalah hasil karya sendiri bukan salinan ataupun duplikat dari orang lain, kecuali pada bagian yang telah disebutkan sumbernya.

Jakarta, September 2007

DONI HARYADI


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

ABSTRAK

Dalam

penelitian

ini

dipelajari

pengaruh

waktu

tahan

proses

Nitrocarburizing dengan menggunakan dapur Fluidized Bed pada temperature 570o C, menggunakan gas dengan komposisi N2 49 %, NH3 50 % dan Lpg 1% dengan waktu tahan masing-masing selama 1 jam, 2 jam, dan 3 jam. Tahapan proses Nitroburizing yang dilakukan meliputi perpanasan (preheating) I pada suhu 600o C dengan lama 15 menit dan preheating II pada suhu 860o C dengan lama waktu 15 menit. Untuk mencegah terjadinya retak dan distorsi, kemudian dilakukan Austenisasi pada suhu 1000o C dengan waktu penahanan 60 menit, kemudian di dinginkan dalam serbuk alumina selama 15 menit dan selanjutnya di temper. Proses temper I dilakukan pada temperature 570o C dengan waktu tahan 90 menit di dinginkan di udara terbuka selama kurang lebih 1 hari. Temper II dilakukan pada temperature 595oC dengan waktu tahan 135 menit. Setelah diikuti dengan proses Nitrocarburizing pada suhu/ temperature 570o C dengan lama waktu tahan masing – masing 1 jam, 2 jam dan 3 jam. Hasil proses Nitrocarburizing pada 570o C dan waktu tahan 3 jam menghasilkan ketebalan lapisan dan kedalaman Nitrocarburizing yang tinggi hal ini dipengaruhi oleh kemampuan penetrasi nitrogen serta carbon kedalam baja, sehingga dapat menghasilkan kekerasan baja dari 140 HV menjadi 612 HV.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap puji syukur kehadirat Allah SWT karena atas berkat, rahmat, hidayah serta bimbingan-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “ Pengaruh Waktu Tahan Proses Nitrocarburizing Dengan Menggunakan Dapur Fluized Bed Terhadap Kekerasan Baja ASSAB 8407 S (AISI H-13) “. Tugas akhir ini dibuat untuk memenuhi salah satu syarat untuk menempuh jenjang S-1 di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercu Buana. Dan pada kesempatan, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Fatah Nurdin. MM, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 2. Bapak Nanang Ruhiyat. ST. MM, selaku Koordinator Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 3. Bapak Ir. Rully Nutranta. M. Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 4. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma. Msc, selaku Dekanat Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana. 5. Kedua orang tua penulis Ayahanda H.Musi Muhamdi dan Ibunda (Alm) Hj.Sinah yang selalu memberikan do’a dan nasehat. 6. Untuk Adinda Siti Muharommah atas kasih sayangnya dan yang selalu memberikan semangat bagi penulis. 7. Team Bug’s yang selalu memberikan dukungan dan semangat bagi penulis. 8. Rekan-rekan Pusgiwa ( FIS ) yang banyak membantu dalam memberikan dukungan dan semangat. 9. Rekan-rekan Teknik Mesin 2001 yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas Akhir baik moral, material, motifasi maupun spirit dan semua pihak yang telah membantu secara langsung maupun tidak langsung.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat untuk penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya. Dan dengan lapang hati penulis menerima segala kritik dan saran. Akhir kata, Wassalam.

Jakarta,

September 2007 Penulis

Doni Haryadi


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL………………………………………………………………..i LEMBAR PENGESAHAN……………………………………………………...ii LEMBAR PERNYATAAN……………………………………………………..iv ABSTRAK………………………………………………………………………..v KATA PENGANTAR…………………………………………………………...vi DAFTAR ISI…………………………………………………………………...viii NOMENKLATUR……………………………………………………………….x DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………xi DAFTAR TABEL…………………………………………………………… xiii DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………………...xiii

BAB I

PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang…………………………………………………….1

1.2

Pembatasan Masalah………………………………………………2

1.3

Tujuan Penelitian………………………………………………….3

1.4

Metode Penelitian…………………………………………………3

1.5

Sistematika Penulisan……………………………………………..4

BAB II

TEORI DASAR

2.1

Klasifikasi Baja Perkakas………………………………………...6

2.2

Karakteristik Baja ASSAB 8407 S (AISI H-13)…………………8

2.3

Pengaruh Unsur Paduan Terhadap Baja ASSAB 8407 S………...8

2.4

Perlakuan Panas Baja ASSAB 8407 S…………………………...11

2.5

Difusi……………………………………………………………..27

2.6

Nitrocarburizing Pada Fluized Bed………………………………34

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1

Bahan Penelitian………………………………………………….39

3.2

Persiapan Sample Dan Penelitian………………………………...40


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

3.3

Proses Nitrocarburizing…………………………………………40

3.4

Pengujian Mikro Struktur……………………………………….43

3.5

Pengujian Mikro Hardenis (Kekerasan Vickers)………………..45

3.6

Pengujian Komposisi Kimia…………………………………….46

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 4.1

Struktur Mikro…………………………………………………..47

4.2

Kedalaman Nitrocarburizing dan Ketebalan Lapisan Putih…….49

4.3

Pengujian Kekerasan……………………………………………54

4.4

Komposisi Kimia……………………………………………….60

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1

Kesimpulan……………………………………………………..62

5.2

Saran……………………………………………………………63

DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………64 LAMPIRAN


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

NOMENKLATUR

Simbol

Keterangan

Satuan

HV

Hardness Vickers

[kg/mm2]

D

Diameter

[mm]

Dg

Diameter Diagonal

[: mm]

l

Lebar

[mm]

P

Tekanan

[kg/mm2]

p

Panjang

[mm]

t

Tebal

[mm]

T

Tinggi

[mm]

T

Temper

[oC]

µ

Micron

[10-3 mm]

4

Waktu

[menit]


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1

: Diagram Alir perlakuan panas baja H-13

11

Gambar 2.2

: Pengaruh kadar Cr pada daerah austenit

13

Gambar 2.3

: Pengaruh kadar Mn pada daerah austenit

13

Gambar 2.4

: Bagan system Fe-C-Cr

14

Gambar 2.5

: Kekerasan, besar butir dan austenit sisa sebagai Fungsi temperature

Gambar 2.6

15

: Pengaruh dari temperature austensi dan holding Time pada besar butir baja H-13

17

Gambar 2.7

: Diagram TTT untuk baja ASSAB 8407 S (AISI H-13) 18

Gambar 2.8

: Diagram CCT untuk baja H-13, austrenitisasi pada 1030oC selama 15 menit

Gambar 2.9

19

: Pengaruh Temperatur temper terhadap kekerasan Pada baja H-13

21

Gambar 2.10 : Kurva temper untuk baja H-13 (Bofors ROP 19)

22

Gambar 2.11 : Kurva Induk

23

Gambar 2.12 : Pengaruh waktu pada temperature temper untuk baja ASSAB 8407 S

24

Gambar 2.13 : Mekanisme Kekosongan

25

Gambar 2.14 : Mekanisme Sisipan

26

Gambar 2.15 : Mekanisme pertukaran dan cincin

27

Gambar 2.16 : Fluk dan konsentrasi gradient

29

Gambar 2.17 : Konsentrasi dari suatu partikel

30

Gambar 2.18 : Hukum Fick II

31

Gambar 2.19 : Diagram Keseimbangan biner system besi-nitrogen

34

Gambar 3.1

: Tahapan Penelitian

38

Gambar 3.2

: Bentuk dan ukuran sample

40

Gambar 3.3

: Tahap proses Heat Treatment

42


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1

: Klasifikasi Baja Perkakas

7

Tabel 2.2

: Waktu penahanan (Menit) pada suhu pengerasan

16

Tabel 2.3

: Hubungan antara temperature austenitisasi Holding Time dan kekerasan baja ASSAB (H-13)

17

Tabel 2.4

: Data Difusi Beberapa macam logam

28

Tabel 3.1

: Waktu tahan terhadap proses Nitrocarburizing

40

Tabel 4.1

: Kedalaman Nitrocarburizing/ketebalan lapisan

53

Tabel 4.2

: Hasil uji kekerasan, awal non Nitrocarburizing

55

Tabel 4.3

: Hasil uji kekerasan, waktu tahan proses 1 jam

56

Tabel 4.4


57

Table 4.5


57

Table 4.6

: Komposisi Kimia

60


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

DAFTAR LAMPIRAN

Gambar foto A1

: Struktur Mikro sample awal baja ASSAB 8407 S non Nitrocarburizing pembesaran 100x

Gambar foto A2

: Sampel awal baja ASSAB 8407 S bagian tepi pembesaran 500x

Gambar foto A3

: Sampel awal baja ASSAB 8407 S bagian tengah pembesaran 500x

Gambar foto A4

: Foto baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 1 jam proses nitrocarburizing pembesaran 100x

Gambar foto A5

: Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 1 jam bagian tepi proses nitrocarburizing pembesaran 500x

Gambar foto A6

: Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 1 jam bagian tengah proses nitrocarburizing pembesaran 500x

Gambar foto A7

: Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 2 jam proses nitocarburizing pembesaran 100x

Gambar foto A8


Gambar foto A9

: Baja ASSSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 2 jam bagian tengah proses nitrocarburizing pembesaran 500x

Gambar foto A10

: Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 3 jam proses nitrocarburizing pembesaran 100x

Gambar foto A11



Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar foto A12

: Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 3 jam bagian tengah proses nitrocarburizing pembesaran 500x

Gambar foto B13

: Mesin Hardness Vickers (HV) Uji Kekerasan

Gambar foto B14

: Mesin Grinding

Gambar foto B15

: Mesin Struktur Mikro

Gambar foto B16

: Mesin Polishing Ferrous


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB I PENDAHULUAN

I.1.

Latar Belakang Penelitian Perkembangan sektor industri mesin dan logam dewasa ini semakin

menunjukkan kemampuan yang mengembirakan. Usaha pemerintah ditunjukkan sebanyak mungkin menggunakan produksi dalam negeri, terutama untuk mendorong tumbuhnya aneka macam industri disamping peningkatan kuantitas dan kualitas yang dihasilkan agar mampu bersaing dipasaran bebas. Peralatan industri logam dan komponen mesin yang terbuat dari logam, mempunyai permasalahan bukan hanya dalam soal keuletan tetapi juga dalam masalah keausan, erosi, daya tahan terhadap korosi dan lain-lain. Untuk mengatasi kesulitan tersebut, salah satu cara yang digunakan adalah dengan mengeraskan permukaan baja serta tetap mempunyai keuletan yang tinggi. Dikenal beberapa metode pengeras baja diantaranya adalah: Karburasisasi, Karbonitriding, Cyaning, Nitrocarburizing dan sebagainya. Baja H-13 termasuk baja perkakas panas ( baja kelompok H ) setara dengan ASSAB 8407 S yang dalam hal pengoperasiannya banyak dipergunakan untuk industri logam seperti peralatan cetak tekan, ekstrusi dan lain-lain. Oleh karenanya, agar dalam pengoperasian tidak menemui kegagalan-kegagalan yang dapat merugikan, maka baja harus mempunyai karakteristik dan persyaratan-persyaratan tertentu, antara lain :


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

-

Ketahanan aus yang baik

-

Ketangguhan yang tinggi

-

Kekerasan

-

Keuletan

-

Kekenyalan

-

Mampu mesin yang baik dan lain-lain. Untuk dapat diperoleh sifat-sifat yang diinginkan tersebut maka salah satu

cara yang digunakan adalah Perlakuan Panas ( Heat Treatment ) terhadap baja yang bersangkutan sehingga diperoleh sifat-sifat mekanis yang optimum. Dalam penelitian ini dilakukan penelitian terhadap pengerasan permukaan Baja H-13 dengan metode Nitorcarburizing. Proses Nitrocarburizing adalah perlakuan termokimia yang melibatkan penambahan unsur nitrogen dan carbon dengan cara difusi terhadap permukaan material ferrous pada suatu temperatur tertentu dimana telah terbentuk phase ferrite secara lengkap. I.2.

Pembatasan Masalah Pada penelitian ini, material yang digunakan adalah Baja ASSAB 8407 S

(AISI H-13) dengan cara pengerasan permukaan melalui Chemical Heat Treatment dan metode yang digunakan adalah Nitrocarburizing. Proses Nitrocarburizing dilakukan pada temperatur 570o C didalam dapur Fluidized Bed, dengan komposisi gas yang digunakan adalah N2 sebanyak 49%, NH3 sebanyak 50% dan LPG sebanyak 1%. Parameter yang digunakan adalah


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

waktu tahan proses selama 1 jam, 2 jam dan 3 jam. Pengujian yang dilakukan adalah : 1. Struktur Mikro ( Mikroskop optic ). 2. Kedalaman Nitrocarburizing dan ketebalan lapisan putih. 3. Kekerasan Mikro. 4. Komposisi Kimia.

I.3.

Tujuan Penelitian. 1. Untuk mengetahui pengaruh waktu tahan Nitrocarburizing dalam meningkatkan kekerasan Baja ASSAB 8407 S ( AISI H-13 ). 2. Untuk memenuhi persyaratan kelulusan sarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri di Universitas Mercu Buana

I.4.

Metode Penelitian Untuk memenuhi kebutuhan konsumen akan produk baja yang bermutu

perlu dipahami akan sifat-sifat baja dan metode yang perlu digunakan untuk meningkatkan kualitas baja sehingga baja yang dihasilkan memenuhi keinginan konsumen. Untuk itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut. Secara garis besar metode penelitian yang digunakan adalah sebagai berikut :


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

1. Pembuatan Benda Uji. 2. Material yang digunakan sebagai objek penelitian adalah Baja ASSAB 8407 S (AISI H-13). 3. Proses Nitrocarburizing dilakukan pada temperatur 570o C didalam dapur Fluized Bed, dengan komposisi gas yang digunakan adalah N2, sebanyak 49%, NH3 sebanyak 50% dan LPG sebanyak 1%. Parameter yang digunakan adalah waktu tahan proses selama 1 jam, 2 jam dan 3 jam. Kemudian dilakukan pengujian dan pengamatan terhadap : 1. Struktur Mikro. 2. Kedalaman Nitrocarburizing dan ketebalan lapisan putih. 3. Kekerasan Mikro. 4. Komposisi Kimia.

I.5.

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan ini bertujuan untuk memberi gambaran tahap-tahap

dalam penulisa Tugas Akhir ini yang dilakukan bab demi bab. Sistematika tersebut adalah sebagai berikut : BAB I

PENDAHULUAN - Latar belakang penelitian - Pembatasan masalah - Tujuan penelitian - Metode penelitian - Sistematika penulisan


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB II TEORI DASAR - Klasifikasi baja perkakas - Karateristik baja ASSAB 8470 S ( AISI H-13 ) - Pengaruh unsur paduan tehadap baja ASSAB - Perlakuan panas baja ASSAB 8470 S - Difusi - Nitrocarburizing BAB III METODOLOGI PENELITIAN - Bahan penelitian - Persiapan sample penelitian - Proses Nitrocarburizing - Pengujian Mikro Stuktur - Pengujian Mikro Hardenis - Pengujian komposisi kimia BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN - Struktur Mikro - Kedalaman Nitrocarburizing - Pengujian Kekerasan - Komposisi Kimia BAB V KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB II TEORI DASAR

2.1.

Ilmu Logam dan Paduan Ilmu logam adalah suatu ilmu pengetahuan yang mencakup seluruh

pengetahuan tentang logam-logam pada umumnya. Pada garis besarnya ilmu logam itu dapat didefinisikan sebagai ilmu pengetahuan yang menerangkan tentang, sifat-sifat dan struktur logam , pembuatan, pengerjaan dan penggunaan dari logam-logam serta paduan-paduan. Ilmu logam dapat dibagi menjadi dua bagian utama yaitu : 1. Ilmu logam produktif (ekstraktif), yaitu yang menerangkn tentang dasar-dasar pengolahan dan penyelidikan dari biji logam. 2. Ilmu logam fisik (adaptif), yaitu yang menerangkan tentang dasar-dasar pengetahuan logam, sifat-sifat dan struktur dari logam dan paduan sehingga dapat membantu dalam memilih logam dan paduan untukk penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Ilmu logam pada mulanya didapat berdasarkan emperis atau pengalamanpegalaman belaka, dan setelah diadakan penelitian dan penyelidikan yang bertahun-tahun didapatlah penemuan baru dalam memisahkan logam (unsurunsur) dari biji-biji logam, sehingga dengan penemuan-penemuan ini didapatlah kemajuan yang pesat dalam ilmu pengetahuan ilmu logam (metallogi). Juga dari hasil penyelidikan dan penelitian ilmu logam dapat di bagi menjadi dua bagian yang lebih khusus lagi yaitu : a. Metallurgi yang menerangkan tentang cara-cara pemisahan logam dari ikatan unsur-unsur atau cara-cara pengolahan logam secara teknis, sehingga diperoleh suatu jenis logam atau logam paduan untuk memenuhi kebutuhan tertentu.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

b. Metallografi yang menerangkan tentang cara-cara penyelidikan logam untuk mengetahui sifat-sifat, struktur, temperatur dan prosentase campuran dari pada logam atau logam paduan. Dalam pemilihan logam paduan untuk dipergunakan dalam lapangan teknik haruslah memenuhi syarat-syarat mekanik, kimia, teknologi dan ekonomi, tetapi adakalanya penggunaan logam dapat juga dilakukan dengan memenuhi batas-batas

tertentu misalnya mempunyai kemampuan (kapasitas), ketahanan

(umur) dan sebagainya. Jadi jelaslah bahwa penggunaan suatu logam atau paduan-paduan sebagai bahan-bahan dasar untuk lapangan industri permesinan, elektronik, kimia, dan lain sebagainya, memerlukan persyaratan yang harus dipenuhi, sehingga kerugian yang ditimbulkan akibat kesalahan dalam pemilihan, penggunaan dari bahan logam dan paduan dapat dihindarkan. Berdasarkan unsur-unsur dasar yang banyak terdapat dalam logam dan paduan, maka logam dan paduan dapat dibagi menjadi dua golongan utama yaitu : 1. Logam Non Ferro Logam dan paduan yang tidak mengandung besi (Fe) dan carbon (C) sebagai unsur dasar dapat digolongkan ke dalam logam dan paduan non ferro. Jenisjenis dari pada logam dan paduan non ferro yang terutama adalah : alumanium (Al), magnesium (Mg), tembaga (Cu), seng (Zn), timbel atau timah putih (Pb), timah atau timah putih (Sn), nikel (Ni), logam-logam mulia (emas, perak,perunggu). Disamping hal tersebut masih terdapat jenis-jenis khusus dari pada logam non ferro seperti : titalium, antimonium, wolfram, molibden, chroom, kobalt, vanadium dan sebagainya. 2. Logam Ferro Logam ferro disebut juga besi carbon atau baja carbon dimana unsur dasarnya terdiri dari unsur besi/baja (Fe) dan carbon (C), tetapi disamping itu masih terdapat unsur-unsur lain seperti : sisilium (Si), mangan (Mn), posfor (P), dan sulfur. Unsur-unsur campuran tersebut sangat mempengaruhi sifat-sifat dan berat jenis dari pada logam ferro, sehingga prosetanse campurannya harus selalu dibatasi. Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2.2

Klasifikasi Baja Perkakas Seperti telah kita ketahui bersama bahwa baja perkakas mempunyai kelas

atau jenis yang sangat luas, yang pada penggunaannya ditujukan untuk pengerjaan dan pembentukan logam. Telah dikenal beberapa metode untuk mengklasifikasi bermacam-macam jenis baja perkakas, diantaranya adalah sebagai berikut : a. Menurut media celup yang digunakan : - Baja pengerasan air ( water gardening ) - Baja pengerasan ( oil hardening ) b. Menurut kandungan elemen paduan : - Baja perkakas carbon ( Carbon tool steel ) - Baja perkakas paduan rendah ( low alloy tool steel ) c. Menurut kegunaannya : - Baja pengerjaan panas ( Hot work tool steel ) - Baja pengerjaan dingin ( Cold work tool steel ) - Baja kecepatan tinggi ( High speed tool steel ) - Baja tahan impak ( Shock resisting tool steel )


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Group

Symbol and Type

Water-hardening

W

Schock-resisting

S

Cold-work

O Oil-hardenig A Medium-alloy air-hardening D High-carbon high-chromium

Hot-work

H ( H1-H19, incl., chromium-base; H20-H39, incl., tungsten-base; H40-H59, incl., molybdenum-base )

High-speed

T Tungstane-base M Molydenum-base

Mold

P

Mold steels ( P1-P19, include., low carbon; P20-P39, incl., other type )

Special-purpose

L Low-alloy F Carbon-tungsten

Tabel 2.1 Klasifikasi Baja Perkakas

American Iron and steel Institute ( AISI ) membuat klasifikasi dengan mengelompokan ke dalam 7 ( tujuh ) kelompok utama dan diberi symbol seperti ditunjukan oleh table 2.1.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2.2.1. Karakteristik Baja H-13 Baja H-13 termasuk dalam kelompok baja perkakas panas ( kelompok H) dengan komposisi kimia sebagai berikut : UNSUR

C

Si

Cr

Mo

V

Kadar (%)

0,37

1,0

5,3

1,3

0,9

Baja jenis ini banyak dipergunakan untuk peralatan di Ecasting, Ekstrusi dan lain-lain. Keungulan baja H-13 adalah : -

Mempunyai ketahan yang baik terhadap peningkatan temperatur yang tibatiba ( Thermal Shock )

-

Kekerasan panas

-

Ketahanan Aus

-

Stabilitas Dimensi

-

Ketangguhan

-

Kekuatan Tarik Panas

2.3.

Pengaruh Unsur Paduan terhadap baja ASSAB 8470 S ( AISI H-13 )

2.3.1. Carbon Carbon merupakan elemen campuran / paduan baja ( Steel Alloy Element)


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

yang sangat penting dan juga pengaruhnya sangat besar. Selain dari carbon, setiap baja yang tidak mengandung paduan ( Unalloyd Steel ), mengandung juga unsurunsur Silicon, Manganese, Phosphor, dan Sulphur. Dua unsur terakhir terdapat dalam baja dengan tidak sengaja dalam pembuatannya. Sebagai face element seperti Si, Mn, atau lainnya dimaksudkan untuk mendapatkan/menghasilkan pengaruh yang khusus dari bahan tersebutt sebagaimana dikehendaki oleh sipembuat baja itu. Bertambahnya unsur Mangan dan Silicon seperti yang dihendaki sangat penting dan berguna bagi baja paduan ( Alloyed Steel ). Bilamana unsur carbon bertambah jumlahnya, ini akan menyebabkan kekuatan mekanis dan kemampuan kekerasannya akan bertambah pula. Tetapi dilain pihak sifat plastisnya ( keuletannya ) penempaan ( forging ), penyambungan ( welding ), serta kemampuan pemotongannya ( Cutting ) malahan menjadi berkurang.

2.3.2. Silicon Silicon mempunyai titik lebur 1414o C juga terdapat pada jenis baja. Hal ini dikarenakan pada saat pembuatan baja tersebut yang berasal dari biji besi (Iron ores) mengandung unsur-unsur Silicon. Selain itu juga Silicon yang berasal dari kikisan tanur akan turut tercampur pula kedalamannya. Silicon sendiri sebenarnya bukanlah logam, melainkan sejenis dengan apa yang dinamakan Metaloid seperti juga Phosphor dan Sulfur. Dengan demikian adanya unsur Silicon akan memperkuat/menambah kekuatan mekanis serta keadaan baja pun akan menjadi


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

lebih keras, menambah kekenyalan, ketahanan aus, ketahanan terhadap panas dan keras. Sedangkan sifat lainnya adalah menurukan regangan.

2.3.3. Chromium Chromium yang mempunyai titik lebur 1920oC juga menambah unsur kekuatan pada baja, sedangkan keuletannya tidak menjadi terganggu, Chromium banyak mempengaruhi daya tahan baja terhadap oksidasi. Semakin banyak terdapat Chromium didalam suatu baja maka baja tersebut akan semakin tahan terhadap aus dan karat, tetapi juga kemampuan pengelasan ( welding ) menjadi berkurang karena Chromium cenderung untuk membentuk Carbide. Daya rentang baja akan naik tetapi tidak mengikuti ukuran yang sama, dan nilai pengaruh tarikannya akan berkurang.

2.3.4. Molibdenum Kebanyakan dipadu dengan baja dalam ikatan dengan Cr, Ni dan V. mempunyai sifat meningkatkan kekuatan tarik, batas rentang, kesudian temper menyeluruh, ketahanan panas dan kelelahan. Sifat lainnya adalah menurunkan regangan dan kerapuhan pelunakan.

2.3.5

Vanadium Mempunyai sifat meningkatkan kekuatan, batas rentang, keuletan,

kekuatan panas dan ketahanan lelah, suhu pijar pada perlakuan panas. Sifat


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

lainnya adalah menurunkan kepekaan terhadap sengatan panas yang melewati batas pada perlakuan panas.

2.4.

Perlakuan Panas Pada Baja ASSAB 8470 S ( AISI H-13 ) Perlakuan panas pada baja ditujukan untuk mendapatkan suatu kekerasan

dan keuletan yang sesuai dengan yang diharapkan ( proses hardening ). Secara umum proses perlakuan panas pada baja H-13 dapat digambarkan sebagai berikut :

Heat-treatment

Quenc : A

AISI-H13

Austenitize 9950 – 10400 C

Temper 5000 – 6500 C Double minimum

Pre-heat 8150 C

Final grind to size

Gambar 2.1. Diagram alir perlakuan panas baja H-13


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2.4.1

Pemanasan Awal Pemanasan awal dilakukan pada suhu 600oC – 850oC, dicapai dengan

pelahan-lahan. Proses preheating ini sangat penting mengingat Baja H-13 termasuk baja dengan kadar paduan relatif cukup tinggi dan temperatur ausitenisasi Baja H-13 cukup tinggi yaitu 980oC – 1080oC. Elemen seperti Mo akan mengurangi konduktifitas panas pada baja. Dengan melakukan panas awal, akan dicapai keseimbangan panas antar daerah bagian inti baja. Pemanasan awal ini akan memberikan baja waktu yang cukup untuk mencapai keseimbangan panas dan memperkecil resiko pemanasan yang berlebihan sampai mencapai temperatur ausitenisasi. Selain itu, selama pemanasan sampai tahap temperatur pemanasan perlu diciptakan lingkungan ( environment ) yang baik agar tidak terjadi karburisasi atau dekarburisasi. Adanya dekarburisasi menyebabkan menurunnya kekuatan, keuletan dan ketahanan aus pada baja. Dengan dilakukannya proses pemanasan awal ini diharapkan akan terhindar dari kemungkinan terjadinya retak dan distorsi yang mungkin terjadi sebagai akibat kejutan panas yang dialami baja bilamana langsung dipanaskan sampai temperatur ausitenisasi yang cukup tinggi.

2.4.2. Ausitenisasi dan Diagram Keseimbangan Fe-C-Cr Suhu ausitenisasi baja H-13 cukup tinggi 980oC – 1080oC. Elemen terpenting yang mempegaruhi temperatur ausitenisasi adalah kadar paduan Cr, Mo, Si dan Mn. Kadar Cr, Mo dan Si yang tinggi akan memperkecil daerah


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

temperatur austenit (lihat gambar 2.2) sedangkan Mn yang tinggi akan memperbesar daerah austenit ( lihat gambar 2.3 ).

Gambar 2.2

Pengaruh kadar Cr pada daerah austenit. Kadar Cr yang semakin besar akan memperkecil daerah austenit.

Gambar 2.3

Pengaruh kadar Mn pada daerah austenit. Kadar Mn yang semakin besar akan memperbesar daerah austenit.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Perubahan fasa dsan karbida ( stabil ) yang terjadi selama periode pengerasan dapat dilihat pada gambar 2.4. Pada pemanasan sekitar 700oC, terbentuk fasa ( ferit ) dan karbida ( CrFe)7C3. Jika pemanasan diteruskan, maka terbentuk austenit pada sekitar 760oC. Disini terdapat tiga fasa yang terdiri dari (ferit ) + ( austenit ) + paduan karbida. Daerah ini tetap dipertahankan sampai mencapai temperatur 782oC. Pada titik ini, matrik terdiri dari ( austenit ) lengkap dengan Chromium Karbida (CrFe)7C3.

Gambar 2.4 Bagan system Fe-C-Cr paduan mengandung 5% Chromium.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Proses ini terus berlangsung sampai temperatur yang jauh lebih tinggi yang akhirnya melarut pada temperatur sekitar 1100oC. Mulai temperatur tersebut seluruh matrik adalah austenit. Temperatur austenisasi berpengaruh terhadap kekerasan, besar butir dan jumlah austenit sisa. Hal ini dapat kita lihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Kekerasan, besar butir dan austenit sisa sebagai fungsi temperatur Austenisasi pada baja H-13. (2)

2.4.3. Waktu Austenisasi ( Holding Time ) Selain temperatur, maka pada proses austenisasi harus diperhatikan maksud waktu austenisasi ( Holding Time ). Baja H-13 ini mengandung karbida yang tidak langsung larut sampai sekitar temperatur 1000oC. Pada temperatur tinggi ini perubahan butir berlangsung agak cepat dan untuk ini holding time perlu dibatasi.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Berikut ini pedoman pemilihan ukuran untuk menentukan “Holding Time” untuk Baja ASSAB Swedia serta pada suhu pengerasan ( lihat table 2.2 ).

Tabel 2.2. Waktu penahan ( menit ) pada suhu pengerasan

Ukuran

K.100

DF1/DF2

XW5

Mm

760

705/709

xw41

xw10

M4

8407

HSP

STAVAX

ASP

Temper

718

6

4

5 - 10

12 -20

10

14-20

15

4

60

12

6

10

20

12

20

20

5

60

18

8

18

25

18

30

25

6

60

25

10

20

30

20

40

25

8

60

38

15

25

35

22

60

30

10

70

50

15

35

40

25

60

35

12

80

75

15

40

45

35

50

40

90

100

15

40

50

40

55

45

100

125

15

45

50

40

55

45

120

150

15

45

60

40

65

50

140

175

15

45

60

45

65

50

160

200

15

45

60

45

65

50

180

Pedoman pemilihan ukuran untuk menentukan “Holding Time”


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 2.6 Pengaruh dari temperatur austenisasi dan Holding time pada besar butir baja H-13. (2) Karena baja ini mempunyai kadar V yang tinggi, tidak terlalu mudah mengalami pertumbuhan butir. Bilangan besar butir setelah pengerasan menunjukkan pada paling sedikit 7 ASTM. Tabel 2.3. menunjukkan hubungan antara temperatur austenitisasi, waktu holding dan kekerasan pada baja ASSAB 8407 S (H-13). Tabel 2.3. Temperatur

Holding Time

Hardness before

C

F

in minutes

tempering

980 1050 1080

1800 1920 1975

45 30 15

50 + 3 HRC 53 + 3 HRC 55 + 3 HRC

Hubungan antara temperatur austenitisasi Holding time dan kekerasan baja ASSAB (H -13)


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2.4.4

Diagram Isotermal TTT dan CCT Diagram TTT dan CCT adalah diagram yang menggambarkan fasa-fasa

hasil transformasi dari austenit secara pendinginan kontinu dan transformasi secara isoternal. Diagram kesetimbangan besi-besi karbida hanya menggambarkan fasafasa hasil transformasi pada keadaan kesetimbangan. Sedangkan waktu dan transformasi austenit mempunyai pengaruh pada sifat-sifat baja yang akan dihasilkan, selanjutnya proses transformasi berlangsung pada kondisi tidak seimbang. Untuk mengatasi kelemahan tersebut dibuatlah diagram transformasi isothermal yang dapat digunakan untuk mempelajari kinetika transformasi dari fasa-fasa, menentukan waktu awal tertentu dan memilih kondisi yang diperlukan. Pada baja ini, diagram TTT ditunjukan seperti pada gambar 2.7, dimana terlihat transformasi isotermal yaitu perlit, bainit, awal dari pembentukan martensit. Sumbu vertical adalah temperatur dan sumbu horizontal adalah waktu transformasi dengan skala logaritma.

Gambar 2.7. Diagram TTT untuk Baja ASSAB 8407 S ( AISI H-13 )


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Untuk menganalisa transformasi fasa-fasa pada kondisi pendingin kontinu (proses ini umum dalam metalurgi) ternyata diagram TTT hanya sedikit sekali berperan

dan

hanya

sedikit

memberi

kesimpulan-kesimpulan

kualitatif.

Kekurangan diagram TTT dapat diatasi dengan membuat diagram CCT, yang menggambarkan informasi fasa selama pendinginan kontinu. Pada gambar 2.8, terlihat diagram CCT pada baja H-13 untuk temperature austenitisasi 1030o C dan waktu holding 15 menit, menunjukan bahwa dengan naiknya temperatur pengerseran, semakin banyak karbida yang larut dalam larutan padat. Pada baja H-13 ini, sebagai akibat dan bilamana baja didinginkan maka terlebih dahulu terjadi pembentukan perlit dan bainit.

Gambar II.8. Diagram CCT untuk Baja H-13, Austrenitisasi pada 1030oC, selama 15 menit ( darei atlas Zur warmebehandlungder stahle ).


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

A = Austenit, B = Bainit, K = Karbida, F = Ferit, = Austenit sisa, P = Perlit, Ms = Awal dari pembentukan martensit

2.4.5 Temper Temper adalah suatu proses untuk memperoleh kombinasi sifat kekuatan, kekerasan, dan keteguhan. Sebagaimana kita ketahui setelah mengalami proses austentisasi maka baja akan mempunyai sifat keras, rapuh, dan tidak stabil. Sifat yang tidak menguntungkan ini dapat diperbaiki dengan proses temper. Proses temper dilakukan dengan pemanasan kembali baja pada temperature dibawah daerah transformasi dan dilanjutkan dengan pendinginan diudara. Dengan proses ini maka Baja H-13 yang mempunyai kecenderungan penggeseran sekunder pada temperature sekitar 5000oC melalui presipitasi paduan karbida akan menambah kekerasan dan ketahanan aus. Sedangkan sifat ketangguhan dapat ditingkatkan akibat pengeluaran tegangan pencelupan dan pelunakan struktur martensit. Secara umum diinginkan mentransformasikan seluruh austenit sisa menjadi martensit. Untuk itu dapat dilakukan dua atau tiga kali operasi temper sehingga diperoleh hasil yang maksimum. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses temper adalah : a. temperature temper b. waktu temper


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

a. Pengaruh Temperatur Temper Pada penemperan baja pada temperature 500oC akan terjadi pengerasan sekunder seperti terlihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Pengaruh Temperatur Temper terhadap kekerasan pada baja H-13

Pada temperature 500oC kekerasan terlihat meningkat sedangkan austenit sisa menurun, kekerasan meningkat disebabkan terjadinya presipitasi karbida dan terjadinya transformasi austenit sisa menjadi martensit, oleh sebab itu maka austenit sisa menjadi berkurang. Terjadinya prestipitasi karbida disebabkan adanya elemen pembentukan karbida yang stabil dari Cr, Mo dan V. b. Waktu Temper Pada proses temper, transformasi martensit dan austenit sisa tidak hanya bergabung kepada temperature tetapi juga faktor waktu sering kali mempunyai


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

efek yang sangat besar. Hollomon dan jafee telah menyelidiki hubungan faktor waktu temperature ini, dan telah mengembangkan sebagai parameter temper P. P = T ( k + log t ) Di mana : P = parameter yang dihubungkan dengan proses temper T = temperature ( oK ) k = konstanta t = waktu ( jam ) harga konstanta k di ambil angka 20 yang cocok untuk semua baja. Hubungan antara sederetan waktu dan temperature temper baja H-13 ditujukkan pada gambar 2.10.

Gambar. 2.10. Kurva temper untuk baja H-13 (Bofors ROP 19) Pada temperature yang tertentu untuk sederetan waktu yang berlainan.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Untuk temperature sampai 450oC, waktu mempunyai efek yang sangat kecil dalam mempengaruhi kekerasan bajaini. Akan tetapi pada temperature yang lebih tinggi, faktor waktu amat penting. Angka-angka yang dicapai gambar 2.10. dapat diringkas kedalam kurva induk (master curve) yang terlihat pada gambar 2.11. karena grafik jenis ini jarang dipakai, kemudian digunakan jenis baru dari grafik mendatar ( horizontal ).

Gambar 2.11. Kurva induk (kekerasan sebagai fungsi dari parameter temper untuk baja H-13 (Bofors ROP 19) Gambar 2.12 dibawah ini memperlihatkan efek waktu pada temperature tempering dari baja ASSAB 8407 (H-13).


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 2.12. Pengaruh waktu pada temperature temper untuk baja ASSAB 8407. (2) 2.5. Difusi 2.5.1. Pengertian Difusi dalam Logam Difusi adalah gerakan atom dalam bahan atau berpindahnya atom-atom yang terdapat dalam suatu material. Gerakan

atom

dalam

suatu

bahan

sebenarnya

suatu

peristiwa

untuk

menghilangkan perbedaan konsentrasi dalam bahan untuk membentuk suatu komposisi bahan yang homogen. 2.5.2. Difusi Mekanisme Dalam proses gerakan atom-atom dari tempat asalnya ke tempat lain yang kosong atau ke tempat antara (celah) atom yang lain, dibedakan difusi mekanisme yang terjadi atas 3 bentuk, yaitu :


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

1. Mekanisme kekosongan (vacancy) 2. Mekanisme sisipan (interstisi) 3. Mekanisme bentuk lain

1. Mekanisme Kekosongan (Vacancy) Difusi terjadi akibat pergerakan atom-atom kosong yang terdekat dengannya. Hal ini dapat berlangsung apabila atom yang bergerak menuju tempat atom kosong tersebut memiliki sejumlah energi tertentu (energi aktivitas). Energi ini diperlukan untuk dapat mengatasi tekanan dari dua atom tetangga, seperti diperlihatkan oleh gambar berikut :

Gambar 2.13. Mekanisme Kekosongan(5) Pada gambar 2.13. terlihat atom (1) bergerak menuju tempat atom kosong di sebelahnya dengan terlebih dahulu harus melewati tekanan atom (2) dan (3). Mekanisme difusi demikian dikenal pula sebagai mekanisme “swadifusi” bila terjadi dalam padatan murni (memiliki unsure kimia sama).


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2. Mekanisme Sisipan (Interstisi) Mekanisme Interstisi dapat terjadi pada logam-logam yang terdiri dari dua atau lebih unsure paduan dengan ukuran atom yang berbeda. Atom yang lebih besar menempati posisi kisi, sedangkan atom yang lebih kecil menempati tempat kosong (interstices) yang terbentuk diantara kisi-kisi atom yang lebih besar. Pada proses nitrocarburizing, atom nitrogen dan carbon merupakan atom interstisi.

Gambar 2.14. Mekanisme Sisipan(5) 3. Mekanisme Bentuk Lain Difusi tipe ini biasanya jarang terjadi, memang dalam beberapa hal dapat terjadi, yaitu apabila suatu atom dari susunan atom yang sama meninggalkan tempatnya dan bergerak memasuki celah-celah atar atomnya, memang akhirnya akan terjadi kekosongan atom. Pada peristiwa ini tidak terdapat kekosongan atom, perhatikan gambar 2.15.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 2.15. Mekanisme Pertukaran dan Cincin.(5)

3.4.3. Energi Untuk Difusi Suatu atom yang berdifusi kepadanya harus dipaksa untuk bergerak melalui ataom-atom lain yang mengelilinginya. Agar maksud ini dapat tercapai, maka kepadanya harus diberikan suatu energi. Susunan atom yang dalam keadaan stabil biasanya bergerak dan berpindah ke tempat baru, ia harus mematahkan barier energi tertentu, barier energi itu disebut aktivasi. Jadi, aktivitasi adalah suatu takaran bentuk energi yang menunjukkan kemampuan suatu atom untuk berdifusi. Dalam keadaan biasa energi yang diperlukan oleh atom sisipan untuk bergerak menembus atom-atom yang mengelilingi akan lebih kecil dibandingkan dengan energi yang diperlukan oleh suatu atom untuk mengisi kekosongan, dengan perkataan lain dapat disimpulkan, bahwa energi untuk difusi sisipan lebih kecil daripada energi yang diperlukan untuk difusi kekosongan.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Dibawah ini diberikan daftar aktivasi energi untuk berbagai bahan terutama bahan logam yang cukup dikenal dan sering digunakan dalam pemrosesan bahan industri. Dimana Q (kal/mol) adalah besarnya aktivasi energi sedangkan D (cm/s) adalah kecepatan difusi yang berlangsung untuk suatu penampang. Table 2.4. Data Difusi Beberapa Macam Logam Pasangan Difusi

Q (Kal/mol)

D (cm/s)

Fe dalam Fe (kps)

66.700

0,65

Fe dalam Fe (kpr)

58.900

4,10

Cu dalam Cu

49.300

0,36

Ag dalam Ag

45.000

0,80

Au dalam Au

43.000

0,13

N dalam Fe (kps)

34.500

0,0034

C dalam Fe (kps)

32.900

0,23

C dalam Fe (kpr)

20.900

0,011

H dalam Fe (kps)

10.300

0,0063

H dalam Fe (kpr)

3.600

0,0012

Ni dalam Fe (kps)

64.000

4,10

Cu dalam Ni

61.500

0,65

Ni dalam Cu

57.000

2,30

Au dalam Ag

45.500

0,26

1. Difusi Sendiri

2. Difusi Sisipan

3. Difusi Paduan


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

2.5.4. Hukum Difusi Seberapa jauh suatu atom dapat melakukan difusi melalui bidang itu dapat diukur dengan ukuran fluk, yaitu pengukuran sejumlah atom dapat berdifusi melalui suatu luas permukaan bidang persatuan waktu. Pengukuran ini dikenal dengan hokum Fick I, dimana formulanya berbentuk sebagai berikut ini : J = −D

c , dimana berlaku : x

J = fluk (atom/cm2.s) D = koefisien difusi (cm2/s) c = gradien konsentrasi (atom/cm3.cm) x

Perhatikan gambar-gambar dibawah ini yang menjelaskan tentang tingkat difusi diatas dengan lebih jelas.

Gambar 2.16. Fluk dan konsentrasi gradient


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Hukum Fick II menyatakan dinamika dari atom-atom yang berdifusi dan dinyatakan dalam persamaan deferensial : dc d 2 c cs − cx x = 2 sehingga salah satu penyelesaiannya = Def dt dx cs − co 2 Dt

dimana

berlaku : Cs = konsentrasi konstan atom yang berdifusi pada permukaan bahan Co = harga rata-rata konsentrasi pada permulaan difusi atom didalam bahan Cx = harga konsentrasi difusi atom pada daerah dibawah x Dengan pertolongan Hukum Fick II dapat dihitung konsentrasi dari suatu partikel yang berdifusi dekat permukaan suatu bahan sebagai fungsi waktu dan jarak, kemudian didapatkan, bahwa nilai koefisien difusi D tetap dan demikian pula nilai untuk cs, dan co tidak berubah. Perhatikanlah grafik-grafik pada gambar dibawah ini

Gambar 2.17. Konsentrasi dari suatu partikel


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 2.18. Hukum Fick II 2.6

Proses Perlakuan Panas ( Heat Treatment ) Kita dapat memperoleh struktur yang tertentu dengan mengatur perubahan

suhu secara terperinci dan dapat menentukan karakteristik aluminium dan komponen-komponennya. A. Dasar perlakuan panas paduan Baja. Perlakuan panas dan pengerasan paduan baja dapat dilakukan jika sistem diantara larutan padat alfa didaerah sisi baja pada temperatur tinggi merupakan larutan padat dari berbagai komponen kedua yang kelarutannya menurun kalau temperatur diturunkan. Bagi paduan yang memiliki diagram fasa seperti itu kalau paduan pada komposisi tertentu, didinginkan dari larutan padat yang sesuai homogen sampai pada temperatur memotong kurva kelarutan unsur kedua dimana konsentrasinya mencapai jenuh.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Selanjutnya dengan pendinginanyang lebih jauh pada keadaan mendekati keseimbangan, fasa kedua akan terpresipitasikan. Konsentrasi dari larutan dapat berubah tergantung kepada kurva kelarutan dan pada temperatur biasa merupakan suatu campuran antara larutan padat yang jenuh dan fasa kedua. Perubahan sifatsifat dengan berjalannya waktu pada umumnya dinamakan penuaan, apabila proses tersebut berjalan pada temperatur kamar maka disebut penuaan alamiah. Sedangkan bila proses tersebut terjadi pada temperatur lebih tinggi dari temperatur kamar (untuk paduan baja pada 1200 - 180 0 C ) dinamakan penuaan buatan atau penuaan temper. Sesuai dengan perubahan kekerasan sifat mekaniknya pun berubah, pada umumnya kalau pengerasan terjadi, tegangan mulur dan kekuatan tarik meningkat sedangkan perpanjangan menurun. Sejalan dengan itu dengan memanfaatkan perlakuan penuaan yang sesuai akan didapat material yang sangat kuat. B. Pengerasan Kulit Beberapa komponen mesin mempunyai permasalahan bukan hanya dalam soal keuletan tetapi juga dalam kelelahan yang disebabkan keausan permukaan tegangan. Untuk mengatasinya permasalahan tersebut perlu diberikan kekerasan yang lebih tinggi pada permukaannya. Dengan jalan pengerasan kulit hal tersebut dapat diatasi, yaitu dengan pengarbonan, penitridan, pengerasan permukaan dengan arus frekuensi tinggi atau dengan nyala api dan sebagainya.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Proses ini dimaksudkan untuk membuat kulit nitrida pada permukaan aluminium dengan jalan menempatkan baja di dalam tungku yang dialiri gas amoniak dan dipanaskan, sehingga struktur didalamnya tidak berubah. Pengerasan frekuensi tinggi dan pengerasan nyala api. Baja ditempatkan dalam lilitan dan lilitan tersebut dialiri arus dengan frekuensi tinggi dengan demikian permukaan baja terpanaskan. Setelah permukaan baja sampai pada temperatur celup dingin, kemudian baja dicelup dingin untuk mendapatkan permukaan yang keras. Proses ini dinamakan pengerasan frekuensi tinggi. Pengerasan dengan nyala api mempergunakan nyala api yang ditimbulkan oleh gas oksigen dan asetelin untuk memanaskan permukaan baja. Berikut ini diberikan beberapa jenis perlakuan panas yang umum dilakukan : Proses anil ( Annealing ) Proses ini dilakukan dengan memanaskan baja hingga dibawah suhu transformasi (450 °C), yaitu seluruhnya austenit dan kemudian didinginkan dengan perlahan-lahan. Tujuannya adalah untuk melunakkan baja. Normalisasi Memanaskan baja hingga seluruh fasa menjadi austenit dan kemudian didinginkan

di

udara

sampai

mencapai

suhu

kamar,

sehingga

menghasilkan struktur normal dari ferit dan perlit. Pengerasan ( Hardening )


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Memanaskan baja hingga seluruh fasa menjadi austenit dan kemudian didinginkan secara cepat yaitu dengan mencelupkan ke dalam media pendingin seperti air, oli atau media pendingin lainnya. Tujuannya adalah mengeraskan baja. Penemperan (Tempering) Proses pemanasan kembali baja yang telah dikeraskan dengan pencelupan atau yang telah diberikan proses normalisasi. Suhu pemanasannya adalah relatif rendah yaitu di bawah suhu transformasi eutekoid. Tujuannya adalah untuk mengurangi kekerasan logam sehingga keuletan dan ketangguhan logam akan naik

2.7. Nitrocarburizing 2.7.1. Pendahuluan Proses Nitrocarburizing adalah perlakuan termokimia yang melibatkan penambahan unsure nitrogen dan carbon dengan cara difusi terhadap permukaan material ferrous pada suatu temperature tertentu dimana telah terbentuk phase ferrite secara lengkap. Waktu untuk menjalani proses ini biasanya kurang dari 3 jam. Tujuan utama dari perlakuan ini biasanya untuk meningkatkan karakteristik anti gores dari komponen-komponen teknik dengan cara menambahkan suatu persenyawaan pada permukaannya, sehingga permukaan itu memiliki sifat ketahanan keausan/gesekan. Kita dapat melihat perbedaan antara dua proses yang berbeda tetapi memiliki nama yang serupa yaitu nitrocarburizing dan


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

carbonitriding. Carbonitriding terjadi pada baja dalam fhase austenitic, pada temperature diatas 675oC (125oC) Nitrocarburizing dilakukan pada banyak komponen tekhnik seperti textile machinery gears, pump cylinder blocks, nozzles dan lain-lain dimana diperlukan sifat tahan aus. Sedangkan crank-shafts dilakukan proses nitrocarburizing untuk meningkatkan sifat anti kelelahan.

2.7.2. Persiapan-persiapan Treatments Persiapan dalam perlakuan panas dimulai dari pengurangan tegangantegangan untuk mencegah distorsi dengan jalan pemenasan awal (preheating), sampai hardening dan tempering yang berguna untuk untuk meningkatkan kekuatan dari material. Suhu tempering berlangsung pada suhu 25oC (45oF) diatas suhu nitrocarburizing, dimana tujuannya adalah untuk mencegah perubahan sifat material selama proses notrocarburizing berlangsung. Sebelum masuk proses nitrocarburizing, maka setelah tempering, permukaan material yang akan di nitrocarburizing harus dibersihkan agar bebas dari kontaminasi berupa oksid-oksid dan dekarbonisasi, supaya hasil yang diperoleh optimum.

2.7.3. Diagram Keseimbangan Biner Sistem Fe-N Paduan-paduan yang terbentuk dalam keadaan padat pada system biner FeN semuanya terdiri dari 4 fase yang merupakan larutan padat nitrogen dalam besi


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

atau larutan padat besi dalam nitrogen yang diberi symbol-simbol Alpha, Gamma, Gamma Aksen dan Epsilon. Fasa Alpa adalah larutan padat nitrogen dalam fe-alpha. Pada suhu normal, nitrogen larut didalam ferit maksimal hanya 0,015%, sedangkan pada suhu 595oC 0,15%, yakni 10 kali lipat, sehingga untuk melarutkan lebih banyak Fe, suhu logam harus dinaikkan sampai sekitar 595oC. Demikian juga gamma, yakni larutan padat N didalam Fe-Gamma, yang hanya pada suhu 595oC di dalam Fe-Gamma dapat larut maksimal 2,27% N. Pendinginan fasa gamma ini secara perlahan memungkinkan terjadinya fasa eutektikum, yakni merupakan campuran mekanis yang homogen antara kristalkristal halus fasa alpha dan kristal-kristal halus fasa gamma yang rapat terletak bersebelahan dan terjadi hanya pada suhu tetap, yakni pada suhu eutektikum itu sendiri. Bila dikeraskan (hardening) dari suhu austenisasi memungkinkan terjadinya struktur mikro tak seimbang semacam martensit. Fasa gamma merupakan fasa dengan susunan kimia yang dapat berubah antara 5,5 – 5,95% N. Kadar maksimal 5,95% N dipunyai oleh ikatan kimia Fe2N (Cizevkij). Fe2N ini menurut Gajev berdisosiasi pada suhu 500oC.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 2.19. Diagram Keseimbangan Biner Sistem Besi - Nitrogen (Fe-N).(4)

2.7.4. Nitrocarburizing Pada Fluidized Bed Proses nitrocarburizing gas meningkat penggunaannya dalam dunia industri. Nitrocarburizing gas yang mempergunakan dapur fluidized bed memberikan spesifikasi metalurgi yang lebih presisi dalam pelaksanaan operasi


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

heat treatment. Pada proses nitrocarburizing modern menghendaki control atmosfir yang cermat, pengaturan temperature dan kehomogenan di samping efisiensi biaya operasi serta kondisi operasi yang mudah diterima oleh operator. Dapur fluidized bed dapat dipergunakan untuk berbagai keperluan proses perlakuan panas selain Nitrocarburizing, seperti antara lain : Nitriding, Carbonitriding, Carburizing, Annealing, tempering, dan sebagainya. Beberapa keuntungan yang ditawarkan oleh fluidized bed adalah : 1. Dapat dipergunakan untuk perlakuan panas logam-logam besi dan non besi. 2. Kecepatan perpindahan panas yang tinggi. 3. Atmosfir dalam daerah pemanasan dapat disesuaikan dengan cepat menurut keperluan. 4. Tidak ada masalah dengan asap (fume) atau gas buangan. 5. Efisiensi panas tinggi dan konsumsi bahan baker cukup rendah, sehingga biaya operasi pun menjadi lebih rendah. 6. Waktu proses relatif lebih singkat. 7. Partikel padat bed tidak bersifat abrasive dan korosif, serta tidak membahasi benda kerja. Prinsip kerja fluidized bed furnace adalah sebagai berikut : Bubuk aluminium Oxide digerakan oleh gas yang dihembuskan dari bawah, dan bergerak menyerupai cairan yang mendidih. Panas dihantarkan secara merata dari elemen pemanas ke benda kerja melalui bubuk aluminium oxide. Pengaturan temperature maupun jenis gas yang digunakan dikendalikan dengan program


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

computer, sehingga akan menjamin kepresisian dari proses heat treatment system blok diagram dapat dilihat pada lampiran. Pada proses nitrocarburizing berlangsung 3 tahapan, yaitu : 1. Disosiasi Amoniak pada permukaan baja 2 NH3 2 N + 3 H2 Arah dan kecepatan reaksi bergantung kepada suhu, tekanan, kecepatan arus amoniak, bahan baja dari mana benda kerja terbuat. 2. Absorbsi N ke dalam Fe-Alpha pada permukaan baja menjadi larutan padat pemula (Fe-N), kemudian baru terbentuk gamma aksen (τo). 3. Atom Karbon (C) yang berasal dari gas propane berdifusi kedalam permukaan baja bersamaan waktunya dengan difusi atom Nitrogen yang berasal dari gas N2, yang keduanya membentuk karbonitrida modifikasi epsilon.

Proses pembentukan pada permukaan (White Layer) : α τo Hasil difusi pada temperatur 570oC, kita akan mendapat lapisan nitride pada temperature persenyawaan. Fasa, kaya akan Nitrogen, akan terdapat pada permukaan, kemudian diselesaikan pada fasa τo dan terakhir pada fasa α dimana menuju ke pusat. Proses dari permukaan hingga ke inti dapat dijelaskan sebagai berikut : τo α inti/core ( Ref. Engineering Physical Metalurgi By Prof. Y. Lakhtin )


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB III PROSEDUR PENELITIAN

Pada

bab

ini

berisikan

tentang

prosedur

penelitian

tentang

Nitrocarburizing Baja ASSAB 8407 S (AISI H-13). Pengujian yang dilakukan meliputi : → Struktur Mikro → Kedalaman Nitrocarburizing dan ketebalan lapisan → Kekerasan Mikro → Komposisi Kimia

Adapun diagram alir dari tahapan penelitian tersebut adalah sebagai berikut :


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

TAHAPAN PENELITIAN Mulai

Persiapan Sample Preheating

Austenisasi

Quenching

Tempering

Nitrocarburizing Waktu tahan 2 jam



Quenching

Uji Struktur mikro Pengujian Mikros

Uji Keras Mikro

Uji Ketebalan lapisan dan kedalaman Nitrocarburizing

Uji Komposisi

Pembahasan Kesimpulan Selesai

Gambar 3.1 Tahapan Penelitian Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

3.1 Persiapan Bahan dan Alat Uji 3.1.1

Baja ASSAB 8407 S (AISI H-13) Jenis ini termasuk dalam baja karbon rendah dengan pengerjaan panas (hot work steels) yang termasuk AISI H-13. dalam penelitian ini, baja ASSAB 8407 S diperoleh dari Departement Metalurgi & Material UI (Universitas Indonesia) yang diimpor dari Swedia.

3.1.2

Alat-alat Penelitian

1. Dapur Fluidized Bed elemen tahan listrik, milik Departement Metalurgi & Material UI (Universitas Indonesia), buatan Quality Heat Melbourne Australia tepe Retort Batch Furnace digunakan untuk proses preheating, austenizing, tempering dan nitrocarburizing. -

Elemen pemanas Si C arus 150 A pad Voltase 90 KVA

-

Range temperature pemanas 200 – 1100oC

-

Bagian dasar terdiri dari Al2 O3 16 mesh, setebal 7 cm dan partikel bed Al2 O3 120 mesh ( lampiran 9 )

2. Mesin Potong, merk Discotom – 2 3. Mesin Grinding, merk Planopol – 2 ( lampiran B ) 4. Mesin Polishing, merk Dp – 3 ( lampiran B ) 5. Cetakan sampel 6. Alat pengering 7. Pengepres sampel 8. Alat uji kekerasan mikro ( lampiran B ) 9. Alat mikroskop optik 10. Alat uji komposisi, Induction Coupled Plasma Spectrometer

3.1.3

Bahan-bahan lainnya

1. Kertas amplas no. 80 ccw, 220 ccw, 360 ccw, 400 ccw, 700 ccw, 800 ccw, 1200 ccw. 2. Pasta poles dengan kehalusan 6 µm, 1 µm dan ¼ µm. 3. Kai poles Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

4. Bahan mounting : resin dn hardner 5. Larutan esta metal 2% ( 2ml HNO3 65% + 100 ml alcohol 95% ) 6. Negatif film untuk foto metalografi.

3.2 Persiapan Sampel Penelitian Pembuat sample penelitian dan persiapan permukaan Material dipotong-potong sehingga berbentuk sample dengan ukuran 50 mm x 30 mm x 20 mm sebanyak 6 buah, penandaan diberikan pada tiap sample sesuai dengan waktu tahan Nitrocarburizing. Penandaan terdiri dari angka 1, 2 dan 3 yang menyatakan waktu tahan proses selama 1 jam, 2 jam dan 3 jam. Untuk jelasnya dapat dilihat pada table dibawh ini. Table 3.1. Waktu tahan terhadap proses Nitrocarburizing Tanda Sampel 1 2 3

Jumlah Sampel 2 2 2

Temperatur Proses Nitrocarburizing 570 C 570 C 570 C

Waktu Tahan ( jam ) 1 2 3

3.3 Proses Nitrocarborizing adalah prapemanas (Preheating) austenisasi, quenching tempering, nitrocarburizing dan Quenching kembali. Prapemanas Dilakukan melalui 2 tahapan, yaitu : a. Preheating I, berlangsung pada suhu 600oC dengan lamanya waktu tahan 15 menit Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

b. Preheating II, berlangsung pada suhu 860oC dengan lamanya waktu tahan 15 menit Proses ini bertujuan : Untuk meratakan panas oven dengan benda kerja Untuk mencegah terjadinya retak dan distorsi sebagai akibat adanya kejutan panas yang dialami baja bilamana langsung dipanaskan sampai temperature austenisasi yang cukup tinggi.

Austenisasi Pada proses ini sample dipanaskan pada suhu 1000oC dan lamanya waktu penahanan 60 menit didalam dapur fluidized bed.

Quenching Sampel dibenamkan kedalam serbuk alumina selama 15 menit, setelah mengalami proses austenisasi.

Tempring Tempr I Sample dipanaskan didalam dapur fluidized bed pada temperature 570oC dengan waktu tahan 90 menit. Kemudian sample diangkat dari dapur dan didinginkan di udara terbuka (selama 1 hari).

Temper II Pada tahap ini sample dipanaskan kembali kedalam dapur pada temperature 595oC dengan waktu tahan 135 menit. Pada proses penemperan ini diharapkan austenit yang tersisa pada penemperan pertama berubah menjadi martensit,

pengurangan

tegangan

sisa,

peningkatan

keuletan

serta

ketangguhan dari sample penelitian ini.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Nitrocarburizing Sampel dimasukkan kedalam dapur fluidized bed dengan program pada controllernya untuk proses nitrocarburizing pada temperature 570oC dengan waktu tahan sample sesuai dengan penandaan sample. Komposisi gas yang dipakai adalah : 1. Gas ammonia ( 50% ) dengan debit 5 m3/h 2. Gas Nitrogen ( 49% ) dengan debit 4,9 m3/h 3. Propana ( 1% ) dengan debit 0,1 m3/h

Quenching Setelah dilakukan proses nitrocarburizing, maka pada sample dilakukan pendinginan kembali dengan cara penanaman sample kedalam serbuk alumina. Pendinginan dilakukan selama 15 menit kemudian sample diangkat dan didiamkan di udara terbuka.

1020

850

600 595 500

C0

C0

C0 Hardenius

Tempering

Nitrocard

Gambar 3.3 Tahap proses Heat treatmen


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

3.4 Pengujian Mikro Struktur Bertujuan untuk mendapatkan struktur mikro dari sampel setelah diadakan perlakuan. Pengujian dilakukan pada Departement Metalurgi & Material UI (Universitas Indonesia), Alat-alat yang digunakan : 1. Mesin potong merk Discotom – 2 2. Mesin pendingin merk Planopol – 2 3. Mesin Polising merk Dp 4. Pasta poles dengan tingkat kehalusan, dengan menggunakan media pendinginan lubricant blue. 5. Larutan esta nitall 2% ( 2ml HNO3 65% + 100 ml alcohol 95% ) 6. Resin dan hardner 7. Cetakan sampel 8. Alat pengering 9. Pengepres sampel 10. Alat mikroskop 11. Grafir – elektris 12. Amplas silicon carbit ( Si C )

Jalannya Percobaan : 1. Sampel dipotong dengan mesin potong dalam arah melintang, selama proses pemotongan, hal-hal yang perlu dihindari atau dicegah adalah : -

Perubahan struktur akibat panas yang timbul pada proses pemotongan.

-

Perubahan bentuk sampel akibat alat potong.

2. Sampel Dimounting Proses ini dilakukan didalam suatu cetakan plastic yang kemudian dicorkan suatu campuran antara resin dan hardner. Tujuan dimounting antara lain : -

Untuk menjamin permukaan sampel rata (setelah dipreparasi)

-

Untuk mudah dipegang selama proses preparasi (grinding dan polishing)

3. Memberi tanda pada sampel Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Memberi tanda sampel dengan menggunakan grafir elektris pada bagian belakang sampel. Hal ini dilakukan dengan tujuan : -

Untuk membedakan antara sampel yang satu dengan yang lain agar tidak tertukar.

-

Memudahkan dalam kegiatan dokumentasi.

4. Proses Grinding Sebagai medium grinding berupa kertas amplas silicon carbit dengan berbagai tingkat kekasaran, yaitu kondisi dari 80 sampai 1200. ketika sampel mengalami grinding diatas kertas amplas, harus dialiri air bersih secara

kontinu.

Tujuannya

untuk

menghindari

timbulnya

panas

dipermukaan sampel yang kontak langsung dengan kertas amplas. Dalam proses grinding, pertama-tama sampel dikerjakan pada kertas amplas dari paling kasar (80) hingga halus (1200). Setiap penggantian amplas, sampel diputar 90o sedemikian sehingga memperoleh goresan baru yang tegak lurus dan relative lebih halus dari goresan sebelumnya. 5. Proses pencucian Proses ini dilakukan, khususnya : -

Pencucian setelah proses grinding

-

Pencucian setelah proses polishing

-

Pencucian setelah mengalami etsa

Pencucian dilakukan dengan air bersih, baru kemudian dikeringkan dengan alat pengering (hair drayer). 6. Polishing Sampel dipoles dengan pasta poles pada mesin poles. Pemolesan dilakukan dengan pasta dari tingkat kehalusan 6 µm, 1 µm dan 0,25 µm dengan media pendingin digunakan lubricant blue. Sampel dipegang kuat, dibagi sedikit tekanan dan digerakkan berputar berlawanan arah jarum jam. -

Bebas dari goresan akibat proses grinding (sehingga seperti cermin)

-

Bebas dari flek-flek atau cacat lain yang ditimbulkan selama proses grinding


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

7. ETSA Sampel diatas dicelupkan kedalam larutan NITAL 2 % dengan waktu etching kurang lebih 15 s/d 20 detik, kemudian langsung dibilas dengan air dan dikeringkan dengan alat pengering. 8. Amati dengan mikroskop optik 9. Setelah didapatkan struktur yang jelas, kemudian dipotret dengan pembesaran 100X dan 500X.

3.5 Pengujian Kekerasan Vickers Bertujuan untuk mengetahui distribusi kekerasan sampel setelah diadakan nitrocarburizing. Pengujian dilakukan di Departement Metalurgi & Material UI (Universitas Indonesia). Data teknis uji kekerasan : - Nama Alat

: Frank Finotest

- Metode Uji

: Hardness Vickers (HV)

- Beban P

: 0,3 kg

- Waktu Penekanan

: 15 detik

- Sudut Intan

: 136o

- Standar Uji

: DIN 50133

- Kondisi benda uji kekerasan = Etsa Nital 2% Jarak antar titik 0,050 mm/ permukaan dari tepi ±0,015 mm. Jalannya Percobaan : -

Setelah sampel mengalami preparasi dahulu (grinding, polishing dan etching) sampel siap untuk du uji.

-

Sampel diletakan pada meja pengujian dengan jarak antara material uji dengan intan dengan jarak 2,5 mm.

-

Melepaskan hebel (luas) untuk menjatuhkan beban seberat 300 gr ke permukaan sampel, dengan lamanya waktu penekanan 15 detik.

Jalannya Percobaan -

Setelah sampel mengalami preparasi dahulu ( grinding, polishing dan etching ) sampel siap untuk di uji.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

-

Sampel diletakkan pada meja pengujian dengan diberikan jarak antara material uji dengan intan dengan jarak 2,5 mm

-

Melepaskan hebel (luas) untuk menjatuhkan beban seberat 300 gr ke permukaan sampel, dengan lamanya waktu penekanan 15 detik.

-

Setelah 15 detik, hotel di naikkan kembali ke posisi semula.

-

Jarak dilihat/ dihitung melalui lensa objective dengan pembesaran 200 x

-

Hitung diagonal intan (d ) masukkan kedalam rumus kekerasan vickers.

HV =

2 x P x sin x θ x 1,854 x P ( N / mm 2 ) 2 2 d 2 d

Di mana : P : Beban yang digunakan (N) d

: panjang diagonal rata-rata (mm)

θ : sudut puncak = 136o

3.6 Pengujian Komposisi Kimia Pengujian yang akan dilakukan ini berguna untuk mengetahui komposisi kimia uji. Pengujian ini cukup penting untuk mendapatkan data spesifikasi material baja ASSB 8407 S (AISI H-13). Dari data komposisi diharapkan dapat diketahui hubungan antara komposisi kimia dengan sifat mekanik yang dimiliki oleh material. Pengujian ini dilakukan menggunakan alat Induction Coupled Plasma Spectrometer (ICPS), dengan mengambil serbuk yang dilakukan dengan pengeboran dan dilakukan pengujian dengan sistim basah di laboratorium metalurgi, UI (Universitas Indonesia).


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Struktur Mikro Pengamatan struktur mikro dengan pembahasan 100x dan 500x pada hasil foto menunjukkan bahwa struktur mikro awal baja ASSAB 8407 S terdiri dari karbida di dalam matrik fernit. (lihat gambar 4.1, 4.2 dan 43)

Gambar 4.1 Sampel Awal Baja ASSAB 8407 S Struktur Mikro : karbida didalam matrik ferrit pembesaran 100 x hasil pengujian optik

Gambar 4.2 Sampel Awal Baja ASSAB 8407 S bagian Tepi Struktur mikro : karbida didalam matrik ferrit pembesaran 500x Fakultas Teknologi Industri

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 4.3 Sample Awal Baja ASSAB 8407 S bagian tengah Struktur Mikro : Karbida didalam metrik ferrit pembesaran 500 x

Analisa Pengujian Mikro Struktur Untuk menganalisa mikro struktur, perlu dilihat foto – foto struktur mikro hasil pengujian optik yang dilakukan pada penalitian ini. Foto- foto hasil pengujian optik dilakukan pemotretan dengan pembesaran mikrosop 100x dan 500x, hasil keseluruhan foto struktur mikro dapat dilihat pada lampiran A.

Hasil Pengamatan Dari sample uji yang dilakukan untuk waktu tahan 1 jam, 2 jam dan 3 jam pada proses Nitrocarburizing terlihat adanya perbedaan dari hasil foto mikro strukturnya. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada lampiran A, hasil dari foto struktur mikro pada kondisi waktu tahan yang berlainan dan temperature proses yang sama. Pengamatan terhadap struktur mikro lapisan telihat adanya Fe.N atau yang dikenal dengan While Layer dan lapisan terdifusi oleh carbon yang berasal


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

dari gas propana bersamaan waktunya dengan difusi atom nitrogen yang keduanaya membentuk karbonitrida midifikasi epsilon. Hasil dari proses nitrocarbuzing dengan waktu proses yang berbeda ternyata ada perbedaan dari pada tebal White layernya yang mana semakin lama waktu proses semakin tebal lapisannya dan semakin banyak kesempatan untuk berdifusi. Pada daerah nitrocarbuzing tampak adanya gama nirid. Akibat pendifusian atom nitrogen dan atom carbon dengan kondisi waktu tahan proses menyebabkan peningkatan konsentrasi nitrogen dan carbon di dalam karbonitroda modifikasi epsilon sehingga timbul kejenuhan dan bereaksi kedalam baja/sample membentuk gama nirid. Pembentukan gama nirid cenderung bertambah seiring dengan bertambahnya waktu tahan. Hal ini dapat terlihat pada foto struktur mikro pengujian optic. Terlihat carbide tampak menyebar pada seluruh bagian dan pada daerah ini tampak adanya austenit sisa yang berada pada celah martensit.

4.2. Kedalaman Nitrocarbuzing dan Ketebalan Lapisan Putih Dengan adanya proses nitrocarbuzing, maka terjadi pendifusian carbon dan nitrogaen pada sample. Proses pendifusian dengan menggunakan waktutahan proses yang berlainan ternyata memberikan hasil kedalaman nitrocarbuzing yang berbeda. Semakin lama waktu proses, maka semakin dalam daerah nitrocarbuzing, begitu pula pada lapisan While Layer, semakin lama waktu proses maka semakin tebal lapisannya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketebalan lapisan dan


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

kedalaman nitrocarbuzing dipengaruhi oleh waktu tahan proses dimana hal ini berhubungan dengan kemampuan penetrasi nitrogen serta carbon kedalam baja. Makin lama waktu proses maka penetrasi carbon dan nitrogaen kedalam baja semakin jauh dan ketebalan lapisan semakin meningkat. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat foto struktur Mikro pada gambar 4.4 sampai 5.1 dan pada lampiran A.

Gambar 4.4 : Foto Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 1 jam proses nitrocarburizing pembesaran 100x

Gambar 45 & 46 : Foto Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 1 jam bagian tepi dan tengah proses nitrocarburizing pembesaran 500x


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 47 : Foto Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 2 jam proses nitrocarburizing pembesaran 100x



Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Gambar 49 : Foto Baja ASSAB 8407 S dengan kondisi waktu tahan 3 jam proses nitrocarburizing pembesaran 100x



Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Terlihat pada hasil mikro struktur dan uji kekerasan, kedalaman Nitrocarbuzing meningkat untuk waktu proses yang lebih lama. Dapat dilihat pada table 4.1 dan grafik 4.1 dibawah ini : 4.1 Kedalaman Nitrocarburizing / Ketebalan Karburisasi Waktu (Jam)

1

2

3

Kedalaman Nitrocarbuzing (Micron)

188

234

463

Ketebalan Lapisan Karburisasi (Micron)

18

34

65

(µ)

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 1

2

3

Waktu

3

Waktu

Kedalaman Nitrocarbunizing Grafik 4.1 Kedalaman VS Waktu 60

(µ) 50 40 30 20 10 1

2

Ketebalan Lapisan Karbursasi Grafik 4.2 Ketebalan VS Waktu


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Kekerasan Permukaan Pada proses nitrocarbuzing terjadi difusi carbon dan nitrogen. Selama proses difusi berlangsung, terjadi dua proses yang berlangsung serentak, yaitu peningkatan kadar carbon dan nitrogen dipermukaan serta penetrasi kedua unsur tersebut kedalam material. Kekerasan permukaan material hasil proses nitrocarbuzing terutama ditentukan oleh lapisan putih (White layer) dan difusi dari carbon dan nitrogen yang membentuk carbonitroda modifikasi epsilon yang merata pada permukaan bahan. Kekerasan bahan awal menunjukkan nilai relative yang rendah yaitu 140 HV. Dari hasil pengujian kekerasan permukaan didapat bahwa dengan kenaikan waktu tahan proses, maka nilai kekerasan meningkat. Kekerasan terendah terjadi sampai sampel 1 dengan kekersan 367 HV dengan lama waktu tahan proses 1 jam. Sedangkan nilai kekerasan tertinggi 612 HV dengan lama waktu tahan proses 3 jam.

Distribusi kekerasan Dari hasil pengujian kekerasan mikro nitrocarbuzing didapat suatu pola yang menggambarkan perubahan nilai kekerasan dari lapisan nitrocarbuzing teratas sampai kedalaman tertentu. Distribusi kekerasan berkaitan dengan konsentrasi nitrogen dan carbon. Nilai kekerasan tertinggi terjadi pada lapisan teratas kemudian kekerasan turun bertahap bersamaan dengan makin jauhnya jarak dari permukaan, kemudian pada kedalaman tertentu benda uji mencapai nilai konstan.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Dalam penelitian ini, distribusi martensit dapat dibuktikan dengan pengujian mikro yang diperlihatkan kekerasan mikro yang semakin menurun sampai kebagian dalam. Dari hasil pengujian ini terlihat bahwa proses sangat berperan karena merupakan pengendali laju difusi atom nitrogen dan carbon untuk berdifusi dalam rentang waktu yang cukup lama. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada table 4.2 dst, grafik dan foto hasil pengamatan.

Tabel 4.2 Hasil Uji Kekerasan, Awal Non Nitrocarburizing jarak (Micron) 100 200 300 400 500 600 700 800

Kekerasan 378 378 367 367 367 367 367 367

HV 500

400

•

•

•

•

•

•

•

•

600

700

800

300

200

100

100

200

300

400

500

Grafik 4.3 Kekerasan (Non Nitrocarburizing) Hubungan antara Kekerasan dan Jarak


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Tabel 4.3 Hasil Uji Kekerasan, Waktu Proses 1 jam Jarak (Micron) 100 200 300 400 500 600 700 800

Kekerasan (HV) 591 389 389 378 367 357 357 357

HV 600

•

500

400

•

•

•

•

•

500

600

•

•

300

200

100

100

200

300

400

700

800

Jarak [µm] Grafik 4.4 Kekerasan (waktu tahan 2 jam) Hubungan Antara Kekerasan dan Jejak


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Tabel 4.4 Hasil Uji Kekerasan, Waktu proses 2 jam Jarak (Micron) 100 200 300 400 500 600 700 800

Kekerasan (HV) 591 389 389 389 378 367 357 357

HV 600

• 500 400

•

•

•

•

300

•

•

•

600

700

800

200

100

100

200

300

400

500

Jarak [µm] Grafik 4.5 Kekerasan (Waktu tahan 2 jam) Hubungan Antara Kekerasan dan Jejak

Tabel 4.5 Hasil Uji Kekerasan Waktu Proses 3 jam Jarak (Micron) 100 200 300 400 500 600 700 800

Kekerasan (HV) 612 413 400 389 389 378 367 367


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

HV 700

•

600 500

•

400

•

•

•

400

500

•

•

•

300 200 100

100

200

300

600

700

800

Jarak [micron] Grafik 4.6 Kekerasan (Waktu Tahan 3 jam) Hubungan Antara Kekerasan dan Jejak Distribusi kekersan yang paling baik didapat pada suhu 5700C dengan waktu tahan 3 jam. Bisa dilihat dari grafik dibawah ini untuk masing – masing waktu tahap.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Profil Distribusi Kekerasan Baja ASSAB 8407 S (AISI H – 13) HV 700

600 500 400

•

•

•

•

•

300

•

•

•

200 100

100

200

300

400

500

600

700

800

Jarak [micron]


•

AWAL

1 jam 2 jam

3 jam

Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

4.4 komposisi kimia Pengujian komposisi kimia dilakukan pada kondisi setiap waktu tahan proses. Data hasil pengujian dapat dilihat pada table 4.5 dibawah ini : Table 4.5. Tabel Komposisi Kimia

Tabel 4.6 Tabel Komposisi Kimia KODE UNSUR 1 JAM

2 JAM

3 JAM

C

0.36104

0.36802

0.37960

Si

0.936858

0.96284

0.94746

Ma

0.38429

0.37992

0.43830

P

0.01582

0.01590

0.01620

S

0.01892

0.01902

0.02932

Cr

4.49672

4.50282

4.92327

Ni

0.03695

0.03706

0.00248

Cu

0.12016

0.12106

0.10327

Mo

1.40694

1.41058

1.29032

V

1.00285

1.01424

0.91748

W

0.00068

0.00068

0.00072

Al

0.00374

0.00381

0.00354

Ti

0.00209

0.00210

0.00402

Sn

0.01402

0.01472

0.01431

B

0.00018

0.00018

0.00020

Nb

0.00079

0.00018

0.00084

Pb

0.00012

0.00012

0.00012

Fe

96.49571

96.50183

96.73041


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

Dari analisa unsure carbonnya terlihat terjadi peningkatan kandungan carbonnya mulai dari kondisi awal hingga pada setiap kondisi waktu tahan. Peningkatan kandungan karbon terjadi sebagai akibat proses difusi atom carbon berasal dari propane (C3H3). Kandungan carbon meningkat seiring dengan meningkatnya waktu tahan. Waktu tahan yang lama memberikan kesempatan pada atom carbon untuk berdifusi lebih lama. Unsur Nitrogen walaupun tidak terdeteksi, namun dapat kita lihat pada lapisan While Layernya, dimana unsure nitrogen berperan sekali dalam pembentukan lapisan ini. Peningkatan ketebalan lapisan pada setiap kenaikan waktu tahan menunjukkan adanya peningkatan kandungan nitrogen dalam lapisan tersebut.


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan : 1. Penggunaan dapur Fluidized Bed untuk proses nitrocarbuzing pada temperature 5700C dengan komposisi gas ammonia, nitrogen dan propane menghasilkan lapisan nitrocarbriuzing yang homogen. 2. Lamanya waktu tahan proses berpengaruh pada ketebalan lapisan White Layer dan kedalaman nitrocarburizing. Semakin lama waktu tahan maka semakin tebal dan semakin dalam lapisan nitrocarburizing. 3. Waktu proses yang lebih lama akan meningkatkan kekerasan dan ketahanan keausan pada lapisan permukaan logam. 4. Dari hasil penelitian dengan waktu tahan yang berbeda diperoleh kekerasan sebagai berikut -

Awal non mikrocarburizing dengan nilai kekerasan (HV) : 378

-

Proses waktu tahan 1 jam dengan nilai kekerasan (HV) : 591

-


-


5. Dari hasil uji komposisi kimia terlihat adanya peningkatan unsur karbon pada setiap kenaikan waktu tahan. Sedangkan peningkatan unsure nitrogen dapat terlihat pada peningkatan ketebalan lapisan putih (White Layer).


Teknik Mesin

Prosedur Penelitian

6. dengan adanya proses nitrocarburizing pada baja ASSAB 8407 S maka baja tersebut dapat dipergunakan untuk berbagai keperluan seperti : Die casting, ekstrusi, dan lain – lain.

5.2 Saran – Saran 1. Perlunya dilakukan penelitian lebih lanjut dengan waktu tahan yang bervariasi dan pengaturan perbandingan kompossi propane + nitrogen + ammonia sehingga diperoleh sifat mekanis yang lebih baik. 2. Penggunaan proses dalam nitrocarbuzing ini lebih baik bila dibandingkan dengan proses pengerasan tertentu seperti : Sprue parts, Plunger, dan lain lain.


Teknik Mesin

TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007

Recommend Documents