SEMINAR NASIONAL ke-8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi

Transkripsi

1 STUDI PEMBUATAN BALL MILL DARI SCRAP BAJA KARBON RENDAH METODE GRAVITY CASTING CETAKAN PASIR DAN PENGARUH TEMPERATUR QUENCHING TERHADAP KEKERASAN, KEAUSAN DAN STRUKTUR MIKRO Sumpena (1), Wartono (2) (1) Staff Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Proklamasi 45 Yogyakarta (2) Staff Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Sekolah Tinggi Tehnologi Nasional Yogyakarta (1) (2) ABSTRAK Penggunaan Ball Mill di industri semen sampai saat ini masih dipakai pada proses finish mill. Finish mill merupakan proses akhir penggilingan dalam pembuatan semen. Proses penggilingan menggunakan ball mill (bola-bola penghancur) untuk mendapatkan serbuk halus ± µm. Saat ini, pabrik semen di Indonesia masih mengimpor ball mill. Kualitas ball mill dapat ditingkatkan dengan krom dalam proses pengecoran dan heat treatment quenching. Efek dari quenching pada sifat mekanik perlu diteliti pada penelitian ini. Pembuatan ball mill dengan metode pengecoran cetakan pasir. Komposisi krom ball mill adalah 5,47%; 6,67% dan 9,68%. Sedangkan komposisi karbon ball mill adalah 2,18%; 1,75% dan 1,95%. Proses quenching dilakukan pada temperatur 750 o C, 800 o C dan 850 o C. Ball mill dibelah menjadi dua bagian dan di uji kekerasan. Untuk keperluan pengujian keausan ball mill di buat berukuran mm. Kekerasan ball mill dengan 5,47%; 6,67% dan 9,68% krom tanpa quenching adalah berturut-turut 402,5 kg/mm 2 VHN; 416,12 kg/mm 2 VHN dan 444,99 kg/mm 2 VHN. Sementara laju keausan adalah 2, mm 3 /kg.m; 2, mm 3 /kg.m dan 2, mm 3 /kg.m. Struktur mikro yang terbentuk adalah perlit, sementit dan karbida krom. Sedangkan kekerasan ball mill dengan quenching 750 o C, 800 o C dan 850 o C berturut-turut spesimen A yaitu 433,46 kg/mm 2 VHN, 912,11 kg/mm 2 VHN dan 993,76 kg/mm 2 VHN. Kekerasan ball mill spesimen B adalah 443,87 kg/mm 2 VHN, 943,09 kg/mm 2 VHN dan 1064,66 kg/mm 2 VHN. Serta kekerasan ball mill yaitu 512,72 kg/mm 2 VHN, 943,04 kg/mm 2 VHN dan 1134,50 kg/mm 2 VHN. Struktur mikro yang terbentuk yaitu perlit, martensit dan karbida krom Keyword : Ball mill, Pengecoran, Krom, Quenching PENDAHULUAN Ball mill sampai sekarang masih dipakai di industri pembuatan semen untuk proses finish mill. Finish mill yaitu tahap akhir proses pembuatan semen dengan menggunakan bola - bola penghancur (ball mill) agar diperoleh serbuk halus ± µm. Pabrik semen di Indonesia sampai saat ini masih mengimpor ball mill. Dengan perkembangan teknologi saat ini maka dapat dilakukan peningkatan kualitas ball mill dengan penambahan krom dan heat treatment quenching. Penggunaan sekrap baja karbon sebagai bahan baku pengecoran merupakan proses daur ulang (recycle) logam yang dapat menghemat pengambilan bahan baku dari alam. Sekrap baja karbon menjadi salah satu alternatif untuk bahan baku pengecoran dalam membuat suatu produk karena harganya murah dan cukup mudah diperoleh dari pengepul-pengepul barang bekas. Sehingga efek dari krom perlu diteliti terhadap sifat mekanik pada penelitian ini untuk material ball mill. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan krom dan pengaruh variasi temperatur quenching terhadap kekerasan, keausan dan struktur mikro ball mill hasil pengecoran sekrap baja karbon rendah sehingga dapat diperoleh ball mill yang mempunyai karakteristik standar ball mill impor. METODE PENELITIAN Bahan dan Alat Bahan dalam penelitian ini adalah sekrap baja karbon rendah sisa-sisa dari pembuatan pagar dan tralis, pasir silika, tetes tebu 3-5% dari berat pasir, semen portland 7% dari berat pasir, air 8% dari berat pasir, ferro krom 65%, arang tempurung kelapa. Komposisi kimia dari sekrap baja karbon rendah disajikan oleh Tabel.1. Tabel 1: Komposisi kimia sekrap baja karbon rendah Fe C Si Mn Cr Mo Ni Cu Gambar 1 menyajikan bahan baku pengecoran terdiri sekrap baja karbon rendah, ferro krom dan arang tempurung kelapa. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 183

2 Gambar 1: Bahan Baku Pengecoran Alat penelitian adalah tanur induksi kapasitas 40 kg, pola, ladel, rangka cetak, gerinda tangan, kikir, tanggem, jangka sorong, spectrometer, mesin uji kekerasan, mesin uji keausan, mesin amplas dan autosol. Pola Cetakan Pada penelitian ini pola dibuat dua macam bentuk yaitu bentuk bola untuk kandidat produk ball mill yang akan dibuat spesimen uji kekerasan dan bentuk kotak untuk dibuat spesimen uji keausan dan uji impak. Pola bentuk bola dan ukurannya disajikan pada Gambar 2, sedangkan pola bentuk kotak dan ukurannya disajikan pada Gambar 3. Gambar 5: benda coran bentuk kotak Hasil uji komposisi kimia dengan spectrometer dari masing-masing benda coran disajikan sebagai berikut: Tabel 2: Komposisi kimia benda coran kode A Fe C Si Mn Mo Cr Ni S Tabel 3: Komposisi kimia benda coran kode B Fe C Si Mn Mo Cr Ni S Gambar 2: Pola bentuk bola diameter 30 mm Gambar 3: (a) Pola bentuk kotak, (b) Ukuran pola kotak Pengecoran Pada penelitian ini proses pengecoran di lakukan di Laboratorium pengecoran logam Politeknik Manufaktur Ceper Klaten. Peleburan menggunakan tanur induksi dengan kapasitas 40 kg. Berat total bahan baku peleburan pada penelitian ini adalah 30 kg. Arang tempurung dan ferro krom ditambahkan pada tanur induksi sesuai dengan perencanaan komposisi pengecoran. Target komposisi karbon sebesar 2% dan penambahan komposisi berat krom tiga variasi. Gambar 4 menyajikan benda coran bentuk bola dan Gambar 5 menyajikan benda coran bentuk kotak. Tabel 4: Komposisi kimia benda coran kode C Fe C Si Mn Mo Cr Ni S Benda coran bentuk kotak di potong dengan mesin gerinda untuk dibuat spesimen uji keausan dan impak. Ukuran spesimen uji keausan dan impak yaitu mm. Tabel 5 menyajikan jumlah spesimen uji kekerasan, uji keausan dan uji impak. Tabel 5: Jumlah spesimen yang di uji Spesimen Kekerasan Keausan 5,47% Cr 3 buah 3 buah 6,67% Cr 3 buah 3 buah 9,68% Cr 3 buah 3 buah Quenching Spesimen dipanaskan pada temperatur 750 o C, 800 o C dan 850 o C ditahan selama 30 menit kemudian dicelupkan pada media pendingin oli. Pengujian Pengujian kekerasan dilakukan dengan mesin uji kekerasan Vickers Buehler High Quality Micro Hardness Tester model MM Beban penekanan 200 gr dan waktu penekanan 10 detik. Posisi pengujian dilakukan pada arah sumbu X dan sumbu Y dari spesimen dengan jarak tiap titik pengujian sama. Jumlah titik pengujian spesimen untuk sumbu X 3 titik dan sumbu Y 3 titik. Gambar 6 menyajikan arah posisi titik pengujian kekerasan. (a) (b) Gambar 4: (a), (b) Benda coran bentuk bola Gambar 6: Posisi titik pengujian SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 184

3 Pengujian keausan dalam penelitian ini menggunakan alat uji keausan Ogoshi High Speed Universal Wear Testing Machine (Type OAT-U). Beban pengaus (P) yang dan gunakan 6,36 kg, tebal pengaus (B) = 3 mm, jari jari pengaus (r) = 13 mm serta jarak sliding (lo) = 2000 mm. Bekas goresan uji keausan pada spesimen diukur dengan microskop. Prinsip dari pengujian keausan abrasi di sajikan pada Gambar 7. Gambar 7: Skema pengujian keausan abrasi Pengamatan visual struktur mikro dengan mikroskop optik pembesaran 200 untuk benda tuang tanpa quenching sedang benda tuang dengan quenching pembesaran optik 200 di etsa dengan HNO 3 5%. Gambar 8 menyajikan spesimen uji kekerasan, keausan dan struktur mikro Gambar 9a: Nilai kekerasan Spesimen tanpa quenching Sedangkan hasil pengujian kekerasan dari spesimen yang di quenching disajikan Gambar 9.b. Gambar 9b: Nilai kekerasan spesimen dengan quenching Gambar 8.a: Spesimen uji kekerasan Laju keausan abrasi rata-rata spesimen A 5,47% Cr, Spesimen B 6,67% Cr dan Spesimen B 9,68% Cr tanpa quenching disajikan Gambar 10.a. Gambar 8.b: Spesimen uji keausan HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Hasil pengujian kekerasan dari spesimen A 5,47% Cr, Spesimen B 6,67% Cr dan Spesimen B 9,68% Cr tanpa quenching disajikan Gambar 9.a. Gambar 10.a: Nilai rata-rata laju keausan abrasi tanpa quenching Sedangkan hasil pengujian kekerasan dari spesimen dengan quenching disajikan Gambar 10.b. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 185

4 Gambar12.a: Struktur mikro spesimen A Gambar 10.b: Nilai rata-rata laju keausan abrasi dengan quenching Struktur mikro dari benda tuang tanpa quenching disajikan Gambar 11. Gambar12.b: Struktur mikro spesimen B Gambar 11.a. Struktur mikro spesimen A Gambar12.c: Struktur mikro spesimen C PEMBAHASAN Hasil pengujian komposisi kimia dari benda coran menunjukan variasi persenatse krom yang diperoleh adalah 5,47% Cr, 6,67% Cr dan 9,68% Cr. Sedangkan prosentase karbon yaitu 2,18%C, 1,77%C dan 1,95%C. Nilai kekerasan Vickers dari masing-masing spesimen disajikan pada Tabel 6. Gambar 11.b. Struktur mikro spesimen B Gambar 11.c. Struktur mikro spesimen C Sedangkan struktur mikro benda tuang dengan quenching disajikan Gambar 12. Posisi Tabel 6: Nilai kekerasan Nilai VHN kg/mm 2 tanpa quench A. 5,47% Cr B. 6,67% Cr C. 9,68% Cr Sb X Sb Y Sb X Sb Y Sb X Sb Y Tepi 402,9 418,9 412,3 428,5 464,6 464,6 Pusat 385,84 395, Nilai VHN kg/mm 2 dengan quench T=750 o C T=800 o C T=850 o C SP A 433,46 912,11 993,76 SP B 443,87 943, ,66 SP C 512,72 943, ,50 Nilai kekerasan pada spesimen tanpa quenching menunjukan bahwa nilai kekerasan rata-rata tepi lebih tinggi dibanding bagian tengah. Bagian SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 186

5 tepi lebih keras dibanding tengah ini disebabkan oleh pola pendinginan. Pendinginan bagian tepi lebih cepat dingin dibanding bagian tengah dikarenakan bagian tepi bersentuhan dengan pasir cetak. Panas pada logam cair akan terserap pasir cetak sehingga logam cair cepat membeku. Pendinginan yang cepat akan membentuk struktur kristal karbida yang bersifat keras. Hasil pengujian kekerasan menunjukan bahwa kandungan persentase krom yang besar dapat menaikan kekerasan pada ball mill. Hal ini disebabkan krom dapat meningkatkan kekerasan besi cor dan membuat besi cor menjadi tahan terhadap oksidasi dan korosi. Unsur krom akan memperkecil kelarutan karbon di dalam Fe, karena Cr lebih suka membentuk karbida. Kandungan mangan dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan Besi cor dan meningkatkan ketahanan terhadap abrasi. Sedangkan kandungan silikon dapat meningkatkan kekuatan tarik besi cor. Kekerasan spesimen A, B dan C yang di quenching pada temperatur 750 o C mengalami kenaikan kekerasan berturut-turut sebesar 7,71%, 3,50% dan 10,34%. Kenaikan kekerasan rendah disebabkan oleh temperatur pemanasan belum pada daerah autenisasi, sehingga struktur Kristal belum berubah. Kekerasan spesimen yang diquenching pada temperatur 800 o C mengalami kenaikan kekerasan berturut-turut yaitu 118,18%, 120,32% dan 103,23%. Sedangkan quenching pada temperatur 850 o C mengalami kenaikan kekerasan berturut-turut yaitu 137,55%, 148,59% dan 144,39%. Pemanasan Temperatur 800 o C dan 850 o C mengalami kenaikan kekerasan yang tinggi hal ini disebabkan spesimen dipanaskan pada daerah autenisasi. Nilai laju keausan abrasi rata-rata untuk ball mill tanpa quenching disajikan pada Tabel 7. Laju keausan Tabel 7: Nilai laju keausan abrasi ball mill Nilai laju keausan tanpa quenching mm 3 /kg.m Spesimen 5,47% Cr Spesimen 6,67% Cr Spesimen 9,68% Cr 2, , , Nilai laju keausan dengan quenching mm 3 /kg.m T=750 O C T=800 O C T=850 O C SP A 2,9299 1,3187 1,1349 SP B 2,8485 1,1349 1,0090 SP C 2,6134 1,0918 1,0090 Keausan abrasi memiliki hubungan yang sangat erat dengan nilai kekerasan, dimana material yang semakin keras akan memiliki ketahanan abrasi terhadap gesekan yang semakin tinggi dan tingkat kerusakan permukaan yang semakin kecil, sehingga laju keausannya semakin rendah. Pengaruh unsur krom, semakin besar persentase unsur krom pada material besi cor akan membentuk karbida krom semakin banyak yang membuat baja semakin keras dan memiliki ketahanan keausan yang meningkat. Sedangkan material yang diquenching mempunyai ketahanan aus yang lebih tinggi disbanding material tanpa quenching dikarenakan kekerasannya meningkat. Foto struktur mikro dari semua spesimen tanpa quenching menunjukan bahwa matrik penyusunnya adalah, perlit, sementit (Fe 3 C) dan terbentuk karbida krom (Cr 23 C 6 ). Sedangkan foto struktur mikro spesimen yang di quenching matrik penyusunnya yaitu perlit, martensit dan karbida krom. KESIMPULAN 1. Ball mill tanpa quenching mengalami kenaikan kekerasan seiring dengan kenaikan kandungan krom. Ball mill mempunyai nilai kekerasan Vickers maksimum berturut-turut 402,5 kg/mm 2, 416,12 kg/mm 2 dan 444,99 kg/mm 2. Sedangkan ball mill yang diquenching mengalami kenaikan kekerasan tertinggi pada temperatur 850 o C dan terendah pada temperatur 750 o C. 2. Ball mill tanpa quenching dengan kandungan krom yang tinggi menyebabkan penurunan laju keausan. Ball mill tanpa quenching mempunyai laju keausan maksimum berturut-turut 4,576E-08 mm 3 /kg.m, 4,096E-08 mm 3 /kg.m dan 3,361E-08 mm 3 /kg.m. Sedangkan ball mill yang diquenching mengalami penurunan laju keausan tertinggi pada temperatur 850 o C dan terendah pada temperatur 750 o C. 3. Struktur mikro dari ball mill tanpa quenching yaitu perlit, sementit dan karbida krom. Sedangkan ball mill setelah di quenching mempunyai struktur mikro yaitu perlit, martensit dan karbida krom. DAFTAR PUSTAKA ASM Handbook, 2004, Metallography and Microstructures, Volume 8. Callister, W.D., 2007, Materials Science and Engineering, 7th ed., John Wiley and Sons, USA. Campbell, J., 2003, Casting, 2nd ed., Butterworth- Heinemann. Metric, McGraw-Hill, Singapore. Gupta, R.B., 2002, Material Science, 11th ed., Satya Prakashan, India. Hutchings, I.M., 1992, Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, London, Arnold. Kartika,R., Soekrisno,R., Ilman,N.M., 2007, Karakterisasi Ball Mill Import pada Industri Semen di Indonesia Jurnal Teknik Mesin Vol. 9, No. 1, April 2007: 18 24, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra. Prasetyo, A., 2002, Perencanaan Proses Pembuatan Steel Ball Mill pada Cement Mill dengan Proses Forging, Tugas Akhir, Dept. of Mechanical Enginnering Universitas Muhammdiyah Malang. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 187

6 Surdia, T dan Chijiwa, K, 1996, Teknik Pengecoran Logam, Cetakan ke tujuh, ISBN , PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Subardi (2011) Pengaruh Viskositas Media Celup terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro Besi Tuang ASTM A532 Jurnal Traksi Vol. 11, No.1. Juni 2011, Jurusan Teknik Mesin STTNas Yogyakarta. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 M 188