STUDI KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO BALL MILL DENGAN PERLAKUAN PANAS QUENCHING

Transkripsi

1 STUDI KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO BALL MILL DENGAN PERLAKUAN PANAS QUENCHING Sumpena Program Studi Teknik Mesin Universitas Proklamasi 45 Yogyakarta Abstrak Proses akhir pembuatan semen adalah proses penghalusan supaya menjadi serbuk yang halus dengan ukuran butiran serbuk semen antara ± µm. Penghalusan serbuk semen menggunakan Ball Mill (bolabola penggiling). Ball mill berputar secara sentrifugal, sehingga bola-bola penggiling saling bertumbukan satu dengan yang lain dan dengan bahan yang digiling.. Hal ini menyebabkan bola-bola penggiling akan mudah pecah kalau tidak mempunyai sifat mekanis kekuatan impak yang tinggi. Hasil pengecoran menggunakan bahan baku scrap baja karbon rendah dan perlakuan panas quenching diharapkan mempunyai sifat mekanis impak yang baik. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh temperatur quenching terhadap kekuatan impak dan struktur mikro pada ball mill hasil pengecoran dengan bahan baku sekrap baja karbon rendah. Bahan baku yang digunakan adalah scrap baja karbon rendah, ferro chrom dan arang tempurung kelapa sebagai penambah unsur karbon. Cetakan coran dibuat dalam bentuk kotak dengan tiga variasi komposisi persentase krom dan tiga variasi komposisi unsur karbon. Cetakan menggunakan cetakan pasir sedangkan peleburan bahan baku menggunakan dapur induksi dengan temperatur 1550 o o. Hasil coran dibuat spesimen uji impak sesuai standart JIS Z2202. Spesimen uji impak dipanaskan dengan pemanas pada temperatur 750 o C, 850 o dan 850 o C ditahan 30 menit. Media cairan quenching menggunakan oli mesin bekas. Spesimen diuji impak dan dilakukan pengamatan struktur mikro. Hasil pengujian komposisi menunjukan kandungan karbon benda coran yaitu: 2,18%; 1,77% dan 1,95% sedangkan kandungan kromnya adalah 5,47%; 6,67% dan 9,68%. Hasil uji kekuatan impak benda uji tidak diquenching berturut-turut yaitu: 2,766 joule; 2,666 joule dan 2,5 joule sedangkan hasil pengamatan struktur mikro menunjukan bahwa struktur terdiri dari Perlit, Sementit dan Karbida Krom. Hasil uji kekuatan impak benda uji yang diquenching berturut-turut yaitu: diquenching pada temperatur 750 o C: 2,6 joule; 2,5 joule dan 2,5 joule ; diquenching temperatur 800 o C: 2,1 joule; 2 joule dan 2 joule dan diquenching temperatur 850 o C: 2,1 joule; 2 joule dan 2 joule. Hasil pengamatan struktur mikro menunjukan bahwa struktur terdiri dari sementit, karbida krom dan martensit. Keyword : Ball mill, Pengecoran, Krom, Quenching 1. Pendahuluan Ball mill berfungsi sebagai bahan pengisi cement mill untuk menghancurkan bahan baku semen. Penggunaan ball mill dalam pabrik semen terdapat pada beberapa peralatan, seperti cement mill dan crusher. Crusher digunakan untuk menghancurkan dan menggiling bahan baku semen seperti kapur, silikat, alumina, dan besi oksida yang masih berbentuk bongkahan batu berukuran besar. Cement mill digunakan pada proses finishing pembuatan semen, peralatan ini disajikan pada Gambar1. Gambar 1: Cement mill pada pabrik semen (sumber: gresik.com) Proses akhir pembuatan semen adalah proses penghalusan supaya menjadi serbuk yang halus dengan ukuran butiran serbuk semen antara ± µm. Penghalusan serbuk semen menggunakan Ball Mill (bolabola penggiling). Ball mill berputar secara sentrifugal, sehingga bola-bola penggiling saling bertumbukan satu dengan yang lain. Hal ini menyebabkan bola-bola penggiling akan mudah pecah kalau tidak mempunyai sifat mekanis kekuatan impak yang tinggi. Hasil pengecoran menggunakan bahan baku scrap baja karbon rendah dan perlakuan panas quenching diharapkan mempunyai sifat mekanis impak yang baik. Pembuatan ball mill dari sekrap baja karbon rendah atau limbah industri baja perlu dilakukan, mengingat sekarang ini bahan baku logam cukup mahal. Penggunaan sekrap baja karbon sebagai bahan baku pengecoran merupakan proses daur ulang (recycle)

2 yang dapat menghemat penggunaan bahan baku dari alam. Sekrap baja karbon harganya murah dan cukup mudah diperoleh dari pengepul-pengepul barang bekas. Kekurangannya adalah tidak diketahui komposisi paduan awal dari logam tersebut. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh temperatur quenching terhadap kekuatan impak dan struktur mikro pada ball mill hasil pengecoran dengan bahan baku sekrap baja karbon rendah. 2. Landasan Teori 2.1 Tinjauan pustaka Subardi (2011) mengemukakan pembuatan ball mill dari besi tuang putih martensitik ASTM A532 dengan metode quenching. Pemanasan spesimen sampai temperatur pemanasan 850 o C ditahan selama 120 menit kemudian dicelupkan ke dalam oli yang mempunyai viskositas berbeda. Viskositas oli semakin rendah diperoleh nilai kekerasan semakin tinggi. Nilai kekerasan tertinggi pada pencelupan dalam media oli SAE 10 yaitu sebesar 1103,20 kg/mm 2. Pengamatan struktur mikro terdiri dari struktur martensit, perlit dan karbida krom. Penelitian tentang karakteristik ball mill impor juga dilakukan oleh Suharno dan Estriyanto (2009). Penelitian karakteristik ball mill impor dua merk yang berbeda, yaitu merk A (diameter 40 mm) dan merk B (diameter 60 mm). Hasil uji komposisi ball mill merk A mengandung 2,08% C, 11,60% Cr sedangkan merk B mengandung 2,08% C, 16,58% Cr termasuk dalam kelompok besi cor putih martensit ASTM A532 klas II tipe A dan B. Hasil uji distribusi kekerasan menunjukan bagian permukaan lebih keras dibandingkan bagian pusat. Merk A nilai kekerasan bagian permukaan 781,90 kg/mm 2 dan bagian pusat 542 kg/mm 2, sedangkan merk B nilai kekerasan bagian permukaan 975,40 kg/mm 2 dan bagian pusat 561 kg/mm 2. Struktur mikro menunjukan bahwa struktur terdiri dari perlit, sementit dan martensit. Kedua penelitian diatas menyatakan bahwa karakteristik dari ball mill impor yaitu kekerasan bagian permukaan mempunyai kecenderungan lebih tinggi dibandingkan dengan bagian pusat. 2.2 Dasar teori Besi cor merupakan logam banyak digunakan dalam teknik. Besi cor adalah logam paduan antara besi (Fe) dengan karbon (C). Kadar karbon dalam besi cor yaitu minimal 1,7% (Gupta, 2002). Selain kedua unsur dalam besi tersebut terdapat pula unsur-unsur dalam jumlah tertentu seperti mangan (Mn), silikon (Si), pospor (P), belerang (S), krom (Cr), nikel (Ni), wolfram (W), molibden (Mo) dan sebagainya yang bervariasi menurut kebutuhan. Besi cor paduan diklasifikasikan ada dua macam yaitu besi cor paduan rendah dan besi cor paduan tinggi. Besi cor paduan rendah memiliki unsur paduan < 10% sedangkan besi cor paduan tinggi memiliki unsur paduan >10%. Penambahan unsur paduan akan menaikan kekuatan, keuletan, kekuatan fatik, daya tahan terhadap korosi, tahan aus dan tahan panas yang baik. Sifat-sifat besi cor dapat diatur dengan cara pengaturan komposisi kimianya, terutama kadar karbon, krom, mangan dan lain-lain. Semakin tinggi kadar karbon dalam besi cor, maka semakin tinggi kekuatannya serta kekerasannya, tetapi keuletannya berkurang. Kadar karbon yang rendah menyebabkan kekuatan rendah, perpanjangan yang tinggi dan harga bentur serta mampu las yang baik. Besi cor mempunyai struktur yang buruk dan sifat yang getas apabila tidak diadakan perlakuan panas (Surdia dan chijiwa, 1996). Besi cor paduan adalah besi cor yang ditambah unsurunsur paduan. Salah satu atau beberapa dari unsur-unsur paduan seperti krom, mangan, nikel, molibden dibubuhkan untuk memberikan sifat-sifat khusus dari besi cor paduan tersebut, umpamanya sifat-sifat ketahanan aus an ketahanan impak. Efek dari paduan unsur krom adalah membentuk karbida krom, sehingga kuat dan keras, meningkatkan ketahanan korosi, meningkatkan mampu keras, kekuatan tarik, ketangguhan dan ketahanan abrasi (Gupta, 2002). 20

3 3. Metodologi penelitian 3.1. Bahan dan Alat Bahan baku 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 2 menyajikan bahan baku pengecoran terdiri sekrap baja karbon rendah, ferro krom dan arang tempurung kelapa. 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 kotak. Gambar 4: Foto 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: Foto Bahan Baku Peleburan Alat penelitian adalah tanur induksi kapasitas 40 kg, pola, ladel, rangka cetak, gerinda tangan, kikir, tanggem, jangka sorong, spectrometer, mesin uji impak, mikroskop optik, mesin amplas dan autosol, 3.2. Pola Cetakan Pada penelitian ini pola dibuat dalam bentuk kotak seperti disajikan pada Gambar 3. Gambar 3: (a) Foto pola bentuk kotak, (b) Ukuran pola kotak 3.3 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 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 impak. Ukuran spesimen uji impak yaitu mm. Tabel 5 menyajikan jumlah benda uji impak tidak diquenching. Tabel 5: Jumlah spesimen uji impak dan struktur mikro tidak diquenching. Spesimen Impak dan Struktur Mikro A=5,47% Cr 3 buah B=6,67% Cr 3 buah C=9,68% Cr 3 buah Tabel 6: Jumlah benda uji impak dan struktur mikro yang diquenching. Spesimen 750 o C Temperatur 800 o C 850 o C A=5,47% 3 buah 3 buah 3 buah B=6,67% 3 buah 3 buah 3 buah C=9,68% 3 buah 3 buah 3 buah Spesimen dipanaskan di dalam pemanas atau oven pada temperatur 750 o C, 800 o C dan 850 o C ditahan selama 21

4 30 menit sehingga diharapkan temperatur telah merata ke bagian dalam spesimen, kemudian dicelupkan kedalam fluida oli bekas. 3.4 Pengujian Pengujian impak dilakukan dengan menggunakan alat uji impak (impact test). Uji ini bertujuan untuk mengukur ketangguhan atau kemampuan suatu bahan dalam menyerap energi sebelum patah. Ketangguhan diukur dengan menggunakan standart JIS Z2202 Mesin uji Charpy. Pengujian impak dilakukan pada alat uji Charpy dengan berat pendulum 8,5 kg panjang lengan pendulum 83 cm dan sudut ayun pendulum tanpa spesimen 156 o. Gambar 5 menyajikan mesin uji impak. Pengujian komposisi material bertujuan untuk mengetahui unsur-unsur kimia dari material yang digunakan didalam penelitian, sehingga dapat diketahui karakteristik dari material. 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Hasil Nilai impak rata-rata spesimen tidak diquenching untuk spesimen A = 5,47% Cr, Spesimen B= 6,67% Cr dan Spesimen C= 9,68% Cr di sajikan Gambar 8. Gambar 5: Foto Mesin uji impak Charpy (Sumber: Lab. Bahan UGM Foto spesimen uji impak disajikan Gambar 6. Gambar 8: Nilai rata-rata uji impak tidak diquenching. Sedangkan hasil pengujian impak dari specimen diquenching disajikan Gambar 9. Gambar 6: Foto spesimen uji impak Pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik seperti disajikan pada Gambar 7. Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan cara mengambil sampel spesimen dari masing- masing paduan dan temperatur quenching. Gambar 7: Mikroskop optik (sumber: Lab. bahan teknik UGM) Gambar 9: Nilai rata-rata uji impak diquenching. Pengamatan struktur mikro spesimen tidak diquenching dilakukan pada ketiga spesimen dengan pembesaran 160x. Hasil pengamatan struktur mikro dari spesimen tidak diquenching disajikan Gambar

5 Gambar 10.a: Struktur mikro spesimen 5,47%C tidak diquenching Gambar 11.a: Struktur mikro spesimen 5,47% diquenching temperatur 850 o C Gambar 10.b: Struktur mikro spesimen 6,67%C tidak diquenching Gambar 11.b: Struktur mikro spesimen 6,67%C diquenching temperatur 850 o C Gambar 10.c: Struktur mikro spesimen 9,68%C tidak diquenching Sedangkan pengamatan struktur mikro spesimen diquenching disajikan Gambar 11. Gambar 11.c: Struktur mikro spesimen 9,68%C diquenching temperatur 850 o C 4.2 Pembahasan Hasil pengujian komposisi kimia dari benda coran menunjukan variasi persenatse krom yang diperoleh adalah 5,47% Cr, 6,67% 23

6 Cr dan 9,68% Cr. Nilai impak rata-rata spesimen tidak diquenching berturut-turut yaitu: 5,47% Cr yaitu 2,766 joule, spesimen 6,67% Cr yaitu 2,666 joule dan spesimen 9,68% yaitu 2,5 joule. Nilai impak tertinggi spesimen yaitu spesimen 5,47% Cr adalah 2,766 joule yang mempunyai komposisi berat krom paling sedikit sedangkan nilai impak terendah spesimen 9,68% Cr adalah 2,5 joule yang mempunyai komposisi berat krom paling banyak. Ball mill dengan komposisi berat krom yang tinggi mempunyai sifat getas. Terbentuknya karbida krom yang lebih banyak pada ball mill akan meningkatkan kekerasan tetapi lebih getas sehingga menurunkan nilai impak. Pengaruh lain dari turunnya nilai impak adalah adanya porositas dari benda coran. Porositas menyebabkan ikatan kristal material logam menjadi lemah. Pengaruh dari heat treatment quenching yaitu ball mill menjadi lebih getas karena terbentuk struktur mikro martensit yang mempunyai sifat sangat keras tapi getas. Dalam hal ini nilai impak berbanding terbalik dengan nilai kekerasan suatu material. Nilai impak rata-rata ball mill disajikan Tabel 7. Tabel 7: Nilai rata-rata impak. Nilai impak tanpa quenching (joule) Spesimen Spesimen Spesimen 5,47% Cr 6,67% Cr 9,68% Cr Nilai impak 2,766 joule 2,666 joule 2,5 joule Nilai impak dengan quenching (joule) Suhu T=750 O C T=800 O C T=850 O C SP A 2,6 2,1 2,1 SP B 2,5 2 2 SP C 2,5 2 2 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. 2. Ball mill yang tidak diquenching mempunyai nilai impak berturut-turut 2,766 joule, 2,666 joule dan 2,5 joule. Sedangkan ball mill yang diquenching mengalami penurunan nilai impak. 3. Struktur mikro dari ball mill tidak di quenching yaitu perlit, sementit dan karbida krom. Sedangkan ball mill setelah diquenching mempunyai struktur mikro yaitu perlit, martensit dan karbida krom. 6. 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. Suharno dan Estriyanto, Y., 2009, KarakterisasiGrinding Ball Imporpada Industri Semendi Indonesia, LPPM UNS, Penelitian, DP2M, Hibah Bersaing. Subardi, 2011, Pengaruh Viskositas Media Celup terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro Besi Tuang ASTM A532, Jurnal Traksi, Vol.11, No.1. Surdia, T dan Chijiwa, K, 1996, Teknik Pengecoran Logam, Cetakan ke tujuh, ISBN , PT. Pradnya Paramita, Jakarta. 5. Kesimpulan 1. Pengaruh penambahan krom terhadap ketangguhan menyebabkan nilai impak turun. 24