STUDI PENGARUH CARBURIZING BAJA KARBON RENDAH DENGAN MEDIA ARANG DAN VAREASI HOLDING (PENAHANAN SUHU) TERHADAP TINGKAT KEKERASAN DAN KEAUSAN.

Transkripsi

1 STUDI PENGARUH CARBURIZING BAJA KARBON RENDAH DENGAN MEDIA ARANG DAN VAREASI HOLDING (PENAHANAN SUHU) TERHADAP TINGKAT KEKERASAN DAN KEAUSAN Sudiro, ST Sfaf Pengajar, Program Studi D3 Mesin Otomotif Politeknik Indonusa Surakarta Jl. KH. Samanhudi No. 31 Mangkuyudan Surakarta Abstrak Komponen yang dibutuhkan dalam industri permesinan maupun otomotif ada yang membutuhkan permukaan yang keras dan tahan aus dengan inti lunak. Baja yang dikeraskan dengan cara konvensional dapat menghasilkan permukaan yang kersa dan tahan aus namun getas.. Sedangkan baja yang dihasilkan dari proses carburizing tersebut cukup ulet tetapi keras dan tahan aus pada bagian permukaan. Sehingga baja dengan sifat-sifat tersebut yang sangat cocok untuk bagian-bagian atau perkakas mesin. Adapun baja yang digunakan dalam penelitian adalah baja dengan unsur kandungan carbon 0,139%C Berdasarkan hasil penelitian maka diperoleh kekerasan tertinggi pada proses carburizing dengan media arang dan vareasi holding adalah pada suhu 900ºC adalah 800 VHN, pada suhu 950º C adalah 860 VHN, pada suhu 1000º C adalah 860 VHN. Suhu pemanasan berpengaruh besar terhadap tebal lapisan carburizing (Depth of Case Hardening disingkat DC), Dimana Dc pada suhu carburizing 900ºC adalah 400 µm. DC pada suhu carburizing 950º C adalah 700 µm. DC pada suhu carburizing 1000 ºC adalah 1250 µm. Sedangkan laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC. Kata Kunci : Carburizing, Baja carbon, Holding I. PENDAHULUAN Dengan berkembangnya industri-industri permesinan dan otomotif yang semakin maju dengan pesat, maka harus didukung pula dengan tersedianya bagian-bagian atau perkakas yang diperlukannya. Adapun bagian-bagian atau perkakas yang diperlukan dalam induistri permesinan dan otomotif sangat bermacam vareasinya, ada yang terbuat dari logam, plastik, viber kaca maupun bahan yang lain yang semuanya untuk menambah kesempurnaan suatu produk. Adapun bahan yang dibutuhkan dalam industri permesinan maupun otomotif tersebut ada yang membutuhkan permukaan yang keras dan tahan aus dengan inti lunak. Dimana baja yang dikeraskan secara konvensional dapat menghasilkan permukaan yang keras dan tahan aus namun mempunyai kelemahan yaitu getas (kurang ulet). Oleh karena itu diadakannya penelitian untuk mengatasi permasalah diatas, dimana penelitian ini berlangsung di PT ITOKOH Klaten, Adapun bentuk penelitian yang dilakukan adalah pengujian dan analis dengan proses carburizing baja karbon rendah, maka bagian yang dikeraskan hanya permukaannya saja, sedang bagian inti dari baja tersebut masih tetap lunak dan ulet. Sehingga baja yang dihasilkan dari proses carburizing tersebut cukup ulet tetapi keras dan tahan aus pada bagian permukaan. Sehingga baja dengan sifatsifat tersebut yang sangat cocok untuk bagianbagian atau perkakas mesin. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan material yang keras dan tahan aus pada bagian permukaan (case) dan lunak pada inti ( tahan terhadap beban lentur), dengan proses carburizing dengan media arang dan variasi holding (penahanan suhu). Dari penelitian yang dilakukan ini diharapkan: a. Dengan proses carburizing dan variasi holding yang dilakukan didapatkan material yang keras dan tahan aus serta ulet (tahan terhadap beban lentur), sehingga dapat digunakan untuk bagian-bagian atau 49

2 perkakas mesin yang memerlukan sifat tersebut. b. Dari penelitian ini diharapkan memberikan pengembangan ketrampilan bagi dosen untuk melaksanakan penelitian dalam kaitan pelaksanaan Tri Dharma Perguruan Tinggi. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Komposisi Kimia Baja Komposisi kimia baja dapat dibagi menjadi 2 yaitu: 1. Baja karbon ( baja tanpa paduan ) 2. Baja paduan. Baja karbon tidak hanya mengandung besi dan karbon, tetapi juga mengandung unsur lain yang tidak banyak berpengaruh terhadap sifat mekaniknya. Baja karbon 0,2% atau kurang tidak dapat dikeraskan. Untuk dikeraskan karbon harus ditambah. Dengan mendifusikan karbon agar dapat dikeraskan dengan quenching (pembentukan martensif). Proses pengerasan carburizing dibagi menjadi dua tahapan: 1. Pack (solid) carburizing. 2. Gas carburizing. 3. Liquid carburizing. Gas-gas yang dihasilkan selama proses carburizing adalah gas monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO). Tebal lapisan carburizing didefinisikan sebagai jarak dari permukaan kebagian dalam yang mencapai kekerasan 550 VHN, material yang dapat di carburizing adalah baja carbon rendah 0%c 0,2%C. Persamaan empiris yang dapat menunjukkan hubungan antara lamanya carburizing dan dalamnya pengerasan Bofors Handbook (1975), adalah: DC = K. t Dengan: DC = Depth of Case Hardening (tebal lapisan kekerasan) K = Konstanta diffusi T = Waktu carburizing (jam) Dengan bertambahnya suhu material maka bertambah pula energi getar atom. Jika energi yang tersedia besar maka proses difusi semakin besar. Besar aliran atom ( Fluks atom/j) berbanding lurus dengan gradien konsentrasi (Suharnadi 1988) Carburizing adalah proses diffusi, menurut hokum Fick pertama. J = -D (dc/dx) (atom/m².det) Dengan: J = Fluks atom (atom/m².det) D = konstanta difusivitas atom (m²/det) DC/dX = gradien konsentrasi ((atom/m³)/det). Hukum Ficj kedua: (dc/dt) = D (d²c/dx²) dengan: \ (dc/dt) = Difusivitas atom (mol/m/det) D = Konstanta aktivasi molekuler (m²/det) DC/dX = Gradien konsentrasi (mol/m³/det) Menurut Boltzmann, D = Do e Dengan: D = Difusifitas atom (m²/det) E = Energi aktivasi (joule/atom) T = Suhu (Kelvin) Do = Konstanta yang tergantung suhu (m²/det) Pada grafik gambar 1 dapat dijelaskan bahwa semakin tebal lapisan permukaan carburizing maka kekerasan akan naik. Menurut Jominy (1975) unsur paduan mempunyai kontribusi besar terhadap kekerasan, seperti halnya diameter kritis yang diberikan Grossmann (1975). Untuk pengerasan Jominy jarak 0-6 mm Jo = 60 x C + 20 HRc Untuk jarak Jominy 6-80 mm kekersan dapat dihitung. J6-80 = 95 C - 0,0028 S C + 20 Cr + 38 Mo + 14 Mn + 16 Ni + 39 V + 96 P - 0,8 K 12 S + 0,9 S - 13 Hrc Dengan J = Jominy hardness (HRc) K = ASTM grain size number S = Jominy distance Baja karbon rendah kekerasannya rendah, sedangkan baja karbon tinggi nilai kekerasan nya juga tinggi. Material dipanaskan pada fase austenit ( ), ditahan pada fase tersebut kemudian dimasukkan kedalam zat cair. Hanya austenit yang dapat berubah menjadi martensif yang keras dan getas. Austenit adalah fase yang terbentuk pada suhu 723 C C. Keausan adalah ketahanan material untuk menahan gesekan. Material dikatakan tahan aus apabila tahan terhadap gesekan. Material hasil carburizing diuji kekerasan mikro vikers, dengan penumbuk piramida intan segi empat. Nilai kekerasan VHN ditentukan dari persamaan berikut : VHN = 2P sin (π/2)]/ L = (1.854 P ) / L 50

3 Dengan : P = Beban yang digunakan (kg) L = Panjang diagonal rata-rata (mm) π = Sudut antara permukaan intan yang berlawanan Penelitian Sebelumnya Lakthin (1996), melakukan percobaan menggunakan metode nitriding atau pelapisan nitride. Perubahan disosiasi ammonia (potensial nitrogen) didalam dapur untuk semua nitriding dapat dikontrol dengan fase komposisi dan konsentrasi nitrogen π fase, dimana beberapa bagian mesin seperti cilynder liner, worms gear dengan permukaan yang sangat keras terbuat dari baja 38 Kh 2 M YUA. Dengan kekerasan permukaan (1100 Hv 1200 Hv) dengan lapisan nitrat pada suhu 500 C C ditahan pada suhu tersebut selama jam dan menghasilkan rumus sebagai berikut : Potensial nitrogen: (π ) = ( P ) / ( P ) Dengan: π = Potensial nitrogen P = Tekanan parsial Disosiasi ammonia dalam nitriding naik 50% - 60% akan mempunyai harga kekerasan permukaan sangat tinggi, dan kenaikan disosiasi 80% - 90% dilakukan untuk internal nitriding. Hal ini juga dibuktikan oleh ilmuwan yang telah melakukan percobaan ini. Ryzhov (1996), dengan percobaannya mengenai carbo-nitriding menghasilkan bahwa pelapisan secara difusi dengan karbon dan nitrogen akan meningkatkan kekerasan pada sisi luar. Kogan dkk (1996), menghasilkan perlakuan chemicothermal baja karbon dibawah kondisi Self-Propagating Hight temperature Syntesis (SHS). Sistem berbanding lurus dengan kenaikan kekerasan permukaan dan penggunaan metode carburizing akan menaikkan ketahanan terhadap keausan. Savanov (1996), dalam penelitiannya menggunakan laser untuk proses case hardening. Energi yang dimiliki laser lebih besar dari energi panas yang lain. Laser disini berfungsi untuk mempercepat difusi karbon kedalam permukaan baja. Suherman (1991), dalam penelitiannya dengan proses case hardening kekerasan pada sisi-sisinya VHN atau HRc, dan turun pada tengahnya. Suharnadi (1988), pada penelitiannya keaktifan arang kayu lebih tinggi dibanding arang tempurung kelapa. Semakin lama proses penyemenan, lapisan semen semakin tebal, dan kadar karbonnya semakin tinggi. Supriyono (2002), pada penelitiannya takik dengan pengarbonan menaikkan sifat lelah dan kekerasan pada kulit lebih keras dibanding pada tengahnya. Suhu optimal yang digunakan 930 C dengan waktu penahanan 4 jam. III. METODE PENELITIAN Metode yang Digunakan Metode penelitian yang digunakan dalam kegiatan ini dapat dibuatkan diagram alir sebagai berikut: Alat Bahan dan Prosedur Pengujian Dalam penelitian ini menggunakan metode eksperimental dilaboratorium. Adapun alat dan bahan penelitian yang diperlukan adalah sebagai berikut: Bahan yang digunakan dalam penelitianini yaitu : 1. Baja karbon dengan unsur kandungan 0,139% C 2. Serbuk karbon media arang. 3. Energizer soda abu (Na CO ) Alat penelitiannya adalah : 1. Kekerasan mikro untuk melihat hasil percobaan carburizing 2. Mikroskop optik untuk melihat struktur mikro specimen hasil carburizing. 3. Mesin keausan untuk mengetahui laju keausan specimen carburizing. 4. Timbangan untuk menimbang specimen sebelum diuji laju keausan dan sesudah. 51

4 5. Dapur pemanas untuk melakukan pemanasan carburizing. Adapun pelaksanaan penelitian dapat diterangkan sebagai berikut : a. Mula-mula material dibuat ukuran 2 cm x 2 cm dan tinggi 0,5 cm. b. Di uji komposisi spesimen. c. Dibuatkan silinder carburizer dengan diameter 5 cm dan tinggi 7cm. d. Spesimen diletakkan dalam silinder carburizing, carbon ditaburkan sampai rata kemudian dipadatkan, dan ditutup rata. e. Dimasukkan dapur, sampai suhu yang diinginkan, dan ditahan pada suhu tersebut. f. Kemudian didinginkan dalam dapur tersebut. g. Spesimen masuk dapur lagi sampai fase austenet, kemudian dimasukkan dalam air. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengujian Komposisi Material Uji Data hasil pengujian komposisi kimia dari material uji (Baja) yang dilakukan pada laboratorium pengujian bahan di PT ITOKOH Klaten adalah sebagai berikut: Pengujian kekerasan lapisan hasil carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 950 ºC dan penahanan selama 2 jam. Kekerasan (VHN) Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ) Data Hasil Pengujian 1. Pengujian kekerasan lapisan hasil carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 900 ºC pada penahanan 2 jam. Kekerasan (VHN) Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ)

5 Data hasil pengujian pada nilai keausan Suhu Carburizing Laju keausan (ºC) (gr/mnt) 900 0, , , Pengujian kekerasan lapisan hasil carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 1000 ºC dan penahanan selama 2 jam Kekerasan (VHN) Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ) Data struktur mikro Nilai Kekerasan Dilihat dari data hasil uji maupun grafik pada pengujian kekerasan untuk baja yang mengalami proses carburizing adalah sebagai berikut : a. Pada suhu proses 900ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan sisinya lebih tinggi disbanding kekerasan tengahnya. Dimana kekerasan tertinggi sebesar 800 VHN dan kemudian mengalami penurunan sampai pada 250 VHN pada jarak injakan ipedensi sebesar 1340 µ. b. Pada suhu proses 950ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan tertinggi sebesar 860 VHN pada sisi luar dan turun sampai dengan 300 VHN 53

6 pada jarak injakan ipedensi sebesar 1920 µ, dan kekerasannya naik lagi sampai 860 VHN pada jarak 4450 µ atau pada sisi tepinya. c. Pada suhu proses 1000ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan yang dihasilkan adalah tertinggi sebesar 860 VHN, dam mengalami penurunan sampai 400 VHN pada jarak injakan ipedensi sebesar 950 µ. Serta mengalami kenaikan lagi. Nilai Keausan Dari data hasil pengujian dengan menggunakan mesin keausan maka didapat laju keausan baja carburizing dengan menggunakan media arang dan penahanan suhu adalah sebagai berikut : Dimana pada data diperoleh bahwa laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC. Struktur Mikro Pada metalurgrafi struktur mikro dengan media carburizer arang adalah sebagai berikut : a. Pada suhu proses 900ºC. Dapat dilihat pada data bahwa struktur mikro yaitu daerah hyper eutectoid fasanya martensit tetapi sedikit perlit, sedangkan daerah hypoeutectoit fasanya perlit dan ferit b. Pada suhu proses 950ºC. Sedangkan struktur mikro pada suhu proses 950ºC daerah hyper eutectoid fasanya adalah martensit.. Sedangkan daerah hypoeutectoit fasanya ferit c. Pada Suhu proses 1000ºC Untuk struktur mikra pada suhu proses 1000ºC adalah fasa martensit lebih dominan pada daerah hyper eutectoit. Seangkan pada daerah hypoeutectoit fasanya ferit V. KESIMPULAN Kesimpulan Berdasarkan hasil peelitian dan pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikuit : 1. Kekerasan tertinggi pada proses carburizing dengan media arang dan vareasi holding adalah : - Pada pemanasan dengan suhu 900ºC adalah 800 VHN - Pada pemanasan dengan suhu 950º C adalah 860 VHN - Pada pemanasan dengan suhu 1000º C adalah 860 VHN 2. Suhu pemanasan berpengaruh besar terhadap tebal lapisan carburizing (Depth of Case Hardening disingkat DC), Dimana Dc pada suhu carburizing 900 adalah 400 m. Dc pada suhu carburizing 950 C adalah 700 m. DC pada suhu carburizing 1000 C adalah 1250 m. 3. Sedangkan laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC. Saran 1. Untuk mendapatkan hasil perbandingan yang baik pada proses carburizing maka diperlukan dilakukan penelitian dengan menggunakan media carburizer lain seperti kokas atau batu bara sehingga akan diperoleh vareasi hasil sebagai perbandingan. DARTAR PUSTAKA Supriyono, 2000 Pengaruh Pengarbonan Dengan Media Limbah Kayu Terhadap Sifat Lelah Baja Poros bertakik Tesis S2 Pasca Sarjana UGM, Yogyakarta. Lakhtin, Y. M., 1996, Control Of The Phase Composition and Nitrogen Content In The Nitide Layer In The Nitriding Of Steel 38 Kh2MyuA Journal Metalurgy, Vol 38, hal 6. Savanov, A. N., 1996, Structure and Microhardness Of The Surface Layer Of Iron-carbon Alloys After Laser Heat Treatment Journal Metalurgy, Vol 38, hal 68. Setiawan, N. A., 1995 Flame Hardening Makalah Seminar Skripsi, ITS, Surabaya. Suharnadi, B., 1988, Penyemenan Baja Dengan Media Arang Skripsi S-1, UGM, Yogyakarta. MEDIA TEKNIK No. 1 Tahun XXV Edisi Februari 2003, FT UGM, Yogyakarta. 54

7 Suherman, W., 1991 Treatment Material Baja Ferro dan Non Ferro ITS, Surabaya. Duarse, I., 1996, Pengaruh Case Hardening Dengan Metode Pack carburizing Pada Baja ASSAb 7210 M Terhadap Kelelahan Material Makalah Seminar Skripsi, ITS, Surabaya. Kogan, Y. D.et al, 1996, Preparing Boronized Coating Under The Conditions Of Self-propagating High Temperature Synthesis Journal Metalurgy, Vol 38, hal 20. Ryzhov, V. E. N. M. et al., 1996, Combined System For Controling Ion Cyanidation Journal Metalurgy, Vol 38, hal 12. Karl et all, 1975, Steel and Its heat Treatment Bofors Hand Book Butterworths, London Sydney Welington, Dueban, Toronto. 55