PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DISUSUN OLEH : SURYA ANDHIKA 070401037 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
ABSTRAK Telah dilakukan penelitian pengaruh pengerolan panas dan tingkat deformasi terhadap sifat mekanis baja karbon sedang untuk mata pisau pemanen sawit. Tujuan penelitian adalah mengamati pengaruh pengerolan panas dan tingkat deformasi terhadap sifat mekanis bahan, mengetahui pengaruh ukuran butiran terhadap sifat mekanis dan melihat apakah baja karbon sedang yang telah diproses dengan perlakuan pengerolan panas memiliki sifat mekanis lebih baik dari bahan baku yang biasa digunakan. Perbaikan sifat mekanis baja AISI 1060 untuk bahan mata pisau pemanen sawit dilakukan dengan metode pengerolan panas. Kajian termomekanikal dilakukan pada temperatur (750 0 C, 800 0 C, 850 0 C, 900 0 C dan 950 0 C) dan tingkat deformasi (5%, 10%, 15% dan 20%) berurutan. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa nilai kekerasan optimal yang diperoleh adalah 420 BHN pada suhu 800 0 C dan deformasi 20%. Hasil pengujian tarik diperoleh tegangan batas 1.019 MPa dan tegangan luluh 651,31 MPa. Sedangkan hasil mikrostruktur memeperlihatkan diameter butiran rata-rata 4,95 μm. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa pengaruh perlakuan pengerolan panas dan tingkat deformasi terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik berbanding lurus dimana semakin meningkat nilai kekerasan maka kekuatan tariknya juga akan meningkat. Korelasi ukuran butir terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara kekerasan dan ukuran butir berbanding terbalik, dimana semakin kecil ukuran butir maka kekerasan bahan akan semakin meningkat, sedangkan untuk hubungan antara kekuatan tarik dan ukuran butir berbanding terbalik juga dimana semakin kecil ukuran butir maka bahan akan semakin ulet. Sifat mekanis baja karbon sedang setelah dilakukan proses pengerolan panas memperlihatkan kenaikan sifat mekanis dibanding bahan baku. Keywords: Termomekanikal, Baja Karbon Sedang, Pengerolan Panas, Diameter Butiran, Sifat Mekanis
ABSTRACT Has done research on the impact of hot rolling and deformation rate on the mechanical properties of medium carbon steel for the blade palm harvesters. The research objective was to observe the effect of hot rolling and the degree of deformation of the mechanical properties of the material, determine the effect of particle size on the mechanical properties and see if the medium carbon steel that has been processed by hot rolling treatment have better mechanical properties than the raw materials used. Improvement of mechanical properties of AISI 1060 steel for the blade material made with palm harvesters hot rolling method. Termomekanikal study performed at a temperature (7500C, 8000C, 8500C, 9000C and 9500C) and the degree of deformation (5%, 10%, 15% and 20%) respectively. The test results showed that the optimal hardness value obtained is 420 BHN at 8000C temperature and deformation of 20%. Test results obtained tensile stress limit 1019 MPa and 651.31 MPa yield stress. While the results of microstructural memeperlihatkan average grain diameter of 4.95 μm. From the research it can be concluded that the effect of heat treatment and rolling deformation rate on the mechanical properties of the obtained relationship between hardness and tensile strength which is proportional increases the hardness value will also increase the power of attraction. Correlation of grain size on the mechanical properties of the obtained relationship between hardness and grain size is inversely proportional, where the smaller the grain size of the material hardness will increase, while the relationship between tensile strength and inversely proportional to the grain size is also where the smaller the grain size of the material will be more tenacious. The mechanical properties of carbon steel was after hot rolling process showed an increase compared to the mechanical properties of materials. Keywords: Termomekanikal, Medium Carbon Steel, hot rolling, Diameter Pellets, Mechanical Properties
KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulilah saya panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan, dan kesempatan sehingga tugas sarjana ini dapat selesai pada waktunya. Tugas sarjana yang berjudul Pengaruh Pengerolan Panas dan Tingkat Deformasi Terhadap Sifat Mekanis Baja Karbon Sedang Untuk Mata Pisau Pemanen Sawit ini dimaksudkan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik,. Tugas sarjana ini berisikan penelitian yang berhubungan dengan pembentukan ukuran butiran pada skala mikro dengan mengabungkan antara perlakuan panas dan proses pengerolan terhadap material baja karbon sedang sehingga diharapkan terjadi perubahan sifat-sifat mekanis pada material tersebut. Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada : 1. Kedua orangtua saya, Bapak Darmanto dan Ibu Eny Supiyati yang telah memberikan perhatian, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, dan tidak lupa Reni Ayu Lestari Ginting yang selalu memberikan semangat setiap saat. 2. Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT selaku dosen pembimbing tugas sarjana yang telah banyak membantu menyumbang pikiran dan meluangkan waktunya dalam memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Bapak DR. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, Ibu Ismawati, Kak Sonta, Bapak Syawal, Bang Sarjana, dan Bang Lilik yang telah banyak membantu dan memberikan ilmu selama perkuliahan. 5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Fuad Affiz, Arief Murtiono, Darwin R. Hasibuan dan Ahmad Azhari. Penelitian ini merupakan suatu kesempatan yang sangat berharga bagi saya untuk dapat meningkatkan ilmu, dan kualitas, serta pengalaman yang tidak akan pernah saya lupakan.
6. Seluruh teman teman stambuk 2007 terutama yang begitu setia menunggu kami untuk tamat bersama-sama, Arifin F. Lubis, Mirsal Lubis, Ricky Miraza, Masniarman, Indra Agustian, Palvis, Ningsih dan lainnya yang namanya tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini. Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saran dan kritik dari pembaca sekalian sangat diharapkan demi kesempurnaan skrispi ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat dan berguna bagi semua pihak. Medan, 12 Juli 2012 Surya Andhika NIM : 070401037
DAFTAR ISI LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING... i SPESIFIKASI TUGAS... ii KATA PENGANTAR... iii ABSTRAK... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 4 1.4 Manfaat Penelitian... 4 1.5 Batasan Masalah... 5 1.6 Sistematika Penulisan... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 7 2.1 Baja... 7 2.1.1 Proses Pembuatan Baja... 8 2.1.1.1 Dapur Baja Oksigen (Proses Bessemer)... 9 2.1.1.2 Dapur Baja Terbuka (Siemens Martin)... 12 2.1.1.3 Dapur Baja Listrik... 12 2.1.2 Klasifikasi Baja... 13 2.1.2.1 Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel)... 13 2.1.2.2 Baja Karbon Sedang (Medium Carbon Steel)... 14 2.1.2.3 Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel)... 14 2.1.3 Sifat-sifat Baja... 15 2.1.3.1 Sifat Kimia... 15 2.1.3.2 Sifat Teknologi... 15 2.1.3.3 Sifat Mekanik... 16 2.1.3.3.1 Kekuatan (Strength)... 16 2.1.3.3.2 Kekerasan (Hardness)... 16 2.1.3.3.3 Kekenyalan (Elasticity)... 16 2.1.3.3.4 Kekakuan (Stiffness)... 17 2.1.3.3.5 Plastisitas (Plasticity)... 17 2.1.3.3.6 Ketangguhan (Toughness)... 17 2.1.3.3.7 Kelelahan (Fatigue)... 18 2.1.3.3.8 Keretakan (Creep)... 18
2.1.4 Diagram Fasa Fe-C... 18 2.1.4.1 Delta Iron (Delta ferrite)... 21 2.1.4.2 Ferrite (α)... 22 2.1.4.3 Cementite (Fe3C)... 22 2.1.4.4 Pearlite (α + Fe3C)... 23 2.1.4.5 Austenite (γ)... 24 2.1.4.6 Eutectic, Hipo-Eutectoid dan Hyper-Eutectoid... 24 2.2 Proses Pembentukan Logam... 25 2.2.1 Proses Pengerjaan Panas... 28 2.2.1.1 Pengerasan (Hardening)... 32 2.2.1.2 Pelunakan (Annealing)... 32 2.2.1.3 Normalizing... 33 2.2.1.4 Full Annealing... 34 2.2.1.5 Spheroidzing... 34 2.2.2 Proses Pengerjaan Dingin... 42 2.3 Pengujian Sifat Mekanis Logam... 47 2.3.1 Pengujian Tarik... 47 2.3.2 Pengujian Kekerasan... 50 2.3.3 Analisa Struktur Butir... 51 2.3.4 Pertumbuhan Struktur Butir... 52 2.3.5 Perhitungan Diameter Butir... 53 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 55
3.1 Waktu dan Tempat... 55 3.2 Alat dan Bahan... 55 3.2.1 Alat... 55 3.2.2 Bahan... 56 3.3 Spesifikasi Spesimen... 56 3.4 Perlakuan Termomekanikal... 57 3.5 Pengujian... 60 3.5.1 Pengujian Kekerasan... 60 3.5.2 Pengujian Tarik... 61 3.5.3 Pengujian Metalografi... 62 3.6 Diagram Alir Penelitian... 64 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 65 4.1 Hasil... 65 4.1.1 Hasil Uji Kekerasan... 65 4.1.2 Hasil Uji Tarik... 67 4.1.3 Hasil Pengujian Metalografi... 69 4.2 Pembahasan... 71 4.2.1 Hubungan Antara Kekerasan dengan Kekuatan Tarik... 71 4.2.2 Hubungan Diameter Butir dengan Kekerasan dan Kekuatan Tarik... 72 4.3 Penguraian Gaya yang Terjadi Saat Pemotongan... 73 4.4 Laporan Hasil Simulasi Menggunakan Solidwork... 79
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 89 5.1 Kesimpulan... 89 5.2 Saran... 89 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses Pengerjaan Baja pada Dapur Tinggi... 11 Gambar 2.2 Diagram Fasa Fe-C... 20 Gambar 2.3 Struktur Mikro Delta Ferrit... 21 Gambar 2.4 Mikro Struktur Ferrite... 22 Gambar 2.5 Mikro Struktur Cementite... 23 Gambar 2.6 Mikro Struktur Pearlite... 24 Gambar 2.7 Diagram Fasa Fe-Fe3C pada Daerah Eutectoid... 33 Gambar 2.8 Proses Pengerolan Datar... 35 Gambar 2.9 Skema Perolingan... 36 Gambar 2.10 Proses Roling dan Hasilnya... 37 Gambar 2.11 Tahapan Perolingan... 38 Gambar 2.12 Mesin Roling... 40 Gambar 2.13 Hasil Roling Panas... 41 Gambar 2.14 Kurva Tegangan Regangan Baja Karbon Sedang Perlakuan Rolling pada Temperatur 800 C Deformasi 20%... 47 Gambar 2.15 Perhitungan Butiran Menggunakan Metode Planimetri (Sumber: ASTM E 112-96, 200)... 53 Gambar 3.1 Spesimen (a) Uji Kekerasan dan Metalogafi (b) Dimensi Spesimen... 56 Gambar 3.2 Spesimen Uji Tarik... 57
Gambar 3.3 Pemanasan Spesimen di Dalam Furnace... 57 Gambar 3.4 Alat Rol... 58 Gambar 3.5 Ilustrasi Proses Termomekanik... 59 Gambar 3.6 Alat Uji Brinell... 61 Gambar 3.7 Alat Uji Tarik Torsee Type AMU-10... 62 Gambar 3.8 Mikroskop Optic... 63 Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian... 64 Gambar 4.1 Hubungan Antara Temperatur dan Deformasi Terhadap Nilai Kekerasan... 67 Gambar 4.2 Grafik Pengujian Tarik... 68 Gambar 4.3 Foto Mikro (a) RAW Material (b) 800 C 20% (c) 800 C 10% (d) 950 C 20% (perbesaran 500x)... 70 Gambar 4.5 Hubungan Antara Kekerasan dengan Tegangan Batas (ultimate strength)... 71 Gambar 4.6 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekerasan... 72 Gambar 4.7 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekuatan Tarik... 73 Gambar 4.8 Skema Penguraian Gaya F - N... 74 Gambar 4.9 Penguraian Gaya F N pada Sumbu x dan Sumbu y... 75 Gambar 4.10 Penguraian Momen... 76 Gambar 4.11 Penguraian Gaya F Terhadap Sudut θ... 76 Gambar 4.12 Penguraian Gaya N Terhadap Sudut θ... 77
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Hubungan antara Perbesaran yang Digunakan dengan Pengali Jeffries... 54 Tabel 3.1 Spesifikasi Furnace... 57 Tabel 3.2 Spesifikasi Alat Rol... 58 Tabel 3.3 Spesifikasi Alat Uji Brinell... 61 Tabel 3.4 Spesifikasi Alat Uji Tarik... 62 Tabel 4.1 Pengujian Kekerasan Berdasarkan Skala Brinell... 65 Tabel 4.2 Hasil Uji Tarik Pada 3 Perlakuan Optimal... 69 Tabel 4.3 Hasil Uji Mikrostruktur RAW Material dan 3 Spesimen Optimal.. 70
DAFTAR NOTASI Lambang Keterangan Satuan A luas penampang mm 2 d diameter butir μm D Diameter mm 2 ε Regangan % f pengali Jeffries butiran/mm 2 F gaya tarik N L Panjang mm σ Tegangan MPa N jumlah butir - Δ Perubahan - π Konstanta 3,14 -