PENGARUH STRUKTUR MIKRO TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA STAINLESS STEEL M303 EXTRA UNTUK BAHAN MATA PISAU PEMANEN SAWIT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik INDRA RUKMANA 080401014 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2013
i ABSTRAK Perlakuan panas (heat treatment) didefenisikan sebagai kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan yang terkontrol dalam keadaan padat untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu pada baja/logam atau paduan. Salah satu metode perlakuan panas tersebut adalah dengan proses quenching dan tempering. Proses ini dilakukan pada temperatur austenite (1000 C) selama 60 menit kemudian didinginkan dengan oli dan air es, kemudian di-temper pada temperatur 300 C, 350 C, 400 C, 450 C, 500 C, 550 C, 600 C dengan lama waktu penahanan 1 jam. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa nilai kekerasan optimum adalah 506,6 BHN setelah quenching dengan oli pada suhu 1000 0 C dan pada proses tempering rata rata kekerasanya secara bertahap menurun dengan bertambahnya temperatur tempering. Sedangkan nilai kekerasan setelah quenching dengan air es pada suhu 1000 C adalah 499,2 BHN dan pada proses tempering kekerasan yang didapat rata rata secara bertahap menurun dengan bertambahnya temperatur tempering, namun pada temperatur tempering 450 C kekerasannya naik yang didapat 426,6 BHN. Hal ini disebabkan laju difusi lambat hanya sebagian kecil karbon yang dibebaskan, hasilnya sebagian struktur tetap keras tetapi mulai kehilangan kerapuhanya. Hasil pengujian tarik memperlihatkan nilai yang optimum diperoleh tegangan luluh (yield strength) 1155,671 MPa dan tegangan batas (ultimate strength) 1335,313 MPa. Hasil pengujian Fatique diperoleh kekuatan lelah maksimum pada siklus 313833600 N selama 307680 detik dengan beban 7 kg pada raw material. Menurunnya besar butir dari raw material 3,83 μm menjadi 2,86 μm dan 2,47 μm setelah quenching dengan oli dan air es, dan setelah tempering rata rata kenaikan besar butir secara bertahap dengan bertambahnya temperatur tempering. Dari penelitian dapat disimpulkan bahwa pada proses tempering dapat menurunkan nilai kekerasan dan kekuatan tarik. Sementara hasil mikro struktur memperlihatkan bahwa diameter butiran bahan menunjukkan menurunnya diameter butiran selama proses hardening dengan quenching oli. Dimana semakin kecil diameter butiran maka sifat mekanis bahan meningkat. Kata Kunci: Heat Treatment, Baja Stainless Steel M303 Extra, Sifat Mekanis, Struktur Mikro
ii ABSTRACT Heat treatment is defined as a combination of heating and cooling operations are controlled in the solid state to obtain certain properties in the steel / metals or alloys. One of these is a method of heat treatment with quenching and tempering process. This process is carried out at a temperature of austenite (1000 C) for 60 minutes and then cooled with ice water and oil, then in-tempering at 300 C, 350 C, 400 C, 450 C, 500 C, 550 C, 600 C with a holding time 1 hour long. The test results showed that the optimum value is 506.6 BHN hardness after quenching in oil at a temperature of 1000 C and the tempering process average hardness gradually decreases with increasing tempering temperature. While the value of hardness after quenching with ice water at a temperature of 1000 C is 499.2 BHN and the process of tempering hardness obtained average gradually decreased with increasing tempering temperature, but at temperatures of 450 C tempering hardness obtained up 426.6 BHN. This is due to slow diffusion rate only a small fraction of carbon that was released, the result is still hard but most of the structure began to lose brittleness. Tensile test results showed that the optimum value obtained yield stress (yield strength) 1155.671 MPa and limit strength (ultimate strength) 1335.313 MPa. Fatigue test results obtained maximum fatigue strength at 313833600 N cycles for 307680 Second with 7 kg load the raw material. Decreasing grain size of the raw material 3.83 μm to 2.86 μm and 2.47 μm after quenching with oil and ice water, and after tempering average - average grain size increase gradually with increasing tempering temperature. From the research it can be concluded that the tempering process can reduce the value of hardness and tensile strength. While the results showed that the diameter of the micro-structure of granular materials exhibit decreasing grain diameter during the process of heat treatment with quenching oil. Where the greater diameter of the granules decreased mechanical properties of materials. Keywords: Heat Treatment, Steel Stainless Steel Extra M303, Mechanical Properties, Microstructure
iii KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulilah saya ucapkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan dan kesempatan sehingga tugas sarjana ini dapat selesai. Tugas sarjana yang berjudul Pengaruh Struktur Mikro Terhadap Sifat Mekanis Baja Stainless Steel M303 Untuk Bahan Mata Pisau Pemanen Sawit ini dimaksudkan sebagai salah satu 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 menggunakan teknik heattreatment diatas temperatur rekristalisasi terhadap material baja stainless steel M303 extra 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, Yusfi darwis dan Ibunda Ernawati yang telah memberikan perhatian, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga abang-abang saya Endi Farma, Son Farma, Yendri Farma, Adi Chandra, dan Iwan Chandra yang terus menerus memberikan masukan selama pembuatan tugas sarjana ini. 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, Kak Ika, Kak Sonta, Bapak Syawal, Bang Sarjana, dan Bang Lilik yang telah banyak membantu dan memberikan ilmu selama perkuliahan.
iv 5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Maujan Yudika, Aldiansyah Leo, Daniansyah, Ismail Husin Tanjung, Royan Nasution dan Sahir Bani. 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 2008, Zulfadli, Fahrul Rozzy, Felix Asade, Maraghi Mutaqin, Ikram, Ramadhan, Putra Setiawan, dan yang 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, 9 November 2013 Indra Rukmana NIM : 080401014
v DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... i iii v vii ix x 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 Pisau Egrek... 7 2.2 Baja... 11 2.2.1 Klasifikasi Baja... 12 2.2.2 Sifat-Sifat Baja... 18 2.2.3 Diagram Fasa Fe-C... 21 2.2.4 Diagram TTT... 25 2.3 Perlakuan Panas (Heat Treatment)... 27 2.3.1 Annealing... 27 2.3.2 Normalizing... 28 2.3.3 Quenching... 28 2.3.4 Tempering... 31 2.4 Media Pendingin... 32 2.5 Pengujian Kekerasan... 35 2.6 Pengujian Tarik... 36 2.7 Pengujian Fatique... 40 2.8 Analisis Struktur Butir... 45 2.8.1 Pertumbuhan Struktur Butir... 45 2.8.2 Perhitungan Diameter Butir... 47
vi BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 49 3.1 Waktu dan Tempat... 49 3.2 Alat dan Bahan... 49 3.2.1 Peralatan... 49 3.2.2 Bahan... 50 3.3 Spesifikasi Spesimen... 50 3.3.1 Spesifikasi Spesimen Kekerasan... 50 3.3.2 Spesifikasi Spesimen Uji Tarik... 51 3.3.3 Spesifikasi Spesimen Uji Fatique... 52 3.3.4 Spesifikasi Spesimen Uji Metallografi... 52 3.4 Proses Heat Treatment... 53 3.5 Pengujian... 56 3.5.1 Pengujian Kekerasan... 57 3.5.2 Pengujian Tarik... 58 3.5.3 Pengujian Fatique... 60 3.5.4 Pengujian Metallografi... 63 3.6 Diagram Alir Penelitian... 67 3.7 Diagram Alir Pengujian... 68 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 69 4.1 Hasil... 69 4.1.1 Hasil Uji Kekerasan... 70 4.1.2 Hasil Uji Tarik... 73 4.1.3 Hasil Fatique... 76 4.1.4 Hasil Pengamatan Metalografi... 78 4.2 Pembahasan... 82 4.2.1 Hubungan Antara Kekuatan Tarik dengan Kekerasan... 82 4.2.2 Hubungan Antara Kekerasan dengan Diameter Butir 83 4.2.3 Hubungan Antara Kekuatan Tarik dengan Diameter Butir... 84 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 86 5.1 Kesimpulan... 86 5.2 Saran... 88 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
vii DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Pisau Egrek... 7 Gambar 2.2 Mesin Tempa (Hammer)... 8 Gambar 2.3 Mesin Gerinda Kasar... 10 Gambar 2.4 Diagram Fasa Besi Karbon (fe-c)... 23 Gambar 2.5 Diagram TTT Untuk Baja Hypoeutectoid... 26 Gambar 2.6 Struktur Kristal Martensite BCT... 30 Gambar 2.7 Kurva Tegangan Regangan Baja... 37 Gambar 2.8 Bentuk Penampang Patahan... 39 Gambar 2.9 Bentuk Siklus Tegangan Lelah... 41 Gambar 2.10 Kurva S N Untuk Logam Ferro dan Non Ferro... 42 Gambar 2.11 Bentuk Tegangan Pada Pengujian Fatique Rotary Bending... 44 Gambar 2.12 Perhitungan Butiran Menggunakan Metode Planimetri... 47 Gambar 3.1 (a) Spesimen Kekerasan, (b) Dimensi Spesimen(mm)... 51 Gambar 3.2 Spesimen Uji Tarik... 51 Gambar 3.3 (a) Spesimen Uji Fatique, (b) Dimensi Spesimen(mm)... 52 Gambar 3.4 (a) Spesimen Metallografi, (b) Dimensi Spesimen (mm)... 52 Gambar 3.5 Skema Proses Heat Treatment dan Quenching Oli SAE 40... 53 Gambar 3.6 Skema Proses Heat Treatment dan Quenching Air Es... 53 Gambar 3.7 Pemanasan Spesimen di dalam Furnace... 54 Gambar 3.8 Thermocouple Digital Tipe K... 56 Gambar 3.9 Alat Uji Brinell... 57 Gambar 3.10 Alat Uji Tarik Torsee Type INSTRON... 59 Gambar 3.11 (a) Mesin Uji Fatique TECO 3-Phase Induction, (b) Beban... 62 Gambar 3.12 Mikroskop optic... 65 Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian... 67 Gambar 3.14 Diagram Alir Pengujian... 68
viii Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Kekerasan dan Jenis Perlakuan... 72 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Kekuatan Tarik dan Jenis Perlakuan Tempering... 75 Gambar 4.3 Grafik Kurva S N Raw Material... 77 Gambar 4.4 Grafik Kurva S N Hardening (1000 C)... 77 Gambar 4.5 Grafik Kurva S N Tempering (350 C Air Es)... 78 Gambar 4.6 Foto Mikro Raw Material Perbesaran 500X... 79 Gambar 4.7 Foto Mikro Pembesaran 500X... 80 Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara Diameter Butir Dengan Jenis Perlakuan Heat Treatment... 82 Gambar 4.9 Grafik Hubungan antara Kekuatan Tarik Dengan Kekerasan... 83 Gambar 4.10 Grafik Hubungan antara Kekerasan Dengan Diameter Butir... 84 Gambar 4.11 Grafik Hubungan antara Kekuatan Tarik Dengan Diameter Butir... 85
ix DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Syarat Mutu Egrek SNI 11 Tabel 2.2 Hubungan Antara Perbesaran Yang Digunakan Dengan Pengali Jeffries... 48 Tabel 4.1 Sifat Mekanis Raw Material... 69 Tabel 4.2 Hasil Uji Komposisi Kimia Baja Stainless Steel M303 Extra... 69 Tabel 4.3 Pengujian Kekerasan Bedasarkan Skala Brinell (BHN)... 71 Tabel 4.4 Tabel Data Hasil Uji Tarik... 74 Tabel 4.5 Tabel Data Hasil Uji Fatique... 76 Tabel 4.6 Tabel Hasil Pengukuran Diameter Butir... 81
x 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 -