1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LatarBelakang Penggunaan logam dalam perkembangan teknologi dan industri sebagai salah satu material penunjang sangat besar peranannya, akan tetapi dalam kehidupan sehari-hari banyak faktor yang menyebabkan daya guna logam ini menurun. Permasalan yang timbul berupa laju keausan tinggi dan umur pendek karena sering mengalami kegagalan yang dimulai dari permukaan atau bidang kontak. Kenyataan dilapangan menunjukan bahwa kehilangan fungsi atau kegagalan komponen mesin disebabkan oleh kerusakan pada permukaan berupa keausan, retak maupun korosi. Keauan merupakan salah satu masalah yang sedang dihadapi oleh ahli teknik dan berbagai usaha terhadap pengendalian keausan yang sekarang gencar dilakukan adalah untuk mengendalikan kerusakan material yang diakibatkannya, agar laju keausan yang terjadi dapat ditekan serendah mungkin dan dapat melampaui nilai ekonominya, atau jangan sampai logam mejadi rusak sebelum waktunya. Penggunaan baja karbon rendah banyak sekali di temukan pada komponen mesin. Komponen mesin yang terbuat dari baja karbon rendah meliputi roda gigi dan poros roda. Dalam penelitian ini mengambil contoh keausan pada poros roda mobil dimana pada poros roda mobil sering terjadi keausan karena terbuat dari baja karbon sedang, dimana baja ini memiliki kekerasan rendah sehingga cepat aus dan umurnya relatif pendek apabila mendapatkan beban yang berulang. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Victor, M. dkk (2008) tentang Karakterisasi Laju Keausan dan Kekerasan dari Pack Carburizing pada baja karbon aisi 1020 yang menyimpulkan hasil dari pelapisan dengan proses pack carburizing kekrasan tertinggi terdapat didekat permukaanspesimen dan kekerasan akan turun perlahan bila semakin jauh dari permukaan menuju kebagian dalam spesimen. Menurut penelitian yang di lakukan Suryawiranata (2015) tentang Pengaruh variasi sudut
2 nosel terhadap permukaan material coating pada proses pelapisan Ni-Cr dengan metode powder flame spray coating yang menyimpulkan hasil coating yang terbaik dimana tidak adanya jarak antara logam induk dengan lapisan coating, permukaan hasil coating yang merata dan ketebalan hasil coating paling tebal dari ketiga variasi sudut penelitian di peroleh pada variasi sudut 90 dan jarak 30 mm dengan rata-rata ketebalan coating 349.10 μm. Dari sumber penelitian yang telah dilakukan dalam penelitian ini mengambil Pelapisan logam (coating) dengan metode Thermal spray. Pelapisan Thermal Spray yang digunakan. dalam penelitian ini menggunakan Powder Flame Spray Coating dengan paduan Ni-Cr. Dalam penelitian ini bahan di coating menggunakan komersial karbon (St 60) yang kadar karbon sedang dengan kadar karbon 0,4%, dimana keunggulan karbon baja sedang yaitu mudah di dapat dipasaran serta bisa di treatment dan kerugian dari baja ini yaitu cepat aus bila di beri beban berulang. Penelitian ini dilakukan dengan variasi tekanan oksigen yaitu 3 bar ±0,02, 4 bar ±0,02, 5 bar ±0,02, dan untuk asitilinnya tekanannya konstan 0,7 bar ±0,02 serta hasil pengujian juga dianalisa dengan menggunakan mikroscop..
3 1.2 Rumusan Masalah Bagaimana pengaruh tekanan gas pembakaran (asetilin & oksigen ) terhadap karakteristik dan ketebalan lapisan pada poros roda dengan Baja karbon sedang (ST 60 )? 1.3 Tujuan Penelitian Untuk mengetahui dan Menganalisa ketebalan pelapisan dengan tekanan gas pembakaran pada baja karbon sedang (ST 60) poros roda. 1.4 Batasan Penelitian Agar penelitian ini tidak meluas atau menyebar dari masalah yang dirumuskan, maka perlu adanya pembatasan penelitian dimana batasan-batasannya adalah sebagai berikut: 1. Temperatur lingkungan kerja yaitu temperatur ruangan 2. Benda uji bebas korosi. 3. Waktu pada saat mengcoating spesimen 120 detik per spesimen 4. Ketebalan coating 50µm t 6,5mm 5. Butir powder Ni-Cr diasumsikan sama 6. Hasil spesimen yang dicoating lebih keras dari pada spesime yang belum dicoating 7. Porositas, unmelt, oksidasi dianalisa melalui gambar. 1.4 Manfaat Penelitian Memahami pengaruh tekanan gas pembakaran terhadap karakteristik dan ketebalan coating serta dapat mengaplikasin dalam kehidupan nyata dan memberikan masukanmasukan terhadap produsen otomotif.
4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sandblasting Sandblasting adalah suatu proses pembersihan permukaan dengan cara menembakan partikel (pasir) ke suatu permukaan material sehingga menimbulkan gesekan/tumbukan dengan tujuan untuk menghilangkan material-material kontaminasi seperti karat, cat, garam, oli dll. Selain itu juga bertujuan untuk membuat profile (kekasaran) pada permukaan metal sehingga cat lebih melekat. Tingkat kekasarannya dapat disesuaikan dengan ukuran pasirnya serta tekanannya. Blasting dapat dikategorikan sebagai surface treatment yang banyak diaplikasikan pada dunia keteknikan seperti pada pembuatan kapal, tangki, maintenance system perpipaan, maintenance peralatan/mesin-mesin fluida dan lain-lain. (Erik Kurniawan, 2013) Kekasaran permukaan sand blasting dipengaruhi oleh beberapa hal, antara lain: a) Tipe dan ukuran abrasive yang digunakan b) Jarak dari nozzle ke permukaan benda kerja c) Sudut nozzle d) Aliran abrasive dari hopper ke selang 2.2 Teknologi Pelapisan Pelapisan (coating) adalah proses penambahan atau penumpukan suatu material ke suatu permukaan material lain (atau material yang sama). Pada umumnya pelapisan diterapkan ke suatu permukaan dengan tujuan untuk : 1. Melindungi permukaan dari lingkungan sekitar yang dapat menyebabkan korosi atau deterioaratif (merusak) 2. Untuk meningkatkan penampilan permukaan 3. Untuk memberikan bentuk dan memperbaiki suatu komponen.
5 Terdapat berbagai jenis teknik pelapisan, dan pemilihanya pelapisan didasarkan atas fungsinya, (ukuran, bentuk, dan metalurgi dari substrat), kemampuan adaptasi material pelapis terhadap teknik yang digunakan, tingkat adhesi (perekatan) yang diminta, serta ketersediaan dan harga dari peralatanya (Arthana, 2014). 2.3 Thermal spray Thermal spray coating adalah suatu proses dimana bahan dalam bentuk serbuk atau kawat logam dideposisikan dalam kondisi cair pada suatu permukaan yang telah disiapkan sebelumnya untuk membentuk lapisan spray. Teknik ini merupakan salah satu teknik yang banyak digunakan untuk rekayasa permukaan dan pengembangan bahan tingkat lanjut Material umpan diumpankan kedalam gun, yang kemudian memanaskan material tersebut menjadi bentuk plak cair lalu dipercepat dengan adanya tekanan udara yang disemprotkan menuju substrat. Pada saat partikel cair hasil semprotan tadi mengenai bagian permukaan substrat, partikel tersebut kemudian mengalami pendinginan yang membentuk struktur yang berupa lapisan (lamellar), dengan demikian akan membentuk lapisan atau endapan berupa hasil spray. Variasi-variasi mendasar proses thermal spray adalah material umpan, metode pemanasan dan metode penyemprotan material kepermukaan substrat. Material umpan yang digunakan dapat berbentuk serbuk, kawat dan batangan. (Roesfiansjah.dkk, 2007 ) Energi termal yang digunakan untuk melelehkan material pelapis dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu electrical dan flame heating. Saat material dipanasi, mereka berubah menjadi keadaan plastis atau meleleh dikurung serta diberi percepatan oleh aliran gas bertekanan ke substrat. Partikel-partikel tersebut tersebut menabrak substrat, menempel, dan membentuk lapisan tipis (splats) yang menyesuaikan dan menempel pada permukaan tidak rata substrat dan dengan partikel pelapis yang lain. Kemudian setelah dingin akan terbentuk lapisan yang tidak homogen dan umumnya terdapat derajat porositas dan oksida logam. Material feed stock dapat berupa apa saja yang dapat dilelehkan termasuk logam, senyawa logam, cerment oksida, gelas, dan polimer, dapat juga dalam bentuk powder, wire atau rod.pengikat antara susbstrat dan pelapis dapat berupa ikatan mekanik, kimia, metalurgi atau kombinasi ketiganya. Sifat-sifat dari pelapis bergantung pada jenis
6 material, proses thermal spray dan parameter-parameter yang diterapkan, dan perlakuan setelah proses thermal spray pada pelapis (Arthana, 2014). 2.4 Powder Flame Spray Flame spray adalah salah satu pelapisan yang menggunakan energi termal yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar gas (sebagian besar acetylene, propane atau hidrogen) dan oksigen yang dapat mencairkan partikel bahan pelapis (Simunovic K, 2010) Prinsip kerja dari powder flame spray adalah sebagai berikut : Dalam flame spray torch, energi kimia hasil pembakaran bahan bakar gas oksigen digunakan untuk menghasilkan api panas (Gambar 2.2). Inlet gas aksial (1) dan bubuk (2) dapat dimasukan secara aksial atau tegak lurus dengan torch (3). Batang dan wire dapat digunakan sebagai pengganti bubuk Partikel menjadi cair dalam api (6) dan dipercepat ke arah benda kerja (4). Gambar 2.2 Skematik powder flame spray Sumber : Arthana (2014) 2.5 Paduan Ni-Cr Perpaduan antara nikel dan kromium adalah kombinasi yag tepat untuk meningkatkan kemampuan yang dimiliki oleh baja karbon. Penambahan nikel (Ni) bertujuan untuk meningkatkan ketahanan korosi dalam media pengkorosi netral atau lemah. Nikel juga meningkatkan keuletan dan mampu bentuk logam. Penambahan nikel meningkatkan ketahanan korosi tegangan. Sedangkan penambahan kromium meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk lapisan oksida (Cr 2 O 3 ) dan ketahanan terhadap oksidasi temperatur tinggi
7 Paduan nikel dan kromium merupakan salah satu bahan pilihan untuk hard facing karena memiliki kekerasan tinggi serta sifat fisik dan mekanik yang baik. Nikel (Ni) adalah logam perak-putih yang ditemukan pada tahun 1751 dan unsur paduan utama yang memberikan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan korosi, biasanya digunakan secara luas pada baja stainless dan paduan berbasis nikel (yang biasa disebut superalloy). Paduan nikel biasnya digunakan pada aplikasi temperatur tinggi seperti yang terlihat pada komponen mesin jet, roket, dan pembangkit listrik tenaga nuklir (Arthana, 2014).
8 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan metode eksperiment dengan melakukan Preheating terlebih dahulu dan untuk mendapatkan karakterisktik dan ketebalan lapisan yang terbaik melalui proses Powder Flame Spray Coating dimana bahan pelapis yang digunakan adalah Ni-Cr dan dilakukan beberapa pengujian yang mendukung penelitian ini antara lain:, Scanning Electron Microscope (SEM), uji kekerasan. 3.2 Diagram Alir Penelitian Penelitian ini dilakukan mengikuti diagram alir sebagai berikut: START Persiapan alat dan bahan Pembentukan spesimen uji Sand Blasting Preheat T=400 0 C Proses Coating P1= 3 bar P2= 4 bar P3 = 5 bar A B
9 A B 50 µm t 6.5 mm Y Uji Kekerasan Uji Metalografi Analisa Data Pembahasan Selesai Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
10 3.3 Alat dan Bahan Penelitian Untuk melancarkan penelitian ini maka dibutuhkan peralatan dan bahan, adapun diantaranya : Tabel 3.1 Alat Penelitian Alat Brander dan dudukan brander Tabung Oksigen dan Gas Asitilin Keramik Image-J Stopwatch Scanning Electrin Microscope (SEM) Fricrion pin-on-disc machine Surftest SJ-210 Ultrasonic Cleaner Jangka Ssorong/Micrometer Kamera Alat Sandblasting Kegunaan Alat untuk proses coating Bahan bakar dalam proses coating Tempat peletakan spesimen uji Mengetahui jarak dan ketebalan hasil coating Menghitung waktu penelitian Untuk mengetahui fenomena pada material Sebagai alat uji keausan Sebagai alat uji kekerasan permukaan Alat pencuci Spesimen Untuk mengukur pembuatan spesimen uji Mendokumentasikan penelitian Membersihkan permukaan spesimen uji Tabel 3.2 Bahan Penelitian Bahan Serbuk Paduan Ni-Cr Baja ST 60 Resin Autosol Kegunaan Bahan pelapis yang digunakan dalam proses Powder Flame Spray Coating Material yang digunakan sebagai spesimen pelapisan dan pengujian Membantu dalam proses grinding spesimen untuk pengujian metalografi Bahan polishing sebelum spesimen di uji metalografi
11 3.4 Variabel Penelitian Adapun beberapa variabel yang ada pada penelitian ini adalah : 1. Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi munculnya suatu gejala. Adapaun variabel bebas dalam penelitian ini adalah tekanan gas 2. Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat karena adanya variabel bebas. Adapun variabel terikat dalam penelitian ini adalah ketebalan lapisan. 3.5 Prosedur Penelitian antara lain: Dalam melakukan penelitian ini terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan 3.5.1 Pembuatan Spesimen Uji Pembuatan spesimen uji adalah proses awal yang dilakukan sebelum melakukan penelitian. Pada penelitian menggunakan baja karbon rendah (St-60) dimana pembuatan spesimen uji yang berbentuk persegi ini dibuat karena keterbatasan alat coating dan untuk mempermudah proses coating serta untuk bentuk spesimen uji keausan. Proses pengerjaannya adalah dengan melakukan pemotongan pada baja yang berdiameter 5 cm menjadi bentuk spesimen yang berbentuk balok persegi panjang dengan ukuran 20 x 15 mm dengan ketebalan 8 mm dengan jumlah yang diperlukan untuk penelitian ini adalah 15 buah specimen. Bentuk spesimen dapat dilihat pada Gambar 3.2 dibawah ini:
12 Gambar 3.2 Ukuran pemotongan spesimen uji 3.5.2 Preparasi Permukaan Spesimen Uji Pereparasi permukaan spesimen uji ini dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan substrat yang memiliki kondisi yang maksimal pada proses pelapisan untuk menghindari resiko kegagalan dalam proses pelapisan nantinya. Proses yang dilakukan adalah proses grinding dengan kertas amplas dimana grade yang digunakan untuk kertas amplasnya ialah 220, 400 dan 1000. Selanjutnya untuk mengurangi panas akibat gesekan maka spesimen harus dialirkan air selama proses grinding berlangsung. Setelah selesai maka permukaan substrat dibersihkan dengan air dan kain bersih.
13 3.5.3 Proses Sand Blasting Sand blasting bertujuan proses penyemprotan material dengan bahan abrasif, biasanya berupa pasir silika atau steel grit dengan tekanan tertentu pada suatu permukaan dengan tujuan untuk menghilangkan material material seperti karat, cat, garam,dan oli yang menempel pada material. Adapun paramater yang digunakan dalam proses sand blasting dapat dilihat pada Tabel 3.3 Tabel 3.3 Parameter Sand Blasting Parameter Ukuran Jarak Nosel Tekanan Udara Sudut Nosel Waktu (t) 6 cm 8 Bar 90 60 detik Adapun tahapan-tahapan proses sand blasting adalah 1. Siapakan spesimen dan bersihkan permukaan spesimen yang akan di sand blasting 2. Persiapkan alat yang dibutuhkan dalam proses sand blasting 3. Letakkan spesimen pada dudukan alat sand blasting dengan paramenter yang sudah ditetapkan pada tabel 3.3 4. Cuci spesimen yang telah di sand blasting dengan alkohol selama 480 detik 5. Keringkan spesimen yang telah dicuci sebelum dilakukan uji kekerasan 6. Lakukan pengujian kekasaran permukaan spesimen menggunakan alat Surftest SJ- 210 7. Pengamatan dan pengambilan data kekasaran permukaan
14 3.5.4 Proses Pelapisan Powder Flame Spray Powder flame spray adalah pelapisan yang menggunakan powder (bubuk) sebagai bahan pelapis dan gas oksigen dan gas asitilin sebagai bahan bakar yang dimana api akan meleburkan bahan pelapis atau powder yang nantinya powder yang sudah melebur dengan api akan di semprotkan ke substrat atau permukaan spesimen yang akan dilapisi. Untuk memperjelas proses pelapisan powder flame spray dapat dilihat di skematik pada gambar 3.3 Gambar 3.3 Skema powder flame spray Sumber : Simunovic K, (2010) Dalam melakukan proses pelapisan ini langkah pertama yang akan dilakukan adalah mempersiapkan semua peralatan yang dibutuhkan seperti Alat dudukan brander dan dudukan spesimen (Gambar 3.4), brander (spray gun), bubuk paduan Ni-Cr dan spesimen yang akan dilapisi. Kemudian brander (spray gun) dipasang pada dudukan sliding yang nantinya untuk mengerakkan brander ke arah kiri dan kanan sebagai proses pelapisan spesimen. Selanjutnya spesimen yang telah dbentuk dengan ukuran
15 2 x 1,5 cm dengan ketebalan 8 mm diletakan diatas dudukan spesimen yang telah disediakan. Gambar 3.4 Alat dudukan brander dan dudukan spesimen coating Dalam menjalankan proses pelapisan maka diperlukan adanya parameter dalam penelitian yang dapat dilihat pada tabel 3.4 Tabel 3.4 Parameter Pelapisan Powder Flame Spray Parameter Bahan Bakar Powder Feeder Sudut Nosel Tekanan Oksigen Tekanan Asitilin Ukuran nozel Satuan Oksigen dan Asitilin Menyesuaikan tekanan O 2 90 3bar, 4bar, 5bar 0,7 bar 1,6mm, 1,9mm, 2,2mm
16 3.5.5 Pengujian Metalografi Pengujian metalografi adalah suatu teknik atau ilmu untuk melihat struktur mikro dan makro material. Struktur mikro logam dapat diperoleh melalui proses penyiapan spesimen metalografi. Dengan tujuan untuk menganalisa struktur, Mengenali fasa-fasa dalam struktur mikro, berdasarkan skala makro maupun skala mikro. Tahapan melakukan pengujian sebagai berikut : 1. Lapisi spesimen dengan resin agar mudah dalam pengerjaan. 2. Grinding yaitu proses meratakan permukaan benda uji dengan menggunakan kertas amplas anti air secara berurutan mulai dari kekasaran 220, 300, 400, 1000, 2000, selama proses grinding diberi air untuk mencegah terjadinya oksidasi pada permukaan benda uji. 3. Polishing, yaitu menghaluskan serta menghilangkan goresan goresan selama proses grinding dengan menggunakan kain bludru (polishing cloth) dan autosol, sebagai media pendinginan digunakan alcohol 96 %. 4. proses etsa dimana proses ini dilakukan untuk memperoleh hasil mikrostrukur yang baik. Sampel di etsa dengan dua macam larutan, yaitu H 2 O 2 dan HNO3, larutan H 2 O 2 untuk bagian coating dan HNO3 untuk bagian base metal. Selanjutnya untuk menghilangkan sisa larutan etsa maka sampel dibilas dengan air dan alkohol dan dikeringkan dengan dryer kemudian sampel siap diambil gambar mikrostrukturnya dengan optical microscope. 5. Viewing, Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik dan mikroskop electron.
17 3.5.6 Pengujian Kekerasan Uji kekerasan dilakukan untuk mengetahun kekerasan dari hasil pelapisan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan indentor intan berbentuk piramida yang membentuk sudut 136 o (Gambar 3.5). Sebelum melakukan pengujian maka dilakukan pemotongan spesimen yang telah dilapisi kemudian dilanjukan dengan preparasi permukaan yang akan diuji yaitu dengan proses polishing dengan dengan melakukan grinding yang menggunakan kertas amplas silicon carbon dengan tahapan ukuran kekasaran 220, 300, 400, 1000, 2000. Agar mengurangi panas yang terjadi akibat gesekan dalam proses grinding maka spesimen akan selalu dialiri air. Kemudian spesimen di polishing dengan aoutosol. Proses polishing menggunakan autosol ini akan berlanjut hingga permukaan spesimen terbebas dari goresan dan sampai perpermukaan yang tampak mengkilap seperti cermin, kemudian dilakukan pengujian kekerasan. Menurut Arthana, 2014 nilai yang diperoleh sebagai hasil microhardness vickers diperoleh dari beban yang dikalikan dengan luas area indentasi, yaitu : HV = (2P sin Θ) L 2 = 1,8544 P L 2...(3.3) Dimana, P L : beban yang digunakan (kg) : rata-rata lebar diagonal (mm) θ : sudut antar sisi piramida intan (136 o ) HV : nilai hardness vickers kg/mm 2
18 Gambar 3.5 Prinsip pengukuran kekerasan Vickers Sumber : Sofiyyudin (2007) Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui ketahanan bahan terhadap deformasi plastis atau perubahan bentuk yang tetap (Arthana, 2014). Metode pengujian kekerasanyang digunakan pada penelitian ini adalah metode kekerasan Vickers sesuai dengan standar ASTM E 92-82 dengan beban 1000 kgf dan waktu pembebanan (loading time) 15 detik. Kekerasan dari bahan dapat diketahui dengan mengukur luas hasil penekanan dari indentor alat tersebut (penekan piramida intan) dengan sudut bidang dua 136 dan dasar berbentuk segi empat.kemudian dihitung harga rata-rata pada kedua panjang garis diagonal tersebut.