Pengaruh Penambahan Barium Karbonat Pada Media Karburasi Terhadap Karakteristik Kekerasan Lapisan Karburasi Baja Karbon Rendah Heru Suryanto*, Viktor Malau**, Samsudin** * Teknik Mesin Universitas Negeri Malang, JL.Surabaya 6 Malang. Fax. 0341 588528 Hp.08123352891 **Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada Yogyakarta Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan energizer Barium Karbonat pada media karburasi terhadap karakteristik kekerasan lapisan karburasi pada baja karbon rendah. Spesimen terbuat dari baja dengan kandungan C = 0,158%, dimensi 20x22x3,2 mm 3. Media karburasi terdiri dari serbuk arang kayu dicampur 3%berat Kalsium Karbonat dan Barium Karbonat dengan variasi 0%, 20%, 25% dan 30% berat. Karburasi dilakukan pada suhu 950 C selama 2 jam, dikeraskan dengan media pendingin air dan ditemper suhu 200 C selama 1 jam. Uji keras mikro Vickers dilakukan sampai dengan kedalaman lapisan 1050µm. Kekerasan permukaan tertinggi sebesar 797 kg/mm 2 dihasilkan melalui penambahan Barium Karbonat sebesar 25%berat. Rata-rata tingkat kenaikan kekerasan lapisan karburasi terbaik mencapai 4,26 kali dibandingkan dengan material dasar dihasilkan melalui penambahan Barium Karbonat pada media karburasi sebesar 20%berat. Karakteristik kekerasan lapisan didekati dengan persamaan regresi polinomial Kata-kata kunci: kekerasan, karburasi, Barium Karbonat Pada saat ini besi dan baja merupakan bahan logam yang paling banyak digunakan sebagai bahan industri. Disamping vital keberadaannya, faktor ekonomis dan sifat-sifat besi dan baja yang bervariasi membuat bahan ini banyak memiliki keunggulan (Surdia, 1995). Keunggulan baja terletak pada sifat-sifatnya seperti kekerasan, keuletan, elastisitas, plastisitas, dan harganya relatif murah. Dari beberapa sifat fisik diatas, kekerasan merupakan sifat yang paling dipertimbangkan dalam perencanaan konstruksi khususnya yang berhubungan dengan bagian-bagian mesin yang bergerak dan bergesekan yang akan menimbulkan keausan pada permukaan logam. ASSAB (1996) menunjukkan bahwa jenis kegagalan yang sering terjadi pada bahan baja karbon rendah adalah: (1) keausan, (2) deformasi, (3) rompal, (4) pecah, dan (5) melekat. Untuk mengatasi kelemahan ini maka perlu dilakukan pengerasan permukaan sehingga baja tersebut akan memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang lebih baik, khususnya untuk elemen mesin yang saling bergesekan. Pengerasan permukaan pada proses perlakuan panas, diantaranya dapat dilakukan dengan meningkatkan kadar karbon yang dimiliki baja dipermukaannya melalui proses karburasi. Proses karburasi diperuntukkan pada baja yang memiliki kadar karbon rendah. Proses karburasi dilakukan dengan memasukkan baja ke dalam kotak tertutup yang diisi dengan bahan sumber karbon (arang kayu, briket batubara, kokas, dll) dan ditambahkan dengan energizer (zat pengaktif karbon) seperti barium karbonat, natrium karbonat, dan kalsium karbonat pada komposisi tertentu kemudian dipanaskan dengan temperatur antara 900-950ºC, kemudian ditahan selama waktu tertentu (holding time) kemudian didinginkan, selanjutnya dilakukan proses perlakuan panas pengerasan (hardening). Terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi tingkat kekerasan dari lapisan karburasi antara lain temperatur pemanasan, waktu penahanan, bahan sumber karbon (carburizer), dan penambahan zat pengaktif karbon. Berkaitan dengan hal tersebut, maka penelitian ini penting untuk dilaksanakan guna memperoleh data tentang komposisi optimal campuran bubuk arang kayu dan Barium Karbonat sehingga dapat diperoleh karakterisrtik kekerasan yang baik. LANDASAN TEORI Pengerasan permukaan bertujuan untuk meningkatkan sifat kekerasan permukaan material sesuai dengan tujuan penggunaan yang diinginkan. Salah satu metode pengerasan permukaan dapat dilakukan adalah karburasi. Faktor yang mempengaruhi hasil karburasi diantaranya adalah temperatur, jenis sumber karbon, dan
waktu tahan proses. Penelitian tentang karburasi dilakukan oleh Syamsuir (2002) untuk mengkaji efek jenis sumber karbon pada proses karburasi terhadap keausan baja MS 705. Sumber karbon yang digunakan berupa arang kayu, kokas, dan briket batubara dengan berat zat pengaktif karbon BaCO 3 sebesar 10% berat. Hasil yang diperoleh adalah ketahanan terhadap keausan meningkat sebesar 3600% dibandingkan dengan raw material pada media karburasi briket batubara pada temperatur karburasi 925 C. Demikian pula Ariobimo (2001) telah membandingkan peningkatan persentase karbon dari baja ASSAB 760 yang dikarburasi dengan media padat dan gas. Media padat menggunakan serbuk kokas sedangkan media gas menggunakan 15%LPG daqn 85% N 2 pada temperatur 920 C. Dari hasil uji komposisi diperoleh bahwa karburasi dengan media padat, kandungan karbon baja meningkat sebesar 33%, yaitu dari 0,45%C menjadi 0,788%C dan untuk karburasi gas, meningkat sebesar 43%, yaitu dari 0,488%C menjadi 0,922%C. Difusi Atom Difusi didefinisikan sebagai mekanisme dimana atom ditransport kedalam atau keluar dari benda. Pergerakan atom akibat dari peningkatan energi atom saat dipanaskan yang menyebabkan atom-atom tersebut bergerak sehingga menimbulkan jarak atom yang lebih besar. Bila atom mempunyai cukup energi untuk mendobrak ikatannya dan melompat ke posisi baru maka proses pergerakan atom semacam ini disebut difusi. Pergerakan ini akan diikuti oleh pergerakan atom lain yang berdekatan sampai terjadi kondisi yang stabil (Vlack, 1995). Aliran difusi atom dan gradien konsentrasi atom karbon dalam baja yang terkarburasi dinyatakan dengan hukum Fick, yaitu (Shackelford, 1996) : dc atom J = D. (1) 2 dx m s C x C C s C 0 0 = 1 erf 2 x Dt dengan J = fluks atau aliran atom netto D = difusivitas atau koefisien difusi (m 2 /detik) C s = konsentrasi permukaan C 0 = konsentrasi awal dari elemen pada baja C x = konsentrasi elemen pada jarak x dari permukaan pada waktu t t = lamanya proses perlakuan (detik) x = jarak dari permukaan dc atom = gradien konsentrasi 4 dx m erf = error function (integral dari kurva Gaussian) Ketergantungan temperatur dari koefisien difusi dinyatakan dengan: 2 Q m D = D 0. exp RT s dengan: Do = koefisien difusi mula-mula (m 2 /detik) Q = gaya penggerak/energi aktivasi (joule/mol) R = tetapan gas (joule/mol. K) T = suhu (K). (2).. (3) Berdasarkan pers. (1), (2) dan (3) maka difusi yang terjadi berkaitan dengan temperatur dan waktu, dengan demikian untuk memperoleh kekerasan permukaan yang baik perlu dilakukan pengaturan temperatur dan waktu proses karburasi sehingga proses difusi dapat berlangsung dengan baik. Pengerasan Permukaan Dengan Metode Karburasi Karburasi padat adalah proses penjenuhan lapisan permukaan baja dengan unsur karbon dengan menggunakan zat padat sebagai sumber karbon. Sumber karbon yang digunakan adalah serbuk arang yang berasal dari kokas, briket batubara, dan arang kayu. Untuk mendapatkan kekerasan yang maksimal maka media karburasi dicampuri dengan zat pengaktif karbon (energizer) antara lain berupa Barium Karbonat, Kalsium Karbonat maupun Natrium Karbonat.
Pada proses karburasi diusahakan kadar karbon tidak lebih dari 1%, dengan kedalaman lapisan karburasi mencapai 0,5-2 mm. Kadar karbon yang melebihi 1% tidak diinginkan karena lapisan permukaannya menjadi sangat rapuh yang disebabkan terbentuknya jaringan sementit. Bila kotak baja beserta isi dipanaskan sampai suhu karburasi maka didalam kotak tersebut oksigen yang ada dan karbon dari arang akan bereaksi dengan persamaan berikut (Prabudev, 1995): 2C + O 2 2CO (4) 2CO CO 2 + C atom. (5) C atom mempunyai keaktifan yang tinggi sehingga mudah berdifusi dengan besi gama dan atom karbon membentuk sementit pada lapisan permukaan, dengan reaksi: 3Fe γ + 3C atom Fe 3 C. (6) Penambahan Barium Karbonat, yang pada suhu tinggi akan terurai melalui reaksi: BaCO 3 BaO + CO 2. (7) Karbon dioksida ini pada akhirnya bereaksi dengan arang: CO 2 + C 2CO (8) Gas CO akan berubah menjadi CO 2 dan C atom dan reaksi akan terus berlanjut. METODE PENELITIAN Bahan spesimen uji yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon rendah berbentuk plat dengan dimensi 20x22x3,2 mm 3 dengan komposisi unsur: Fe = 98,86%, C = 0,158%, Mn = 0,666%, Si = 0,159%, Cr = 0,028%, Ni = 0,027, dan sisanya unsur lain. Media karburasi berupa arang kayu ditumbuk halus kemudian diayak sehingga menjadi lebih homogen. Media dibagi dalam 4 kelompok perlakuan kemudian dicampur dengan Kalsium Karbonat dengan penambahan sebesar 0%, 20%, 25% dan 30% berat dan pada semua kelompok ditambahkan 3% Kalsium Karbonat. Selanjutnya dipanaskan hingga temperatur 950 C dan ditahan selama 2 jam dan didinginkan lambat dalam kotak karburasi. Spesimen dibongkar dari kotak, kemudian panaskan sampai temperatur 860 C ditahan selama 20 menit, kemudian di quenching dengan media pendingin air kemudian ditemper dengan temperatur 200 C selama 1 jam Spesimen diuji kekerasan mikro dengan menggunakan metode Vickers dengan pembebanan 1 kg. Pengujian dilakukan mulai dari permukaan lapisan karburasi sampai dengan kedalaman 1050µm. Pendekatan persamaan karakteristik kekerasan lapisan permukaan dilakukan dengan program Microsoft Excel. HASIL PENELITIAN Kekerasan dari raw material adalah sebesar 130 kg/mm 2 sedangkan kekerasan lapisan karburasi yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 1. Dari Tabel 1. berdasarkan rata-rata peningkatan kekerasan lapisan karburasi yang diukur pada setiap titik uji menunjukkan bahwa penambahan Barium Karbonat sebesar 20% memberikan hasil yang terbaik, berikutnya penambahan sebesar 25%, 0% dan 30%, dengan peningkatan berturut turut sebesar 4,26, 4,24, 4,0 dan 3,85 kali lebih tinggi dibandingkan material dasar. Peningkatan kekerasan ini terkait dengan bertambahnya jumlah atom karbon yang masuk melalui proses difusi kedalam permukaan material sehingga sifat kemampukerasan (hardenability) pada bagian permukaan menjadi lebih baik dan setelah dikeraskan maka terbentuk lapisan yang keras dengan matrik martensit Karakteristik kekerasan dari lapisan karburasi dapat dilihat pada Gambar 1 dengan pendekatan karakteristik kekerasan menggunakan persamaan regresi polinomial, yaitu: Penambahan Barium Karbonat 0% y = 4E-13x 5 + 2E-10x 4-5E-07x 3-0.001x 2 + 0.5557x + 614.08; R 2 = 0.9971 Penambahan Barium Karbonat 20% y = 5E-15x 6-2E-11x 5 + 3E-08x 4-2E-05x 3 + 0.0051x 2-0.3024x + 740.44; R 2 = 0.9963 Penambahan Barium Karbonat 25% y = -7E-12x 5 + 2E-08x 4-1E-05x 3 + 0.0042x 2-0.6185x + 779.24; R 2 = 0.9979 Penambahan Barium Karbonat 30% y = 6E-15x 6-3E-11x 5 + 5E-08x 4-3E-05x 3 + 0.0088x 2-0.9377x + 736.24 ; R 2 = 0.9933 Dengan diketahuinya karakteristik kekerasan lapisan karburasi maka dapat diduga kekerasan lapisan pada jarak tertentu dari permukaan sampai dengan kedalaman lapisan total.
Tabel 1. Hasil Pengukuran Kekerasan Lapisan Permukaan Setelah Mengalami Proses Karburasi, Pengerasan, dan Temper Jarak dari per- mukaan (µm) Kekerasan permukaan (kg/mm 2 ) pada penambahan BaCO 3 0% MF 20% MF 25% MF 30% MF 0 612 4.71 763 5.87 797 6.13 767 5.90 50 641 4.93 706 5.43 739 5.68 702 5.40 100 658 5.06 748 5.75 754 5.80 703 5.41 150 679 5.23 772 5.94 746 5.74 710 5.46 250 681 5.24 749 5.76 717 5.52 682 5.25 350 658 5.06 702 5.40 661 5.09 600 4.61 450 623 4.79 638 4.91 585 4.50 566 4.35 550 580 4.46 550 4.23 495 3.81 405 3.11 650 497 3.82 449 3.45 405 3.12 300 2.31 750 388 2.98 357 2.74 351 2.70 278 2.14 850 325 2.50 276 2.13 296 2.28 270 2.08 950 284 2.19 257 1.98 319 2.46 258 1.98 1050 258 1.98 237 1.82 301 2.31 262 2.02 rerata 4 rerata 4.26 rerata 4.24 rerata 3.85 Keterangan: MF = multiplying factor (faktor pengali) = peningkatan kekerasan dibandingkan dengan kekerasan raw material 900 Kekerasan (kg/mm^2) 800 700 600 500 400 0%BaCO3 20%BaCO3 25%BaCO3 30%BaCO3 300 200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Jarak dari permukaan (mikron meter) Gambar 1. Karakteristik kekerasan lapisan permukaan karburasi sampai dengan kedalaman 1050µm
matrik martensit jejak uji keras ferit 100µm (a) (b) (c) (d) Gambar 2 Foto mikrostruktur lapisan karburasi dengan penambahan Barium Karbonat sebesar (a) 0%berat, (b) 20% berat, (c) 25% berat, (d) 30% berat, etsa nital 2,5%, pembesaran 100x Dari Gambar 1 dan Gambar 2 dapat dilihat batas kedalaman lapisan karburasi yang tampak melalui penurunan kekerasan dan gambar mikrostrukturnya. Pada umumnya kekerasan menjadi relatif konstan mulai pada kedalaman 850µm. Ini menunjukkan bahwa total kedalaman lapisan karburasi (case depth) adalah 850µm kecuali untuk media dengan penambahan Barium Karbonat sebesar 30% dimana total kedalaman mencapai 650µm. Bila dilihat gambar mikrostrukturnya tampak bahwa batas lapisan karburasi mulai terlihat dengan munculnya fasa ferit yang berwarna putih dan semakin dalam fasa feritnya bertambah. Pada permukaan lapisan pada perlakuan dengan penambahan Barium Karbonat sebesar 0% dan 20% terdapat penurunan kekerasan dibandingkan dengan lapisan yang lebih dalam. Hal ini diduga terkait dengan adanya dekarburisasi ataupun adanya austenit sisa (retained austenite). Austenit sisa terjadi akibat keberadaan karbon dalam jumlah yang tinggi dalam austenit, transformasinya terhambat selama proses quenching dan tertinggal sebagai bagian dari struktur. Austenit sisa ini bersifat lunak dan liat sehingga mempunyai kontribusi terhadap penurunan kekerasan dari permukaan lapisan karburasi. Dari gambar struktur mikro juga terlihat adanya gejala dekarburisasi (Gambar 2a) dimana pada permukaan luar lapisan terdapat warna putih yang menunjukkan fasa ferit atau menunjukkan hilangnya atom karbon dari permukaan. Proses dekarburisasi merupakan kebalikan dari proses karburasi yaitu keluarnya atom karbon dalam material yang terkait dengan keseimbangan atom karbon pada material dan lingkungan selama proses pemanasan ataupun pendinginan material. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil adalah bahwa penambahan Barium Karbonat sebesar 20% berat memberikan karakteristik kekerasan yang terbaik. DAFTAR PUSTAKA Ariobimo, R.D.S., 2001, Pengaruh Media Sementasi Terhadap Peningkatan Kadar Karbon Pada Baja ASSAB760. Jurnal Teknik Mesin Usakti, Vol 3 No. 2, 121-128. Jakarta ASSAB Club Indonesia, 1996, Pemilihan Baja Perkakas dan Perlakuan Panasnya. Jakarta: PT. Tira Austenit.
Vlack, L.H.,1995, Ilmu dan Teknologi Bahan. Alih bahasa oleh Sriati Djaprie. Erlangga, Jakarta. Prabudev, K.H. 1995. Handbook of Heat Treatment of Steels. Mc. Graw Hill, New Delhi Shackelford, James F., 1996, Introduction to Material Science for Engineering. Edisi ke empat, Prentice hall Inc, New Jersey Surdia, Tata, dan Saito, S. 1995. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: PT. Pradnya Paramitha. Syamsuir. 2003. Pengaruh Karburasi Terhadap Keausan Baja DIN15CrNi6 (MS.7210). Thesis. UGM