PENGARUH STRUKTUR MIKRO TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA HSS ASP 23 UNTUK BAHAN MATA PISAU PEMANEN SAWIT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik MAUJAN YUDIKA 080401009 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2014
i ABSTRAK Perlakuan panas (heat treatment) secara terkontrol pada bahan HSS ASP 23 adalah untuk memperbaiki sifat-sifat mekanis pada bahan. Salah satu metode perlakuan panas tersebut adalah dengan proses quenching dan tempering terhadap baja high speed steel (HSS) ASP 23. Proses ini dilakukan pada temperatur austenite (1050ºC) selama 60 menit kemudian didinginkan dengan air es (mendekati 0ºC) dan oli SAE 40, kemudian di tempering pada temperature 300ºC, 350ºC, 400ºC, 450ºC, dan 500ºC dengan lama waktu penahanan 60 menit. Hasil pengujian memperlihatkan nilai kekerasan optimum adalah 637,4 BHN dengan diameter butir 5,2 μm setelah quenching oli dan 587,2 BHN dengan diameter butur 6,5 μm setelah di-temper pada suhu 300ºC quenching oli. Hasil pengujian tarik maksimum untuk tegangan luluh (yield strength) sebesar 3070,53 MPa pada hardening quenching air es dan tegangan batas (ultimate strength) sebesar 3281,67 MPa pada hardening quenching oli. Dan Hasil pengujian fatique pada bahan tanpa perlakuan diperoleh kekuatan lelah maksimum pada siklus 4,9266x10 6 rpm selama 4830 menit, hardening oli pada siklus 3,723x10 5 rpm selama 365 menit, tempering 300 C quenching oli pada siklus 1,0098x10 6 rpm selama 990 menit dengan beban masing-masing 7 kg. Pada pengujian kekerasan dan pengujian tarik semakin kecil diameter butir material maka kekerasan dan kekuatan tarik material meningkat. Namun pada hasil pengujian fatique semakin kecil diameter butir maka life time nya semakin menurun dan semakin besar diameter butir maka life timenya semakin meningkat. Setelah mengalami proses heat treatment terhadap baja HSS ASP 23 maka nilai kekerasannya lebih unggul dibandingkan dengan baja karbon sedang (bekas per daun mobil) yakni dengan kekerasan 349,8 BHN (1). Setelah menghubungkan antara diameter butir dengan sifat mekanis maka hasilnya berbanding terbalik sesuai dengan rumus yang dikemukakan oleh Hall and Petch Method. Kata Kunci : Sifat Mekanis, Diameter butir, Baja Kecepatan Tinggi, HSS, perlakuan panas.
ii ABSTRACT Heat treatment (heat treatment) in a controlled manner on the ASP HSS material 23 is to improve the mechanical properties of the material. One method of heat treatment is the process of quenching and tempering of steel to high speed steel (HSS) ASP 23. This process is carried out at a temperature of austenite (1050 º C) for 60 minutes and then cooled with ice water (near 0ºC) and oil SAE 40, then tempering at temperatures of 300ºC, 350ºC, 400ºC, 450ºC and 500ºC with long holding time of 60 minutes. The test results showed the optimum value is 637.4 BHN hardness with grain size of 5.2 μm after quenching oil and 587.2 BHN butur diameter of 6.5 μm after being tempered at a temperature of 300ºC oil quenching. Test results for the maximum tensile yield strength (yield strength) of 3070.53 MPa in ice water quenching hardening and strength limits (ultimate strength) of 3281.67 MPa at hardening quenching oil. And fatigue test results on material obtained without treatment cycle fatigue strength maximum at 4.9266 x10 6 rpm for 4830 minutes, oil hardening cycle 3.723x10 5 rpm for 365 minutes, 300 C tempering quenching oil at 1.0098x10 6 rpm for 990 minutes with a load 7 kg each. In testing the hardness and tensile testing of the smaller diameter of the grain material hardness and tensile strength of the material increases. However, the results of fatigue testing the smaller diameter of the grains then his life time decreases and hence the larger the grain size increasing its life time. After experiencing the process of heat treatment on HSS steel ASP 23, then the value of superior hardness compared to carbon steel medium (former automobile leaf springs) that the hardness 349.8 BHN(1). After connecting the grain size with mechanical properties that result inversely according to the formula proposed by Hall and Petch Method. Keywords: Mechanical Properties, grain size, high speed steel, HSS, heat treatment.
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 HSS ASP 23 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 HSS 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 terima kasih kepada : 1. Kedua orangtuaku, Ayahanda M. Kasah dan Ibunda Sya diah yang telah memberikan perhatian, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga kakak saya Ayu Wahyuni dan adik saya Melia Faurini 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, 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, Indra Rukmana, Aldiansyah Leo, Daniansyah, Ismail Husin Tanjung, Royan Nasution dan Sahir Bani. Penelitian ini merupakan suatu kesempatan yang sangat berharga bagi saya
iv 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, Ikram, Ramadhan 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, November 2013 Maujan Yudika NIM : 080401009
v DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Batasan Masalah... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Pisau Pemanen Sawit/Pisau Egrek 6 2.2 Baja... 10 2.2.1 Klasifikasi Baja... 11 2.2.2 Sifat-Sifat Baja... 16 2.2.3 Diagram Pasa Fe-C... 20 2.3 Mekanisme Penguatan Logam... 24 2.4 Perlakuan Panas (Heat Treatment)... 28 2.4.1 Annealing... 28 2.4.2 Normalizing... 29
vi 2.4.3 Hardening... 29 2.4.4 Tempering... 32 2.5 Media Pendingin... 33 2.6 Pengujian Kekerasan... 36 2.7 Pengujian Tarik... 37 2.8 Pengujian Fatique... 39 2.9 Analisa Struktur Butir... 44 2.9.1 Pertumbuhan Struktur Butir... 45 2.9.2 Perhitungan Diameter Butir... 46 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 49 3.1 Proses Heat Treatment... 49 3.2 Waktu dan Tempat... 52 3.3 Alat dan Bahan... 53 3.3.1 Peralatan... 53 3.3.2 Bahan... 53 3.4 Spesifikasi Spesimen... 54 3.4.1 Spesifikasi Spesimen Kekerasan... 54 3.4.2 Spesifikasi Spesimen Uji Tarik... 55 3.4.3 Spesifikasi Spesimen Uji Fatique... 55 3.4.4 Spesimen Uji Metallografi... 56 3.5 Pengujian... 57 3.5.1 Pengujian Kekerasan... 57 3.5.2 Pengujian Tarik... 59 3.5.3 Pengujian Fatique... 61 3.5.4 Pengujian Metallografi... 64 3.6 Diagram Alir Penelitian... 69 3.7 Diagram Alir Pengujian... 70 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 71 4.1 Hasil... 71 4.1.1 Hasil Uji Kekerasan... 72
vii 4.1.2 Hasil Uji Tarik... 75 4.1.3 Hasil Uji Fatique... 79 4.1.4 Hasil Pengamatan Struktur Mikro... 82 4.2 Pembahasan... 86 4.2.1 Hubungan Antara Kekerasan dengan Diameter Butir... 86 4.2.2 Hubungan Antara Kekuatan Tarik dengan Diameter Butir 87 4.2.3 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Fatique... 88 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 91 5.1 Kesimpulan... 91 5.2 Saran... 93 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
viii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pisau egrek/pisau pemanen sawit... 6 Gambar 2.2 Mesin tempa (hammer)... 7 Gambar 2.3 Diagram Fasa Besi Karbon (fe-c)... 21 Gambar 2.4 Struktur Kristal Martensit-Body Centered Tetragonal (BCT)... 31 Gambar 2.5 Kurva tegangan regangan baja... 37 Gambar 2.6 Kurva S N untuk logan ferro dan non ferro... 42 Gambar 2.7 Bentuk tegangan pada pengujian Fatique rotary bending.. 43 Gambar 2.8 Perhitungan butiran menggunakan metode planimetri... 47 Gambar 3.1 Skema Proses Heat Treatment dan Quenching... 49 Gambar 3.2 Pemanasan Spesimen di dalam Furnace... 50 Gambar 3.3 Thermocouple Digital Tipe K... 52 Gambar 3.4 (a) Spesimen kekerasan, (b) Dimensi Spesimen(mm)... 54 Gambar 3.5 Spesimen Uji Tarik... 55 Gambar 3.6 (a) Spesimen uji fatique (b) Dimensi Spesimen... 56 Gambar 3.7 Spesimen Metallografi... 56 Gambar 3.8 Alat Uji Brinell... 57 Gambar 3.9 Alat Uji Tarik Torsee Type AMU-10... 59 Gambar 3.10 (a) Mesin Uji Fatique (b) Beban yang Digunakan... 63 Gambar 3.11 Mikroskop optic... 67 Gambar 3.12 Diagram Alir Penelitian... 69
ix Gambar 3.13 Diagram Alir Pengujian... 70 Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Kekerasan dan Jenis Perlakuan... 74 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Kekerasan dan Suhu Proses Tempering 74 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara Kekuatan Luluh dan Jenis Perlakuan.. 77 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Antara Kekuatan Batas dan Jenis Perlakuan... 78 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Regangan dan Jenis Perlakuan... 79 Gambar 4.6 Kurva S-N Raw Material HSS... 80 Gambar 4.7 Kurva S-N Hardening Oli... 81 Gambar 4.8 Kurva S-N Tempering 300 C... 81 Gambar 4.9 Foto Mikro Raw Material Perbesaran 500X... 82 Gambar 4.10 Foto Mikro Pembesaran 500X... 83 Gambar 4.11 Grafik Hubungan Antara Diameter Butir dengan jenis Perlakuan Heat Treatment... 85 Gambar 4.12 Grafik Hubungan Antara Kekerasan dengan Diameter Butir... 86 Gambar 4.13 Grafik Hubungan Antara Kekuatan Tarik (Ultimate) dengan Diameter Butir... 87 Gambar 4.14 Grafik Hubungan Antara Siklus (N) dengan Jenis Perlakuan... 88 Gambar 4.15 Grafik Hubungan Antara Siklus (N) dengan Diameter Butir... 89
x DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Syarat mutu egrek-sni... 10 Tabel 2.2 Hubungan antara perbesaran yang digunakan dengan pengali Jeffries... 48 Tabel 4.1 Sifat Mekanis Raw Material... 71 Tabel 4.2 Komposisi Kimia dari PT.ASSAB STEEL INDONESIA... 71 Tabel 4.3 Hasil Uji Komposisi Kimia Baja HSS ASP 23... 71 Tabel 4.4 Pengujian Kekerasan bedasarkan Skala Brinell (BHN)... 73 Tabel 4.5 Tabel Data Hasil Uji Tarik... 76 Tabel 4.6 Tabel Data Hasil Uji Fatique... 80 Tabel 4.7 Tabel Hasil Pengukuran Diameter Butir... 85
xi 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 -