ANALISIS PENINGKATKAN KUALITAS SPROKET SEPEDA MOTOR BUATAN LOKAL DENGAN METODE KARBURASI Abdul Karim Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bandung E-mail : karimabdul57@gmail.com Abstrak Proses karburasi dilakukan dengan media karbon dari arang tempurung kelapa yang ditambahkan energizer BaCO 3. Parameter proses yang divariasikan adalah, waktu karburasi (1 jam, 2,5 jam, 5 jam, 7,5 jam dan 10 jam),. Untuk proses perlakuan panas, pemanasan dilakukan pada temperatur 900 C.Hasil dari proses karburasi menunjukkan bahwa pengaruh kenaikan kadar energizer BaCO 3 ( 20 % wt) terhadap kedalaman penetrasi karbon ke dalam baja cenderung konstan, Penambahan waktu karburasi ( dari 1 jam, 2,5 jam, 5 jam, 7,5 jam dan 10 jam ) mengakibatkan terjadinya peningkatan kedalaman penetrasi karbon yang signifikan dari 0 mm menjadi 2,1 mm untuk roda gigi 0,15 %C. Hasil proses perlakuan panas menunjukkan perubahan sifat mekanik pada baja, khususnya pada bagian permukaan yang berubah menjadi keras akibat adanya pembentukan fasa. Variasi temperatur temper menghasilkan nilai effective case depth yang berbeda-beda. Parameter pack carburizing dan parameter perlakuan panas yang tepat untuk menghasilkan effective case depth sebesar 2,3 mm seperti roda gigi sproket tiruan adalah dengan melakukan pack carburizing dengan penambahan energizer 20 %wt BaCO 3 dengan waktu karburasi selama 10 jam (untuk roda gigi 0,15 %C). Kata Kunci : Karburasi, sproket, keras. I. PENDAHULUAN Metode park carbirizing ini dapat memungkinkan serbuk arang tempurung kelapa yang mengandung karbon cukup tinggi dan barium karbonat (BaCO3) sebagai pereaksinya, sehingga dapat mendifusikan unsur-unsur karbon yang berasal dari serbuk arang tempurung kelapa ke dalam Fe sehingga mengakibatkan kekerasan permukaan benda (sproket) dan sifat mekanik sproket menjadi meningkat / lebih tahan aus sehingga akan meningkatkan kualitas sproket dan hampir mendekati kualitas asli Jepang. Dan untuk menambah kedalaman penetrasi pengerasannya dengan menambah waktu difusi (karburasi). [1] Sifat mekanik suatu logam sangat dipengaruhi oleh struktur mikro logam tersebut. Struktur mikro suatu logam adalah gambaran dari bentuk dan jenis fasa-fasa yang diamati dibawah mikroskop. Untuk mendapatkan fasa yang diinginkan dapat diperoleh antara lain dengan melakukan proses perlakuan panas yang melibatkan pemanasan dan pengaturan laju pendinginan pada suatu material. Proses perubahan dari bentuk suatu fasa ke fasa lainnya disebut dengan transformasi fasa. Pengubahan sifat-sifat material dapat dilakukan dengan cara menerapkan suatu proses yang disebut dengan proses perlakuan permukaan. Tujuan utama dari proses perlakuan ini adalah untuk meningkatkan ketahanan komponen logam terhadap keausan, korosi, dan patah lelah. Proses perlakuan permukaan yang diterapkan pada penelitian ini adalah proses karburasi padat (pack carburising) pada material baja karbon yang berupa komponen roda gigi sproket sepeda motor. 7
( C C s s C C x 0 ) = erf x ( ) 2 D. t ( 3 ). Gambar 1. Proses Karburasi, [ 4 ] II. METODE PENELITIAN Difusi Mekanisme yang menyebabkan terjadinya migrasi atom karbon dari permukaan baja ke bagian dalam baja pada proses karburasi adalah difusi. Difusi adalah pergerakan atom relatif terhadap tetangganya dalam suatu fasa di bawah pengaruh energi termal dan perbedaan konsentrasi. Faktor utama yang menyebabkan terjadinya difusi adalah energi dan waktu. Difusi terjadi disebabkan oleh penurunan energi bebas agar sistem menjadi lebih stabil. Difusi yang terjadi mengikuti hukum Ficks I, J = - D C x ( 1 ) di mana J adalah jumlah dari karbon yang masuk tiap satuan waktu, D adalah koefisien difusi, dan C adalah gradien komposisi dari karbon. x Sedangkan untuk penentuan nilai D menggunakan persamaan berikut: D = D 0 Exp (-Q/RT)... ( 2) dengan D:koefisien difusi pada temperatur tertentu (cm 2 /s) D 0 : koefisien difusi pada temperatur kamar (cm 2 /s), Q :energi aktivasi (cal/mol), R : konstanta gas (1987 cal/mol C), T : temperatur (Kelvin). Untuk dapat menghitung kadar karbon sebagai fungsi dari jarak kedalaman secara teoritik, dapat digunakan persamaan berikut: Dengan C s :konsentrasi karbon di permukaan baja, C x : konsentrasi karbon pada kedalaman x mm dari permukaan, C 0 : konsentrasi karbon awal dari baja, erf: error function yang diperoleh secara empiris. Mekanisme difusi yang terjadi pada proses karburasi adalah difusi interstisi, karena perbedaan geometri atom Fe dan C menurut aturan kelarutan padat Hume Rothery adalah lebih dari 15 %. Temperatur karburasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah 900 C, sebab pada temperatur tersebut baja yang digunakan sebagai spesimen berada pada fasa austenit (FCC), dan ini akan memperlancar terjadinya proses difusi. Untuk melaksanakan penelitian pengerasan permukaan melalui metode karburasi padat diperlukan beberapa hal penting menyangkut pembuatan spesimen, pemilihan spesimen, dan persiapan peralatan yang dipakai. Dalam penelitian ini, material yang digunakan sebagai spesimen percobaan adalah berupa roda gigi tiruan, yaitu roda gigi dengan merek A, jenis merek roda gigi tersebut terbuat dari material baja karbon rendah. Berdasarkan pada parameter penelitian yang dilakukan, jumlah total spesimen adalah 15 buah. Proses karburasi padat dilakukan pada temperatur 900 C dengan waktu karburasi selama 1, 2,5, 5, 7,5, 10 jam. Variasi waktu karburasi ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh parameter waktu terhadap kedalaman penetrasi karbon. Perhitungan Total Case Depth dan Effective Case Depth Hasil Proses Perlakuan Panas Ada beberapa metoda yang digunakan untuk mengukur lapisan hasil karburasi. Beberapa metoda ini mengukur perbedaan sifat mekanik atau komposisi kimia yang dihasilkan. Beberapa definisi di bawah ini telah diakui sebagai standar di dunia industri: 8
Abdul Karim, (2012) MeTrik Polban, Vol..6, No.2, 7-14 Total case depth adalah jarak yang diukur tegak lurus permukaan baja yang belum mengalami proses pengerasan, di mana perbedaan sifat mekanik atau komposisi kimia antara lapisan dan inti sudah tidak dapat dibedakan. Carbon concentration Surface concentration Actual carbon gradient Carbon spread Approximate gradient Core concentration Core con Total case Depth below surface Gambar 2. Perhitungan Total Case Depth [5] Effective case depth adalah jarak yang diukur tegak lurus dari permukaan baja yang telah menjalani proses pengerasan ke titik di mana kekerasan yang dicapai adalah A VHN. Effective case depth harus selalu diukur dari sampel yang telah menjalani seluruh proses perlakuan panas yang direncanakan. Untuk pengukuran effective case depth, dilakukan dengan interpolasi linier pada interval dua titik kedalaman di mana kekerasan sebesar A VHN berada. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pack Carburizing Dengan Penambahan 20 % wt BaCO 3 Untuk Waktu Karburasi 1, 2,5, 5, 7,5 dan 10 Jam Pada bagian ini akan dilakukan analisis tentang hasil percobaan karburasi pada spesimen roda gigi dengan kadar 0,15 % C. Analisis secara umum dibagi menjadi dua tahap. Tahap pertama meliputi pembahasan tentang hasil yang diperoleh dari proses karburasi, sedangkan tahap kedua meliputi pembahasan tentang hasil dari proses perlakuan panas quenching dan tempering. Selain dua tahap pembahasan tersebut, juga akan dilakukan analisis tentang pengaruh penambahan energizer BaCO 3 terhadap karakteristik hasil karburasi padat pada baja karbon rendah. ISSN : 1411-0741 Pengujian kekerasan mikro dilakukan dengan prosedur yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Pengujian ini dilakukan sebanyak tiga kali, masing-masing untuk spesimen hasil karburasi (as carburized),. Namun pada bagian ini hanya akan dibahas tentang hasil dari proses karburasi saja. Adapun hasil pengujian kekerasan yang dilakukan dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Tabel 1. Data kekerasan spesimen roda gigi 0,15 %C hasil proses karburasi. Jarak dari Waktu Karburasi permukaan 1 2,5 7,5 5 Jam (mm) Jam Jam Jam 10 Jam 0 472,8 474,9 518,9 582,3 810,1 0,125 461,5 461,5 461,5 382,1 528,9 0,25 277,6 412,8 403,2 360,7 458,3 0,375 246 390 395,2 337,9 452,4 0,5 238,7 386,8 398,7 336,8 405,3 0,625 236,4 337,1 388,6 332,5 402,5 0,75 199,3 306,7 317,4 306,3 400,6 0,875 157,2 270,1 301,6 286,2 368,7 1 156,1 216,7 287,5 279,2 347,4 1,125 151,5 190,7 247,8 263,6 345,9 1,25 150,9 169,5 236,5 249,5 332,9 1,375 148 156,9 226,1 246 333,9 1,5 147,4 156 211,4 233,1 316,9 1,625 145,9 154,8 211,7 227,8 288,1 1,75 143 148,6 204,1 223,6 274,9 1,875 139,7 141,7 193,7 201,2 249,5 2 139 135,1 185,6 186,1 240,6 2,25 138,8 141,5 183,3 183,9 183,3 2,5 131,5 134,7 185,9 173,6 185,9 2,75 137,8 135,4 177,1 178,2 177,1 3 134 135,2 175,3 174,5 175,3 3,25 133,2 133,2 154,9 152,6 175,5 3,5 136,3 135,6 151,5 150,1 170,1 3,75 135,1 133,1 145,5 150,4 167,1 4 137,2 133,4 145,7 151,5 160,6 4,25 135,2 133,3 145,1 150,9 162,1 4,5 136,2 136 145,9 151,5 163,8 9
Dari pemeriksaan struktur mikro terhadap hasil proses karburasi yang telah dilakukan pada roda gigi 0,15 %C secara umum terlihat adanya perubahan fasa dari bagian permukaan hingga bagian inti dari spesimen. Pada bagian permukaan, terdapat fasa perlit sebagai matriks utama dan fasa sementit sekunder pada batas butir perlit. Semakin ke dalam jumlah sementit sekunder berkurang hingga mulai terlihat fasa ferit pada batas butir perlit. Jumlah fasa ferit semakin bertambah hingga pada bagian inti menyamai jumlah ferit spesimen awal percobaan. Hasil pemeriksaan struktur mikro pada spesimen hasil proses karburasi dapat dilihat pada gambar berikut ini. Gambar 3. Hubungan Kedalaman Terhadap Kekerasan Hasil Karburasi dengan Perbedaan Waktu Karburasi Berdasarkan hasil di atas dapat disimpulkan bahwa setelah mengalami proses karburasi secara umum kekerasan di bagian permukaan spesimen mengalami peningkatan dari kekerasan awal (139,5 VHN). Semakin kedalam nilai kekerasan semakin berkurang hingga mendekati nilai kekerasan awal spesimen. Hal ini menunjukkan bahwa selama proses karburasi telah terjadi proses difusi atom-atom karbon dari media karbon ke dalam spesimen baja.selain itu, secara umum nilai kekerasan pada bagian tengah spesimen (kedalaman 3 mm) mengalami penurunan dari nilai kekerasan awal. Hal ini disebabkan oleh fenomena pengkasaran butir yang terjadi selama proses karburasi pada 900 C. Mengacu pada distribusi kekerasan serta gradien komposisi karbon hasil proses karburasi yang telah dilakukan, terlihat dengan jelas bahwa untuk kadar energizer 20 % BaCO 3 dengan waktu karburasi selama 1 jam, 2,5 jam, 5 jam dan 7,5 jam terjadi perubahan yang baik dari distribusi kekerasannya maupun dari gradien komposisi karbon yang dihasilkan. Sedangkan waktu karburasi 10 jam hasil yang diperoleh menunjukkan adanya perbedaan yang signifikan di mana terlihat bahwa penetrasi karbon ke dalam baja meningkat secara signifikan. Gambar 4. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 1 jam, padakedalaman 0,25 mm dengan karbon 0,54968 % Hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 1 jam pada kedalaman 0,25 mm permukaan relatif sama dengan kadar maksimum sekitar 0,54968 % C. Kadar karbon berkurang dengan bertambahnya kedalaman hingga kadar karbon yang terukur menyamai kadar karbon awal dari spesimen roda gigi yaitu sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Sedangkan hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 1 jam pada kedalaman 0,375 mm permukan pada kedalaman ini sekitar 0,15569 % C. Kadar karbon berkurang dengan bertambahnya kedalaman hingga kadar karbon yang terukur menyamai kadar karbon awal dari spesimen roda gigi yaitu sekitar 0,15 %C pada bagian inti. 10
Gambar 5. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 1 jam, pada kedalaman 0,375 mm dengan karbon 0,15569% Gambar 7. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 2,5 jam, pada kedalaman 1 mm dengan karbon 0,3095% Gambar 6. Struktur mikro sprocket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 2,5 jam, pada kedalaman 0,625 mm dengan karbon 0,57633 % Gambar 8. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 5 jam, pada kedalaman 0,625 mm dengan karbon 0,61442 % Hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 2,5 jam pada kedalaman 0,625 mm permukaan relatif mendekati dengan kadar maksimum sekitar 0,57633 % C. Kadar karbon sekitar 0,15 %C pada bagian inti. pada Sedangkan hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasi 2,5 jam kedalaman 1 mm menunjukkan penurunan karbon dari kadar maksimum pada bagian permukan pada kedalaman ini sekitar 0,3095 % C. Kadar karbon sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 5 jam pada kedalaman 0,625 mm permukaan relatif mendekati dengan kadar maksimum sekitar 0,61442 % C. Kadar karbon sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Sedangkan hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 5 jam pada kedalaman 1,25 mm permukan pada kedalaman ini sekitar 0,28883 % C. Kadar karbon berkurang dengan bertambahnya kedalaman hingga kadar karbon yang terukur menyamai kadar karbon awal dari spesimen roda gigi yaitu sekitar 0,15 %C pada bagian inti. 11
Gambar 9. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 5 jam, pada kedalaman 1,25 mm dengan karbon 0,28883 % Gambar 11. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 7,5 jam, pada kedalaman 1,5 mm dengan karbon 0,45717 % Gambar 10. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 7,5 jam, pada kedalaman 0,875 mm dengan karbon 0,67809 % Analisa hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 7,5 jam pada kedalaman 0,625 mm permukaan relatif mendekati dengan kadar maksimum sekitar 0,61442 % C. Kadar karbon sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Sedangkan hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 7,5 jam pada kedalaman 1,5 mm permukan pada kedalaman sekitar 0,45717 % C. Kadar karbon berkurang dengan bertambahnya kedalaman hingga kadar karbon yang terukur menyamai kadar karbon awal dari spesimen roda gigi yaitu sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Gambar 12. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 10 jam pada kedalaman 1,75 mm dengan karbon 0,71826 % Analisa hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasi 10 jam pada kedalaman 1,5 mm permukaan relatif mendekati dengan kadar maksimum sekitar 0,71826 % C. Kadar karbon sekitar 0,15 %C pada bagian inti. Sedangkan hasil perhitungan kadar karbon terhadap hasil karburasing 10 jam pada kedalaman 2,5 mm permukan pada kedalaman ini sekitar 0,48521 % C. Kadar karbon berkurang dengan bertambahnya kedalaman hingga kadar karbon yang terukur menyamai kadar karbon awal dari spesimen roda gigi yaitu sekitar 0,15 %C pada bagian inti dengan ke dalamam 2,1 mm. 12
Gambar 13. Struktur mikro sproket 0,15 % C hasil proses karburasi dengan waktu karburasi 10 jam pada kedalaman 2,5 mm dengan karbon 0,48521 % Tabel 2. Cast Dept Hasil Pengukuran Waktu Karburasing Cast Dept 1 Jam 0,6 mm 2,5 Jam 1,1 mm 5 Jam 1,6 mm 7,5 Jam 1,9 mm 10 Jam 2,1 mm Dengan diketahuinya effective case depth dari spesimen hasil proses karburasi dan karburasi + harden quench serta waktu karburasi selama 1 jam, 2,5 jam, 5 jam, 7,5 jam dan 10 jam, maka nilai konstanta k dapat dihitung. Jadi akan diperoleh dua buah nilai konstanta k masingmasing dari waktu karburasi dan karburasi yang dilanjutkan dengan harden. Untuk proses karburasi roda gigi 0,15 %C dengan penambahan 20 %wt BaCO 3, nilai k dihitung sebagai berikut: - untuk t = 1 jam => 0,6 = k 1 k 1 jam = 0,6 - untuk t = 2,5 jam => 1,1 = k 2, 5 k 2,5 jam = 0,69 - untuk t = 5 jam => 1,6 = k 5 k 5 jam = 0,72 - untuk t = 7,5 jam => 1,9 = k 7, 5 k 7,5 jam = 0,69 - untuk t = 10 jam => 2,1 = k 10 k 10 jam = 0,66 Sehingga persamaan kurva untuk penambahan 20 % BaCO 3 adalah x = k t. Hasil perhitungan nilai k berikut persamaan kurva untuk roda gigi 0,15 %C. Tabel 3. Hasil perhitungan nilai k dan persamaan kurva x = k t untuk proses karburasi roda gigi pada 900 C Persamaan kurva Roda Gigi Kadar Energizer k x = k t 0,6 x = 0,6 t 0,69 x = 0,69 t 15 %C 20 % wt 0,72 x = 0,72 t 0,69 x = 0,69 t 0,66 x = 0,66 t Untuk proses karburasi yang dilanjutkan dengan harden roda gigi 0,15 %C dengan penambahan 20 %wt BaCO 3, nilai k dihitung sebagai berikut: - untuk t = 1 jam => 0,8 = k 1 k 1 jam = 0,8 - untuk t = 2,5 jam => 2,3 = k 2, 5 k 2,5 jam = 1,45 - untuk t = 5 jam => 3,2 = k 5 k 5jam = 1,43 - untuk t = 7,5 jam => 2,6 = k 7, 5 k 7,5 jam = 0,94 - untuk t = 10 jam => 4,1 = k 10 k 10 jam = 1,3 Sehingga persamaan kurva untuk penambahan 20 % BaCO 3 adalah x = k t. Hasil perhitungan nilai k berikut persamaan kurva untuk roda gigi 0,15 %C. IV. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil-hasil penelitian tentang proses karburasi padat pada roda gigi tiruan sepeda motor yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: Kekerasan yang dihasilkan sangat tergantung pada waktu proses pack carburizing, untuk karburasing ; 1 jam 472,8 VHN, 2,5 jam 474,9 VHN, 5 jam 518,9 VHN, 7,5 jam 582,3 VHN dan 10 jam 810,1 VHN.. 2.Cast Dept Hasil Pengukuran, Untuk waktu karburasi 1 jam mempunyai kedalaman 0,6 13
mm,2,5 jam mempunyai kedalaman 1,1 mm, waktu 5 jam mempunyai kedalaman 1,6 mm, waktu 7,5 jam mempunyai kedalaman 1,9 mm, dan untuk waktu karburasing 10 jam mempunyai kedalaman 2,1 mm DAFTAR PUSTAKA 1. ASM Committee on Gas Carburizing, Carburizing and Carbonitriding, American Society for Metals,1977. 2. Callister, William D, Material Science and Engineering, an Introduction, Third Edition, John Willey and Son, 1984. 3. Indarto, Ari, Pack Carburizing Dengan Arang Batok Pada Baja Karbon Rendah, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, 2003. 4. Samuel, Steven, Pengaruh BaCO 3 Terhadap Hasil Karburasi Padat Pada Baja Karbon Rendah, Tugas Akhir Sarjana, Institut Teknologi Bandung, 2003. 5. Thelning, Karl-Erick, Steel and Heat Treatment Bofor Handbook, AB Bofor, 1978. 14