perubahan ketangguhan bahan st.40 yang · pdf filetelah dipertahankan dihadapan panitia sidang...
TRANSCRIPT
1
PERUBAHAN KETANGGUHAN BAHAN ST.40 YANG TELAH
MENGALAMI PROSES DOUBLE HARDENING DENGAN
CARBURIZING
Skripsi
Diajukan dalam Rangka Penyelesaian Studi Strata 1
untuk Mencapai Gelar Sarjana Pendidikan
Disusun Oleh :
Nama : Widya Mukti Setiadji
NIM : 5201401043
Prodi : Pendidikan Teknik Mesin S1
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2007
2
PENGESAHAN
Skripsi Perubahan ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami Proses
Double Hardening Dengan Carburizing.
Telah dipertahankan dihadapan panitia sidang ujian skripsi Fakultas Teknik
Universitas Negeri Semarang pada tanggal:
Panitia Ujian
Ketua Sekretaris Drs. Pramono Drs. Supraptono, M. Pd NIP. 131474226 NIP. 131125645
Tim Penguji
Pembimbing I Penguji I Drs. Murdani, M. Pd Drs. Karsono, M. Pd NIP. 130894848 NIP. 130515762 Pembimbing II Penguji II Hadromi, S. Pd., MT Drs. Murdani, M. Pd NIP. 132093201 NIP. 130894848
Penguji III
Hadromi, S. Pd., MT NIP. 132093201
Mengetahui,
Dekan Fakultas Teknik
Prof. Dr. Soesanto, M. Pd NIP. 130875753
ii
3
ABSTRAK
Widya Mukti Setiadji Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
UNNES 2007. “Perubahan Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses Double Hardening dengan Carburizing”.
Double hardening adalah proses pengerasan setelah mengalami proses
carburizing yang diakhiri dengan proses tempering. Tujuan dari proses double hardening adalah untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti. Pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang perubahan kekuatan baja yang dihasilkan dari ketangguhan baja pada proses double hardening setelah proses carburizing.
Penelitian dilakukan pada material baja karbon dengan kandungan 0,135% C, kemudian bahan dibuat spesimen pukul takik pada standart (ASTM E 23-56) dengan metode charpy V sudut 450. Proses carburizing pada material dengan suhu 9500 C dan holding time 4 jam. Proses double hardening dilakukan pada material hasil carburizing. Proses double hardening dibagi menjadi tiga tahap: tahap I adalah proses pengerasan inti yaitu pada suhu 9000 C dengan holding time 20 menit dan media pedinginnya air, tahap II pengerasan bagian kulit yaitu pada suhu 7600 C dengan holding time 20 menit dan media pendinginnya air, selanjutnya proses ini diakhiri dengan proses tempering pada suhu 1800 C.
Teknik analisis data yang digunakan pada penelitian ini adalah menggunakan statistika deskriptif, yaitu dengan cara melukiskan dan merangkum dari penelitian yang telah dilakukan. Data-data yang dihasilkan digambarkan secara grafis dalam histogram.
Nilai ketangguhan dari raw material 1,689 J/mm2 setelah proses carburizing menurun 1, 2562 J/mm2. Hasil proses carburizing diberi perlakuan double hardening I menurun 1,6468 J/mm2, double hardening II menurun 1, 5944 J/mm2. Proses double hardening diberi proses tempering menurun 1,4739 J/mm2. Proses double hardening berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah proses carburizing. Pada raw material perubahan struktur mikro dari ferrit dan perlit menjadi sementit, yang diperoleh setelah mengalami proses carburizing yang menyebabkan timbulnya struktur kristal yang berbentuk serpihan-serpihan. Ini menunjukkan adanya penambahan unsur karbon yang terikat oleh Fe. Struktur martensit diperoleh setelah mengalami proses double hardening I dan II, yang menyebabkan struktur kristal meningkat lebih banyak berbentuk serpihan kecil yang menunjukkan bahan bersifat getas. Proses tempering akan mengurai struktur martensit kembali dengan susunan kristal yang lebih besar dan merata/homogen yang menyebabkan bahan bersifat getas di luar bagian dalam bersifat ulet.
Simpulan dari penelitian ini adalah adanya perubahan ketangguhan pada proses double hardening dengan carburizing yaitu menurunkan ketangguhan bahan ST.40. Jika menginginkan satu jenis baja yang bersifat bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya dilakukan proses double hardening setelah melakukan proses carburizing.
iii
4
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Motto:
Kekurangan bukanlah suatu kelemahan melainkan kelebihan dan karunia
yang dianugrahkan kepada setiap manusia.
Keberhasilan adalah buah dari usaha dan kesabaran tanpa ada rasa
penyesalan dan keputus asaan.
Kebesaran diri, akan kita peroleh apabila kita dapat membesarkan dan
menghargai orang lain.
Tidak ada suatu musibah pun yang menimpa seseorang kecuali dengan
izin Allah; dan barang siapa yang beriman pada Allah, niscaya Dia akan
memberi petunjuk kepada hatinya. Dan Allah Maha Mengetahui segala
sesuatu. (Qs. At Taghaabun: 11)
Persembahan Skripsi ini kupersembahkan teruntuk:
Papi & Mama tercinta terima kasihku untuk do’a dan dukungannya,
kebahagiaan kalian merupakan semangat buatku.
Bulek & Kakak-Kakakku yang menjadi suri tauladanku.
Seseorang yang selalu menemani hatiku, (DiMaSa)..thanks buat semua yang
telah kamu berikan..senyummu kesejukan hatiku.
Almamaterku.
iv
5
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan karunia-Nya sehingga proses penelitian sekaligus penulisan
skripsi berjalan dengan lancar. Penulis mengakui bahwa dalam penelitian dan
penulisan ini tidak lepas dari banyak kekurangan, namun berkat bantuan dan
bimbingan dari berbagai pihak penelitian ini dapat terlaksana dengan baik. Pada
kesempatan ini pihak penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Prof. H. Sudijono Sastroatmodjo, M. Si., Rektor Universitas Negeri Semarang
2. Prof. Dr. Soesanto, M.Pd., Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri
Semarang
3. Drs. Pramono, Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang
4. Drs. Murdani, M.Pd., Dosen Pembimbing I yang telah membimbing,
mengarahkan dan memotivasi penulis.
5. Hadromi, S. Pd., MT., Dosen Pembimbing II yang telah memberikan
bimbingan dan arahan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat selesai,
6. Seluruh dosen-dosen di jurusan Teknik Mesin, yang telah memberikan ilmu
yang berguna bagi peneliti.
7. Bapak dan Ibu yang telah memberi do’a dan dukungannya.
8. Bulek dan Kakak-kakakku yang telah memberikan pengertiannya selama
penulisan skripsi.
9. Seseorang (DiMaSa) yang telah membantu do’a, tenaga dan pikiran dalam
penyusunan skripsi.
10. Teman-temanku yang setia menunggu sampai ujian skripsi.
v
6
11. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak ataupun peneliti. Peneliti
menyadari bahwa skripsi ini jauh dari kesempurnaan, karena kesempurnaan
hanyalah milik Allah dan kekurangan hanya milik kita. Kritik dan saran yang
membangun atas segala kekurangan dalam skripsi ini penulis terima dengan
senang hati.
Semarang, April 2007
Penulis
vi
7
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL........................................................................................... i
ABSTRAK ......................................................................................................... ii
HALAMAN PENGESAHAN............................................................................. iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................................... iv
KATA PENGANTAR ........................................................................................ v
DAFTAR ISI....................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix
DAFTAR TABEL............................................................................................... xi
DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xii
BAB I. PENDAHULUAN.................................................................................. 1
A. Latar Belakang ................................................................................. 1
B. Permasalahan.................................................................................... 4
C. Tujuan............................................................................................... 4
D. Manfaat ............................................................................................ 4
E. Penegasan Istilah .............................................................................. 5
F. Sistematika Penulisan Skripsi ........................................................... 7
BAB II. LANDASAN TEORI ............................................................................ 9
A. Landasan Teori................................................................................ 9
1. Baja ............................................................................................ 9
2. Penambahan Unsur Campuran.................................................... 15
3. Carburizing ................................................................................. 16
4. Double Hardening ....................................................................... 20
5. Tempering ................................................................................... 20
6. Media Pendingin ......................................................................... 6
7. Ketangguhan ............................................................................... 24
B. Kerangka Berpikir ........................................................................... 28
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 31
A. Bahan Penelitian.............................................................................. 31
B. Variabel Penelitian .......................................................................... 32
vii
8
C. Metode Penelitian............................................................................ 32
D. Waktu Dan Tempat Penelitian ........................................................ 37
E. Diagram Alir Penelitian................................................................... 38
F. Tehnik Pengumpulan Data............................................................... 39
G. Analisis Data ................................................................................... 39
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN................................... 40
A. Hasil Penelitian ............................................................................... 40
B. Pembahasan ..................................................................................... 57
BAB V. PENUTUP............................................................................................. 62
A. Simpulan ......................................................................................... 62
B. Saran................................................................................................ 63
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 64
LAMPIRAN........................................................................................................ 65
viii
9
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Diagram Fe-C (Fasa)......................................................................... 11
Gambar 2. Diagram transformasi besi ................................................................ 12
Gambar 3. Struktur Face Center Cubic ............................................................. 13
Gambar 4. Struktur Body Center Cubic .............................................................. 13
Gambar 5. Grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan karbon ....................... 19
Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan ....................................................... 21
Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper ............................................. 22
Gambar 8. Alat uji impact Charpy ...................................................................... 24
Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (ASTM E 23-56) ..................... 25
Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy........................................... 25
Gambar 11. Daerah ulet getas dan transisi.......................................................... 27
Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact ................................................ 33
Gambar 13. Peletakan spesimen saat pemanasan ............................................... 34
Gambar 14. Kotak carburizing ........................................................................... 34
Gambar 15. Diagram alir Penelitian.................................................................... 38
Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material ............................................. 42
Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing ............................................... 43
Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I ................................... 43
Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II .................................. 44
Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering .................................................. 44
Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata ....................................... 45
Gambar 22. Alat metalurgi mikroskop................................................................ 47
Gambar 23. Struktur mikro baja raw material................................................... 48
Gambar 24. Struktur mikro material carburizing bagian tepi............................. 49
Gambar 25. Struktur mikro material carburizing bagian tengah ........................ 49
Gambar 26. Struktur mikro material double hardening I bagian tepi ................ 50
Gambar 27. Struktur mikro material double hardening I bagian tengah ............ 50
Gambar 28. Struktur mikro material double hardening II bagian tepi ............... 51
ix
10
Gambar 29. Struktur mikro material double hardening II bagian tengah........... 51
Gambar 30. Struktur mikro material tempering bagian tepi ............................... 52
Gambar 31. Struktur mikro material tempering bagian tengah........................... 53
Gambar 32. Penampang patah benda raw material ............................................ 54
Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing........................... 55
Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I............... 55
Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II ............. 56
Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering ............................. 56
x
11
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Daya spesifikasi air .............................................................................. 23
Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact ............................................ 39
Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material).................................. 40
Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing ......................................................... 41
Tabel 5. Hasil pengujian impact raw material.................................................... 42
Tabel 6. Hasil pengujian impact carburizing...................................................... 42
Tabel 7. Hasil pengujian impact double hardening I .......................................... 43
Tabel 8. Hasil pengujian impact double hardening II......................................... 44
Tabel 9. Hasil pengujian impact tempering ........................................................ 44
Tabel 10. Nilai rata-rata kekuatan impact ........................................................... 45
xi
12
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Uji komposisi raw material ............................................................ 66
Lampiran 2. Uji komposisi material carburizing ................................................ 67
Lampiran 3. Hasil pengujian impact ................................................................... 68
Lampiran 4. Contoh perhitungan mencari tenaga patah dan ketangguhan ......... 70
Lampiran 5. Dokumentasi................................................................................... 71
Lampiran 6. Surat keterangan selama penyusunan skripsi ................................. 73
xii
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat kuat, liat, keras, dan
mempunyai titik cair yang tinggi. Logam terbuat dari bijih logam yang
ditemukan dalam keadaan murni atau bercampur. Bijih logam ini didapat dari
proses penambangan mulai dari pendahuluan, pengeboran, sampai pengolahan
logam.
Dari pengolahan logam inilah baru didapat logam yang kita inginkan.
Logam yang telah jadipun masih disebut logam setengah jadi (raw material)
sehingga masih diperlukan pengerjaan-pengerjaan dengan mesin, untuk
mendapatkan bentuk dan kualitas yang lebih baik. Agar memperoleh hasil
yang baik, komponen-komponen dari hasil mesin skrap, mesin bubut, mesin
frais, yang selanjutnya diberi perlakuan panas seperti pengerasan, penempaan,
penormalan, yang bertujuan memperbaiki sifat-sifat logam tersebut.
Dari bagian mesin, sering dijumpai suatu bahan yang diperlukan
kekerasan dan keliatannya. Misalnya poros transmisi dan roda gigi. Saat
mengalami perpindahan persneling, poros transmisi dan roda gigi mengalami
beban puntir. Komponen tersebut juga harus mempunyai sifat lentur, karena
dengan sifat lentur ketika terjadi perpindahan transmisi, diharapkan dapat
mengurangi hentakan keras pada saat roda gigi mengalami perkaitan.
2
Gabungan antara beban puntir dan lentur, juga diperlukan pada saat transmisi
dan roda gigi mengalami beban berat dan putaran tinggi.
Dengan mempertimbangkan kondisi di atas, maka diinginkan suatu
konstruksi bahan yang keras pada permukaan dan ulet pada intinya untuk
mencegah kerusakan. Kemudian agar memperoleh hasil yang baik,
komponen-komponen dari mesin-mesin tesebut selanjutnya diberi perlakuan
panas seperti pengerasan, penempaan, penemperan yang bertujuan
memperbaiki sifat-sifat logam tersebut.
Perlakuan panas (heat treatment) adalah proses memanaskan bahan
sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan dengan metode tertentu
(Amanto, 1999 : 63). Perlakuan panas terutama ditujukan untuk memperoleh
sifat-sifat yang sesuai dengan penggunaannya, khususnya untuk mendapatkan
kekerasan, kekuatan dan sifat liat yang diperlukan. Untuk mencegah keausan
pada logam, maka logam perlu mendapatkan kekerasan pada bagian
permukaan saja sedang inti tetap ulet. Untuk itu perlu dilakukan proses
pengerasan permukaan (surface treatment). Jadi dalam hal ini pengerasan
dapat dilakukan pada bagian-bagian tertentu saja sesuai kebutuhan dan fungsi
alat tersebut.
Menurut Palallo (1995: 57) menuliskan proses carburizing adalah proses
penambahan unsur karbon ke dalam logam pada bagian permukaan yang
didapat dari bahan-bahan yang mengandung karbon sehingga kekerasan
meningkat dengan adanya penambahan unsur karbon pada logam,
menyebabkan ukuran butir membesar.
3
Pemanasan pada temperatur tinggi untuk jangka waktu yang relatif lama
menyebabkan ukuran butir membesar, ini berarti butir-butir ferrit di bagian
dalam dan butir-butir perlit pada bagian permukaan menjadi kasar (Suratman,
1994: 143). Kekurangan pada proses carburizing pada logam dapat diperbaiki
dengan proses pengerasan lanjut (double hardening). Proses double hardening
dilakukan untuk memperhalus ukuran butir struktur logam. Ukuran struktur
yang halus dapat menghasilkan kekerasan yang lebih baik dari pada ukuran
butir struktur logam yang besar (Endri Maulana, 2006: 2). Perlakuan panas
tempering akan menghasilkan struktur yang homogen, tegangan sisa,
mengembalikan kondisi bahan pada kondisi normal akibat pengaruh
pengerjaan sebelumnya, memperhalus kristal yang akan berpengaruh terhadap
keuletan bahan dan meningkatkan kekuatan serta memperbaiki struktur setelah
bahan mengalami deformasi dalam keadaan panas dan dingin sehingga bahan
mempunyai sifat bagian luar getas sedangkan bagian dalam ulet.
Untuk mengetahui sejauh mana perlakuan panas proses carburizing,
double hardening – tempering terhadap perubahan sifat-sifat bahan dan
ketangguhan bahan setelah mengalami perlakuan. Untuk pengkajian lebih
lanjut maka perlu dilakukan pengujian bahan dengan menggunakan uji impact
dan uji struktur mikro.
Dari pertimbangan-pertimbangn tersebut di atas maka perlu diadakan
penelitian “Perubahan Ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami
Proses Double Hardening Dengan Media Pendingin Air Setelah Proses
Carburizing”
4
B. Permasalahan
Adapun permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah:
1. Adakah perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil proses double
hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses
carburizing.
2. Adakah perubahan struktur mikro bahan ST40 hasil proses double
hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses
carburizing.
C. Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui tingkat perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil
proses double hardening dengan media pendingin air yang telah
mengalami proses carburizing.
2. Mengetahui perubahan stuktur mikro bahan ST. 40 hasil proses double
hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses
carburizing.
D. Manfaat
Dengan adanya penelitian mengenai pengaruh kekuatan impact pada
proses double hardening setelah proses carburizing terhadap material baja
St.40 ini dapat diambil manfaat antara lain :
1. Memberikan informasi kepada dunia industri dalam perlakuan panas baja
tentang kekuatan baja yang dihasilkan dari perubahan ketangguhan baja
pada proses double hardening setelah proses carburizing .
5
2. Memberikan kontribusi terhadap pengembangan ilmu bahan dan
konstruksi.
3. Memberikan wawasan baru bagi perancangan suatu produk yang
membutuhkan kekuatan suatu bahan yang tinggi.
E. Penegasan Istilah
Penegasan istilah dimaksudkan untuk memberi arah penulisan skripsi
agar tidak menyimpang dari tujuan, sehingga judul mudah dipahami dan dapat
diketahui lingkup penelitiannya. Pengungkapan makna kata yang terkait
memerlukan peninjauan istilah baik menurut tata bahasa maupun kamus untuk
mencegah adanya penafsiran yang salah pada judul skripsi. Adapun yang perlu
ditegaskan dalam judul skripsi ini adalah:
1. Perubahan
Perubahan adalah sesuatu yang ada atau timbul karena rangkaian atau
tindakan pembuatan atau pengolahan produk. (Tim penyusun kamus,
2002:899)
2. Double Hardening
Double Hardening adalah proses pengerasan dari bahan yang telah
mengalami proses Carburizing. Untuk memperbaiki struktur bagian kulit
sama pada bagian inti benda kerja.
3. Media Pendingin
Menurut kamus Bahasa Indonesia pendingin adalah alat untuk
mendinginkan (Anton M. Moeliono, 1983: 207). Dalam penelitian ini
6
diartikan sebagai media yang digunakan untuk menurunkan temperatur
baja jenis St.40 pada proses double hardening adalah air (H2O).
4. Baja St.40
Baja St.40 adalah baja dengan kandungan C maksimum 0,15%, S =
0,05%, P = 0,16%,( Metalic Material Specification hand book, Robert B
Ross), Arti dari baja jenis St.40 adalah baja karbon rendah yang
mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/mm2.
5. Carburizing
Carburizing (pengarbonan) adalah suatu proses pengerasan permukaan
dengan menambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja dengan
jalan memanaskan benda kerja dalam kedap udara selama waktu tertentu
di dalam bahan yang mengandung unsur karbon. Pengaruhnya adalah
bahwa dari bahan tambah yang mengandung karbon masuk ke lapisan
benda kerja.
6. Pengujian Ketangguhan
Baja karbon yang biasanya bersifat ulet dapat diubah menjadi getas bila
berada kondisi tertentu. Menurut G. E. Diater (1988), terdapat tiga faktor
dasar yang mendukung terjadinya patah getas, keadaan tegangan tiga
sumbu, suhu rendah dan laju regangan tinggi atau laju pembebanan yang
cepat. Ketiga faktor tersebut tidak harus ada secara bersamaan pada waktu
terjadi patah getas. Maka disini untuk menentukan kepekaan bahan
terhadap patah getas, sering kali digunakan pengujian impact.
7
Jadi, yang dimaksud dengan perubahan ketangguhan bahan St.40 yang
telah mengalami proses double hardening dengan proses carburizing adalah
sesuatu yang timbul dari pengujian kepekaan patah getas yang telah
mengalami proses pengerasan bahan untuk memperbaiki struktur bagian kulit
sama pada bagian inti dengan cara menurunkan temperatur baja karbon rendah
yang mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/ 2mm setelah proses
penambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja.
F. Sistematika Penulisan Skripsi
Sistematika penulisan skripsi ini disusun untuk memudahkan
pemahaman tentang stuktur dan isi skripsi. Secara terperinci bagian-bagian
tersebut akan dijabarkan sebagai berikut :
1. Bagian pendahuluan skripsi berisi halaman judul, abstraksi, halaman
pengesahan, halaman motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi,
daftar tabel, daftar gambar serta lampiran.
2. Bagian isi skripsi terdiri atas:
Bab I. Pendahuluan, berisi alasan pemilihan judul, permasalahan,
penegasan istilah, tujuan dan manfaat penelitian serta
sistematika penulisan skripsi.
Bab II. Landasan Teori dan Hipotesis, berisi teori-teori yang diperoleh
dari kajian teori, keramgka berpikir yang merupakan jembatan
penghubung antara teori yang dikemukakan dengan hipotesis
yang diajukan, dan hipotesis yang merupakan jawaban
sementara terhadap permasalahan penelitian.
8
Bab III Metode Penelitian, berisi tentang bahan atau meteri
penelitian,alat, jalan penelitian dan teknik analisa data yang
dipergunakan dalam penelitian.
Bab IV. Hasil Penelitian dan Pembahasan, Berisi tentang hasil penelitian
yang berupa data, deskripsi data yang diperoleh dari hasil
penelitian lapangan serta analisanya, dan pembahasan.
Bab V. Kesimpulan dan Saran, berisi kesimpulan yang memuat
pernyataan singkat dan tepat dari penjabaran hasil penelitian dan
pembahasan serta saran.
3. Bagian akhir skripsi, berisi daftar lampiran sebagai pelengkap laporan
skripsi serta daftar pustaka.
9
BAB II
LANDASAN TEORI
A. Landasan Teori
1. Baja (Steel)
Baja adalah merupakan suatu campuran dari besi (Fe) dan karbon
(C), dimana unsur karbon (C) menjadi dasar. Disamping unsur Fe Dan C,
baja juga mengandung unsur campuran lain seperti sulfur (S), fosfor (P),
silikon (Si), dan mangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi.
Baja karbon adalah baja yang mengandung karbon antara 0,1% -
1,7%. Berdasarkan tingkatan banyaknya kadar karbon, baja digolongkan
menjadi tiga tingkatan :
a. Baja karbon rendah
Yaitu baja yang mengandung karbon kurang dari 0,30%. Baja karbon
rendah dalam perdagangan dibuat dalam bentuk pelat, profil, batangan
untuk keperluan tempa, pekerjaan mesin, dan lain-lain.
b. Baja karbon sedang
Baja ini mengandung karbon antara 0,30% – 0,60 %. Didalam
perdagangan biasanya dipakai sebagai alat-alat perkakas, baut, poros
engkol, roda gigi, ragum, pegas dan lain-lain.
c. Baja karbon tinggi
Baja karbon tinggi ialah baja yang mengandung kerbon antara 0,6% –
1,5%. Baja ini biasanya digunakan untuk keperluan alat-alat konstruksi
yang berhubungan dengan panas yang tinggi atau dalam
10
penggunaannya akan menerima atau mengalami panas, misalnya
landasan, palu, gergaji, pahat, kikir, bor, bantalan peluru, dan
sebagainya (Amanto,1999). Beberapa jenis baja karbon tinggi:
a) Baja konstruksi umum
Baja konstruksi umumnya terdiri atas baja karbon dan baja kualitas tinggi
tanpa paduan yang dipertimbangkan atas tegangan tarik yang tinggi. Baja jenis
ini banyak digunakan dalam kontruksi bangunan, gedung, jalan, poros mesin
dan roda gigi.
b) Baja otomat
Baja otomat terdiri dari baja paduan tinggi, baja ini mengandung 0,07-
0,65% Karbon, 0,18-0,% Belerang, 0,6-1,5% Mangaan, 0,05-0,4% Silisium.
c) Baja case hardening
Baja jenis ini diperoleh dengan cara menaruh baja karbon rendah dalam
bahan yang kaya akan kandungan karbon dan dipanaskan bersama dalam oven
sampai suhu kritis atas, baja case hardening tetap liat pada bagian inti namun
keras pada bagian permukaan.
Berdasarkan hasil pemaduan antara besi dengan karbon, karbon
berada di dalam besi dapat berbentuk larutan atau berkombinasi
membentuk karbida besi (Fe3C). Diagaram fasa menggambarkan
diagram fasa besi karbon untuk seluruh rentang paduan besi dengan
karbon yang mencakup baja dan besi cor. Kadar karbon pada diagram
tersebut bervariasi dari nol sampai 2%. Seperti pada tabel atau diagram
fasa besi karbon.
11
Gambar 1. Diagram Fe-C/fasa (Rochim Suratman,1994:93)
Karbon adalah unsur penstabil austenit. Larutan maksimum dari
karbon pada austenit adalah sekitar 1,7% (E) pada 01140 C. sedangkan
larutan karbon pada ferrit naik dari 0% pada 0910 C menjadi 0,025%
pada 0723 C. Pada pendinginan lanjut, larutan karbon pada ferrit
menurun menjadi 0,08% pada temperatur kamar. Pada saat presentase
karbon mencapai 0,8% pada temperatur 0723 C, titik ini disaebut titik
autectoid. Baja untuk kadar karbon 0,8% disebut baja autectoid dan
sedangkan baja dengan kadar karbon lebih dari 0,8% disebut baja
hypereutectoid.
Baja autectoid didinginkan dari temperatur austenitisasinya,
maka pada saat titik-titik sepanjang garis tersebut akan bertransformasi
menjadi satu campuran autectoid yang disebut pearlit. Jika baja
12
hypoeutectoid didinginkan dari temperatur austenitisasi, pada saat garis
GS, ferrit akan terbentuk disepanjang batas butir austenit.
Jika baja hypereutectoid didinginkan dari temperatur
austenitisasinya akan terjadi pemisahan cementit pada batas butir
austenit disepanjang garis SE.
Sifat allotropik dari besi memungkinkan adanya variasi struktur
mikro pada berbagai jenis baja. Pengertian allotropik adalah adanya
transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) ke bentuk
susunan atom yang lain. Besi sangat stabil pada temperatur di bawah
910o C dan disebut sebagai besi alfa (Fe α). Pada temperatur antara
910o C dan 1392o C, besi dikenal dengan besi gamma (Fe γ) dan pada
temperatur di atas 1392o C disebut sebagai besi delta (Fe δ).
Gambar 2. Diagram transformasi besi (Rochim Suratman 1994:92)
Fenomena allotropik dari besi memberikan kemungkinan untuk
memperbaiki sifat-sifatnya sesuai dengan kebutuhan dan mencakup
dua bentuk susunan atom. Pada temperatur di bawah 910oC susunan
13
atomnya berbentuk Body Centered Cubic (BCC). Mulai suhu 910o C
akan terjadi perubahan susunan atom. Di atas suhu tersebut susunan
atomnya berubah menjadi bentuk Face Centered Cubic (FCC). Jika
proses pemanasan dilanjutkan, bentuk susunan atomnya pada
temperatur 1392 ºC berubah kembali menjadi bentuk BCC lagi dan
dikenal dengan sebutan besi delta.
Gambar .3. Struktur Face Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92)
Gambar 4. Struktur Body Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92)
Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan getaran atom
semakin besar sehingga pada temperatur 1536o C gaya kohesif yang
memelihara susunan atom tersebut tidak ada lagi dan membuat besi
menjadi cair. Pada saat membekukan besi cair ke temperatur kamar,
14
maka akan terjadi transformasi yang urutannya kebalikan dari proses
pemanasan.
Penambahan unsur paduan pada besi, khususnya karbon,
memungkinkan membuat berbagai jenis baja yang jika dikombinasikan
dengan berbagai metode perlakuan panas akan menghasilkan sifat-sifat
yang memadai untuk penggunaan tertentu.
Baja yang digunakan dalam penelitian ini termasuk ke dalam baja
karbon rendah karena pada baja tersebut hanya memiliki unsur karbon
kurang lebih 0,17 % mengandung unsur sulfur (S) sebesar 0,05% dan
mengandung unsur fosfor (P) sebesar 0,08%. Kandungan unsur sulfur dan
fosfor dalam baja mengakibatkan baja sukar dilas (Sucahyo, 1995).
2. Penambahan unsur campuran
Untuk mengatasi kekurangan sifat yang dimiliki oleh baja, maka
dilakukan penambahan unsur kedalamnya. Tujuan utama dalam penambahan
unsur adalah untuk mengurangi sifat yang tidak dinginkan pada baja karbon.
Pengaruh unsur campuran sewaktu dilakukan pemanasan dan
pendinginan adalah sebagai berikut :
1. Pengaruh yang menyeluruh
Pengaruh ini berhubungan dengan kecepatan pendinginan kritis
dan pengerasan bagian dalam baja. Kecepatan pendinginan kritis dapat
diturunkan dengan menambahkan kromium, mangan, dan wolfram ke
dalam baja.
2. Baja bercampur dengan nikel
15
Nikel membuat suhu pemanasan menjadi menurun dan
membentuk struktur austenit (baja harus dipanaskan lebih tinggi
selama proses pengerasan).
Pembentukan unsur karbid dengan menambahkan kromium dan
molibdenum akan menghasilkan pengerasan bagian dalam dan
pengaruh menyeluruh terhadap baja akan menurun.
Unsur campuran dalam baja membawa pengaruh sebagai berikut:
1) Silisium (Si)
Silisium merupakan unsur yang selalu ada dalam baja dengan jumlah
lebih dari 0,4%. Si mempengaruhi kenaikan tegangan tarik dan menurunkan
kecepatan pendinginan kritis.
2) Vanadium dan Wolfram
Unsur Vanadium dan Wolfram ini membentuk karbida yang
sangat keras, kemampuan potong dan daya tahan panas yang
cukup tinggi yang sangat diperlukan pada pahat potong.
3) Nikel (Ni)
Nikel memberi pengaruh sama seperti Mn yaitu
menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis. Ni
membuat struktur butiran menjadi halus dan menambah keuletan.
3. Carburizing
Pada pengarbonan padat dipakai arang yang dicampur dengan
10%-40% Na2CO3, Ba CO3 (Frederick Palallo, 1995: 54), baja dimasukkan
16
ke dalam campuran ini, ditempatkan dalam suatu wadah dan di tutup rapat
kemudian dipanaskan pada temperatur 0900 C- 0950 C (Surdia,T,2000).
Temperatur ini adalah temperatur austenit paduan besi karbon yang
mempunyai bentuk kisi kristal kubik pemusatan sisi atau face centered
cubik (FCC). Bentuk kisi ini mempunyai jarak atom yang lebih besar,
sehingga intersisinya memungkinkan ditempati oleh atom karbon, dengan
demikian permukaan baja akan mempunyai kadar karbon yang lebih
tinggi. Kandungan karbon akan bervariasi dalam arah menuju inti. Pada
permukaan kandungan karbon tinggi, dan akan berkurang dalam arah
menuju inti. Konsekuensinya struktur mikro akan berubah pula dari
permukaan menuju inti. Untuk dapat melakukan penyepuhan, kadar
karbon yang dibutuhkan minimal 0,3%. Carburizing bertujuan
memberikan tambahan unsur karbon. Carburizing dilakukan dengan cara
memanaskan bahan sampai pada suhu antara 900° - 950°C selama 3 – 6
jam dalam kondisi yang dapat menyerahkan karbon. (Amanto, 1994: 85),
diikuti dengan pendinginan dalam oven, hal ini dapat terjadi karena pada
suhu tersebut berada pada fasa austenit, karbon dapat meresap ke dalam
lapisan luar benda secara berdifusi. Carburizing juga disebut dengan
penumpukan karbon atau penyemenan. Adapun proses pengarbonan ada
tiga macam cara yaitu pengarbonan proses bubukan (pack carburizing),
pengarbonan proses cairan (liquid carburizing) dan pengarbonan proses
gas (gas carburizing).
17
Pengarbonan bubukan adalah proses pengarbonan pada permukaan
benda kerja dengan menggunakan karbon yang didapatkan dari bubukan
arang, benda dibungkus dengan bubuk yang kaya dengan kandungan
karbon, proses pemanasan antara 900° - 950°C selama 3 - 6 jam, bubuk
karbon akan bereaksi dengan oksigen dan membentuk karbon dioksida
(CO2). CO2 ini kemudian bereaksi dengan karbon dari medium menurut
reaksi sebagai berikut :
Reaksi pengarbonan bubukan dijelaskan seperti reaksi dibawah ini :
CO2 + C (arang) ↔ 2 CO
Pada saat suhu semakin tinggi kesetimbangan reaksi bergeser
kesebelah kanan, kadar gas CO bertambah banyak dan mengurai
dengan permukan baja menjadi :
2CO ↔ CO 2 + C (arang)
Atom karbon yang dihasilksan kemudian menyatu pada fasa
austenit dan berdifusi. CO2 hasil dari reaksi tersebut bereaksi kembali
dengan karbon yang lain diikuti dengan penguraian CO pada permukaan
logam, proses penguraian CO2 dengan CO berlangsung sangat lambat.
Kekerasan lapisan baja dapat mencapai 1 mm. Salah satu cara agar
mempercepat reaksi tersebut dengan menambahkan bahan katalis, katalis
yang sering digunakan yaitu barium karbonat (BaCO3), kalium ferosianida
(K4Fe(CN)6).
Komposisi yang umum campuran bubuk arang dengan bahan
tambah adalah :
18
a. Komposisi I
60 % arang kayu ditambah 40% BaCO3 (Barium Karbonat)
b. Komposisi II
45% arang kayu, 50% BaCO3 (Barium Karbonat) dan 5% K4Fe(CN)6
(Kalium ferosianida)
Pada suhu yang tinggi katalis akan bereaksi dan membentuk gas CO
seperti dibawah ini :
BaCO 3 ↔ BaO+ CO2
CO2 + C ↔ 2CO
Gas CO akan larut pada fasa austenit dan bereaksi dengan Fe sebagai
berikut:
3Fe + 2CO ↔ Fe3C + CO2
Gas CO2 yang terbentuk dari reaksi diatas kemudian bereaksi
dengan BaO dan membentu BaCO3, dengan demikian BaCO3 senantiasa
ada selama proses sehingga reaksi-reaksi dapat berjalan terus. Semakin
banyak kandungan karbon dipermukaan, atom karbon mulai berpindah
menuju inti melalui mekanisme difusi. Penetrasi karbon kedalam baja
dipengaruhi suhu, waktu penahanan (holding time), dan bahan
pengarbonan.
19
Gambar .5. grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan carbon
(PEDC Bandung, Ilmu Bahan Logam. 1983: 120)
Dari garafik di atas dapat dipahami untuk membuat lapisan
karbonisasi setelah 2,5 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar
15-20 jam, sedangkan jika dengan suhu 9000C dibutuhkan waktu sekitar
45 jam. Menurut Beumer (1980: 37-38), lapisan karbonisasi yang sering
dibuat oleh dunia industri adalah sekitar 1,0 mm. Jika kita lihat kembali
garis dalam grafik diatas maka untuk mendapatkan ketebalan lapisan
karbon 1,0 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar 3 – 6 jam.
Oleh karena itu dalam penelitian ini peneliti menggunakan suhu 9500C dan
waktu 4 jam penahanan untuk proses karbonasi, dengan asumsi pada suhu
9500C tersebut proses penyusupan lebih cepat sehingga kandungan karbon
dalam besi bias lebih meningkat sesuai dengan harapan. Waktu 4 jam
penahanan proses karbonasi tersebut dapat memberikan waktu yang cukup
untuk penyerapan unsur karbon kedalam baja.
20
4. Double hardening
Double hardening termasuk perlakuan suatu proses pengerasan
dengan jalan memanaskan benda yang diikuti dengan pendinginan cepat
dari bahan yang telah mengalami proses carburizing. Pada material
karburizing terjadi perbedaan kandungan karbon. Sebagai contoh pada
bagian kulit mengandung 0,8%C dan pada bagian intinya tetap 0,2%C.
perbedaan kandungan karbon dengan bagian inti dari proses carburizing
tersebut sehingga tidak menghasilkan kekerasan yang baik, untuk itu harus
dilakukan pengerasan ulang yang disebut (double hardening) (Endri
Maulana, 2006:14). Dengan adanya proses ini bahan mempunyai sifat
getas sehingga ketangguhan bahan menjadi rendah.
Proses double hardening sendiri dibagi menjadi tiga tahap
pemanasan. Pemanasan pertama dilakukan sampai suhu 9000 C, hal ini
dilakukan untuk memecah cementit pada permukaan benda, kemudian
didinginkan dengan cepat menggunakan air. Pemanasan kedua dilakukan
pada suhu 7600 C, bertujuan untuk mengurangi tegangan yang tidak
diinginkan kemudian didinginkan dengan cepat. Dari pemanasan kedua ini
akan menghasilkan butiran kristal yang lebih halus. Proses ini harus
diakhiri proses pemudaan (tempering) pada suhu 1800 C.
5. Tempering
Pada dasarnya baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak
cocok untuk digunakan. Melalui temper, kekerasan, dan kerapuhan dapat
diturunkan sampai memenuhi persyaratan. Kekerasan turun, kekuatan tarik
21
akan turun, sedang keuletan dan ketangguhan akan meningkat (Djafrie,
1985). Pada saat tempering dapat terjadi proses difusi yaitu karbon dapat
melepaskan diri dari martensit berarti keuletan (ductility) dari baja naik,
akan tetapi kekuatan tarik, dan kekerasan menurun (Djafrie, 1986)
Perlakuan untuk menghilangkan tegangan dalam dan menguatkan
baja dari kerapuhan disebut dengan memudakan (tempering). Tempering
didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan pada
temperatur tempering (di bawah suhu kritis), yang dilanjutkan dengan
proses pendinginan (Koswara, 1999: 134).
Baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cocok untuk
digunakan, melalui proses tempering kekerasan dan kerapuhan dapat
diturunkan sampai memenuhi persyaratan penggunaan. Kekerasan turun,
kekuatan tarik akan turun pula, sedang keuletan dan ketangguhan baja
akan meningkat.
Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan
Keterangan: 1. Struktur awal 2. Austenit 3. Martensit 4. Struktur temper H. Suhu pengerasan A. Suhu penemperan, dan R. Suhu ruangan
22
Pada suhu C2000 sampai C3000 laju difusi lambat dan hanya
sebagian kecil karbon dibebaskan, hasilnya sebagian struktur tetap keras
tetapi mulai kehilangan kerapuhannya. Diantara suhu C5000 dan C6000
difusi berlangsung lebih cepat, dan atom karbon yang berdifusi diantara
atom besi dapat membentuk sementit. Perubahan sifat mekanis akibat
temper martensit baja karbon 0, 45% dapat dilihat pada Gb. di bawah ini.
Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper.
Prosesnya adalah memanaskan kembali berkisar antara suhu C1500 -
C6500 dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja
tersebut, menurut tujuannya proses tempering dibedakan sebagai berikut.
a. Tempering pada suhu rendah ( C1500 - C3000 )
Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan dan
kerapuhan dari baja, biasanya untuk alat-alat kerja yang tidak
mengalami beban berat seperti alat-alat potong, mata bor dll.
23
b. Tempering pada suhu menengah ( C3000 - C5500 )
Tempering pada suhu sedang bertujuan untuk menambah keuletan, dan
kekerasannya sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat
kerja yang mengalami beban berat misalnya palu, pahat, pegas.
c. Tempering pada suhu tinngi ( C5500 - C6500 )
Tempering pada suhu tinggi bertujuan untuk memberikan daya keuletan
yang besar dan sekaligus kekerasannya menjadi agak rendah, misalnya
pada roda gigi, poros, batang penggerak dan sebagainya.
6. Media Pendingin
Air mempunyai efek pendinginan yang lebih efektif bila
dibandingkan dengan zat yang lain sehingga dalam proses pengerasan
logam banyak dipakai sebagai media pendingin, pada baja karbon
rendah sangat cocok menggunakan pendingin air. Air merupakan
senyawa yang dapat berwujud padat, cair dan gas. Pada rumus kimia air
adalah H2O, yang berarti pada setiap molekul air ada dua atom hidrogen
yang terikat dengan atom oksigen. Air membeku pada suhu 2730K =
00C, dan menguap dibawah tekanan normal padasuhu 3730K = 1000C.
Air memiliki berat terbesar 2770K = 40C.
Tabel 1. Daya spesifikasi air
Spesifikasi air Daya
Kapasitas panas per massa C 4,186 kj/kg0K
Penguapan panas per massa I 2256 kj/kg
Koefisien penghantar panas 0,582 j/ms0K
24
7. Ketangguhan
Ketangguhan adalah ketahanan bahan terhadap beban tumbukan atau
kejutan. Ketangguhan juga dapat diartikan jumlah energi yang diserap
bahan sampai terjadi perpatahan (Djaprie.1992). Pengujian impact adalah
pengujian yang berdasarkan pada prinsip hukum kekekalan energi, yang
menyatakan bahwa jumlah energi mekanik selalu konstan. Maksud utama
dari pengujian impact adalah untuk mengukur kegetasan atau keuletan
bahan terhadap beban kejut dengan cara mengukur energi potensial sebuah
palu godam yang dijatuhkan pada ketinggian tertentu. Pengujian impact
merupakan pengujian dengan menggunakan beban sentakan (tiba-tiba).
Metode yang sering digunakan adalah metode Charpy dengan
menggunakan alat uji Impact Charpy.
Gambar 8. Alat uji Impact Charpy
Pada metode Charpy, batang uji diletakkan mendatar dan ujung-
ujungnya ditahan ke arah mendatar oleh penahan yang berjarak 40 mm.
Bandul akan berayun memukul benda uji tepat di belakang takikan. Untuk
25
pengujian ini digunakan sebuah mesin dimana suatu batang dapat berayun
secara bebas. Pada ujung batang dipasang pemukul yang diberi pemberat.
Batang uji diletakkan dibagian bawah mesin dan takikan tepat berada pada
bidang lintasan bandul.
Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (AS TM E 23 -56)
Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy
Pada pengujian ini bandul pemukul dinaikkan sampai pada
ketinggian H. pada posisi ini pemukul memiliki energi potensial sebesar
26
WH (W adalah berat pemukul). Dari posisi ini pemukul dilepaskan dan
berayun bebas memukul, batang uji hingga patah dan pemukul masih terus
berayun sampai ketinggian H1. Selisih antara energi awal (WH) dengan
energi akhir (WH1) adalah energi yang digunakan untuk mematahkan
batang uji.
Ketahanan batang uji terhadap pukulan (impact strength ) dinyatakan
dengan banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan batang uji
(satuan Kgm/ft lb atau Joule). Impact strength merupakan ketangguhan,
yaitu ketangguhan benda uji terhadap beban kejut pada batang uji yang
bertakik (notch toughness). Logam yang getas akan memperlihatkan
impact strength yang rendah. Bahan yang ulet menunjukkan nilai impact
yang besar. Suatu bahan yang diperkirakan ulet ternyata dapat mengalami
patah getas. Patah getas ini dapat diakibatkan oleh beberapa hal antara lain
adanya takikan (notch), kecepatan pembebanan yang tinggi yang
menyebabkan laju peregangan yang tinggi pula dan temperatur yang
sangat rendah.
Patah ulet selain ditandai oleh nilai impact yang tinggi tetapi juga
ditandai oleh permukaan patah yang berserabut yaitu karena adanya
deformasi plastis pada daerah patah. Permukaan patah getas ditandai
dengan permukaan patah yang tampak mengkilat karena patahannya
kristalin.
dengan demikian sebuah bahan yang akan beroperasi pada
temperatur sangat rendah, misalnya pada suatu instalasi cryogenic perlu
27
diuji impact. Khususnya untuk mengetahui temperatur transisi antara ulet
dan getas, sifat peretakan pada baja dapat terjadi dalam tiga bentuk
(Sukadi, 2004:20) yaitu :
1. Keretakan getas atau keretakan bersuara, adalah rata dan mempunyai
permukaan yang mengkilap. Kalau potongan-potonganya kita
sambungkan lagi ternyata keretakan atau patahan itu tidak dibarengi
dengan deformasinya bahan. Tipe ini mempunyai pukulan takik yang
rendah
2. Patahan liat atau patahan perubahan bentuk, patahan ini mempunyai
permukaan yang tidak rata dan nampak seperti beludru, buram dan
berserat. tipe ini mempunyai nilai pukulan yang tinggi.
3. Patahan campuran, ialah patahan yang sebagian getas dan sebagian
liat. Patahan ini terjadi paling banyak.
Gambar 11. Daerah ulet, getas, dan transisi
28
Tenaga untuk mematahkan benda uji atau besarnya tenaga yang
diserap oleh benda uji sebelum terjadi patah dapat dihitung dengan rumus
sebagai berikut:
E = GR ( cos β – cos α )
Dengan :
E = Besarnya energi yang diserap (Joule )
G = Berat palu godam ( N)
R = Jarak titik putar ketitik berat palu godam (m)
α = Sudut jatuh (°)
β = Sudut ayun (°)
Keliatan bahan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
HKB = AE
Dengan : HKB = Keliatan bahan (joule / mm2)
E = Tenaga untuk mematahkan benda uji (Joule)
A = Luas penampang patahan benda uji (mm2
B. Kerangka Berpikir
Baja karbon yamg banyak digunakan pada industri-industri otomotif,
kebutuhan rumah tangga yaitu mempunyai sifat sesuai kebutuhan, maka baja
karbon tersebut dikenai perlakuan panas (heat treatment).
Pengarbonan bertujuan memberikan kandungan karbon yang lebih
banyak pada bagian permukaan dibanding dengan dinding bagian dalam pada
suhu 900o C s.d 950oC (Surdia, T, 2000). Pada dasarnya proses perlakuan
29
panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan
padat untuk mengubah sifat-sifat logam tersebut (Avner, 1974). Salah satu
perlakuan panas adalah carburizing.
Dari hasil carburizing, perbedaan karbon yang ada dalam bahan dari
bagian kulit dengan bagian inti sangat berbeda. Misalnya kulit 0, 8% C dan
ada bagian intinya tetap pada 0, 2%C sehingga pada bagian dalam adalah baja
hipoentektoid dan bagian kulit baja adalah baja hyperentektoid. Oleh karena
itu untuk menyamakan kandungan karbon antara bagian permukaan dengan
inti diperlukan perlakuan panas lanjut dengan melakukan proses double
hardening (pengerasan ganda). Double hardening (pengerasan ganda) adalah
proses pengerasan dari bahan yang telah mengalami proses carburizing untuk
memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti benda kerja
(Frederick Palallo, 1995: 53). Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 880o C
s.d 900oC yaitu untuk memperbaiki bagian dalam benda kerja yang mengalami
pemanasan yang berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan
cementit pada bagian luar sehingga akan terjadi pengerasan unsur karbon pada
bagian luar ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat. Pemanasan
kedua dilakukan pada suhu 750 s.d 780 untuk mengurangi tegangan-tegangan
akibat pemanasan yang berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi
dari hasil carburizing kemudian didinginkan dengan cepat dari hasil
pengerasan ganda, akan menghasilkan butiran-butiran kristal yang halus. Dari
proses ini harus diakhiri dengan proses pemudaan (tempering) pada suhu
30
150oC s.d 180oC. Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan
dan kerapuhan pada baja.
31
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Bahan Penelitian.
1. Bahan penelitian
Bahan penelitian dibuat dari baja karbon rendah (low carbon steel)
dengan kandungan C 0,149 %. Pengerjaan material mengunakan mesin
bubut sebanyak 15 buah dengan ukuran 10x50 mm. Hal ini sesuai dengan
teori bahwa baja dengan kandungan karbon > 0,3% tidak dapat disepuh
keras, agar dapat disepuh keras maka diberi tambahan karbon dengan cara
karbonasi.
Variabel Penelitian
Variabel penelitian adalah gejala yang bervariasi dan menjadi
objek peneliti (Suharsimi, 1991: 89). Variabel yang diambil dalam
penelitian ini adalah :
1. Variabel bebas
Variabel bebas dari penelitian ini adalah carburizing dan double hardening.
2. Variabel terikat
Variabel terikat dalam penelitian ini adalah nilai ketangguhan dan struktur
mikro.
3. Varabel kontrol
Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah raw materiall (ST. 40), suhu
pemanasan proses carburizing, proses hardening, tempering, holding time
dan media pendinginan.
32
Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan adalah metode deskriptif yaitu
metode penelitian dengan memberikan perlakuan pada spesimen yang
dilihat dengan gejala dideskriptifkan.
1. Peralatan Penelitian
Alat- alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai
berikut :
a) Alat uji ketangguhan: mesin uji impact merk “ Frank”
b) Alat uji komposisi
c) Furnace (dapur pemanas): dapur listrik, kotak carburizing, tang
penjepit, bak berisi air, sarung tangan, masker.
d) Mesin bubut (engine lathe C06230)
e) Mesin foto mikro: mikroskop optik merk Olympus
2. Uji Komposisi
Uji komposisi dilakukan guna mengetahui komposisi kimia C, Fe,
Mn, Al dan unsur lainnya yang terkandung dalam bahan uji.
Langkah dalam pengujian komposisi adalah sebagai berikut :
a) Spesimen dipotong dengan panjang 20 cm dibubut rata sampai halus
dan rata.
b) Spesimen dibakar dengan menggunakan sinar laser hingga bahan
mengalami pencairan/rekristalisasi. Alat uji komposisi akan menangkap
warna sensor cahaya dari proses rekristalisasi dan komputer mencatat
hasil yang diperoleh.
33
3. Pembuatan Spesimen
Pembuatan spesimen dilakukan dengan menggunakan mesin bubut
dan mesin skrap konvensional yang sebelumnya telah dilakukan pengujian
komposisinya. Pengerjaan material dengan jumlah dan ukuran yang telah
ditentukan.
Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact.
4. Carburizing
Proses pengarbonan dilakukan dengan menggunakan media bubukan
arang kayu. Proses pengarbonan ini memerlukan kotak sebagai wadah
benda uji yang terbuat dari pelat baja. Pemanasan dilakukan dengan
temperatur 900°C - 9500C dalam lingkungan yang menyerap karbon, lalu
ditahan beberapa lama pada suhu tersebut kemudian didinginkan. Gas
karbon menyusup kelapisan atas dan disana memperkaya kandungan karbon
sesuai kebutuhan yaitu 0,6 – 0,9% (Schonmetz, 1985 : 66).
Pengarbonan ini dilakukan dengan cara benda uji dimasukkan dalam
kotak yang telah ditaburi dengan bubuk arang yang telah dicampur dengan
40% BaCO3, benda uji diatur dengan jarak antara benda 2 cm kemudian
34
ditaburi kembali dengan bubuk arang batok kelapa secara merata. Tutup
kotak dipasang dengan rapat dan dimasukkan dalam dapur pemanas
(furnace) yang telah diatur dengan temperatur 9500C dan ditahan selama 4
jam. Material yang telah dipanaskan pada dapur, kemudian didinginkan
pada dapur pemanas hingga mencapai temperatur kamar. Kemudian
dilakukan uji komposisi untuk mengetahui penambahan kadar karbon.
5. Double Hardening
Proses pengerasan ganda ini dilakukan dengan 3 tahap pemanasan :
35
a) Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 9000C yaitu untuk
memperbaiki inti benda kerja yang mengalami pemanasan yang
berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan cementit
pada bagian luar sehinga akan terjadi penetrasi karbon pada bagian kulit
ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat dengan media
pendingin air.
b) Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 7600C untuk mengurangi
tegangan-tegangan yang tidak diinginkan akibat pemanasan yang
berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi dari hasil
carburizing kemudian didinginkan dengan cepat dengan media
pendingin air, tujuan dari pemanasan kedua menghasilkan butiran-
butiran kristal yang halus.
c) Proses terakhir adalah proses tempering pada suhu 1800C, yang
bertujuan untuk menghilangkan tegangan dalam yang terjadi selama
proses pengerasan dengan temperatur yang tinggi dan membuat baja
tidak rapuh.
6. Foto struktur mikro
Langkah yang dilakukan sebelumnya adalah pemolesan pada raw
material, hasil proses carburizing, double hardening yang dimulai dengan
menggunakan ampelas, autosol, agar permukaan menjadi mengkilap.
Kemudian melaksanakan foto struktur mikro terhadap bahan uji dengan
36
mesin foto struktur mikro. Proses ini dilakukan di laboratorium teknik
UGM.
7. Pengujian Ketangguhan
Pengujian ketangguhan dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan
bahan dalam menerima beban kejut. Pengujian ketangguhan dilakukan
dengan metode impak Charpy. Pelaksanaan pengujian Impact Charphy
adalah sebagai berikut:
d. Mengukur luasan benda uji sebelum di bentur dengan alat impact.
Pengukuran terutama pada lebar dan kedalaman takikan.
e. Menaikkan pengangkat pembentur sesuai dengan sudut yang telah
ditentukan dengan memutar handle beban pembentur, mengunci
pembentur dengan benar.
f. Melepaskan kunci dari pembentur setelah beban berada pada puncak
yang telah ditentukan, beban berayun tanpa tahanan dari benda uji.
g. Setelah kembali dari puncak ayunan, dapat dihentikan perlahan-lahan
dengan direm.
h. Mencatat jarum penunjuk (merah) pada skala yang benar berapa derajat
sudut ayunan pembentur tanpa benda uji (sudut α).
i. Menaikkan pembentur sedikit keatas.
j. Memasang benda uji pada anvil, tepatkan dengan penyenteran dan
lepaskan penyenter tersebut jika posisi benda uji sudah benar.
k. Pembentur dinaikkan perlahan-lahan dengan memutar handle tepat pada
sudut yang ditentukan. Kuncikan pengunci pembentur dengan baik.
37
l. Melepas kunci pembentur.
m. Biarkan pembentur bergerak jangan sampai kita menarik handle
pengereman. Karena hal ini akan sangat berpengaruh pada ketelitian
pengujian.
n. Setelah pembentur berayun mematahkan benda uji. Pembentur dapat di
hentikan dengan mengerem secara perlahan-lahan.
o. Mencatat jarum penunjuk pada skala yang benar sebagai sudut β.
p. Memfoto penampang patahan benda uji.
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari 2007 adapun
pelaksanaannya sebagai berikut :
1. Proses pembuatan spesimen dilaksanakan di Laboraturium SMK
Muhammadiyah Salatiga.
2. Pengujian komposisi dilakukan di PT. Itokoh Ceperindo Klaten.
3. Perlakuan panas dilakukan di BLKI Semarang.
4. Pengujian ketangguhan di Laboraturium Bahan Teknik Mesin UGM.
5. Foto struktur mikro dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik Mesin
UGM.
38
Diagram Alir Penelitian
Gambar 15. Diagram Alur Penelitian
39
Teknik Pengumpulan Data
Pengumpulan data dalam penelitian ini dilakukan dengan memasukkan
data yang diperoleh dari penelitian dalam lembar pengamatan. Data yang
diperoleh berupa hasil pengujian komposisi, foto mikro, pengujian impact.
Lembar pengamatan data sebagai berikut :
Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact.
No Proses pengerjaan Pengujian
I
Pengujian
II
Pengujian
III
Nilai
rata-
rata
1 G. RAW
MATRIAL
2 H. CARBURIZING
3 I. D.HARDENING
I
4 J. D.HARDENING
II
5 K. TEMPERING
Analisis data
Teknik analisis data yang dipakai dalam penelitian ini adalah
menggunakan analisis deskriptif yaitu menggambarkan data hasil
penelitian dalam bentuk table dan grafis.
40
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
7. Hasil Penelitian
Penelitian tentang pengaruh double hardening dengan media
pendingin air terhadap ketangguhan bahan ST.40 yang telah mengalami proses
carburizing menghasilkan data yang berupa angka dalam tabel, grafis
histogram dan foto yang meliputi: uji komposisi, pengamatan struktur mikro,
pengujian impact, dan bentuk patahan.
Uji Komposisi
Berdasarkan uji komposisi pada penelitian ini dilakukan dengan
metode sampel. Sampel 1 untuk uji komposisi adalah dari kelompok raw
material, maka dapat digeneralisasikan komposisi kimia seperti yang
tercantum pada tabel 3 dapat diklasifikasikan ke dalam jenis baja karbon
rendah (mild steel).
Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material)
Komposisi kimia
Unsur Prosentase (%) Unsur Prosesntase (%) Fe 98,87 V < 0,00
S 0,021 Mn 0,560
Al 0,000 Mo < 0,004
C 0,135 W 0,04
Ni 0,094 P 0,009
Nb 0,00 Cu 0,105
Si 0,114 Ti 0,00
Cr 0,048 - -
41
Sampel ke 2 adalah dari kelompok material carburizing. Pada
material double hardening tidak dilakukan uji komposisi, karena dianggap
tidak ada proses penambahan unsur karbon.
Uji komposisi pada material carburizing digunakan untuk melihat ada
tidaknya penambahan unsur karbon. Uji komposisi pada sampel material
carburizing dapat kita lihat lebih jelas pada tabel 4:
Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing.
Komposisi kimia
Unsur Prosentase (%) Unsur Prosesntase (%) Fe 75 V 0,002 S 0,009 Mn 0,009 Al 0,054 Mo 0,009
C > 4,584 W 0,013 Ni 0,047 P 0,034 Nb 0,024 Cu 0,208 Si 0,115 Ti 0,009
Cr 0,006 Mg > 0,038
Klasifikasi uji komposisi ini ditentukan oleh kadar karbon dalam
suatu material. Semua sifat-sifat yang dimiliki oleh baja dipengaruhi
komposisi kimia. Uji komposisi kimia ini bertujuan untuk mengetahui
penambahan unsur karbon setelah proses carburizing.
Hasil Pengujian Impact
Pengujian impact dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari
material baja karbon rendah sebagai material uji dalam penelitian ini. Hasil
pengujian impact pada umumnya adalah parameter ketangguhan (nilai
pukulan takik).
42
Data pengujian ini diperoleh dalam lima kelompok pengujian yaitu
spesimen raw material, hasil proses carburizing, double hardening
(hardening I dan hardening II), dan diakhiri dengan proses tempering.
Hasil pengujian impact ditunjukkan dalam tabel dan grafik, maka akan
diperoleh hasil - hasil berikut ini:
Tabel 5. Hasil Pengujian Impact Raw Material
No. Kode Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
Tenaga patah
(Joule)
HKB (J/mm2)
1 BD1 10,3 9,99 8,2 84,46 143 1,693 2 BD2 10,1 10,0 8,1 81,81 138 1,687 3 BD3 10,0 10,10 8,0 80,0 135 1,687
Grafik Kekuatan ImpactRaw Material
Material
1,700
1 2 31,680
1,685
1,690
1,695
HK
B (J
/mm
2 )
1,693
1,687 1,687
Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material
Tabel 6. Hasil Pengujian Impact Carburizing
No. Kode Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
Tenaga patah
(Joule)
HKB (J/mm2)
1 C1 10,2 10,1 7,5 76,5 33 0,4314 2 C2 10,0 9,99 8,1 81 35 0,4321 3 C3 10,2 10,0 8,0 81,6 35,5 0,4350
43
Grafik Kekuatan Impact
Carburizing
0,4300
0,4310
0,4320
0,4330
0,4340
0,4350
0,4360
HK
B (J
/mm
2 )
Material
0,43140,4321
0,4350
1 2 3
Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing
Tabel 7. Hasil Pengujian Impact Double Hardening I
No. Kode Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
Tenaga patah
(Joule)
HKB (J/mm2)
1 DH I 1 10,1 10,05 8,3 83,83 3,5 0,0417 2 DH I 2 10,0 10,0 8,0 8,0 3,4 0,0425 3 DH I 3 9,5 10,01 7,7 73,15 3,1 0,0424
Grafik Kekuatan Impact Double Hardening I
0,0405
0,0410
0,0415
0,0420
0,0425
0,0430
0,0435
0,0417
0,0425 0,0424
1 2 3Material
HK
B (J
/mm
2 )
Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I
44
Tabel 8. Hasil Pengujian Impact Double Hardening II
No. Kode Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
Tenaga patah
(Joule)
HKB (J/mm2)
1 DH II 1 10,0 10,0 8,4 84,0 8 0,0952 2 DH II 2 9,6 10,05 8,3 79,68 7,5 0,0941 3 DH II 3 10,3 10,1 8,2 84,64 8,0 0,0947
Grafik Kekuatan ImpactDouble Hardening II
HK
B (J
/mm
2 )
0,0935
0,0940
0,0945
0,0950
0,0955
0,0960
0,0965
0,0941
0,0952
0,0947
1 2 3Material
Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II
Tabel 9. Hasil Pengujian Impact Tempering
No. Kode Lebar (mm)
Tinggi (mm)
Tinggi h1
A (mm2)
Tenaga patah
(Joule)
HKB (J/mm2)
1 T1 10 10,03 8,2 84 18 0,2143 2 T2 10,1 10,0 8,0 80,8 17,5 0,2166 3 T3 10,0 10,03 8,3 83 17,8 0,2144
Grafik Kekuatan ImpactTempering
HK
B (J
/mm
2 )
0,2130
0,2135
0,2140
0,2145
0,2150
0,2155
0,2160
0,2165
0,2170
Material1 2 3
0,2143
0,2166
0,2144
Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering
45
Tabel 10. Nilai Rata-Rata Kekuatan Impact
No Proses pengerjaan Pengujian
I
Pengujian
II
Pengujian
III
Nilai
rata-rata
1 RAW MATRIAL 1,693 1,687 1,687 1,689
2 CARBURIZING 0,4314 0,4321 0,4350 0,4328
3 D.HARDENING I 0,0417 0,0425 0,0424 0,0422
4 D.HARDENING II 0,0952 0,0941 0,0947 0,0946
5 TEMPERING 0,2143 0,2166 0,2144 0,2151
Diagram Hasil Pengujian Impact Rata-Rata
HK
B (J
/mm
2 )
2,000
1,500
1,000
0,500
0,000
1,689
0,4328
0,0422 0,09460,2151
BD C DH I DH II T
Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata.
Dari pengujian impact didapatkan nilai rata-rata kekuatan impact
pada setiap spesimen, adalah sebagai berikut:
Dari kelompok spesimen raw material rata-rata mempunyai nilai impact
1,689 J/mm2. Nilai dari raw material ini digunakan sebagai
pembanding.
46
Dari kelompok spesimen carburizing, diperoleh data nilai impact rata-rata
sebesar 0,4328 J/mm2. Dari perlakuan panas ini kekuatan impact bahan
mengalami penurunan yang signifikan yaitu sebesar 1,2562 J/mm2 atau
menurun sebesar 74,37%. Penurunan ini terjadi karena adanya
penambahan unsur karbon.
Nilai impact pada proses double hardening I adalah 0,0422 J/mm2 dan
mengalami penurunan 1,6468 J/mm2 atau menurun sebesar 97,50%
terhadap raw material. Juga mengalami penurunan sebesar 0,3906
J/mm2 atau menurun sebesar 90,24% terhadap proses carburizing,
dikarenakan material mengalami pengerasan pada inti baja.
Nilai impact pada proses double hardening II adalah 0,0946 j/mm2 dan
mengalami penurunan 1,5944 J/mm2 atau menurun sebesar 94,39%
terhadap raw material, sedangkan terhadap double hardening I
meningkat sebesar 0,0524 J/mm2 atau meningkat sebesar 124,17%. Hal
ini dikarenakan material mengalami pengerasan ulang pada permukaan
menyebabkan butiran struktur kristal logam lebih halus pada bagian
permukaan, sedangkan pada bagian inti kekerasannya berkurang
sehingga ketangguhan menjadi lebih baik.
Nilai impact pada proses tempering adalah 0,2151 J/mm2 dan mengalami
penurunan 1,4739 J/mm2 atau menurun sebesar 87,26 % terhadap raw
material. Jadi dari data hasil pengujian impact di atas diketahui bahwa
setelah proses double hardening hasil pengujian impact lebih rendah
terhadap proses carburizing begitu juga terhadap baja raw material
47
dikarenakan adanya pengerasan ulang terhadap material yang
menyebabkan butir struktur kristal logam lebih halus.
Foto Struktur Mikro
Foto mikro menggunakan dua buah lensa yaitu lensa obyektif dan lensa
okuler. Lensa okuler berfungsi untuk memperoleh fokus gambar yang akan di
ambil. Lensa obyektif berfungsi untuk memperbesar gambar dari lensa
okuler. Foto mikro logam disebut juga metalurgi mikroskop.
Gambar 22. Alat Metalurgi Mikroskop
Cara menggunakan metalurgi mikroskop:
1. Hidupkan Metalurgi Mikroskop dengan menekan tombol “ON”
2. Nyalakan lampu dengan menaikkan “Light Intencity Level” untuk
memilih cahaya yang diinginkan (untuk pemotretan sebaiknya pada
angka 10 –11)
3. Letakkan spesimen pada “Stage” lalu jepit dengan “Spesimen Holder”
4. Pilih pembesaran lensa “Objective” dengan memutarkan
“Revolvingnes Piece”
48
5. Lihat pada “Eye Piece” yaitu pada lensa okuler atau hidupkan layar
monitor
6. Putar “Coorse Focus” dan “ Fine Focus” untuk memperoleh gambar
yang fokus
7. Pilih lokasi pada spesimen yang diinginkan dengan memutar “Y- Axis
Knop” atau “X-Axis Knop”
8. Untuk melakukan pemotretan pertama masukan film pada kamera
kemudian tekan “Expose” untuk melakukan pemotretan.
Hasil foto mikro adalah sebagai berikut:
Raw Material
Struktur mikro material terlihat jelas dengan menggunakan
mikroskop program untuk diambil gambar strukturnya. Raw material
yang digunakan pada penelitian ini mengandung unsur karbon sebesar
0,135%. Untuk foto mikro baja raw material seperti terlihat pada
gambar mempunyai struktur ferrit dan perlit. Baja mempunyai sifat liat
dan lunak.
Gambar 23. Struktur mikro baja raw material
Perlitferrit
49
Material hasil proses Carburizing
Baja karbon rendah yang diberi perlakuan carburizing pada suhu
9500 C dan dipertahankan selama 4 jam dan kemudian didinginkan
dengan suhu ruangan. Pada proses carburizing ini kadar karbon
meningkat secara signifikan pada bagian permukaan dan struktur
mikro yang dihasilkan pada proses carburizing ini adalah sementit dan
perlit.
Gambar 24. Stuktur mikro material carburizing bagian tepi.
Gambar 25. Stuktur mikro material carburizing bagian tengah.
Struktur sementit ini terbentuk karena adanya penambahan unsur
karbon dan terikat oleh struktur Fe. Proses carburizing hanya
Perlit
Sementit
Perlit
ferri
50
menambah unsur karbon pada bagian permukaan, sehingga pada
bagian inti material strukturnya tetap yaitu ferrit dan perlit lebih
merata, maka ketangguhan akan menurun. Jadi hal ini mengurangi
ketangguhan pada baja raw material.
Material hasil proses double hardening I
Proses double hardening I merupakan pengerasan inti. Dari
proses ini struktur mikro yang terbentuk pada material baja hasil
double hardening I adalah struktur perlit dan sementit.
Gambar 26. Stuktur mikro material double hardening I bagian tepi.
Gambar 27. Stuktur mikro material double hardening I bagian tengah.
Proses pengerasan inti pada double hardening I terlihat struktur
ferrit dan perlit pada bagian tengah. Pada bagian tepi proses double
Perlit
Sementit
Perlit
ferrit
51
hardening I struktur sementitnya lebih besar dan struktur perlit mulai
terurai, sedangkan bagian inti perlit lebih tebal yang menyebabkan
pada bagian permukaan dan inti lebih keras. Jadi, ketangguhan proses
double hardening I lebih rendah dari carburizing.
Material hasil proses double hardening II
Pada proses double hardening II merupakan pengerasan
permukaan. Dari proses ini struktur mikro yang terbentuk pada
material baja hasil double hardening II adalah struktur martensit yang
menyebabkan pada bagian tepi material menjadi sangat keras.
Gambar 28. Stuktur mikro material double hardening II bagian tepi.
Gambar 29. Stuktur mikro material double hardening II bagian tengah.
Sementi
Martensit
Ferrit
Perlit
52
Proses pengerasan permukaan pada double hardening II terlihat
struktur ferrit dan perlit lebih tipis pada bagian tengah dibandingkan
dengan double hardening I. Hal ini menunjukkan baja mempunyai
ketangguhan yang lebih baik dari double hardening I.
Material hasil proses tempering
Proses double hardening pada penelitian ini meliputi pengerasan
inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses tempering.
Dari proses tempering kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan, dari
proses yang sedemikian rupa struktur mikro yang terbentuk pada
material baja hasil double hardening adalah struktur martensit temper,
akan tetapi struktur martensit pada penelitian ini kekerasanya agak
rendah sehingga ketangguhan manjadi lebih tinggi dari pada proses
double hardening karena telah dikenai proses tempering.
Gambar 30. Stuktur mikro material tempering bagian tepi.
Perlit
Martensi
53
Gambar 31. Stuktur mikro material tempering bagian tengah.
Dari penelitian ini dapat kita ambil untuk ketangguhan pada
proses double hardening menjadi sangat rendah. Dengan adanya
tempering pada bagian inti struktur yang terdapat pada material tetap
ferrit dan perlit, sehingga ketangguhan menjadi lebih baik dari proses
double hardening I dan II. Pada penelitian ini proses carburizing
merubah susunan struktur mikro ferrit dan perlit pada raw material
menjadi sementit, setelah proses double hardening dengan media
pendingin air yang diakhiri dengan proses tempering struktur mikro
berubah menjadi martensit, sehingga ketangguhan proses double
hardening lebih rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga
terhadap baja raw material.
Penampang Patah
Spesimen setelah dikenai pengujian pukul takik akan patah pada
penampang kritis yang telah ditentukan, parameter keliatan/keuletan yang
ditunjukkan dengan reduksi penampang (reduction of area) maupun bentuk
penampang patahannya.
FerritPerlit
54
Penampang hasil patahan inilah yang akan diamati. Penampang hasil
patahan pengujian takik secara teliti dapat dilihat perbedaannya, masing-
masing bentuk patahan mempunyai karakteristik yang berbeda-beda.
Secara umum bentuk patahan pada pengujian pukul takik ada 3 bentuk,
yaitu: patah getas/rapuh, patah liat dan patah campuran.
a. Raw Material
Penampang patah raw material tampak terjadi pengecilan
penampang yang tidak rata dengan bentuk kristal yang tidak rata,
sehingga menunjukkan raw material mempunyai bentuk patahan liat
dengan sifat ulet dan lunak. Penelitian ini dapat diketahui unsur karbon
mempengaruhi katangguhan baja.
Gambar 32. Penampang patah benda raw material
b. Carburizing
Spesimen dengan perlakuan carburizing, mempunyai pengecilan
patahan, penampang patahnya terlihat rata dan butiran kristalnya halus
pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian tengah terlihat butiran
kristalnya tidak rata, kasar dan berserat yang menandakan bahan ini
55
ketangguhannya tidak terlalu tinggi disebabkan adanya penambahan
unsur karbon pada bagian tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk
patah campuran.
Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing.
c. Double Hardening I
Spesimen dengan perlakuan double hardening I penampang
patahnya terlihat rata, butiran kristalnya rata pada bagian tengah dan
tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk patah getas.
Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I
d. Double Hardening II
Spesimen dengan perlakuan double hardening II penampang
patahnya terlihat rata, butirannya lebih halus pada tepi, pada bagian
tengah terlihat lebih kasar. Hal ini menandakan bahwa material
mempunyai unsur karbon lebih banyak pada bagian tepi, sedangkan
56
pada bagian tengah berkurang. Jadi patahan baja berbentuk patah
getas.
Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II
e. Tempering
Spesimen dengan perlakuan tempering penampang patahnya
terlihat serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah
terlihat berserat dan lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata.
Hal ini menandakan material mempunyai unsur karbon yang merata
pada bagian tepi. Setelah ditemper kandungan unsur karbon pada
bagian tengah berkurang sehingga patahan baja berbentuk patah
campuran.
Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering.
57
Dalam perlakuan double hardening pada penelitian ini meliputi
pengerasan inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses
tempering menyebabkan ketangguhan pada baja dari carburizing
menjadi berkurang setelah mengalami proses double hardening.
Karena baja mengalami pengerasan yang berulang-ulang, sehingga
kandungan serat dalam baja sangat sedikit. Dengan adanya proses
pemudaan (tempering) baja menjadi lebih liat terhadap proses double
hardening. Dari masing-masing bentuk patahan, patahan raw material
mempunyai bentuk patahan yang liat, sedangkan pada proses double
hardening mempunyai bentuk patahan campuran. Jadi dari bentuk
patahan baja pada penelitian ini dapat disimpulkan bahwa proses
carburizing mempengaruhi penurunan ketangguhan, setelah proses
double hardening dengan media pendingin air ketangguhan lebih
rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga terhadap baja raw
material.
8. Pembahasan
Pada proses carburizing adalah heat treatment yang bertujuan untuk
menambah unsur karbon pada bagian permukaan agar dapat disepuh keras,
karena pada baja karbon rendah mempunyai kandungan karbon di bawah 0,3%
tidak dapat disepuh keras. Dengan proses carburizing material mempunyai
lapisan luar yang keras dan bagian inti yang kenyal dan liat.
Pada penelitian ini katangguhan baja sangat jauh menurun setelah baja
mengalami proses carburizing. Begitu juga pada proses double hardening
58
ketangguhan baja semakin menurun dikarenakan proses double hardening
yang diakhiri proses tempering yaitu proses pengerasan ulang terhadap
material hasil carburizing, untuk memperhalus butiran struktur kristal lebih
baik pada bagian permukaan maupun inti.
Hasil penelitian ini dideskripsikan dalam bentuk diagram di atas
diketahui ada penurunan tingkat ketangguhan antara spesimen carburizing
dengan double hardening I, Double hardening II dan tempering terhadap raw
material. Pada penelitian ini raw material hanya digunakan sebagai
pembanding. Perbedaan tingkat ketangguhan yang diketahui antara spesimen
carburizing dengan spesimen double hardening I dan II, pada double
hardening juga diketahui perbedaan antara proses hardening I dan hardening
II. Setelah mengalami proses tempering dapat diketahui perbedaan
ketangguhan antara proses double hardening dengan tempering. Nilai
ketangguhan rata-rata pada spesimen proses carburizing mengalami
penurunan sebesar 74,37% (1,2562 J/mm2), pada spesimen proses double
hardening I mengalami penurunan sebesar 97,50% (1,6468 J/mm2), pada
spesimen proses double hardening II mengalami penurunan sebesar 94,39%
atau 1,5944 J/mm2. Sedangkan pada proses tempering mengalami penurunan
sebesar 87,26% atau 1,4739 J/mm2. Pada proses carburizing, double
hardening, dan tempering mengalami penurunan terhadap raw material.
Berdasarkan data-data di atas perubahan nilai ketangguhan pada tiap
kelompok spesimen dapat terjadi karena beberapa faktor yang
mempengaruhinya.
59
Proses carburizing adalah proses penambahan unsur karbon pada
permukaan material, sehingga unsur karbon bertambah. Penampang patahnya
terlihat rata dan butirannya halus pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian
tengah terlihat butiran kasar berserat. Penambahan unsur karbon pada material
memungkinkan terbentuknya struktur sementit pada bagian tepi, tetapi pada
bagian tengah tetap mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur ini
menyebabkan baja menjadi getas pada bagian luar sedangkan bagian
dalamnya ulet dan mengalami penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar
1,2562 J/mm2 terhadap raw material, sedangkan carburizing terhadap double
hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,3906 J/mm2.
Carburizing terhadap double hardening II mengalami kenaikan nilai
ketangguhan 0,3382 J/mm2, begitu juga carburizing mengalami kenaikan nilai
ketangguhan sebesar 0,2177 J/mm2 terhadap tempering. Jadi, baja mempunyai
sifat luar getas, bagian dalamnya ulet dan memiliki bentuk patahan campuran.
Pada proses double hardening I bahan mengalami pengerasan inti,
akibat proses pengerasan itu menyebabkan struktur sementit menjadi lebih
besar dan struktur perlit mulai terurai pada bagian tepi sedangkan pada bagian
tengah struktur perlit terlihat tebal dan lebar sehingga baja menjadi getas.
Nilai ketangguhan rata-ratanya cenderung menjadi paling rendah, yaitu
sebesar 1,6468 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahannya terlihat
merata dengan butiran yang agak kasar pada bagian inti dan permukaan.
Proses ini merupakan proses pengerasan inti pada baja yang mempunyai
patahan yang berbentuk patah getas.
60
Proses double hardening II merupakan proses pengerasan permukaan
menyebabkan bahan mempunyai struktur martensit pada bagian tepi
sedangkan bagian tengah struktur perlit lebih merata dan kembali seperti
semula. Proses ini mempunyai penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar
1,5944 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahanya terlihat rata, butiranya
lebih halus pada tepi, bagian tengah terlihat lebih kasar. Jadi, proses double
hardening II mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,0524 J/mm2
terhadap proses double hardening I dan bentuk patahan baja bersifat getas.
Proses tempering adalah proses pemudaan yang mempunyai penurunan
nilai ketangguhan rata-rata sebesar 1,4739 J/mm2 terhadap raw material.
Tetapi terhadap double hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan
sebesar 0,1729 J/mm2, begitu juga mengalami kenaikan nilai ketangguhan
sebesar 0,1205 J/mm2 terhadap double hardening II dikarenakan struktur
martensit bagian tepi hasil penemperan kekerasanya agak rendah sedang
bagian tengah/inti tetap ferrit dan perlit dengan penampang patahnya terlihat
serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah terlihat berserat dan
lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata. Jadi, baja mempunyai luar
getas sedangkan bagian dalamnya ulet dan mempunyai patahan yang
berbentuk patah campuran.
Berdasarkan pembahasan data-data penelitian yang telah diuraikan di
atas, raw material mempunyai nilai ketangguhan yang paling tinggi sebesar
1,689 J/mm2 setelah dikenai perlakuan panas dimana dalam hal ini adalah
proses carburizing dan pengerasan adalah proses double hardening yang
61
diakhiri dengan proses tempering. Dalam penelitian ini proses carburizing
mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,4328 J/mm2, double hardening I
sebesar 0,0422 J/mm2, double hardening II sebesar 0,0946 J/mm2, dan proses
tempering yang mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,2151 J/mm2. Dari
semua data penelitian di atas diperoleh data yang dapat membuktikan bahwa
proses carburizing berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah mengalami
proses double hardening dengan media pendingin air tingkat ketangguhan
menjadi lebih banyak berkurang dibanding proses carburizing maupun
terhadap raw material.
62
BAB V
PENUTUP
A. Simpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan evaluasi data serta pembahasan di
atas, maka dapat diambil kesimpulan antara lain:
1. Nilai ketangguhan rata-rata raw material adalah 1.689 J/mm2, nilai
ketangguhan rata-rata material carburizing adalah 0,4328 J/mm2, nilai
ketangguhan rata-rata material double hardening I adalah 0,0422
J/mm2, nilai ketangguhan rata-rata material double hardening II adalah
0,0946 J/mm2 dan nilai ketangguhan material tempering adalah 0,2151
J/mm2. Karena nilai ketangguhan rata-rata raw material 1,689 J/mm2
dan nilai ketangguhan rata-rata proses double hardening 0,2151 J/mm2
maka nilai ketangguhannya menurun sebesar 87,26 %. Jadi, dapat
diambil kesimpulan bahwa proses double hardening dengan media
pendingin air pada bahan ST.40 setelah mengalami proses carburizing
adalah menurunkan ketangguhan baja.
2. Raw material mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur sementit
pada bagian permukaan diperoleh setelah spesimen mengalami proses
carburizing sedangkan pada bagian tengah spesimen tetap ferrit dan
perlit. Pada proses double hardening mengurai struktur martensit
kembali menjadi struktur ferrit dan perlit dengan susunan kristal yang
lebih besar dan merata atau homogen. Jadi, proses double hardening
dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing
63
adalah terjadi perubahan ukuran butir kristal dan susunan struktur
mikro raw material.
3. Penampang patah bahan menunjukkan patah campuran pada spesimen
perlakuan proses carburizing, penampang patah bahan menunjukkan
patah getas pada spesimen perlakuan proses double hardning I dan II.
Patah campuran kembali ditunjukkan pada proses double hardening
setelah mendapat perlakuan proses tempering.
B. Saran
Saran yang dapat diberikan sehubungan dengan penelitian tentang
proses double hardening setelah mengalami proses carburizing terhadap
bahan ST. 40 adalah ketangguhan bahan menjadi hilang tetapi, untuk dapat
memperoleh sifat baja yang bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya
dilakukan proses double hardening untuk memperbajki kualitas baja.
40
64
41
Lampiran 1
42
43
Lampiran 2
44
Contoh Mencari Tenaga Patah dan Ketangguhan
Contoh.
Spesimen Raw Mentari 1
Diketahui : Bahan = Baja karbon ST. 40
Luas penampang patahan benda uji (A) = 84,46 mm2
Berat palu godam (G) = 150 kg
Jarak titik putar ketitik berat palu godam (R) = 0,75 m
Sudut jatuh (α) = 157 0
Sudut ayun (β) = 69,50 0.
Hitung : a. Tenaga Patah (E)?
b. Ketangguhan (HKB)?
Penyelesaian:
a) E = GR ( cos β – cos α )
= 150. 0,75 ( cos 69,50 0 – cos 157 0 )
= 112,5 (0,3502 – (- 0,921))
= 112,5 (1,271)
= 143 joule.
b) HKB= AE =
46,84143 = 1,693 j/mm2
45
Gambar 5a. Dapur pemanas
Gambar 5b. Pengaturan Suhu
Gambar 5c. Spesimen penelitian
Lampiran 5
46
Gambar 5d. Mesin uji impact
Gambar 5e. Spesimen penelitian
47
PERNYATAAN SELESAI BIMBINGAN
Yang bertanda tangan dibawah ini, pembimbing skripsi dari mahasiswa:
Nama : Widya Mukti S
NIM : 5201401043
Prody : Pendidikan Teknik Mesin
Menyatakan bahwa mahasiswa tersebut telah selesai bimbingan skripsinya yang
berjudul “Pengaruh Double Hardening Dengan Media Pendingin Air
Terhadap Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses
Carburizing” dan skripsi tersebut siap diujikan.
Demikian, semoga menjadi periksa.
Semarang, Februari 2007
Pembimbing I Pembimbing II
Drs. Murdani, M. Pd Hadromi, S. Pd, M. T NIP. 130894848 NIP. 132093201
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
FT. UNNES
Drs. Pramono NIP. 131474226