Bab 6 kelompok 4 watermark

(1)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013

BAB VI

PACK CARBURIZING

6.1. Tujuan Pengujian

1. Untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas carburizing terhadap sifat mekanik kekuatan material

2. Untuk mengetahui pengaruh variasi holding time terhadap kedalaman pergeseran

3. Untuk mengetahui pengaruh variasi temperatur terhadap kedalaman pergeseran

4. Untuk mengetahui proses pack carburizing

6.2. Teori DasarPack Carburizing

Carburizing adalah proses penambahan unsur karbon pada permukaan

baja karbon rendah. Pemanasan carburizing dilakukan pada suhu 900oC – 950oC. unsur karbon dapat diperoleh dari arang kayu, arang tempurung kelapa atau suatu material yang mengandung unsur karbon. Pengarbonan bertujuan untuk memberikan kandungan karbon yang lebih banyak pada bagian permukaan dibandingkan dengan bagian dalam sehingga kekuatan pada permukaan lebih meningkat.

Carburizing dapat dilakukan dengan 4 cara yaitu :

a. Pack carburizing

Proses ini menggunakan zat padat berupa arang dengan ukuran 3,5 – 10 milimeter barium karbonat, dan soda abu untuk arang yang digunakan dari arang batok kelapa. Prosesnya yaitu baja dimasukkan dalam kotak yang berisi medium kimia aktif padat. Kemudian kotak itu dipanaskan sampai suhu 900oC – 950oC. Waktu total ditentukan oleh kedalaman yang hendak dicapai.

b. Paste carburizing

(2)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 dikeraskan ditutup dengan pasta dengan ketebalan 3 - 4 mm. Kemudian dikeringkan dan dimasukkan ke dalam kotak. Proses ini dilakukan pada suhu 920oC – 950oC.

c. Gas carburizing

Disini logam dipanaskan dalam atmosfer yang mengandung karbon yaitu gas alam maupun buatan. Contohnya gas-gas yang berasal dari hidrokarbon, misalnya CH4. Benda kerja dipanaskan dengan suhu 850oC –

950oC. Lapisan yang dapat dihasilkan adalah dengan tebal 1 mm dan diperlukan waktu sekitar 1-4 jam.

d. Liquid carburizing

Karbonisasi ini dilakukan dengan redaman air garam yang terdiri dari natrium karbonat dan natrium sianida yang dicampur dengan salah satu bahan klorid natrium atau klorid barium. Proses ini menghasilkan l;apisan yang tebalnya sekitar 0,3 mm dengan suhu 850oC – 950oC. Keuntungan menggunakan karbonisasi dengan perantara zat cair adalah pengurangan yang pesat, merata ke semua arah dan mendalam tanpa ada bagian yang lunak, satu permukaan tepat rata, oleh karena itu hanya dibutuhkan sedikit.

6.2.1. Proses Pack Carburizing

Pada proses ini caranya adalah benda kerja dimasukkan ke dalam suatu kotak yang terbuat dari pelat baja dan dikelilingi dengan bahan karbonisasi. Bahan yang biasa digunakan adalah arang kayu, arang batok kelapa, arang tulang, dan arang kulit yang dicampur dengan kokas dan katalis seperti Barium Karbonat (BaCo3) atau

Natrium Karbonat (Na2Co3) sebesar 10-40 %. Namun, biasanya

katalis yang sering dipakai adalah Barium Kabonat karena lebih mudah terurai daripada Natrium Karbonat.

Mekanisme difusi yang terjadi pada saat proses pack carburizing ada dua yaitu difusi vacancy dan difusi interstisi.

Difusi Vacancy

(3)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Gambar 6.1 : Skema Difusi Vacancy

Sumber : Anonymous 42 2010

 Difusi Interstisi (Penyisipan)

Suatu difusi dimana satu atom asing yang lebih kecil menyisip diantara rongga atom-atom.

Gambar 6.2 : Difusi Interstisi Sumber : Anonymous 42, 2010

Temperatur yang tinggi pada dapur listrik membantu proses penyerepan karbon pada luar permukaan baja. Reaksi yang terjadi adalah :

a. Pengaruh energi untuk memberikan gas CO pada permukaan baja

BaCO3 → BaO + CO2

CO3 + C → 2CO

(4)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 c. CO2 yang terbentuk akan bereaksi dengan katalis BaO

CO2 + BaO → BaCO3

Siklus ini terjadi berulang-ulang selama proses karburisasi berlangsung.

Pada umumnya proses karburisasi membutuhkan waktu yang variasi antara 6 sampai 8 jam dan kedalaman difusi karbon pada specimen 1-2mm dari permukaan. Pada proses ini hasilnya tergantung pada kualitas batu bara.

Proses pack carburizing ada 3 tahapan yaitu : 1. Heating

Pada tahap ini benda kerja yang telah dimasukkan pada kotak baja yang berisi bahan karburisasi dan katalis dipanaskan hingga suhu austenit. Austenit yang memiliki struktur Kristal FCC yang

mempunyai jarak antara atom yang lebih renggang sehingga difusi interstisi atom karbon memungkinkan.

Gambar 6.3 : Pack Carburizing Process Sumber : Anonymous 42, 2010

2. Holding

(5)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 3. Cooling

Pada tahap ini material didinginkan dengan cara quenching. Tujuannya untuk membentuk mikrostruktur martensit yang sifatnya keras pada permukaan material.

Perubahan sifat-sifat material yang dapat terjadi akibat proses pack carburizing antara lain :

1. Sifat Mekanik

 Peningkatan kekerasan permukaan  Peningkatan ketahanan aus

 Peningkatan kekuatan tarik 2. Sifat Fisik

 Perubahan volume dapat terjadi

 Pertumbuhan butir (gram) mungkin terjadi 3. Sifat Kimia

 Peningkatan kadar karbon pada permukaan

6.2.2. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Pack carburizing

1. HoldingTime

Semakin lama waktu pemanasan maka semakin luas bidang yang dipanakan sehingga karbon yang berdifusi semakin banyak dan merata di setiap bagian specimen sehingga meningkatkan kekerasan specimen tersebut. Ditambah pola proses difusi akan semakin dalam sehingga kekerasan pun meningkat. Total kedalaman difusi yang dicapai pada temperatur tertentu dinyatakan sebagai fungsi akar kuadrat dari waktu yang dinyatakan dalam persamaan berikut :

y = k t

dimana : y = total kedalaman difusi

(6)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 2. Temperatur

Semakin tinggi temperatur maka jarak antar atom semakin besar sehingga karbon yang berdifusi semakin banyak dan membuat kekerasannya meningkat.

3. Katalis

Katalis juga berpengaruh pada pack carburizing, tetapi tidak menuah hasil melainkan hanya untuk mempercepat proses. Contoh katalis yang digunakan adalah BaCO3 dan Na2CO3.

4. Karburizer

Komposisi karburizier akan mempengaruhi kekerasan yang dihasilkan. Semakin tinggi karbon karburizier maka karbon yang didifusikan akan makin banyak sehingga makin banyak sehingga makin tinggi kekerasan permukaan baja.

5. Media Pendingin

Media pendingin berpengaruh terhadap kekerasan permukaan yang dihasilkan. Beberapa media pendingin antara lain :

1. Air

Sistemnya sederhana serta dapat mendinginkan dengan cepat. Keuntungannya adalah membentuk selimut uap yang menutupi permukaan material sehingga menghasilkan sehingga menghasilkan pendinginan yang tidak seragam di penampang permukaan yang luas.

2. Oli

Kemampuan pendinginannya tidak sebaik air karena pengaruh viskositasnya.

3. Larutan Polimer

Kemampuan pendinginannya diantara oli dan air. Memerlukan closed-system karena konsentrasinya mudah terkurang.

4. Larutan Garam

(7)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 5. Udara

Pendinginannya dengan cara langsung dilepaskan ke udara. Pendinginan ini relatif lebih lama dibandingkan dengan air dan oli. 6. Komposisi Kimia

Komposisi kimia berpengaruh terhadap kekerasan spesimen. Semakin banyak kandungan karbon aktifnya maka semakin baik kekerasannya.

7. Bahan pengarbonan (arang)

Arang juga menetukan terhadap proses kekerasan hasil pack carburizing. Penggunaan arang batok kelapa akan berbeda dengan

menggunakan arang jati yang kadar karbonnyalebih rendah.

6.3. Pelaksanaan Pengujian

6.3.1. Alat Yang Digunakan Dalam Pengujian

Spesifikasi alat yang digunakan 1. Kotak baja

Gambar 6.4 : Kotak Baja

(8)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 2. Dapur listrik

Gambar 6.5 : Dapur Listrik

Sumber : Laboratorium Pengujian Bahan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Spesifikasi:

- Merk : Openbau Hofman - Tipe : E/90

- Voltage : 220 Volt - Daya : 3,3 kW - Suhu max : 1100 oC - Buatan : Austria

3. Microhardness Vickers Tester

Gambar 6.6 : Microhardness Vickers Tester

(9)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Spesifikasi:

- Bahan pengujian : 0,098 N; 0,245 N; 0,49 N; 0,9807 N; 1,961 N; 2,942 N

- Perbesaran : - 400 kali (untuk pengukuran) - 100 kali (untuk observasi) - Waktu indentor diam dari gaya pengujian : 0-60 detik - Tinggi maksimal dari spesimen : 65 mm - Jarak antara titik tengah indentor dan eksterior panel : 48 mm - Berat alat : 25 Kg

- Sumber power : AC 220 V/50-60 Hz - Dimensi alat : 420 x 180 x 470 mm

4. Alat penimbang

Gambar 6.7 : Alat Penimbang

5. Media Pendingin

Media yang digunakan adalah air.

Gambar 6.8 : Bejana air

(10)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 6. Centrifugal Sand Paper Machine

Gambar 6.9 Centrifugal Sand Paper Machine

7. Penjepit

Digunakan untuk memindahkan benda uji setelah pemanasan dari dapur.

Gambar 6.10 : Penjepit

 Bahan Yang Digunakan Dalam Pengujian Bahan : Baja Assab 760

(11)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013  Pergeseran Titik Eutectoid

Tabel 6.1 Pergeseran Titik Eutectoid Komposisi

bahan

Presentase

(%) Suhu eutectoid

Komposisi Bahan Mangan (Mn) 0,50 725 0,76

Silikon (Si) 0,25 730 0,78

Tc =Ʃ (Tc x % C) Ʃ (% C)

= (725.0,76) + (730.0,78) 0,76 + 0,78 = 727,5

% C = Ʃ (Tc x % C) Ʃ Tc

= (725.0,76) + (730.0,78) 725 + 730

= 0,77 %

Keterangan :

(12)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Keterangan : Fe – Fe3C

Pergeseran Titik Eutektoid Gambar 6.11 Pergeseran Titik Eutectoid

 Bentuk dan dimensi

Skala : 1:1 Satuan : mm

Gambar 6.12 :Bentuk dan dimensi

6.3.2. Prosedur Pengujian

1. Siapkan kotak baja dan bersihkan dari terak-terak yang masih menempel

(13)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 4. Timbang arang, Na2CO3 sesuai dengan komposisi yang

ditentukan

5. Campurkan arang, Na2CO3 yang telah ditimbang dan masukkan

ke dalam kotak baja

6. Masukkan benda uji ke dalam kotak baja

7. Setelah semua bahan dimasukkan ke dalam kotak baja, masukkan kotak baja ke dalam dapur furnace dan dilakukan pemanasan serta holding

8. Setelah pemanasan selesai, dilakukan pendinginan pada media pendingin

9. Setelah pendinginan selesai, potong benda uji menjadi 2 bagian 10. Dilakukan pengujian kekerasan pada permukaan benda uji yang

telah dihaluskan sebelumnya menggunakan amplas

11. Lakukan pengujian kekerasan pada permukaan benda uji yang telah dipotong, ambil 5 titik percobaan

6.4. Hipotesa

(14)

6.5 Pengolahan Data

6.5.1. Data Kelompok

Tabel 6.2 Data Kekerasan Tanpa Perlakuan

Titik Jarak Dari Tepi Kekerasan Rata-rata

(15)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Tabel 6.3 Data Kekerasanpada suhu 750 0C 45 menit Udara

1 500

267,8

274,6 285,2

270,8

2 1000

250,8

263,7 279,7

260,8

3 1500

256,8

265,4 269,2

270,3

4 2000

256,7

265,4 261,6

277,9

5 2500

245,8

242,5 250,9

(16)

6.5.2. Data Antar Kelompok

Suhu Sama Media Pendingin Beda

(17)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Tabel 6.5 Data spesimen pack carburizing suhu 750oC holding 45

menit, media pendingin air

1 500

356,3

357,3 370,4

345,4

2 1000

341,5

358,2 356,4

326,7

3 1500

336,1

344,1 346,8

349,6

4 2000

361,5

349,3 336,8

399,8

5 2500

356,1

334,4 317,3

(18)

menit, media pendingin air garam

1 500

304,2

301,9 318,7

282,8

2 1000

304,2

308,9 317,0

305,6

3 1500

318,2

306,2 304,3

296,2

4 2000

276,1

280,9 281,1

285,5

5 2500

286,7

287,4 290,9

(19)

menit, media pendingin oli

1 500

303,9

305,6 304,9

308,6

2 1000

308,2

287,2 298,2

255,2

3 1500

289,8

289,6 293,3

285,9

4 2000

228,9

278.9 288,3

269,5

5 2500

278,5

268,7 268,7

(20)

menit, media pendingin Udara

1 500

267,8

274,6 285,2

270,8

2 1000

250,8

263,7 279,7

260,8

3 1500

256,8

265,4 269,2

270,3

4 2000

256,7

265,4 261,6

277,9

5 2500

245,8

242,5 250,9

(21)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013  Suhu Beda Media Pendingin Sama

1 500

240,4

240,4 240,4

240,4

2 1000

240,4

240,4 240,4

240,4

3 1500

240,4

240,4 240,4

240,4

4 2000

240,4

240,4 240,4

240,4

5 2500

240,4

240,4 240,4

(22)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 Tabel 6.10 Data spesimen pack carburizing suhu 750oC holding 45

1 500

267,8

274,6 285,2

270,8

2 1000

250,8

263,7 279,7

260,8

3 1500

256,8

265,4 269,2

270,3

4 2000

256,7

265,4 261,6

277,9

5 2500

245,8

242,5 250,9

(23)

1 500

481,4

472,9 466,5

471

2 1000

448,1

455,8 451,7

467,8

3 1500

409,9

414,5 419,2

414,5

4 2000

389,5

392,4 394,6

393,3

5 2500

387,8

380,5 389,9

(24)

1 500

518,4

520,4 527,6

515,2

2 1000

508,1

516,8333 513,4

529

3 1500

503,8

502,8 504,1

500,5

4 2000

498,5

487,7 486,8

477,8

5 2500

462,7

452,8333 462,6

(25)

(26)

6.5. Pembahasan

6.6.1 Data Kelompok

Grafik diatas merupakan grafik nilai kekerasan untuk jarak tepi yang berbeda-beda. Pada spesimen tanpa perlakuan dan spesimen hasil pack carburizing dengan suhu 750oC holding 45 menit dan media pendingin udara. Pada sumbu horizontal X merupakan jarak dari tepi spesimen dan sumbu vertikal Y merupakan kekerasan dalam VHN.

(27)

203

Grafik 6.2 Perbandingan kekerasan spesimen tanpa perlakuan dan spesimen perlakuan pack

(28)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 6.6.2 Data AntarKelompok

 Suhu sama media pendingin berbeda

Pada grafik di atas merupakan perbandingan kekerasan pada spesimen yang tidak diberi perlakuan dan spesimen yang telah diberi perlakuan pack carburizing dengan suhu yang sama 750oC dan variasi media pendingin air, air garam, oli dan udara. Pada grafik digambarkan kekerasan material ditunjukan pada sumbu Y dengan skala kekerasan VHN dan jarak pengukuran kekerasan dari tepi spesimen ditunjukan pada sumbu X dengan satuan μm.

Pada grafik terlihat kecenderungan tiap variasi media pendingin berbeda yaitu sama kecenderungan nya menurun yang ditunjukan pada garis linier tiap – tiap spesimen. Hal ini disebabkan semakin dalam permukaan spesimen maka nilai kekerasannya menurun, ini sesuai dengan hipotesa bahwa nilai kekerasan paling tinggi terletak pada permukaan spesimen dan semakin kedalam dari permukaan maka nilai kekerasannya semakin rendah.

Menurut dasar teori dan hipotesa pack carburizing dipengaruhi oleh kecepatan pendinginan saat proses quenching setelah pemanasan dari dapur listrik. Dimana semakin cepat kecepatan pendinginan maka spesimen yang dihasilkan juga semakin keras karena semakin banyak struktur martensite yang terbentuk. Kecepatan pendinginan juga sangat berpengaruh oleh viskositas dan konduktivitas thermal dari media pendingin, dimana urutan media pendingin yang kecepatannya tinggi ke rendah adalah air, air garam, oli, dan udara.

Hasil pada spesimen dengan media pendingin air yaitu di titik 500 μm dari tepi kekerasannya 357,3 VHN; di titik 1000 μm didapat kekerasan 358,2 VHN; di titik 1500 μm didapat kekerasannya 344,1

VHN; di titik 2000μm di dapat kekerasannya 349,3 VHN; di titik

(29)

VHN; di titik 1500μm didapat kekerasannya 306,2 VHN; di titik 2000 μm di dapat kekerasannya 280,9 VHN; di titik 2500 μm didapat kekerasannya 287,4 VHN. Pada spesimen dengan media pendingin oli yaitu di titik 500 μm dari tepi kekerasannya 305,6 VHN; di titik 1000 μm didapat kekerasan 287,2 VHN; di titik

1500μm didapat kekerasannya 289,6 VHN; di titik 2000 μm di dapat kekerasannya 278,9 VHN; di titik 2500 μm didapat kekerasannya 268,7 VHN. Pada spesimen dengan media pendingin udara yaitu di titik 500 μm dari tepi kekerasannya 274,6 VHN; di titik 1000 μm didapat kekerasan 261,7 VHN; di titik 1500 μm didapat kekerasannya 265,5 VHN; di titik 2000 μm di dapat kekerasannya 265,4 VHN; di titik 2500 μm didapat kekerasannya 242,5 VHN.

(30)

(31)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013  Suhu berbeda media pendingin sama

Pada grafik di atas merupakan perbandingan kekerasan pada spesimen yang tanpa diberi perlakuan dan spesimen yang telah diberi perlakuan pack carburizing dengan variasi suhu 950oC, 850oC, dan 750oC serta media pendingin sama (udara). Pada grafik digambarkan kekerasan material ditunjukan pada sumbu Y dengan skala kekerasan VHN dan jarak pengukuran kekerasan dari tepi spesimen ditunjukan pada sumbu X dengan satuan μm.

Dapat dilihat bahwa kecenderungannya menurun yang ditunjukan pada garis linier. Hal ini disebabkan semakin dalam permukaan spesimen maka nilai kekerasannya menurun. Hal ini sesuai dengan hipotesa bahwa nilai kekerasannya paling tinggi terletak pada permukaan spesimen dan semakin dalam spesimen maka nilai kekerasannya semakin rendah.

Menurut dasar teori dan hipotesa pack carburizing dipengaruhi oleh suhu pemanasan. Dimana semakin tinggi suhu pemanasan maka kekerasannya juga semakin tinggi karena karbon aktif mudah berdifusi. Urutan kekerasan mulai dari yang tertinggi ke rendah adalah spesimen dengan suhu pemanasan 950oC, 850oC, dan 750oC.

Hasil pada spesimen dengan suhu 750oC yaitu di titik 500 μm dari tepi kekerasannya 357,3 VHN; di titik 1000 μm didapat kekerasan 358,2 VHN; di titik 1500 μm didapat kekerasannya 344,1 VHN; di titik 2000 μm di dapat kekerasannya 349,3 VHN; di titik

2500 μm didapat kekerasannya 334,9 VHN. Pada spesimen dengan suhu 850oC yaitu di titik 500 μm dari tepi kekerasannya 1137,8 VHN; di titik 1000 μm didapat kekerasan 1036,6 VHN; di titik 1500

(32)

Laporan Praktikum Uji Material Semester Genap 2012/2013 VHN; di titik 2000 μm di dapat kekerasannya 986,1 VHN; di titik

2500 μm didapat kekerasannya 986 VHN.