4 BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baja
Baja adalah salah satu logam ferro yang banyak digunakan dalam dunia teknik dan industri. Kandungan baja yang utama diantaranya yaitu besi dan karbon. Kandungan besi (Fe) pada baja sekitar 97% dan karbon (C) sekitar 0,2% hingga 2,1% sesuai grade-nya.
Selain unsur besi (Fe) dan karbon (C), baja mengandung unsur lain seperti mangan (Mn) dengan kadar maksimal 1,65%, silikon (Si) dengan kadar maksimal 0,6%, tembaga (Cu) dengan kadar maksimal 0,6%, sulfur (S), fosfor (P) dan lainnya dengan jumlah yang dibatasi dan berbeda-beda (Wulandari, 2011).
Kadar karbon yang dimiliki oleh baja berkisar antara 0,008 % sampai 1,7 %. Baja karbon dibedakan atas 3 kelompok, yaitu :
1. Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel / Mild Steel)
Baja karbon rendah memiliki kadar karbon maksimum sebesar 0,30%.
Strukturnya terdiri dari ferrit dan sedikit perlit, sehingga baja ini kekuatannya relatif rendah, lunak tetapi keuletannya tinggi. Baja ini dapat dijadikan mur, baut, sekrup, peralatan senjata, alat perangkat presisi, batang tarik, perkakas silinder, dan penggunaan yang hampir sama (Willson F et al., 2017)
2. Baja Karbon menengah (Medium Carbon Steel
Baja yang memiliki kandungan karbon sekitar 0,50% sampai 0,65% dan memiliki karbon sebesar 7,52%wt atau sama dengan 0,62%C merupakan golongan dari baja karbon menengah (Trihutomo, 2015). Masih terdiri dari ferrit dan perlit juga, dengan perlit yang cukup banyak, sehingga baja ini lebih keras dan kuat, serta dapat dikeraskan tetapi getas
3. Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel)
Baja karbon tinggi memiliki kadar karbon berkisar antara 0,50 % - 1,7 %.
Baja karbon tinggi ini memiliki tingkat kekerasan yang paling tinggi dibandingkan dengan baja-baja karbon lainnya. Tetapi keuletan dan ketangguhannya rendah. (Riyadi, 2011). Selain itu baja jenis ini banyak
digunakan untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, pisau cukur, mata gergaji dan lain sebagainya (Rianto and Harjanto, no date). Baja Karbon Tinggi Baja ini mempunyai kekuatan paling tinggi dan banyak digunakan untuk material tools (Krakatau and Persero, 2013).
2.1.1 Baja Karbon ST42
Baja St 42 tergolong baja karbon rendah, dimana baja karbon rendah merupakan jenis baja yang banyak digunakan sebagai bahan konstruksi dalam berbagai bidang industri sebagai rangka konstruksi Baja ST 42 ini mempunyai kandungan karbon kurang dari 0,30 % (Edi 2021). Metoda penambahan karbon padat merupakan cara yang paling sederhana untuk meningkatkan kualitas baja St 42, agar dapat memperluas penggunaanya. Pada akhirnya melalui proses pack carburizing penggunaan baja karbon rendah untuk bahan baku (rawmaterials) dapat memperluas penggunaannya (Nofri, 2019)
2.1.2 Sifat Mekanik Material
Sifat mekanik merupakan sifat yang menyatakan kemampuan suatu material untuk menerima beban, gaya, energi tanpa menimbulkan kerusakan pada material tersebut (Suarsana, 2017). Beberapa sifat mekanik yang penting dari suatu material antara lain :
1. Kekuatan (strenght) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan menjadi patah. Kekuatan ini ada beberapa macam, tergantung pada jenis beban yang bekerja, yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan torsi dan kekuatan lengkung.
2. Kekerasan (hardness) dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan utuk tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), indentasi atau penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance).
Kekerasan juga mempunyai korelasi dengan kekuatan.
3. Kekenyalan (elasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan atau dengan kemampuan material untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah mengalami perubahan bentuk (deformasi).
4. Kekakuan (stiffness) menyatakan kemampuan bahan menerima tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi. Dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting dari pada kekuatan.
5. Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastik (yang permanen) tanpa mengakibatkan fatah.
Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai proses pembentukan seperti forging, rolling, extruding dan lainya. Sifat ini sering juga disebut sebagai keuletan (ductility). Bahan yang mampu mengalami deformasi plastik cukup banyak dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan tinggi, bahan yang ulet (ductile).
Sedang bahan yang tidak menunjukkan terjadinya deformasi plastik dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan rendah atau getas (brittle).
6. Ketangguhan (toughness) menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap energi tanpa menyebabkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda kerja pada suatu kondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak faktor, sehingga sifat ini sulit diukur.
7. Kelelahan (fatigue) merupakan kecenderungan pada logam untuk patah bila menerima tegangan berulang-ulang (cyclic stress) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekuatan elastiknya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan.
Karena kelelahan merupakan sifat yang sangat penting, tetapi sifat ini juga sulit diukur karena banyak faktor yang mempengaruhinya.
8. Melar (creep) merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu, pada saat bahan tadi menerima beban yang besarnya relatif tetap.
2.1 Heat Treatment
Heat Treatment merupakan proses pengubahan sifat logam, terutama baja, melalui pengubahan struktur mikro dengan cara pemanasan dan pengaturan laju pendinginan. Perlakuan Panas (Heat Treatment), yaitu proses pemanasan dan
pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam (Teknik et al., no date). Heat treatment merupakan mekanisme penguatan logam dimana logam yang akan kita ubah sifatnya sudah berada dalam kondisi solid. Dalam heat treatment kita memanaskan specimen sampai dengan temperature austenisasinya (Djafrie, 1995).
Proses pengerasan (Hardening) adalah suatu upaya kegiatan perlakuan panas yang dilakukan untuk memperoleh suatu benda kerja yang keras, proses ini dilakukan pada temperature austenite yang kemudian di quench pada media pendingin sampai menghasilkan martensit ( varney,1962 ). Jenis perlakuan ini misalnya: full annealing (annealing), Stres relief annealing, proses annealing, spheroidizing, normalizing dan homogenizing (Astrini, 2016).
Ada beberapa syarat yang harus dipenuhi saat perlakuan panas (heat treatment) :
a. Suhu pemanasan harus naik secara teratur dan merata.
b. Alat ukur suhu hendaknya seteliti mungkin.
c. Laju pendinginan sesuai dengan jenis perlakuan panas yang dilakukan (R. Edy Purwanto, dkk. 2016).
Ada beberapa macam perlakuan panas atau (heat treatment) yang dapat dilakukan. Menurut (Dayal and Totemeier, 2003), heat treatment tersebut antara lain:
1.2.1 Hardening
Hardening yaitu perlakuan panas terhadap logam dengan sasaran meningkatkan kekerasan alami logam. Perlakuan panas hardening adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan benda kerja dalam furnace (tungku) (I. E., R. Kamal and A. Ogunjirin, 2013). Perlakuan panas memaksa benda kerja untuk dipanaskan menuju suhu pengerasan dengan jangka waktu penghentian yang memadai pada suhu pengerasan dan pendinginan berikutnya secara cepat (quenching) dengan kecepatan pendinginan kritis.
Gambar 2.1 Diagram Fe-Fe3C
Hardening dilakukan untuk mendapatkan sifat tahan aus yang tinggi, dan kekuatan serta fatigue limit yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja, temperatur pemanasan, holding time, dan laju pendinginan yang dilakukan.
1.2.2 Normalizing
Normalizing adalah jenis perlakuan panas yang berfungsi untuk memperhalus butir, menghilangkan tegangan sisa, memperbaiki mampu mesin, dan memperbaiki sifat mekanik pada baja karbon struktural atau pada baja paduan rendah. Proses normalizing diterapkan pada produk tempa yang besar, over-heated forgings dan produk cor.
Normalizing terdiri dari proses pemanasan baja diatas temperatur kritis, kemudian ditahan pada temperatur tersebut dalam waktu tertentu menyesuaikan dengan jenis dan ukuran baja. Proses tersebut dilakukan hingga terjadi transformasi fasa pada seluruh bagian material, kemudian dilakukan proses pendinginan menggunakan udara.
1.2.3 Tempering
Tempering adalah proses memanaskan kembali baja yang sudah dikeraskan yang bertujuan untuk meningkatkan keuletan atau duktilitas,
namun menurunkan tingkat kekerasan dan kekuatannya. Pada baja struktur, tempering dilakukan untuk mendapatkan sifat kombinasi antara keuletan, kekuatan dan ketangguhan yang tinggi. Oleh karena, proses tempering yang dilakukan pada baja setelah proses hardening akan menghasilkan baja dengan sifat struktur yang lebih stabil.
1.2.4 Annealing
Annealing adalah proses pemanasan baja yang diikuti dengan pendinginan lambat di dalamtungku. Tujuan utama dari proses ini adalah untuk mengurangi kekerasan dari baja dan membuat struktur yang mudah dilakukan proses pemesinan. Selain itu anneling bertujuan untuk memperbaiki sifat – sifat mampu mesin, mampu bentuk, keuletan, kehomogenan struktur, menghilangkan tegangan dalam dan persiapan struktur untuk proses perlakuan panas.
Temperatur dan laju pendinginan dari annealing tergantung dari hasil yang diinginkan dari struktur mikronya, oleh karena itu annealing dibagi lagi menjadi beberapa proses spesifik antara lain:
1) Full annealing 2) Sperodizing 3) Stress relieving 4) Bright Annealing 5) Homogeniezing, dan 6) Recrystalitation annealing 1.2.5 Quenching
Quenching adalah proses perlakuan panas dimana prosesnya dilakukan dengan pendinginan yang relatif cepat dari temperatur austenisasi (umumnya pada jarak temperatur 815oC – 870oC) pada baja.
Quenching merupakan proses pencelupan baja yang telah berada pada temperatur pengerasannya (temperatur austenisasi), dengan laju pendinginan yang sangat tinggi (diquench), agar diperoleh kekerasan yang diinginkan (Lesmanah, Marsyahyo and Vitasari, 2013).
Keberhasilan proses quenching ditentukan oleh media quenching (quenchant medium) yang digunakan. Untuk menentukan
media quenching, sangat bergantung pada mampu keras (hardenability) dari logam, ketebalan dan bentuk dari benda uji yang akan quenching.
Serta struktur mikro yang diinginkan dari hasil proses quenching.
Adapun media quenching yang sering digunakan adalah media cair (liquid) dan gas. Media quenching cair adalah oli, air, larutan polimer (aquos polymer solution), Larutan garam. Sedangkan media quenching gas adalah helium, argon, dan nitrogen.
Tujuan dari proses quenching secara umum pada baja (baja carbon, low alloy steel, dan tool steel) adalah untuk proses hardening, yaitu menghasilkan struktur mikro martensit pada baja tersebut.
Proses hardening yang baik adalah bila mendapatkan harga kekerasan, kekuatan, dan toughness yang besar tetapi dengan residual stress, distorsi, dan cracking yang minimal. Pada stainless steel dan high alloy steels tujuan proses quenching adalah untuk meminimalisasi keberadaan batas butir karbida atau untuk meningkatkan distribusi ferit.
Gambar 2.2 Diagram Time, Temperatur, Transformation Dari diagram diatas, dapat diketahui bahwa:
- Untuk baja dengan kadar karbon kurang dari 0,83% yang ditahan suhunya dititik tertentu dan letaknya dibagian atas kurva C, akan menghasilkan struktur perlit dan ferit
- Jika ditahan suhunya pada titik tertentu bagian bawah kurva C tapi masih disisi sebelah atas garis horizontal, maka akan mendapatkan struktur mikro bainit atau lebih keras dari perlit - Bila ditahan suhunya pada titik tertentu dibawah garis
horizontal, maka akan mendapat struktur martensit atau sangat keras dan getas
- Semakin tinggi kadar karbon, maka kedua buah kurva C tersebut akan bergeser kekanan
Hubungan grafik diatas antara temperatur terhadap waktu pendinginan spesimen uji pada penelitian ini adalah untuk mendapatkan material turunan dari austenit, yaitu martensit. Sehingga dibutuhkan waktu pendinginan antara 0 sampai 80 detik. Pada masing-masing spesimen uji dengan variasi temperatur heat treatment 830°C, 880°C, dan 930°C ini dilakukan pendinginan cepat dengan waktu 30 detik.
1.3 Pengujian Kekerasan
Menurut (HARYADI, 2005) dalam penelitiannya, ia menjelaskan bahwa kekerasan merupakan sifat ketahanan dari bahan terhadap penekanan. Kekerasan adalah ketahanan suatu bangunan atau material terhadap deformasi pada daerah lokal permukaan material, kemudian khusus untuk logam yang dimaksud adalah deformasi secara plastis. Sedangkan pengertian dari kekuatan itu sendiri adalah ketahanan suatu material terhadap deformasi plastis secara menyeluruh.
Kekuatan suatu material tersebut berbanding sama dengan kekerasannya, semakin keras suatu material maka semakin kuat pula material tersebut. Pengujian terhadap kekerasan dibagi menjadi 3 jenis berdasarkan sifat dari pengujiannya sebagai berikut:
1. Metode Dinamik
Pengujian dengan metode dinamik dilakukan dengan cara menghitung energi yang dihasilkan oleh indentor yang dijatuhkan pada permukaan spesimen.
Indentor turun ke permukaan material, kemudian terjadi pantulan yang tinggi.
Perbedaan ketinggian saat dijatuhkan dan pantulannya menunjukan besarnya energi yang diserap oleh material dan pada metode dinamik ini indentor berupa bola.
2. Metode Goresan
Pengujian dengan metode ini dilakukan dengan mengukur kemampuan suatu material dengan menggoreskan material uji kepada specimen. Skala uji yang dipakai adalah skala mohs, yang terdiri dari 10 nilai-nilai material standard yang baik dalam menggores material dari nilai 1 yang paling lunak sampai dengan nilai 10 yang paling keras. Kelemahan dari skala mohs ini adalah jarak antara intervalnya kurang spesifik yaitu nilai kekerasan tiap-tiap benda kurang akurat.
3. Metode Indentansi
Pengujian dengan metode indentansi atau metode penekanan ialah dengan cara mengukur ketahanan dari suatu material terhadap gaya tekanan yang dihasilkan oleh indentor dengan meilhat besar beban yang diberikan.
Uji kekerasan dengan metode ini terdiri dari dari beberapa cara yaitu rockwell, vickers, dan brinell.
1.3.1 Uji Kekerasan Rockwell
Uji kekerasan Rockwell adalah dengan menghitung kedalaman indentasi dengan keadaan beban yang tetap sebagai penentu nilai kekerasan. Sebelum melalukan pengukuran, spesimen diberi beban minor 10 kg untuk mengurangi kecenderungan ridging dan sinking akibat beban indentor. Sesudah beban diberikan, spesimen langsung diberi beban mayor.
Kedalaman yang terkonversi dalam skala dapat langsung diketahui nilainya dengan cara membaca dial gage pada alatnya. Dial tersebut terdiri dari 100 bagian yang masing-masing mempresentasikan pentetrasi sebesar 0,0002 mm. Dial disesuaikan sehingga nilai kekerasan yang tinggi berkolerasi dengan kecil pentrasi.
Gambar 2.3 Cara metode rockwell (ardra.biz/topik/uji-kekerasan- metoda-rockwell)
Nilai kekerasan dalam metode ini dapat diperoleh menggunakan rumus berikut:
HR = E-e Dimana: HR = Hardness rockwell
E = 100 untuk indentor intan, atau 130 untuk indentor bola
e = kedalaman penetrasi permanen karena beban utama (mayor) per 0,002mm. Atau e = h/0,002
1.3.2 Uji Kekerasan Vickers
Pengujian kekerasan vickers menggunakan indentor yang berbentuk piramida intan dengan berbentuk dasar bujur sangkar dengan besar sudut 136 derajat dengan kedua sisi yang berhadapan. Besar sudut tersebut digunakan karena merupakan perkiraan rasio paling tepat indentasi diameter bola pada uji brinell. Besar beban pada indentor bervariasi antara 1 kg sampai 120 kg disesuaikan dengan tingkat kekerasan material.
Gambar 2.4 Cara metode vickers (ardra.biz/topik/uji-kekerasan- metoda-vickers)
Nilai kekerasan vickers dapat diketahui dengan menggunakan rumus:
HV = 1,854 x F/D2 Dimana: HV = Hardness vickers
F = beban yang diberikan
D = panjang rata-rata diagonal jejak indentasi
1.3.3 Uji Kekerasan Brinell
Uji kekerasan brinell adalah uji kekerasan paling pertama yang diterima secara luas dan standar yang ditemukan oleh J.A.Brinell pada tahun 1990. J.A.Brinell mengujinya dengan cara melakukan indentansi pada permukaan spesimen. Indentor berupa bola baja yang memiliki variasi beban dari 500 kg sampai 1500 kg untuk intermediate hardness dan 3000 kg untuk hard metal.
Prinsip dari pengujian kekerasan ini adalah menekan indentor selama waktu 30 detik. Lalu hasil diameter indentansi diukur dengan menggunakan mikroskop optik. Diameter harus dihitung lebih dari sekali pada sudut tegak lurus yang berbeda kemudian diratakan.
Kekerasan brinell adalah besar dari beban indentor per luas permukaan hasil indentansi.
Gambar 2.5 Cara metode brinell (ardra.biz/topik/uji-kekerasan-metoda- brinell)
Nilai kekerasan dalam metode ini dapat diperoleh menggunakan rumus berikut:
𝐻𝐵𝑁 = 2𝐹
3,14𝐷 . (𝐷 − (𝐷2− 𝑑2)0,5) Dimana: F = Beban atau gaya (kg)
D = Diameter indentor bola (mm)
d = Diameter jejak indentasi (mm)
1.4 Media Quenching
1.4.1 Grease
Grease atau gemuk lumas, yaitu pelumas padat terdiri dari base oil, thickener, dan aditif. Base oli dari minyak nabati mempunyai karakteristik yang tergantung pada beberapa sifat kimianya, sehingga ada yang tahan maupun tidak tahan terhadap temperatur proses yang tinggi. Sedangkan base oil minyak bumi umumnya digunakan untuk keperluan industri (Ismiyati, 2014).
Grease atau gemuk adalah jenis pelumas yang mempunyai bentuk semi padat sampai padat. Kondisi tersebut menyebabkan grease sangat efektif dan ekonomis digunakan pada mekanisme mesin yang sulit dilumasi. Karakteristik grease yang dihasilkan tergantung pada tiga komponen penting yaitu bahan dasar, bahan pengental dan bahan-bahan aditif yang ditambahkan (Yanto and Septiana, 2012).
Gambar 2.6 Grease
1.4.2 Air radiator (Coolant)
Dalam dunia manufaktur, sebagai contoh dalam proses pembubutan, Coolant merupakan cairan hasil campuran ethylene atau propylene glycol dan air yang biasanya memiliki rasio perbandingan 50/50. Cairan pendingin mempunyai kegunaan khusus dalam proses bubut. Fungsi lain dari cairan pendingin yaitu sebagai pembersih atau pembawa geram, menurunkan gaya pemotongan, memperhalus benda kerja dan memperpanjang umur pahat (Hss, 2020).
Air Radiator adalah sebuah cairan khusus yang dibuat dengan bahan tertentu yang berfungsi sebagai pendingin suhu mesin agar tidak terjadi overheating. Biasanya air radiator merupakan cairan dengan karakteristik yang bukan merupakan cairan kental dan dapat menyerap panas dalam waktu yang singkat. Pada kendaraan roda dua maupun roda empat, umumnya menggunakan air radiator pabrikan yang dijual bebas di pasaran
Cairan coolant dibuat dengan air yang sudah mengalami proses deionisasi dan demineralisasi. Ini membuat coolant bebas dari mineral dan kotoran yang ada pada air. Selain bersih, coolant juga ditambahkan beberapa bahan kimia seperti propylene glicol dan corrosion inhibitor.
Propylene glicol berfungsi untuk meningkatkan titik didih air sementara corrosion inhibitor berfungsi sebagai anti karat.
Gambar 2.7 Air Radiator (Coolant)
Kandungan propylene dapat meningkatkan tingkat didih dari coolant. Ini membuat coolant lebih sulit untuk menguap. Selain meningkatkan tingkat didih, propylene juga membuat coolant memiliki titik beku yang lebih rendah. Kandungan propylene juga memiliki efek yang membuat coolant lebih efektif menyerap panas dibandingkan air biasa.
