The Effect of CaCO
3as Energizer on Pack Carburizing Process of Low Carbon Steel
M. Zamzam Noor, Anistasia Milandia*) dan Alfirano
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
*)Corresponding Author. Email: [email protected]
ABSTRACT. One of important tools used in the palm oil industry is Dodos. In Indonesia, dodos is made by medium carbon steel, but medium carbon steel must be imported from abroad so that cost production of dodos become exspensive. To overcome this matter low carbon steel can be used as an alternative material for making dodos because of its abundant availability in Indonesia. This material deficiency is its low hardness so that need to be increased with pack carburizing method before applied as dodos. Pack carburizing is the process of increasing the concentration of carbon on the surface by diffusing carbon from the atmosphere into the steel surface so that the surface hardness value of the steel increase.
The aims of this reseach is to determine the optimum composition of CaCO3 as energizer, temperature and holding time in the carburizing process on surface hardness and microstructure of steel. This research was carried out by heating low carbon steel at temperature 850 to 950°C, variation of holding time 1 to 5 hours and variation of energizer is 20% and 80%. The hardness test show that the energizer can increase hardness value. The higher of temperature and holding time used in the carburizing process will increase the hardness value. The most optimum variation of energizer is 20%, the most optimum holding time is 5 hours and with a heating temperature of 950°C gives a hardness value is 395.6 VHN 4.
ABSTRAK. Salah satu alat yang biasanya digunakan dalam industri kelapa sawit adalah Dodos. Di Indonesia, dodos dibuat dari baja karbon sedang, tetapi baja karbon sedang harus diimpor dari luar negeri sehingga baja karbon rendah dapat digunakan sebagai bahan alternatif untuk membuat dodos karena ketersediaannya yang melimpah di Indonesia.
Kekerasan baja karbon rendah perlu ditingkatkan dengan metode pack carburizing sebelum diaplikasikan sebagai dodos karena baja karbon rendah memiliki kekerasan yang rendah. Pack carburizing adalah proses peningkatan konsentrasi karbon pada permukaan dengan menyebar karbon dari atmosfer ke permukaan baja sehingga nilai kekerasan permukaan baja meningkat. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan komposisi CaCO3 yang optimal sebagai energizer, suhu dan waktu penahanan dalam proses karburisasi pada kekerasan permukaan dan struktur mikro baja. Penelitian ini dilakukan dengan memanaskan baja karbon rendah pada suhu 850 hingga 950°C, variasi waktu penahanan 1 hingga 5 jam dan variasi energizer adalah 20% dan 80%. Uji kekerasan menunjukkan bahwa energizer dapat meningkatkan nilai kekerasan.
Semakin tinggi suhu dan waktu penahanan yang digunakan dalam proses karburisasi akan meningkatkan nilai kekerasan.
Variasi energizer yang paling optimal adalah 20%, waktu penahanan yang paling optimal adalah 5 jam dan dengan suhu pemanasan 950°C memberikan nilai kekerasan 395,6 VHN 4.
Kata Kunci: karburisasi; Energizer; Hardness Value
1. PENDAHULUAN
Indonesia merupakan salah satu negara penghasil kelapa sawit terbesar di dunia. Berdasarkan data Gabungan Pengusaha Kelapa Sawit Indonesia (GAPKI), produksi kelapa sawit di Indonesia pada 2018 mencapai 47,4 juta ton. Jumlah ini meningkat lebih dari 12 persen dibandingkan dengan produksi 2017 yaitu sebesar 38 juta ton. Salah satu perkakas yang sering digunakan pada industri sawit yaitu dodos. Di Indonesia, dodos dibuat menggunakan bahan baku baja karbon menengah, namun baja karbon menengah masih harus impor dari luar negeri sehingga baja karbon rendah dapat digunakan sebagai bahan alternatif pembuatan dodos karena ketersediaanya yang melimpah di Indonesia. Baja karbon rendah perlu dilakukan peningkatan kekerasan dengan metode pack carburizing sebelum dapat diaplikasikan sebagai dodos karena baja karbon rendah memiliki kekerasan yang rendah. Pack carburizing merupakan proses penambahan konsentrasi karbon pada permukaan baja dengan cara
mendifusikan karbon dari atmosfer kedalam permukaan baja sehingga nilai kekerasan permukaan dari baja dapat meningkat. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati bagaimana pengaruh energizer CaCO3 terhadap proses karburisasi, sehingga diharapkan tambahan energizer dapat meningkatkan kekerasan baja karbon rendah secara efektif pada proses carburizing.
Proses carburizing dapat dipengaruhi beberapa parameter proses seperti potensial karbon, waktu tahan, temperatur carburizing dan komposisi kimia baja [8].
Pada penelitian ini digunakan beberapa parameter yang dapat menentukan hasil proses carburizing yaitu variasi energizer CaCO3 dengan kadar karbon, waktu tahan dan temperatur carburizing. Penelitian ini dilakukan dengan memanaskan baja karbon rendah SS400 pada variasi temperatur 850, 900 dan 950 oC dengan menggunakan waktu pemanasan 1,3 dan 5 jam serta variasi energizer sebanyak 20% dan 80%.
2. METODE
Sampel yang digunakan adalah baja SS400 berukuran 4,8 x 5 x 0,46 cm, energizer berupa CaCO3 dan sumber karbon berupa grafit. Sampel baja sebelum dilakukan proses carburizing dilakukan proses pengamplasan untuk memperhalus permukaan baja. Baja karbon rendah SS400, energizer dan karbon aktif dimasukkan ke dalam wadah stainless steel berukuran 5 x 10 cm dan ditempatkan pada wadah stainless steel. Energizer dan karbon divariasikan yaitu 20% energizer dan 80% karbon, dan 80% energizer dan 20% karbon. Setiap sampel diberi kode berdasarkan waktu, temperatur dan kadar energizer.
Baja SS400, karbon dan energizer dipanaskan dengan variasi temperatur 850, 900 dan 950°C selama 1, 3, dan 5 jam. Tujuan dari pemanasan ini agar sampel berada dalam fasa austenit sehingga bisa terjadi proses difusi berupa intersisi karbon ke permukaan baja. Pemanasan sampel dilakukan dengan menggunakan muffle furnace. Skema proses carburizing ditunjukkan pada Gambar 1 yang diawali dengan pemanasan sampel hingga temperatur austenisasi lalu dilakukan penahanan pada waktu tertentu lalu didinginkan menggunakan media udara.
Gambar 1. Skema Proses Pemanasan
Untuk mengetahui hasil dari proses carburizing sampel dilakukan pengujian spektrometri, kekerasan dan metalografi. Pengujian spektrometri dilakukan menggunakan spektrometer untuk mengetahui komposisi baja setalah proses carburizing. Pengujain kekerasan dilakukan dengan menggunakan vickers microhardness test dengan melakukan indentasi pada setiap jarak 0,3 mm dari permukaan baja sebanyak 6 titik. Karakterisasi struktur mikro pada sampel yang telah mengalami proses pack carburizing dilakukan untuk melihat struktur mikro yang terbentuk dan untuk mengetahui kedalaman pengerasan pada permukaan sampel. Karakteriasi struktur mikro dilakukan dengan melakukan cutting, mounting, grinding, polishing, etching hingga pengamatan dibawah mikroskop.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengujian pada Tabel 1 menunjukan data hasil pengujian baja setelah proses carburizing pada setiap
parameter yang berisikan data persen karbon, kedalaman difusi dan nilai kekerasan pada permukaan baja.
Penambahan energizer pada proses pack carburizing dapat meningkatkan nilai kekerasan pada baja karbon rendah. Pada hasil penelitian ini menunjukkan penambahan energizer dapat meningkatkan nilai kekerasan permukaan baja hasil carburizing dibandingkan sampel yang di proses tanpa menggunakan energizer. Peningkatan nilai kekerasan pada sampel dengan penambahan energizer berdasarkan hasil penelitian ini umumnya terjadi pada temperatur 900 dan 950 oC, baik pada waktu 1 jam, 3 jam maupun 5 jam.
Selain pada nilai kekerasan, pengaruh penambahan energizer CaCO3 pada penelitian ini memberikan kedalaman difusi yang signifikan pada temperatur diatas 850 oC yaitu pada proses dengan temperatur 900 dan 950
oC. Berdasarkan hasil pengujian kedalaman difusi dapat dilihat bahwa sampel yang dengan penambahan energizer memiliki kedalaman difusi yang lebih baik dibandingkan sampel tanpa penambahan energizer seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Sampel dengan proses carburizing menggunakan kadar energizer 20% pada penelitian ini memiliki nilai kedalaman difusi lebih baik dibandingkan dengan sampel dengan penambahan energizer sebanyak 80% seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 2. Hal tersebut dapat terjadi karena pada sampel yang menggunakan energizer lebih sedikit, karbon yang berdifusi kedalam baja akan semakin banyak sehingga kedalaman difusi karbon pada baja menjadi lebih baik jika dibandingkan dengan sampel yang menggunakan energizer lebih banyak [4].
Gambar 2. Struktur Mikro Baja Sebelum Carburizing Proses carburizing dengan waktu 1 jam pada penelitian ini dengan penambahan energizer sebanyak 80% dan menggunakan temperatur carburizing diatas 850
oC memiliki nilai kedalaman difusi yang lebih baik dibandingkan dengan sampel dengan penambahan energizer sebanyak 20% dan sampel tanpa penambahan energizer. Hal tersebut menunjukan bahwa penambahan energizer memiliki peranan penting dalam difusi karbon kedalam baja dikarenakan energizer dalam proses carburizing akan membantu pembentukan karbon monoksida yang akan membuat karbon lebih mudah
berdifusi kedalam baja sehingga kedalam difusi karbon pada baja akan meningkat, namun jika menggunakan waktu carburizing yang lebih lama, energizer yang terlalu banyak memiliki dampak yang tidak baik terhadap difusi karbon kedalam baja dikarenakan jika energizer terlalu banyak maka karbon yang digunakan dalam proses carburizing akan semakin sedikit sehingga mempengaruhi nilai karbon potensial yang merupakan syarat terjadinya difusi kedalam baja. Penggunaan energizer sebanyak 80% pada proses carburizing dengan temperatur 850 oC pada penelitian ini tidak menunjukkan adanya difusi karbon kedalam permukaan baja sehingga kedalam difusi tidak dapat diukur. Berdasarkan pengujian kadar karbon pun, sampel dengan proses carburizing menggunakan energizer sebanyak 80% pada proses carburizing dengan temperatur 850 oC menunjukkan penurunan kadar karbon atau biasa disebut sebagai fenomena decarburizing.
Struktur mikro sebelum proses carburizing ditunjukkan pada Gambar 2. Struktur mikro diamati dengan menggunakan optical microscope dengan perbesaran 200x. Stuktur mikro baja SS400 yang merupakan baja karbon rendah sebelum carburizing yang didapat setelah diamati yaitu memiliki struktur mikro ferit dan perlit. Berdasarkan pengamatan struktur mikro, baja SS400 sebelum dilakukan proses carburizing akan memiliki nilai kekerasan yang rendah akibat sedikitnya karbon dalam baja.
Tabel 1. Hasil Pengujian Kekerasan
Setelah dilakukan proses carburizing, baja akan memiliki struktur yang lebih gelap akibat karbon yang berdifusi kedalam baja sehingga labih banyak terbentuknya fasa perlit. Berdasarkan pengamatan struktur mikro, baja hasil proses carburizing dengan penambahan energizer yang berbeda memiliki struktur
mikro yang berbeda seperti yang ditunjukkan Gambar 3.
Pada Gambar 3 menunjukan sampel dengan penambahan energizer sebanyak 20% memiliki fasa sementit pro eutectoid + perlit yang terbentuk akibat nilai kadar karbon pada baja yang melebihi 0,8% yaitu sebesar 1,0305%
sehingga baja berubah menjadi baja hypereutectoid, sedangkan pada sampel dengan kadar energizer 80%
hanya terbentuk fasa ferit + perlit dengan jumlah perlerlit yang lebih banyak akibat difusi karbon kedalam baja sebagai hasil proses carburizing begitu pula dengan sampel dengan proses carburizing tanpa penambahan energizer.
Gambar 3. Struktur Mikro Permukaan Baja Hasil Carburizing T=900oC, t=5 jam Perbesaran 500x Nital 3% (a) Energizer
20% (b) Energizer 80% (c) Tanpa Energizer.
Temperatur pada proses carburizing dapat meningkatkan kedalaman difusi karbon dalam baja, semakin tinggi temperatur maka nilai depth factor semakin tinggi sehingga kenaikan temperatur akan menyebabkan semakin dalamnya difusi karbon kedalam baja pada proses carburizing [1].
Waktu (Jam)
Tempe ratur
(oC)
Kekerasan
(VHN) Karbon (%)
Kedalaman Difusi
(μm)
1
850 154,5 0,2329 99
201,8 0,2349 184,1 900 122,5 0,4824 352,8 266 0,5561 296,1 950 274,7 0,6509 796,3 309 0,7102 288,3
3
850 142,4 0,1651 -
231,7 0,3628 247
900 308 0,5863 543
308 0,7278 455,3
950 347,7 0,8343 837
347,7 0,9546 898,3
5
850 183 0,1588 -
249 0,5512 400
900 347,7 0,593 625
395,6 1,0305 875 950 395,6 0,8527 1160
395,6 0,9918 1570
Semakin banyaknya karbon yang berdifusi kedalam baja akan meningkatkan nilai kekerasan permukaan baja karena sifat karbon pada paduan baja akan meningkatan nilai kekerasan. Pada penelitian ini kenaikan temperatur dapat meningkatkan nilai kekerasan permukaan baja hasil proses caburizing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Grafik Pengaruh Temperatur terhadap Nilai Kekerasan
Gambar 4 menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi nilai kekerasan yaitu pada proses carburizing dengan waktu tahan 1 jam, proses dengan menggunakan temperatur 950 oC memiliki nilai kekerasan tertinggi dibandingkan temperatur 900 oC dan 850oC yang ditunjukan oleh sumbu y primer. Peningkatan kekerasan permukaan baja hasil carburizing dikarenakan meningkatnya karbon pada permukaan baja yang dipengaruhi oleh suhu yang lebih tinggi selama proses carburizing, di mana media carburizing pada suhu yang lebih tinggi terdegradasi menjadi CO dan kemudian terdegradasi menjadi karbon aktif dapat berdifusi kedalam permukaan baja, sehingga kandungan karbon dalam baja meningkat [3].
Pengaruh temperatur pada penelitian ini umumnya menunjukkan kenaikan nilai kekerasan pada setiap variasi waktu dan kadar energizer, namun pada proses dengan menggunakan variasi waktu 1 jam dan energizer sebanyak 80% terjadi penurunan nilai kekerasan permukaan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 yang ditunjukkan sumbu y sekunder, yaitu sampel dengan temperatur carburizing 900 oC mengalami penurunan kekerasan permukaan yang seharusnya memiliki nilai kekerasan permukaan lebih tinggi dibandingkan sampel dengan temperatur carburizing 850 oC. Turunya nilai kekerasan pada proses carburizing dapat disebabkan oleh beberapa hal. Salah satu penyebabnya yaitu terjadi fenomena decarburizing yaitu berkurangnya kadar karbon pada baja yang ditandai dengan lebih tingginya nilai kekerasan pada sub permukaan dibandingkan pada permukaan baja diatasnya.
Selain pada temperatur 900 oC, pada temperatur 850
oC dengan waktu 3 jam dan 5 jam pun terjadi fenomena decarburizing seperti yang ditunjukkan Gambar 5. Pada
Gambar 5 terlihat bahwa terbentuknya ferit bebas yang seharusnya berfasa ferit + perlit akibat proses difusi karbon kedalam baja. Terjadinya fenomena decarburizing pada penelitian ini dapat disebabkan karena belum terurainya energizer CaCO3 pada temperatur 850 oC yang seharusnya secara thermodinamika CaCO3 terurai pada temperatur 897 oC sehingga potensial karbon pada atmosfer furnace lebih rendah dibandingkan potensial karbon dalam permukaan baja yang menyebabkan karbon berdifusi keluar dari permukaan baja.
Gambar 5. Struktur Mikro Baja Hasil Carburizing T=850oC Perbesaran 500x Nital 3% (a) t=3 Jam (b) t=5 Jam
Semakin tinggi temperatur yang digunakan maka nilai laju difusi pada proses carburizing akan semakin tinggi sehingga akan semakin banyak karbon yang berdifusi kedalam permukaan baja hal tersebut dikarenakan pada temperatur yang lebih tinggi, partikel bergerak lebih cepat untuk berdifusi karena lebih banyak energi aktivasi yang dibutuhkan untuk menghasilkan pergerakan difusi per satu mol atom [2].
Pengaruh peningkatan temperatur dengan mengamati struktur mikro ditunjukan pada Gambar 1. Sampel dengan proses carburizing menggunakan temperatur 950 oC memiliki warna yang lebih gelap dibandingkan dengan sampel yang proses carburizing menggunakan temperatur 900 oC dan 850 oC, hal ini dikarenakan pada sampel dengan temperatur carburizing 950 oC, difusi karbon akan lebih baik sehingga terbentuk fasa perlit + sementit, sedangkan pada sampel dengan temperatur carburizing 900 oCmenunjukan struktur mikro perlit + ferit begitupun baja dengan temperatur carburizing 850oC.
Waktu carburizing akan mempengaruhi proses carburizing. Semakin lama waktu carburizing maka kedalaman permukaan akan semakin baik [1]. Pada penelitian ini waktu mempengaruhi proses carburizing terhadap nilai kadar karbon yaitu semakin lama waktu yang digunakan maka semakin banyak karbon yang berdifusi kedalam permukaan baja seperti yang ditunjukkan Gambar 7.
Gambar 6. Struktur Mikro Baja Hasil Carburizing t=1 jam Perbesaran 200x Nital 3% (a) 950oC (b) 900 oC (c) 850 oC
Grafik pada Gambar 7 pada sampel dengan proses carburizing menggunakan energizer sebanyak 20%
menunjukan bahwa pengaruh waktu terhadap proses carburizing akan meningkatkan nilai kadar karbon pada permukaan baja hasil proses carburizing yaitu semakin lama waktu carburizing maka karbon yang masuk kedalam permukaan baja. Pengaruh waktu carburizing terhadap profil kadar karbon dengan penambahan energizer sebanyak 80% pun menunjukan hal yang sama yaitu semakin lama waktu carburizing maka karbon yang masuk kedalam permukaan baja seperti yang ditunjukkan Gambar 8. Pada Gambar 8 menunjukan grafik pengaruh waktu terhadap nilai kadar karbon pada sampel dengan
proses carburizing menggunakan energizer sebanyak 80% . Pada sampel dengan temperatur carburizing 850 oC terlihat bahwa penambahan waktu menyebabkan penurunan kadar karbon yang berdifusi kedalam permukaan baja yang mana seharusnya dengan penambahan waktu carburizing maka kadar karbon yang berdifusi kedalam sampel akan semakin banyak.
Terjadinya fenomena ini dapat disebabkan oleh terjadinya fenomena decarburizing yaitu fenomena keluarnya karbon dari baja akibat potensial karbon dalam baja lebih tinggi dibandingkan potensial karbon dalam atmosfer pada furnace.
Gambar 7. Grafik Pengaruh Waktu Tahan terhadap Kadar Karbon pada Variasi , Energizer = 20%, (a) T = 850 oC, (b) T = 900 oC, (c) T = 950 oC
Gambar 8. Pengaruh Waktu Tahan terhadap Kadar Karbon pada Variasi , Energizer = 80%, (a) T = 850 oC, (b) T = 900 oC, (c) T = 950 oC
Gambar 9. Grafik Pengaruh Waktu terhadap Nilai Kekerasan pada Variasi T = 900oC, Energizer = 20%
Gambar 10. Struktur Mikro Baja Hasil Carburizing T=900oC Perbesaran 50x Nital 3% (a) 1 Jam (b) 3 Jam (c) 5 Jam
Gambar 9 menunjukkan pengaruh waktu terhadap proses carburizing pada temperatur 900 oC dengan energizer sebanyak 20%. Semakin lama waktu carburizing maka semakin tinggi nilai kekerasan yang diberikan yaitu sampel dengan waktu 5 jam memiliki nilai kekerasan lebih tinggi dibandingkan sampel dengan waktu carburizing selama 1 jam dan 3 jam. Pengamatan struktur mikro untuk pengaruh waktu carburizing pada sampel dengan temperatur carburizing sebesar 900 oC pada setiap parameter waktu ditunjukkan pada Gambar 10.
Berdasarkan pengamatan struktur mikro yang ditunjukkan pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa waktu dapat mempengaruhi proses difusi karbon kedalam permukaan baja yaitu semakin lama waktu carburizing maka semakin banyak karbon yang berdifusi kedalam baja. Pada Gambar 12 sampel yang dengan waktu carburizing selama 5 jam memiliki struktur mikro lebih gelap dan kedalaman difusi yang lebih baik dibandingkan sampel dengan waktu carburizing 3 jam dan 1 jam.
Tingginya nilai kekerasan dan perbedaan struktur mikro pada sampel dengan waktu carburizing 5 jam dikarenakan semakin lama waktu carburizing maka semakin banyak karbon yang berdifusi kedalam baja sehingga akan meningkat kan nilai kekerasan permukaan pada baja hasil proses carburizing [1].
4. KESIMPULAN Kesimpulan penelitian ini adalah
1. Energizer dapat mempengaruhi proses carburizing yaitu meningkatkan nilai kekerasan dan kedalaman difusi serta struktur mikro pada permukaan baja hasil carburizing.
2. Kadar energizer dan karbon yang memberikan nilai kekerasan tertinggi adalah penambahan energizer sebanyak 20% dan karbon 80% dengan waktu carburizing 5 jam dan temperatur carburizing 950oC yaitu sebesar 395,6 HVN dengan kedalaman difusi sebesar 1570,7 μm.
3. Temperatur proses maksimal yang memberikan kekerasan tertinggi yaitu 950 oC dengan kekerasan sebesar 395,6 HVN dengan kedalaman difusi sebesar 1570,7 μm.
4. Waktu carburizing terbaik yaitu pada waktu carburizing selama 5 jam dengan nilai kekerasan sebesar 395,6 HVN dengan kedalaman difusi sebesar 1570,7 μm.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Canale and G. E. Totten. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components. ASM International. 2008.
[2] Calister D. William. Materials Science and Engineering.
Edisi 7, Departement of Metallurgical Engineering University of Utah. 2007.
[3] Miswanto.‘The study of low carbon steel pack carburizing using cow bone and coconut shell’. doi: 10.1088/1757- 899X/478/1/012037. 2019.
[4] Nitha. Pengaruh Proses Pack Carburizing Arang Tulang Kerbau Terhadap Sifat Mekanik Baja Karbon. Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. 2018.
[5] Davis J. Surface Hardening of Steels: Understanding the Basics. ASM International. 2002.
