PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT

(1)

PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT

DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA

KARBON SEDANG

UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DISUSUN OLEH :

SURYA ANDHIKA

070401037

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pengaruh pengerolan panas dan tingkat deformasi

terhadap sifat mekanis baja karbon sedang untuk mata pisau pemanen sawit.

Tujuan penelitian adalah mengamati pengaruh pengerolan panas dan tingkat

deformasi terhadap sifat mekanis bahan, mengetahui pengaruh ukuran butiran

terhadap sifat mekanis dan melihat apakah baja karbon sedang yang telah diproses

dengan perlakuan pengerolan panas memiliki sifat mekanis lebih baik dari bahan

baku yang biasa digunakan. Perbaikan sifat mekanis baja AISI 1060 untuk bahan

mata pisau pemanen sawit dilakukan dengan metode pengerolan panas. Kajian

termomekanikal dilakukan pada temperatur (750

0

C, 800

0

C, 850

0

C, 900

0

C dan

950

0

C) dan tingkat deformasi (5%, 10%, 15% dan 20%) berurutan. Hasil

pengujian memperlihatkan bahwa nilai kekerasan optimal yang diperoleh adalah

420 BHN pada suhu 800

0

C dan deformasi 20%. Hasil pengujian tarik diperoleh

tegangan batas 1.019 MPa dan tegangan luluh 651,31 MPa. Sedangkan hasil

mikrostruktur memeperlihatkan diameter butiran rata-

rata 4,95 μm. Dari hasil

penelitian dapat disimpulkan bahwa pengaruh perlakuan pengerolan panas dan

tingkat deformasi terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara

kekerasan dan kekuatan tarik berbanding lurus dimana semakin meningkat nilai

kekerasan maka kekuatan tariknya juga akan meningkat. Korelasi ukuran butir

terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara kekerasan dan ukuran

butir berbanding terbalik, dimana semakin kecil ukuran butir maka kekerasan

bahan akan semakin meningkat, sedangkan untuk hubungan antara kekuatan tarik

dan ukuran butir berbanding terbalik juga dimana semakin kecil ukuran butir

maka bahan akan semakin ulet. Sifat mekanis baja karbon sedang setelah

dilakukan proses pengerolan panas memperlihatkan kenaikan sifat mekanis

dibanding bahan baku.

(7)

ABSTRACT

Has done research on the impact of hot rolling and deformation rate on the

mechanical properties of medium carbon steel for the blade palm harvesters. The

research objective was to observe the effect of hot rolling and the degree of

deformation of the mechanical properties of the material, determine the effect of

particle size on the mechanical properties and see if the medium carbon steel that

has been processed by hot rolling treatment have better mechanical properties than

the raw materials used. Improvement of mechanical properties of AISI 1060 steel

for the blade material made with palm harvesters hot rolling method.

Termomekanikal study performed at a temperature (7500C, 8000C, 8500C,

9000C and 9500C) and the degree of deformation (5%, 10%, 15% and 20%)

respectively. The test results showed that the optimal hardness value obtained is

420 BHN at 8000C temperature and deformation of 20%. Test results obtained

tensile stress limit 1019 MPa and 651.31 MPa yield stress. While the results of

microstructural

memeperlihatkan average grain diameter of 4.95 μm. From the

research it can be concluded that the effect of heat treatment and rolling

deformation rate on the mechanical properties of the obtained relationship

between hardness and tensile strength which is proportional increases the hardness

value will also increase the power of attraction. Correlation of grain size on the

mechanical properties of the obtained relationship between hardness and grain

size is inversely proportional, where the smaller the grain size of the material

hardness will increase, while the relationship between tensile strength and

inversely proportional to the grain size is also where the smaller the grain size of

the material will be more tenacious. The mechanical properties of carbon steel

was after hot rolling process showed an increase compared to the mechanical

properties of materials.

(8)

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulilah saya panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah

memberikan nikmat kesehatan, dan kesempatan sehingga tugas sarjana ini dapat selesai

pada waktunya. Tugas sarjana yang berjudul “Pengaruh Pengerolan Panas dan Tingkat Deformasi Terhadap Sifat Mekanis Baja Karbon Sedang Untuk Mata Pisau Pemanen Sawit” ini dimaksudkan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin –

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Tugas sarjana ini berisikan penelitian yang berhubungan dengan pembentukan

ukuran butiran pada skala mikro dengan mengabungkan antara perlakuan panas dan

proses pengerolan terhadap material baja karbon sedang sehingga diharapkan terjadi

perubahan sifat-sifat mekanis pada material tersebut.

Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan,

saya banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu,

dalam kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada :

1. Kedua orangtua saya, Bapak Darmanto dan Ibu Eny Supiyati yang telah memberikan

perhatian, do’a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, dan tidak lupa

Reni Ayu Lestari Ginting yang selalu memberikan semangat setiap saat.

2. Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT selaku dosen pembimbing tugas sarjana yang telah banyak membantu menyumbang pikiran dan meluangkan waktunya dalam

memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

3. Bapak DR. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin,

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, Ibu

Ismawati, Kak Sonta, Bapak Syawal, Bang Sarjana, dan Bang Lilik yang telah

banyak membantu dan memberikan ilmu selama perkuliahan.

5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Fuad Affiz, Arief Murtiono, Darwin R.

Hasibuan dan Ahmad Azhari . Penelitian ini merupakan suatu kesempatan yang

sangat berharga bagi saya untuk dapat meningkatkan ilmu, dan kualitas, serta

(9)

6. Seluruh teman – teman stambuk 2007 terutama yang begitu setia menunggu kami

untuk tamat bersama-sama, Arifin F. Lubis, Mirsal Lubis, Ricky Miraza,

Masniarman, Indra Agustian, Palvis, Ningsih dan lainnya yang namanya tidak dapat

saya sebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan baik selama

perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini.

Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab

itu, saran dan kritik dari pembaca sekalian sangat diharapkan demi kesempurnaan skrispi

ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat dan berguna bagi semua pihak.

Medan, 12 Juli 2012

Surya Andhika

(10)

DAFTAR ISI

LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING ... i

SPESIFIKASI TUGAS ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

ABSTRAK ... v

DAFTAR ISI... vii

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR NOTASI ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 4

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Batasan Masalah ... 5

(11)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Baja ... 7

2.1.1 Proses Pembuatan Baja ... 8

2.1.1.1 Dapur Baja Oksigen (Proses Bessemer) ... 9

2.1.1.2 Dapur Baja Terbuka (Siemens Martin) ... 12

2.1.1.3 Dapur Baja Listrik ... 12

2.1.2 Klasifikasi Baja ... 13

2.1.2.1 Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel) ... 13

2.1.2.2 Baja Karbon Sedang (Medium Carbon Steel) ... 14

2.1.2.3 Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) ... 14

2.1.3 Sifat-sifat Baja ... 15

2.1.3.1 Sifat Kimia ... 15

2.1.3.2 Sifat Teknologi ... 15

2.1.3.3 Sifat Mekanik ... 16

2.1.3.3.1 Kekuatan (Strength) ... 16

2.1.3.3.2 Kekerasan (Hardness) ... 16

2.1.3.3.3 Kekenyalan (Elasticity) ... 16

2.1.3.3.4 Kekakuan (Stiffness) ... 17

2.1.3.3.5 Plastisitas (Plasticity) ... 17

2.1.3.3.6 Ketangguhan (Toughness) ... 17

2.1.3.3.7 Kelelahan (Fatigue) ... 18

(12)

2.1.4 Diagram Fasa Fe-C ... 18

2.1.4.1 Delta Iron (Delta ferrite) ... 21

2.1.4.2 Ferrite (α) ... 22

2.1.4.3 Cementite (Fe3C) ... 22

2.1.4.4 Pearlite (α + Fe3C) ... 23

2.1.4.5 Austenite (γ) ... 24

2.1.4.6 Eutectic, Hipo-Eutectoid dan Hyper-Eutectoid ... 24

2.2 Proses Pembentukan Logam ... 25

2.2.1 Proses Pengerjaan Panas... 28

2.2.1.1 Pengerasan (Hardening) ... 32

2.2.1.2 Pelunakan (Annealing) ... 32

2.2.1.3 Normalizing ... 33

2.2.1.4 Full Annealing ... 34

2.2.1.5 Spheroidzing ... 34

2.2.2 Proses Pengerjaan Dingin ... 42

2.3 Pengujian Sifat Mekanis Logam ... 47

2.3.1 Pengujian Tarik ... 47

2.3.2 Pengujian Kekerasan ... 50

2.3.3 Analisa Struktur Butir ... 51

2.3.4 Pertumbuhan Struktur Butir ... 52

2.3.5 Perhitungan Diameter Butir ... 53

(13)

3.1 Waktu dan Tempat ... 55

3.2 Alat dan Bahan ... 55

3.2.1 Alat ... 55

3.2.2 Bahan ... 56

3.3 Spesifikasi Spesimen ... 56

3.4 Perlakuan Termomekanikal ... 57

3.5 Pengujian ... 60

3.5.1 Pengujian Kekerasan ... 60

3.5.2 Pengujian Tarik ... 61

3.5.3 Pengujian Metalografi ... 62

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 64

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 65

4.1 Hasil ... 65

4.1.1 Hasil Uji Kekerasan ... 65

4.1.2 Hasil Uji Tarik ... 67

4.1.3 Hasil Pengujian Metalografi ... 69

4.2 Pembahasan ... 71

4.2.1 Hubungan Antara Kekerasan dengan Kekuatan Tarik ... 71

4.2.2 Hubungan Diameter Butir dengan Kekerasan dan Kekuatan Tarik ... 72

4.3 Penguraian Gaya yang Terjadi Saat Pemotongan ... 73

(14)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 89

5.1 Kesimpulan... 89

5.2 Saran ... 89

DAFTAR PUSTAKA

(15)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proses Pengerjaan Baja pada Dapur Tinggi ...

11 Gambar 2.2 Diagram Fasa Fe-C ...

20 Gambar 2.3 Struktur Mikro

Delta Ferrit

...

21 Gambar 2.4 Mikro Struktur

Ferrite

...

22 Gambar 2.5 Mikro Struktur

Cementite

...

23 Gambar 2.6 Mikro Struktur

Pearlite

...

24 Gambar 2.7 Diagram Fasa Fe-Fe3C pada Daerah

Eutectoid

...

33 Gambar 2.8 Proses Pengerolan Datar...

35 Gambar 2.9 Skema Perolingan ...

36 Gambar 2.10 Proses Roling dan Hasilnya...

37 Gambar 2.11 Tahapan Perolingan ...

38 Gambar 2.12 Mesin Roling ...

40 Gambar 2.13 Hasil Roling Panas ...

41 Gambar 2.14 Kurva Tegangan Regangan Baja Karbon Sedang Perlakuan Rolling

pada Temperatur 800° C Deformasi 20%...

47 Gambar 2.15 Perhitungan Butiran Menggunakan Metode Planimetri (Sumber:

ASTM E 112-96, 200) ...

53 Gambar 3.1 Spesimen (a) Uji Kekerasan dan Metalogafi (b) Dimensi

Spesimen ...

56

(16)

Gambar 3.3 Pemanasan Spesimen di Dalam

Furnace

...

57 Gambar 3.4 Alat Rol ...

58 Gambar 3.5 Ilustrasi Proses Termomekanik ...

59 Gambar 3.6 Alat Uji Brinell ...

61 Gambar 3.7 Alat Uji Tarik

Torsee Type AMU-10

...

62 Gambar 3.8 Mikroskop Optic ...

63 Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ...

64 Gambar 4.1 Hubungan Antara Temperatur dan Deformasi Terhadap Nilai

Kekerasan ...

67 Gambar 4.2 Grafik Pengujian Tarik ...

68 Gambar 4.3 Foto Mikro (a) RAW Material (b) 800° C 20% (c) 800° C 10% (d)

950° C 20% (perbesaran 500x) ...

70 Gambar 4.5 Hubungan Antara Kekerasan dengan Tegangan Batas (

ultimate

strength

) ...

71 Gambar 4.6 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekerasan ...

72 Gambar 4.7 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekuatan Tarik ...

73 Gambar 4.8 Skema Penguraian Gaya F - N ...

74 Gambar 4.9 Penguraian Gaya F – N pada Sumbu x dan Sumbu y ...

75 Gambar 4.10 Penguraian Momen ...

76 Gambar 4.11 Penguraian Gaya F Terhadap Sudut θ

...

76

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Hubungan antara Perbesaran yang Digunakan dengan Pengali

Jeffries ...

54 Tabel 3.1 Spesifikasi

Furnace

...

57 Tabel 3.2 Spesifikasi Alat Rol ...

58 Tabel 3.3 Spesifikasi Alat Uji

Brinell

...

61 Tabel 3.4 Spesifikasi Alat Uji Tarik ...

62 Tabel 4.1 Pengujian Kekerasan Berdasarkan Skala Brinell ...

65 Tabel 4.2 Hasil Uji Tarik Pada 3 Perlakuan Optimal...

69

(18)

DAFTAR NOTASI

Lambang Keterangan Satuan

A luas penampang mm2

d diameter butir μm

D Diameter mm2

ε Regangan %

f pengali Jeffries butiran/mm2

F gaya tarik N

L Panjang mm

σ Tegangan MPa

N jumlah butir -

Δ Perubahan -