49
STUDI PENGARUH CARBURIZING BAJA KARBON RENDAH DENGAN MEDIA ARANG DAN VAREASI HOLDING (PENAHANAN SUHU) TERHADAP TINGKAT
KEKERASAN DAN KEAUSAN Sudiro, ST
Sfaf Pengajar, Program Studi D3 Mesin Otomotif Politeknik Indonusa Surakarta
Jl. KH. Samanhudi No. 31 Mangkuyudan Surakarta E-mail: polinus@poltekindonusa.ac.id
Abstrak
Komponen yang dibutuhkan dalam industri permesinan maupun otomotif ada yang membutuhkan permukaan yang keras dan tahan aus dengan inti lunak. Baja yang dikeraskan dengan cara konvensional dapat menghasilkan permukaan yang kersa dan tahan aus namun getas. . Sedangkan baja yang dihasilkan dari proses carburizing tersebut cukup ulet tetapi keras dan tahan aus pada bagian permukaan. Sehingga baja dengan sifat-sifat tersebut yang sangat cocok untuk bagian-bagian atau perkakas mesin. Adapun baja yang digunakan dalam penelitian adalah baja dengan unsur kandungan carbon 0,139%C
Berdasarkan hasil penelitian maka diperoleh kekerasan tertinggi pada proses carburizing dengan media arang dan vareasi holding adalah pada suhu 900ºC adalah 800 VHN, pada suhu 950º C adalah 860 VHN, pada suhu 1000º C adalah 860 VHN. Suhu pemanasan berpengaruh besar terhadap tebal lapisan carburizing (Depth of Case Hardening disingkat DC), Dimana Dc pada suhu carburizing 900ºC adalah 400 µm. DC pada suhu carburizing 950º C adalah 700 µm. DC pada suhu carburizing 1000 ºC adalah 1250 µm. Sedangkan laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC.
Kata Kunci : Carburizing, Baja carbon, Holding I. PENDAHULUAN
Dengan berkembangnya industri-industri permesinan dan otomotif yang semakin maju dengan pesat, maka harus didukung pula dengan tersedianya bagian-bagian atau perkakas yang diperlukannya. Adapun bagian-bagian atau perkakas yang diperlukan dalam induistri permesinan dan otomotif sangat bermacam vareasinya, ada yang terbuat dari logam, plastik, viber kaca maupun bahan yang lain
yang semuanya untuk menambah
kesempurnaan suatu produk.
Adapun bahan yang dibutuhkan dalam industri permesinan maupun otomotif tersebut ada yang membutuhkan permukaan yang keras dan tahan aus dengan inti lunak. Dimana baja yang dikeraskan secara konvensional dapat menghasilkan permukaan yang keras dan tahan aus namun mempunyai kelemahan yaitu getas (kurang ulet).
Oleh karena itu diadakannya penelitian untuk mengatasi permasalah diatas, dimana penelitian ini berlangsung di PT ITOKOH Klaten, Adapun bentuk penelitian yang
dilakukan adalah pengujian dan analis dengan proses carburizing baja karbon rendah, maka bagian yang dikeraskan hanya permukaannya saja, sedang bagian inti dari baja tersebut masih tetap lunak dan ulet. Sehingga baja yang dihasilkan dari proses carburizing tersebut cukup ulet tetapi keras dan tahan aus pada bagian permukaan. Sehingga baja dengan sifat-sifat tersebut yang sangat cocok untuk bagian-bagian atau perkakas mesin.
Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan material yang keras dan tahan aus pada bagian permukaan (case) dan lunak pada inti ( tahan terhadap beban lentur), dengan proses carburizing dengan media arang dan variasi holding (penahanan suhu).
Dari penelitian yang dilakukan ini diharapkan:
a. Dengan proses carburizing dan variasi
holding yang dilakukan didapatkan material
yang keras dan tahan aus serta ulet (tahan terhadap beban lentur), sehingga dapat digunakan untuk bagian-bagian atau
50 perkakas mesin yang memerlukan sifat tersebut.
b. Dari penelitian ini diharapkan memberikan pengembangan ketrampilan bagi dosen untuk melaksanakan penelitian dalam kaitan pelaksanaan Tri Dharma Perguruan Tinggi.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Komposisi Kimia Baja
Komposisi kimia baja dapat dibagi menjadi 2 yaitu:
1. Baja karbon ( baja tanpa paduan ) 2. Baja paduan.
Baja karbon tidak hanya mengandung besi dan karbon, tetapi juga mengandung unsur lain yang tidak banyak berpengaruh terhadap sifat mekaniknya. Baja karbon 0,2% atau kurang tidak dapat dikeraskan. Untuk dikeraskan karbon harus ditambah. Dengan mendifusikan karbon agar dapat dikeraskan dengan quenching (pembentukan martensif). Proses pengerasan carburizing dibagi menjadi dua tahapan:
1. Pack (solid) carburizing. 2. Gas carburizing.
3. Liquid carburizing.
Gas-gas yang dihasilkan selama proses carburizing adalah gas monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO).
Tebal lapisan carburizing didefinisikan sebagai jarak dari permukaan kebagian dalam yang mencapai kekerasan 550 VHN, material yang dapat di carburizing adalah baja carbon rendah 0%c – 0,2%C.
Persamaan empiris yang dapat menunjukkan hubungan antara lamanya carburizing dan dalamnya pengerasan Bofors Handbook (1975), adalah:
DC = K . t
Dengan: DC = Depth of Case Hardening (tebal lapisan kekerasan)
K = Konstanta diffusi
T = Waktu carburizing (jam) Dengan bertambahnya suhu material maka bertambah pula energi getar atom. Jika energi yang tersedia besar maka proses difusi semakin besar. Besar aliran atom ( Fluks atom/J) berbanding lurus dengan gradien konsentrasi (Suharnadi 1988)
Carburizing adalah proses diffusi, menurut hokum Fick pertama.
J = -D (dC/dX) (atom/m².det) Dengan:
J = Fluks atom (atom/m².det)
D = konstanta difusivitas atom (m²/det)
DC/dX = gradien konsentrasi ((atom/m³)/det). Hukum Ficj kedua:
(dC/dt) = D (d²C/dX²) dengan: \
(dC/dt) = Difusivitas atom (mol/m/det)
D = Konstanta aktivasi molekuler (m²/det) DC/dX = Gradien konsentrasi (mol/m³/det) Menurut Boltzmann,
D = Do e Dengan:
D = Difusifitas atom (m²/det) E = Energi aktivasi (joule/atom) T = Suhu (Kelvin)
Do = Konstanta yang tergantung suhu (m²/det) Pada grafik gambar 1 dapat dijelaskan bahwa semakin tebal lapisan permukaan carburizing maka kekerasan akan naik.
Menurut Jominy (1975) unsur paduan mempunyai kontribusi besar terhadap kekerasan, seperti halnya diameter kritis yang diberikan Grossmann (1975).
Untuk pengerasan Jominy jarak 0-6 mm Jo = 60 x C + 20 HRc Untuk jarak Jominy 6-80 mm kekersan dapat dihitung.
J6-80 = 95 C - 0,0028 S C + 20 Cr + 38 Mo + 14 Mn + 16 Ni + 39 V + 96 P - 0,8 K – 12 S + 0,9 S - 13 Hrc
Dengan
J = Jominy hardness (HRc) K = ASTM grain size number S = Jominy distance
Baja karbon rendah kekerasannya rendah, sedangkan baja karbon tinggi nilai kekerasan nya juga tinggi. Material dipanaskan pada fase austenit (), ditahan pada fase tersebut kemudian dimasukkan kedalam zat cair. Hanya austenit yang dapat berubah menjadi martensif yang keras dan getas. Austenit adalah fase yang terbentuk pada suhu 723C - 1400C.
Keausan adalah ketahanan material untuk menahan gesekan. Material dikatakan tahan aus apabila tahan terhadap gesekan. Material hasil carburizing diuji kekerasan mikro vikers, dengan penumbuk piramida intan segi empat. Nilai kekerasan VHN ditentukan dari persamaan berikut :
51 Dengan :
P = Beban yang digunakan (kg) L = Panjang diagonal rata-rata (mm) π = Sudut antara permukaan intan yang berlawanan.
2.2. Penelitian Sebelumnya
Lakthin (1996), melakukan percobaan menggunakan metode nitriding atau pelapisan nitride. Perubahan disosiasi ammonia (potensial nitrogen) didalam dapur untuk semua nitriding dapat dikontrol dengan fase komposisi dan konsentrasi nitrogen π fase, dimana beberapa bagian mesin seperti cilynder liner, worms gear dengan permukaan yang sangat keras terbuat dari baja 38 Kh 2 M YUA. Dengan kekerasan permukaan (1100 Hv – 1200 Hv) dengan lapisan nitrat pada suhu 500˚C - 520˚C ditahan pada suhu tersebut selama 24 – 60 jam dan menghasilkan rumus sebagai berikut :
Potensial nitrogen: (π ) = ( P ) / ( P )
Dengan: π = Potensial nitrogen P = Tekanan parsial
Disosiasi ammonia dalam nitriding naik 50% - 60% akan mempunyai harga kekerasan permukaan sangat tinggi, dan kenaikan disosiasi 80% - 90% dilakukan untuk internal nitriding. Hal ini juga dibuktikan oleh ilmuwan yang telah melakukan percobaan ini.
Ryzhov (1996), dengan percobaannya mengenai carbo-nitriding menghasilkan bahwa pelapisan secara difusi dengan karbon dan nitrogen akan meningkatkan kekerasan pada sisi luar.
Kogan dkk (1996), menghasilkan perlakuan chemicothermal baja karbon dibawah kondisi Self-Propagating Hight temperature
Syntesis (SHS). Sistem berbanding lurus dengan
kenaikan kekerasan permukaan dan penggunaan metode carburizing akan menaikkan ketahanan terhadap keausan.
Savanov (1996), dalam penelitiannya menggunakan laser untuk proses case hardening. Energi yang dimiliki laser lebih
besar dari energi panas yang lain. Laser disini berfungsi untuk mempercepat difusi karbon kedalam permukaan baja.
Suherman (1991), dalam penelitiannya dengan proses case hardening kekerasan pada sisi-sisinya 1100 – 1200 VHN atau 62 – 65 HRc, dan turun pada tengahnya.
Suharnadi (1988), pada penelitiannya keaktifan arang kayu lebih tinggi dibanding arang tempurung kelapa. Semakin lama proses
penyemenan, lapisan semen semakin tebal, dan kadar karbonnya semakin tinggi.
Supriyono (2002), pada penelitiannya takik dengan pengarbonan menaikkan sifat lelah dan kekerasan pada kulit lebih keras dibanding pada tengahnya. Suhu optimal yang digunakan 930˚C dengan waktu penahanan 4 jam.
III. METODE PENELITIAN
Metode yang Digunakan
Metode penelitian yang digunakan dalam kegiatan ini dapat dibuatkan diagram alir sebagai berikut:
Alat Bahan dan Prosedur Pengujian
Dalam penelitian ini menggunakan metode eksperimental dilaboratorium. Adapun alat dan bahan penelitian yang diperlukan adalah sebagai berikut:
Bahan yang digunakan dalam penelitianini yaitu :
1. Baja karbon dengan unsur kandungan 0,139% C
2. Serbuk karbon media arang. 3. Energizer soda abu (Na CO ) Alat penelitiannya adalah :
1. Kekerasan mikro untuk melihat hasil percobaan carburizing
2. Mikroskop optik untuk melihat struktur mikro specimen hasil carburizing.
3. Mesin keausan untuk mengetahui laju keausan specimen carburizing.
4. Timbangan untuk menimbang specimen sebelum diuji laju keausan dan sesudah.
52 5. Dapur pemanas untuk melakukan
pemanasan carburizing.
Adapun pelaksanaan penelitian dapat diterangkan sebagai berikut :
a. Mula-mula material dibuat ukuran 2 cm x 2 cm dan tinggi 0,5 cm.
b. Di uji komposisi spesimen.
c. Dibuatkan silinder carburizer dengan diameter 5 cm dan tinggi 7cm.
d. Spesimen diletakkan dalam silinder carburizing, carbon ditaburkan sampai rata kemudian dipadatkan, dan ditutup rata. e. Dimasukkan dapur, sampai suhu yang
diinginkan, dan ditahan pada suhu tersebut. f. Kemudian didinginkan dalam dapur
tersebut.
g. Spesimen masuk dapur lagi sampai fase austenet, kemudian dimasukkan dalam air.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pengujian Komposisi Material Uji
Data hasil pengujian komposisi kimia dari material uji (Baja) yang dilakukan pada laboratorium pengujian bahan di PT ITOKOH Klaten adalah sebagai berikut:
Data Hasil Pengujian
1. Pengujian kekerasan lapisan hasil
carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 900 ºC pada penahanan 2 jam. Kekerasan
(VHN)
Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ)
780 50 800 100 800 150 770 200 760 250 760 310 580 370 410 430 310 490 300 550 310 650 320 750 310 850 320 950 290 1050 250 1340 300 1630 310 1920 350 2210 360 2500 370 2740 380 2980 390 3220 390 3460 400 3700 400 3800 410 3900 420 4000 600 4100 750 4200 770 4250 780 4300 790 4350 800 4400 800 4450
2. Pengujian kekerasan lapisan hasil
carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 950 ºC dan penahanan selama 2 jam.
Kekerasan (VHN)
Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ)
750 50 760 100 770 150 760 200 750 250 740 310 730 370 710 430 690 490 580 550 550 650 420 750 400 850 380 950 360 1050 340 1340 320 1630
53 300 1920 380 2210 400 2500 420 2740 440 2980 460 3220 480 3460 500 3700 540 3800 560 3900 620 4000 620 4100 720 4200 800 4250 820 4300 830 4350 840 4400 860 4450
3. Pengujian kekerasan lapisan hasil carburizing dengan metode Vikers dengan suhu proses 1000 ºC dan penahanan selama 2 jam
Kekerasan (VHN)
Jarak injakan identasi specimen dari tepi (µ)
860 50 860 100 860 150 840 200 800 250 800 310 800 370 780 430 760 490 700 550 680 650 500 750 420 850 400 950 420 1050 440 1340 460 1630 480 1920 500 2210 590 2500 620 2740 640 2980 660 3220 700 3460 800 3700 820 3800 820 3900 820 4000 840 4100 840 4200 840 4250 860 4300 860 4350 850 4400 850 4450
4. Data hasil pengujian pada nilai keausan Suhu Carburizing (ºC) Laju keausan (gr/mnt) 900 0,12 950 0,075 1000 0,0477
5. Data struktur mikro
Nilai Kekerasan
Dilihat dari data hasil uji maupun grafik pada pengujian kekerasan untuk baja yang mengalami proses carburizing adalah sebagai berikut :
a. Pada suhu proses 900ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam
Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan sisinya lebih tinggi disbanding kekerasan tengahnya. Dimana kekerasan tertinggi sebesar 800 VHN dan kemudian mengalami penurunan sampai pada 250 VHN pada jarak injakan ipedensi sebesar 1340 µ.
b. Pada suhu proses 950ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam
Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan tertinggi sebesar 860 VHN pada sisi luar dan turun sampai dengan 300 VHN
54 pada jarak injakan ipedensi sebesar 1920 µ, dan kekerasannya naik lagi sampai 860 VHN pada jarak 4450 µ atau pada sisi tepinya.
c. Pada suhu proses 1000ºC dengan penahanan suhu selama 2 jam
Pada proses ini menunjukkan bahwa kekerasan yang dihasilkan adalah tertinggi sebesar 860 VHN, dam mengalami penurunan sampai 400 VHN pada jarak injakan ipedensi sebesar 950 µ. Serta mengalami kenaikan lagi.
Nilai Keausan
Dari data hasil pengujian dengan menggunakan mesin keausan maka didapat laju keausan baja carburizing dengan menggunakan media arang dan penahanan suhu adalah sebagai berikut :
Dimana pada data diperoleh bahwa laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC.
Struktur Mikro
Pada metalurgrafi struktur mikro dengan media carburizer arang adalah sebagai berikut : a. Pada suhu proses 900ºC.
Dapat dilihat pada data bahwa struktur mikro yaitu daerah hyper eutectoid fasanya martensit tetapi sedikit perlit, sedangkan daerah hypoeutectoit fasanya
perlit dan ferit
b. Pada suhu proses 950ºC.
Sedangkan struktur mikro pada suhu proses 950ºC daerah hyper eutectoid fasanya adalah martensit.. Sedangkan daerah hypoeutectoit fasanya ferit c. Pada Suhu proses 1000ºC
Untuk struktur mikra pada suhu proses 1000ºC adalah fasa martensit lebih dominan pada daerah hyper eutectoit . Seangkan pada daerah hypoeutectoit
fasanya ferit
V. KESIMPULAN Kesimpulan
Berdasarkan hasil peelitian dan pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikuit :
1. Kekerasan tertinggi pada proses carburizing dengan media arang dan vareasi holding adalah :
- Pada pemanasan dengan suhu 900ºC adalah 800 VHN
- Pada pemanasan dengan suhu 950º C adalah 860 VHN
- Pada pemanasan dengan suhu 1000º C adalah 860 VHN
2. Suhu pemanasan berpengaruh besar
terhadap tebal lapisan carburizing (Depth of Case Hardening disingkat DC), Dimana Dc pada suhu carburizing 900 adalah 400 m. Dc pada suhu carburizing 950 C adalah 700 m. DC pada suhu carburizing 1000 C adalah 1250 m.
3. Sedangkan laju keausan adalah 0,0477 gr/mnt pada suhu proses 1000ºC, 0,075 gr/ mnt pada suhu proses 950ºC dan 0,12 gr/mnt pada suhu proses 900ºC.
Saran
1. Untuk mendapatkan hasil perbandingan yang baik pada proses carburizing maka diperlukan dilakukan penelitian dengan menggunakan media carburizer lain seperti kokas atau batu bara sehingga akan diperoleh vareasi hasil sebagai perbandingan.
DARTAR PUSTAKA
Supriyono, 2000 “ Pengaruh Pengarbonan Dengan Media Limbah Kayu Terhadap Sifat Lelah Baja Poros bertakik” Tesis S2 Pasca Sarjana UGM, Yogyakarta.
Lakhtin, Y. M., 1996, “ Control Of The Phase Composition and Nitrogen Content In The Nitide Layer In The Nitriding Of Steel 38 Kh2MyuA” Journal Metalurgy, Vol 38, hal 6.
Savanov, A. N., 1996, “ Structure and Microhardness Of The Surface Layer Of Iron-carbon Alloys After Laser Heat Treatment” Journal Metalurgy, Vol 38, hal 68.
Setiawan, N. A., 1995 “Flame Hardening” Makalah Seminar Skripsi, ITS, Surabaya.
Suharnadi, B., 1988, “ Penyemenan Baja Dengan Media Arang” Skripsi S-1, UGM, Yogyakarta. MEDIA TEKNIK No. 1 Tahun XXV Edisi Februari 2003, FT UGM, Yogyakarta.
55 Suherman, W., 1991 “ Treatment Material Baja Ferro dan Non Ferro” ITS, Surabaya.
Duarse, I., 1996, “ Pengaruh Case Hardening Dengan Metode Pack carburizing Pada Baja ASSAb 7210 M Terhadap Kelelahan Material”
Makalah Seminar Skripsi, ITS, Surabaya.
Kogan , Y. D .et al, 1996, “ Preparing Boronized Coating Under The Conditions Of Self-propagating High Temperature Synthesis” Journal Metalurgy, Vol 38, hal 20.
Ryzhov, V. E. N. M. et al., 1996, “Combined System For Controling Ion Cyanidation” Journal Metalurgy, Vol 38, hal 12.
Karl et all, 1975, “ Steel and Its heat Treatment” Bofors Hand Book Butterworths, London Sydney Welington, Dueban, Toronto.
