Laporan Tugas Akhir (MM091381) Pengaruh Kecepatan Potong Pada Turning Process Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja AISI 4340

Laporan Tugas Akhir (MM091381)

Pengaruh Kecepatan Potong Pada

Turning Process

Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja

AISI 4340

Gita Primasari

27 08 1000 76

Dosen Pembimbing:

Ir. Muctar Karokaro, M.Sc.

Budi Agung K. , ST. , M.Sc

.

JURUSAN TEKNIK MATERIAL FAN METALURGI

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2012

Abstrak

Pengerasan permukaan dapat dikatakan sebagai proses laku

panas untuk diperolah kekerasan hanya pada permukaannya saja.

Dengan model pendekatan baru

surface hardening by machining

yaitu

baja dibubut dengan kondisi pemotongan tertentu agar dihasilkan

kekerasan permukaan yang tertentu pula. Peningkatan temperatur pada

permukaan baja dapat diperolah akibat terjadinya gesekan antara mata

pahat dengan benda kerja. Dari gesekan ini diperoleh sumber panas

utama yang memunculkan

white layer

dengan sebagian struktur mikro

metastabil yaitu banit maupun martensit.

Suatu penelitian dilakukan untuk mengetahui bagaimana

pengaruh kecepatan potong pada turning process terhadap kekerasan

dan kedalaman pengerasan baja AISI 4340. Dengan pendinginan udara

(

normalizing

) yang kemudian dilakukan Pengujian mekanik dengan

menggunakan microhardness tester untuk melihat sifat mekanik yaitu

kekerasan dan kedalaman pengerasan. Dilakukan pula uji karakterisasi

menggunakan uji makro, uji mikro, serta uji XRD.

Berdasarkan hasil penelitian, pengerasan permukaan yang optimal dihasilkan dari turning process dengan variasi kecepatan potong 2500 mm/s. Dengan kekerasan pada permukaan 520 HV (50,5 HRC) dengan pengerasan permukaan yang dihasilkan sebesar 33,67% dari daerah

bulknya. Dihasilkan pula gradien kedalaman pengerasan yang paling tinggi pada kecepatan potong ini.

Latar Belakang

Banyak komponen presisi yang terbuat dari baja 4340 yang menghendaki

kekerasan permukaan yang tinggi agar tahan terhadap deformasi plastis

maupun gesekan saat menjalankan fungsinnya. Sehingga dibutuhkan adanya

pengerasan hanya pada permukaannya saja.

Maka sebuah pendekatan baru yaitu

surface hardening by machining

,

pengerasan permukaan pada proses permesinan dengan turning process

atau pada industri sering dikenal dengan sebutan hard turning. Pada

pendekatannya, gesekan yang dilkukan antara mata pahat dan benda kerja

mampu menghasilkan sumber panas utama. Sumber panas utama inilah

menentukan proses laku panas yang dapat terjadi pada benda kerjanya.

Rumusan Masalah

1

• Bagaimana pengaruh kecepatan

potong terhadap kekerasan

permukaan AISI 4340.

2

• Bagaimana distribusi kekerasan

akibat kecepatan potong.

Batasan Masalah

• Baja AISI 4340 yang dianggap homogen tanpa

perlakuan.

1

• Sudut pemotongan dan kedalaman potong

pada mesin bubut dianggap konstan.

2

• Pengaruh kondisi lingkungan diabaikan.

3

• Efek regangan plastik dan laju regangan

diabaikan

Tujuan Penelitian

menganalisa

pengaruh

kecepatan

potong

terhadap struktur mikro yang dihasilkan,

pengaruh terhadap sifat mekanis dengan

melihat kekerasan, distribusi kekerasan, dan

pengaruh

perbedaan

kecepatan

potong

terhadap ketebalan

white layer

dengan struktur

mikro

dan

struktur

makro

pada

hasil

White Layer

Modifikasi permukaan terjadi karena panas lokal dan

kecepatan thermal pada pengerjaan panas yang dihasilkan

dengan transformasi metalurgi dan mungkin interaksi kimia.

Jenis permasalahan menarik upaya substansial yang

disebut “

surface integrity

”. Istilah ini meliputi semua aspek

pada permukaan seperti surface finishing, perubahan

metalurgi dan tegangan sisa. Penyebutan

white layer

dikarekanakan ketahanannya terhadap standard etsa dan

tampak putih dibawah mikroskop optik.

White Layer

Surface profile Feed Modulation White layer Dark layer Bulk

Gambar 1

Struktur transformasi fasa pada proses permesinan

pemukaan baja AISI 4340 (Chou, 2002)

Transformasi austenit Baja AISI

4340

I-T Diagram untuk

Shallow

Hardening

Gambar 2.3

kurva pendinginan di permukaan dan sumbu bagian suatu benda

disuperimpose pada diagram transformasinnya, menggambarkan kondisi

pengerasan

shallow hardening

Model Pengerasan Pemukaan

dengan Thermomekanik

Gambar3 menunjukkan model

pemotongan dengan kecepatan (v) pada sepanjang bidang keausan tepi pahat (VB). Panas yang ditimbulkan selama proses pembubutan (pada zona ii) akan dirambatkan ke dalam benda kerja,

kemudian setelah kontak (zona iii), panas secara cepat dibuang melalui pendinginan udara lingkungan.

Gambar 4 Geometri model thermal yang

ditunjukkan flank wear sumber panas gesekan dalam persegi pada pengerjaan permukaan (Chou, 1999)

Geometri Model Pengerasan

Siklus

Surface hardening

secara

Thermomekanik

Gambar 5 Perubahan temperatur pada permukaan mesin (A_c : temperatur

Gambar 6 Transient suhu dan waktu pada baja AISI 4340 (Chou, 2002)

Gambar 7 Hubungan kecepatan

potong dengan kedalaman white layer

Gambar 2.15 Hubungan kekerasan menggunakan Microhardness dengan

Penelitian Terkait Turning Process



Pada Baja AISI 4340 kekerasan pada white layer meningkat mendekati

525 HK

₅₀₀

(49HRC) dan 300 HK

₅₀₀

(28 HRC) pada daerah

bulk

. Hasil

kekerasan yang didapatkan bukan merupakan

hasil kekerasan

maksimum pada lapisan yang dikeraskan, karena strukturmikronya

tidak seluruhnya martensit.

(Chou 2002)



Pada percobaan

turning process

pada Baja AISI 52100 dengan diameter

19,05 mm dan panjang 67,2 mm. Dapat diketahui bahwa

kekerasan

white layer dapat lebih keras 30% dari daerah bulk

dan daerah dark

layer dapat lebih lunak 60% dari daerah bulk. (Guo, 2004)



Pada baja AISI 4337 yang diberi perlakuan

turning process

dan di

quenching dengan air mengalami peningkatan kekerasan dari kekerasan

awal raw material 37 HRC menjadi 51,7 HRC. dibandingkan dengan

proses konvensional (induksi maupun

case hardening

) terhadap bahan

yang sama kekerasannya bisa mencapai 55 HRC (Bagus, 2007)

Metodologi

_Persiapan start spesimen Pemotongan AISI 4340 V = 1800 mm/dtk d =.2 mm V = 2000 mm/dtkd = 0.2 mm V = 2250 mm/dtk d = 0.2 mm V = 2500 m m/dtkd = 0.2 mm Pengujian spesimen

MikroHardness XRD Makro Struktur Mikro

Pengumpulan Data

Analisa dan Pembahasan Kesimpulan

Bahan

Gambar 3.1 (a) spesimen baja AISI 4340 (b) dimensi baja AISI 4340

1. Benda kerja yang digunakan ialah 4 buah batang baja

AISI 4340 dengan masing-masing penampang ϕ 19 x

200 mm.

(b) (a) 200 mm  19m m

Tabel 3.2 Komposisi Baja AISI 4340

Komposisi Baja AISI 4340 (_V155)(_VCN150)

Carbon 0,34% Silikon 0,3% Mangan 0,6% Crom 1,5% Molidenum 0,2% Nickel 1,5%

(sumber: PT. Bhinneka Bajanas, Bohler High Grade Steel)

2. Serbuk Alumina

Alumina ini berfungsi untuk menghilangkan

goresan pada spesimen setelah dipoles

3. Larutan Picral

Zat kimia yang digunakan adalah Picral yang

berfungsi untuk memunculkan struktur pada

material yang telah mengalami pengerasan

permukaan dengan mengkorosikannya.

Alat

No Nama Mesin/Alat Kegunaan

1 Mesin Turning Proses Turning/Bubut 2 Hardness Tester Alat uji kekerasan

3 Jangka sorong Pengukuran geometri benda kerja 3 Thermokopel Mengukur temperatur

5 Mesin Gerinda pahat Pembentuk bidang

6 Mesin Gerinda potong Pemotong benda kerja objek mikroskop

7 Mesin Polishing Penghalus permukaan spesimen benda kerja objek mikroskop

8 Kertas gosok (grade 120

sampai 2000) Penghalus permukaan spersimen setelah proses grinding. Dimana grade 120 memiliki tingkat kekasaran yang tinggi, sedangan grade 2000

mempunyai permukaan yang halus. 9 Kain blundru Berfungsi pada saat memoles

spesimen dan digunakan pada saai finishing sebelum spesimen di etsa/ 10 Gelas ukur Mengukur zat kimia atau larutan yang

digunakan untuk proses etching. 11 Mikroskop Optik Untuk mengamati struktur mikro dan

grain size dengan pembesaran tertentu. 12 Kamera digital Untuk uji makro

12 Mesin Uji Difraksi

Sinar-X (Sinar-XRD) Untuk analisis kualitatif (identifikasi unsur tunggal dan senyawa) dan analisis kuanitatif (penentuan

komposisi, ukuran kristal, regangan, tegangan sisa)

Proses

Turning

4 Buah Batang AISI 4340 ( 19 x200 mm) Dikikir Dipotong Penumpulan mata pahat: Membuat Program pada CNC Proses Bubut divariasikan pd V= 1800;2000;2250;2500 (mm/s) Pendinginan Udara

Pengujian



Pengujian Makro & Mikro

Diampelas (grade 120-2000) – dipolish dengan alumina – di

etsa menggunakan picral – dibilas dengan alkohol --

pengambilan gambar Mikro dengan mikroskop optik.

Gambar Makro dilakukan dengan kamera biasa.

Gambar 3.5

Jalan Sinar Pada

Pengamatan Metallography



Pengujian Mikro Indetation Hardness

HV = 1.8544



P/d

2

Gambar 3.7 Jarak minimum untuk

indentasi Microhardness Vickers

Sehingga untuk pengujian

kekerasan Baja AISI 4340 dengan

proses

turning

adalah sebagai

berikut:

D = 17 mm = 17000 µm

R = 8, 5 mm = 8500 µm

d = 47,39 µm

jarak minimum indentasi antar titik

= 142,17 µm (dari tepi) atau 189,56

µm (dari perpotongan diagonal).

Gambar Pengujian Hardness

5 4 3 2 1 1 ₂ 3 4 5

 Pengujian XRD

Semakin tinggi peak dari hasil pengujian XRD, semakin banyak

pula kemungkinan fasa yang terbentuk.

2d sin θ = nλ ; n = 1,2,3

Untuk mengetahuli ukuran kristal dari Ukuran kristal dari Baja 4340 diketahui dari persamaan Scherer.:

D =

_{𝐵 cos θ}

0,9 λ

………..(4.1)

Dimana

λ

adalah panjang gelombang radiasi (Ǻ),

B

adalah

Full

Width at Half Maximum

(rad4.) dan

ө

adalah sudut Bragg (

o

_).

Gambar 3.11 Difraksi sinar-X dari

Kristal

Pengujian

Mikro & Makro

Hardness (Microhardness)

XRD

kecepatan

(mm/s )

λ

(

Ǻ

)

B(rad)

Ө

(

o

₎

_Cos

ө

_D

1800

1.54056

0.01

22.2725

0.9255

150,01

2000

1.54056

0.0087

22.2473

0.9255

173,06

2250

1.54056

0.0078

22.0498

0.9268

193,03

2500

1.54056

0.00697

22.293

0.92525

215,9

Ukuran kristal baja AISI 4340 setelah

treatment

kekerasan dan ukuran kristal pada titik 5 (6000

µm dari tepi) pada pengujian kekerasan

Hasil dan Analisa Pengujian Makro

White Layer tidak

dapat dilihat secara

makro

Hasil dan Analisa Pengujian Mikro

Struktur Mikro Raw Material Baja AISI 4340

(preharden-temper) pada perbesaran 1000x

Austenit sisa

Struktur Mikro variasi kecepatan potong 1800

mm/s pada

Turning Process

pada perbesaran

1000x

Tepi (Permukaan) Tengah (6000 µm dari tepi)

Austenit sisa

Bainit Atas

Austenit sisa

Bainit Atas

Hardness :385 HV

_{Hardness :346 HV}

“Pada fenomena ini, menunjukkan bahwa temperatur yang

Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2000

mm/s pada

Turning Process

pada perbesaran

1000x

Tepi (Permukaan) Tengah (6000 µm dari tepi)

Austenit sisa

Bainit Atas

_{Austenit sisa}

_{Bainit Atas}

Hardness :413 HV

Hardness :342 HV

“peningkatan temperatur dari permukaan hanya mampu sedikit

Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2250

mm/s pada

Turning Process

pada perbesaran

1000x

Tepi (Permukaan) Tengah (6000 µm dari tepi)

Austenit sisa

Bainit Bawah

Bainit Atas Austenit sisa

Hardness :445 HV

Hardness :380 HV

“peningkatan temperatur dari permukaan mampu melewati

Struktur Mikro variasi kecepatan potong 2500

mm/s pada

Turning Process

pada perbesaran

1000x

Tepi (Permukaan) Tengah (6000 µm dari tepi)

Perlit

Austenit sisa

Bainit Bawah

Austenit sisa

Martensit

Hardness :520 HV

Hardness :331 HV

“Hal ini bisa terjadi karena distribusi temperatur pada bagian

Hasil dan Analisa Pengujian Makro

Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 dari

Tepi sampai Tengah

Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 pada bagian

Permukaan

Grafik pertambahan persentasi kekerasan

Kesimpulan

1. Dengan kecepatan potong 2500 mm/s pada

turning process

dan

kemudian pendinginan udara (

normalizing

), dihasilkan

pengerasan permukaan yang paling optimal. Hal ini didasarkan

dari strukturmikro permukaannya yang berupa martensit dan

austenit sisa dengan kekerasan 520 HV (50,5 HRC) pada bagian

tepi, Semakin tinggi kecepatan potong pada

turning process

,

semakin mampu bagi mata pahat dan benda kerja untuk

menghasilkan temperatur yang lebih tinggi.

2. Distribusi kekerasan yang paling baik terdapat pada baja AISI

4340 dengan kecepatan potong 2500 mm/s. Pada kecepatan

potong ini, pengerasan permukaan yang dihasilkan sebasar

33.67% dari daerah

bulk

nya. Dengan gradien kedalaman

Saran

1. Untuk penelitian perlu dilakukan pengujian hardness terlebih

dahulu sebelum pengambilan gambar mikro, untuk

mempermudah dalam memberi hubungan antara kekerasan

dengan struktur mikro.

2. Sebaiknya dilakukan pengukuran temperatur untuk

mengetahui secara tepat transformasi yang terjadi.

3. Perlu dicoba penelitian tentang distribusi kekerasan pada