3.1 Tujuan
1. Mengetahui diameter krisis ideal.
2. Mempelajari metoda sifat mampu keras atau Hardenability.
3. Menganalisa nilai kekerasan dari spesimen uji.
4. Mempelajari dan memahami metode Jominy.
3.2 Teori Dasar
Sifat kekerasan (hardness) suatu logam merupakan salah satu persyaratan utama di dalam pemilihan suatu elemen mesin. Kekerasan suatu logam, baja khususnya, dapat dimodifikasi tanpa menambahkan unsur paduan dan dilakukan dengan perlakuan panas. Tidak semua material mampu dikeraskan dengan cara terebut, untuk mengetahuinya perlu dilakukan uji hardenability (pengujian untuk mengetahui kemampukerasan suatu logam). Salah satu metode pengujian hardenability yaitu jominy test (uji jominy).[8] Kekerasan adalah kemampuan material untuk menahan deformasi plastislokal akibat penetrasi dipermukaan.
Peningkatan kekerasan bergantung pada sifat mampu keras dari baja itu sendiri.
Sifat mampu keras merupakan kemampuan material untuk ditingkatkan kekerasannya dengan serangkaian perlakuan panas. Sifat mampu keras dari baja tergantung pada komposisi kimia dan kecepatan pendinginan. Tidak semua baja dapat dinaikkan kekerasannya. Baja karbon menengah dan baja karbon tinggi dapat dikeraskan, sedangkan baja karbon rendah tidak dapat dikeraskan. Uji jominy merupakan sebuah metode untuk mengetahui kemampuan pengerasan logam (baja). Caranya yaitu benda uji dipanaskan pada suhu yang ditentukan, kemudian didinginkan dengan menyemprotkan air pada salah satu ujungnya (bagian bawah). Setelah pengujian dengan alat uji jominy, diukur kekerasannya dengan menggunakan alat uji kekerasan.[2] Pengujian sifat mampu keras suatu logam besi paduan (baja) dapat ditentukan dengan 2 metoda, yaitu metoda Grossman & Bain dan Jominy end-quench test. Pada kedua metoda ini perbedaanya terletak pada proses pendinginannya, pada uji jominy spesimen
didinginkan dengan cara disemprotkan pada salah satu ujungn logamnya, sedangkan pada uji grossman logam di quenching kedalam media pendingin dengan kondisi tertentu.
a. Metoda Grossman & Bain
Benda uji (spesimen) berbentuk batang silinder dengan diameter yang bervariasi, parameter pada pengujian Hardenability metoda Grossman & Bain ini adalah diameter kritis dan diameter kritis ideal.
Diameter kritis (D) adalah diameter maksimum dari suatu batang silinder yang dicelup (quench) dalam media quench tertentu tanpa batas pemisah yang tidak mengalami pengerasan (daerah inti), seperti yang terlihat pada gambar 3.1
Gambar 3.1 Diameter batang tanpa dan dengan batas pemisah, kekerasan baja menurut Grossman and Bain.
Sumber: Panduan praktikum perlakuan panas UNJANI 2021
Batas pemisah tersebut adalah batas dimana struktur mikro mengandung 50%
martensit (Gambar 3.2) Diameter kritis suatu material sebanding dengan severity of quench dari media quench (H) dimana bila H sangat tinggi maka D akan tinggi pula.
Gambar 3.2 Kurva hardenability Grossman & Bain dari baja SAE 1040 dan 4140, dengan berbagai diameter batang.
Sumber: Panduan praktikum perlakuan panas UNJANI 2021
b. Jominy test
Gambar 3.3 Peralatan Jominy test
Sumber: Panduan praktikum perlakuan panas UNJANI 2021
Alat uji Jominy adalah alat bantu proses pendinginan (quenching) dalam pengujian mampu keras pada baja. Pengujian dilakukan dengan specimen berupa sepotong baja silinder berukuran panjang 103 mm, diameter 1 inchi (25.4mm) dengan tinggi pancaran air dari ujung nozel 65 mm.[10] Setelah material dipanaskan dalam tungku dipanaskan sampai suhu transformasi (austenit) dan terbentuk sedemikian rupa sehingga dapat dipasangkan pada aparatus Jominy kemudian air disemprotkan dari bawah, sehingga menyentuh permukaan bawah spesimen.
beda. Pada bagian yang terkena air mengalami pendinginan yang lebih cepat dan semakin menurun kebagian yang tidak terkena air. Metode yang paling umum dalam menentukan mampu keras suatu baja adalah dengan cara mencelupkan secara cepat (quench) salah satu ujung dari batang uji (metode ini dikembangkan oleh Jominy Boegehold dari Amerika). Setelah quenching dilakukan pengujian kekerasan pada sisi yang dibuat sejajar dengan jarak tertentu 1/16” dari ujung quench dan akan menghasilkan kurva hardenability yang menyatakan hubungan antara kekerasan terhadap jarak dari ujung quench.
Tabel 3.1 Faktor-faktor pengali hardenability Percent
Carbon-Grain
Size Mn Si Ni Cr Mo
# 7
0.05 0.026 1.167 1.035 1.018 1.1080 1.15
0.10 0.054 1.333 1.070 1.036 1.2160 1.30
0.15 0.081 1.500 1.105 1.055 1.3240 1.45
0.20 0.108 1.667 1.140 1.073 1.4320 1.60
0.25 0.135 1.833 1.175 1.091 1.54 1.75
0.30 0.162 2.000 1.210 1.109 1.6480 1.90
0.35 0.189 2.167 1.245 1.128 1.7560 2.05
0.40 0.213 2.333 1.280 1.146 1.8640 2.20
0.45 0.226 2.500 1.315 1.164 1.9720 2.35
0.50 0.238 2.667 1.350 1.182 2.0800 2.50
0.55 0.251 2.833 1.385 1.201 2.1880 2.65
0.60 0.262 3.000 1.420 1.219 2.2960 2.80
0.65 0.273 3.167 1.455 1.237 2.4040 2.95
0.70 0.283 3.333 1.490 1.255 2.5120 3.10
0.75 0.293 3.500 1.525 1.273 2.62 3.25
0.80 0.303 3.667 1.560 1.291 2.7280 3.40
0.85 0.312 3.833 1.595 1.309 2.8360 3.55
0.90 0.321 4.000 1.630 1.321 2.9440 3.70
0.95 4.167 1.665 1.345 3.0520
1.00 4.333 1.700 1.364 3.1600
Kadar karbon dan laju pendinginan mempengaruhi kekerasan suatu komponen yang terbuat dari baja. Fungsi mampu keras merupakan harga kekerasan dan dalamnya pengerasan memberikan hasil yang sama dari suatu proses quench. Mampu keras bergantung pada persentase unsur paduan, besar butir austenit, temperatur austenisasi, lama pemanasan dan struktur mikro baja sebelum dikeraskan.
Gambar 3.4 Kurva Di Vs IH/DH Sumber: Modul perlakuan panas UNJANI 2021
Tabel 3.2 Kekerasan martensit dan 50 % martensit sebagai fungsi dari kadar karbon.
Tabel 3.3 Hubungan diameter kritis ideal pada jarak dalam batang Jominy dengan kekerasan 50 % Martensit.
“J”
1/16, in.
DI, in.
“J”
1/16, in.
DI, in.
“J”
1/16, in.
DI, in.
“J”
1/16, in.
DI, in.
0.5 0.27 8.5 3.07 16.5 4.64 24.5 5.69
1.0 0.50 9.0 3.20 17.0 4.72 25.0 5.74
1.5 0.73 9.5 3.32 17.5 4.80 25.5 5.80
2.0 0.95 10.0 3.43 18.0 4.87 26.0 5.86
2.5 1.16 10.5 3.54 18.5 4.94 26.5 5.91
Carbon Content, Initial Hardness, 50%
Martensite Hardness
Hardness-HRC Hardness-HRC Hardness-HRC
% Carbo
n Conte
nt
Initial 100%
Martens it
50%
Martens it
% Carbo
n Conte
nt
Initi al 100
% Martens
it
50%
Martens it
% Carbo
n Conte
nt
Initial 100%
Martens it
50%
Martens it
0.1 0
38 26 0.3
0
50 37 0.5
0
61 47
0.1
1 39 27 0.3
1 51 38 0.5
1 61 47
0.1 2
40 27 0.3
2
51 38 0.5
2
62 48
0.1 3
40 28 0.3
3
52 39 053 62 48
0.1
4 41 28 0.3
4 53 40 0.5
4 63 48
0.1
5 41 29 0.3
5 53 40 0.5
5 63 49
0.1
6 42 30 0.3
6 54 41 0.5
6 63 49
0.1
7 42 30 0.3
7 55 41 0.5
7 64 50
0.1 8
43 31 0.3
8
55 42 0.5
8
64 50
0.1 9
44 31 0.3
9
56 42 0.5
9
64 51
0.2
0 44 32 0.4
0 56 43 0.6
0 64 51
0.2 1
45 32 0.4
1
57 43 0.6
1
64 51
0.2
2 45 33 0.4
2 57 43 0.6
2 65 51
0.2
3 46 34 0.4
3 58 44 0.6
3 65 52
0.2
4 46 34 0.4
4 58 44 0.6
4 65 52
0.2
5 47 35 0.4
5 59 45 0.6
5 65 52
0.2
6 48 35 0.4
6 59 45 0.6
6 65 52
0.2 7
49 36 0.4
7
59 45 0.6
7
65 53
0.2 8
49 36 0.4
8
59 46 0.6
8
65 53
0.2
9 50 37 0.4
9 60 46 0.6
9 65 53
Nyalakan tungku muffle
Holding time selama 30 menit pada suhu 850°C
Keluarkan spesimen kemudian letakan pada alat jominy test
Masukkan spesimen kedalam tungku muffle Ukur spesimen
3.0 1.37 11.0 3.64 19.0 5.02 27.0 5.96
3.5 1.57 11.5 3.74 19.5 5.08 27.5 6.02
4.0 1.75 12.0 3.83 20.0 5.15 28.0 6.06
4.5 1.93 12.5 3.94 20.5 5.22 28.5 6.12
5.0 2.12 13.0 4.04 21.0 5.28 29.0 6.16
5.5 2.29 13.5 4.13 21.5 5.33 29.5 6.20
6.0 2.45 14.0 4.22 22.0 5.39 30.0 6.25
6.5 2.58 14.5 4.32 22.5 5.46 30.5 6.29
7.0 2.72 15.0 4.40 23.0 5.51 31.0 6.33
7.5 2.86 15.5 4.48 23.5 5.57 31.5 6.37
8.0 2.97 16.0 4.57 24.0 5.63 32.0 6.42
3.3 Tata Cara Praktikum 2.3.1 Skema Proses
Menyiapkan bahan dan alat
Nyalakan air bertekanan pada alat jominy test A
A
Kikir spesimen hingga permukaannya rata
Beri tanda pada jarak yang sudah ditentukan
Pengumpulan dan perhitungan data
Analisa dan kesimpulan Spesimen diuji kekerasan rockwell
Gambar 3.5 Skema proses Hardenability
2.3.2 Penjelasan Skema Proses
1. Disiapkan alat dan bahan diantaranya; tungku muffle, alat uji jominy, mesin uji kekerasan rockwell C, jangka sorong, penjepit spesimen, penggaris, sarung tangan, baja AISI 4140, dan air.
2. Dimensi spesimen diukur dengan jangka sorong.
3. Tungku muffle dinyalakan dengan temperatur 850°C.
4. Spesimen dimasukkan ke dalam tungku muffle dengan penjepit.
5. Spesimen Di holding time selama 30 menit, kemudian spesimen diangkat dan diletakan pada alat jominy test.
6. Air bertekanan dinyalakan hingga menyemprot bagian bawah spesimen, kemudian tunggu hingga spesimen bertemperatur kamar.
7. Spesimen diangkat kemudian dikikir hingga permukaannya rata setelah itu diberi tanda dengan jarak posisi yang telah ditentukan.
8. Spesimen diuji kekerasan dengan mesin uji Rockwell C.
9. Data dikumpulkan dan dihitung.
Tunggu hingga suhu spesimen temperatur kamar
10. Data dianalisa dan disimpulkan.
3.4 Alat dan Bahan 3.4.1 Alat
1. Tungku Muffle : 1 Unit
2. Alat uji Jominy : 1 Unit
3. Mesin uji kekerasan Rockwell C : 1 Unit
4. Jangka sorong : 1 Buah
5. Penjepit spesimen : 1 Buah
6. Penggaris : 1 Buah
7. Sarung tangan : 1 Pasang
3.4.2 Bahan
1. Baja AISI 4140 : 1 Buah
2. Air : Secukupnya
3.5 Pengumpulan dan Pengolahan Data 3.5.1 Pengumpulan Data
Standar Pengujian : ASTM A255
Temperatur austenite : 850oC
Panjang spesimen : 3,9 In
Diameter penahan : 1,299 In
Diameter test : 0,984 In
Jenis Material : Baja AISI 4140
Holding time austenite : 30 menit
Media quench : Air bertekanan
Diameter kran : 0,5 In
Jarak nozzle dengan ujung spesimen : 0,5 In Posisi pengujian kekerasan : 1
16,4 2, 8
16, 12 16, 16
16, 20 16, 24
16, 28 16, 32
16
Tabel 3.4 Komposisi Baja AISI 4140
0,38-0,43 % C
0,75-1.00 % Mn
0,035 % P
0,040 % S
0,15-0,35 % Si
- % Ni
0,80-1,10 % Cr
0,15-0,25 % Mn
Tabel 3.5 Tabel IH/DH dan Kekerasan ( HRC )
Posisi (In)
IH/DH Kekerasan (HRC)
Min Maks Min Maks
1/16 1 1 55 5,8
4/16 1,2 1 45,83 5,8
8/16 1.3 1 39,28 5,8
12/16 1,6 1 30,55 5,8
16/16 2,1 1 26,19 5,8
20/16 2,2 1 25 5,8
24/16 2,3 1 23,91 5,8
28/16 2,4 1 22,91 5,8
32/16 2,5 1 22 5,8
Table 3.6 Kekerasan Hasil Pengujian ( HRC )
Posisi (Inch) Kekerasan (HRC)
32/16 37,0
28/16 35,0
24/16 37.5
20/16 39,0
16/16 42,5
12/16 40,5
8/16 32,5
4/16 46,5
1/16 37,5
3.5.2 Pengolahan Data
1. Perhitungan Diameter Kritis Maksimum
Diketahui : Diameter ideal (Di) maksimum = 0,225 Faktor Pengali (Fp) Maksimum
Fp Mn = 4,10 Fp Si = 1,22 Fp Cr = 3,30 Fp Mo = 1,78
Ditanya : Diameter Kritis Maksimum (Dc max) Jawab : Dc max = Fp Mn x Fp Si x Fp Cr x Fp Mo
= 0.225 x 4.10 x 1,22 x 3,30 x 1,78
= 6,610 ≈ 7,00
2. Perhitungan Diameter Kritis Minimum
Diketahui : Diameter ideal (Di) minimum = 0,21 Faktor Pengali (Fp) Minimum
Fp Mn = 3,40 Fp Si = 1,10 Fp Cr = 2,70 Fp Mo = 1,25
Ditanya : Diameter Kritis Minimum (Dc min) Jawab : Dc max = Fp Mn x Fp Si x Fp Cr x Fp Mo
= 0.21 x 3.40 x 1,10 x 2,70 x 1,25
= 2,65
3. Perhitungan Kekerasan (DH) minimum berdasarkan perbandingan Initial Harness per Kekerasan (IH/DH) :
Diketahui : Rockwell C Hardness Min = 5,5 IH/DH min : 1/16 = 1
: 4/16 = 1,2 : 8/16 = 1,4 : 12/16 = 1,8 : 16/16 = 2.1
: 24/16 = 2,3 : 28/16 = 2,4 : 32/16 = 2,5 Jawab : DH
IH/DH Jarak : 1/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5 1 = 55 4/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
1,2 = 45,83 8/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
1,4 = 39,28 12/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
1,8 = 30,55 16/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
2,1 = 26,19 20/16 : DH
IH/DH = 5 ,5 2,2 = 25 24/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
2,3 = 23,91 28/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5
2,4 = 22.91 32/16 ; DH
IH/DH = 5 ,5 2,5 = 22
4. Perhitungan Kekerasan (DH) maksimal berdasarkan perbandingan Initial Harness per Kekerasan (IH/DH) :
Diketahui : Rockwell C Hardness Max = 5,8 IH/DH min : 1/16 = 1
: 4/16 = 1 : 8/16 = 1 : 12/16 = 1 : 16/16 = 1 : 20/16 = 1 : 24/16 = 1 : 28/16 = 1 : 32/16 = 1
Jawab : DH IH/DH Jarak : 1/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 4/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 8/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 12/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 16/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 20/16 : DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 24/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 28/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5 32/16 ; DH
IH/DH = 5,8 1 = 5 ,5
Gambar 3.7 Faktor Pengali Untuk Unsur-Unsur Paduan
Gambar 3.8 Hubungan Persen Karbon Dengan Kekerasan Rockwell
Gambar 3.9 Kurva Di Vs. IH/DH
3.6 Analisa dan Pembahasan
Pada praktikum hardenability kali ini menggunakan metoda Jominy end- quench test. Uji jominy adalah pengujian untuk mengetahui pengerasan pada spesimen yang dipanaskan didalam tungku pada temperatur austenite kemudian didinginkan dengan cara disemprot dengan air yang bertekanan pada salah satu ujung spesimen. Spesimen yang digunakan adalah baja AISI 4140 dan standar pengujian yang digunakan adalah ASTM A255. Setelah dipanaskan, spesimen di holding time didalam tungku selama 30 menit. Holding time dilakukan bertujuan agar fasa yang terbentuk homogen. Langkah selanjutnya adalah spesimen dikeluarkan dengan cepat dan diletakkan pada alat uji jominy. Hal tersebut dilakukan karena laju pendinginan akan terjadi dengan cepat dan mengakibatkan terjadinya perbedaan kekerasan pada spesimen tersebut.
Kemudian spesimen di quenching (disemprot air sampai mencapai temperatur
kamar) ketika air menyentuh permukaan bawah spesimen, didapatkan kecepatan pendinginan ditiap bagian spesimen berbeda-beda. Pada bagian yang terkena air mengalami pendinginan yang lebih cepat dan semakin menurun kebagian yang tidak terkena air. Berikutnya spesimen dibersihkan dan dikikir hingga rata agar dapat diuji kekerasannya mengunakan mesin uji kekerasan Rockwell. Standar yang digunakan ialah hrc. Hrc digunakan untuk material yang keras seperti baja.
Pengujian kekerasan dilakukan pada 9 titik mulai dari titik paling bawah atau yang paling dekat dengan semprotan air sampai paling jauh dari semprotan air.
55
45.83
39.28
30.55
26.19 25 23.91 22.91 22
Kurva Teoritis atau IH/DH
55
Gambar 3.10 Kurva Teoritis atau IH/DH
3.7 Kesimpulan
1. Kekerasan baja yang terbesar terdapat pada bagian ujung yang lebih dulu didinginkan dengan water spray.
2. Permukaan spesimen yang rata ketika pengujian kekerasan Rockwell memberikan nilai kekerasan yang akurat.
3. Mengetahui nilai kekerasan spesimen uji.
4. Mengetahui metoda uji Jominy.
