1

PERUBAHAN KETANGGUHAN BAHAN ST.40 YANG TELAH

MENGALAMI PROSES DOUBLE HARDENING DENGAN

CARBURIZING

Skripsi

Diajukan dalam Rangka Penyelesaian Studi Strata 1

untuk Mencapai Gelar Sarjana Pendidikan

Disusun Oleh :

Nama : Widya Mukti Setiadji

NIM : 5201401043

Prodi : Pendidikan Teknik Mesin S1

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2007

2

PENGESAHAN

Skripsi Perubahan ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami Proses

Double Hardening Dengan Carburizing.

Telah dipertahankan dihadapan panitia sidang ujian skripsi Fakultas Teknik

Universitas Negeri Semarang pada tanggal:

Panitia Ujian

Ketua Sekretaris Drs. Pramono Drs. Supraptono, M. Pd NIP. 131474226 NIP. 131125645

Tim Penguji

Pembimbing I Penguji I Drs. Murdani, M. Pd Drs. Karsono, M. Pd NIP. 130894848 NIP. 130515762 Pembimbing II Penguji II Hadromi, S. Pd., MT Drs. Murdani, M. Pd NIP. 132093201 NIP. 130894848

Penguji III

Hadromi, S. Pd., MT NIP. 132093201

Mengetahui,

Dekan Fakultas Teknik

Prof. Dr. Soesanto, M. Pd NIP. 130875753

ii

3

ABSTRAK

Widya Mukti Setiadji Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,

UNNES 2007. “Perubahan Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses Double Hardening dengan Carburizing”.

Double hardening adalah proses pengerasan setelah mengalami proses

carburizing yang diakhiri dengan proses tempering. Tujuan dari proses double hardening adalah untuk memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti. Pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang perubahan kekuatan baja yang dihasilkan dari ketangguhan baja pada proses double hardening setelah proses carburizing.

Penelitian dilakukan pada material baja karbon dengan kandungan 0,135% C, kemudian bahan dibuat spesimen pukul takik pada standart (ASTM E 23-56) dengan metode charpy V sudut 450. Proses carburizing pada material dengan suhu 9500 C dan holding time 4 jam. Proses double hardening dilakukan pada material hasil carburizing. Proses double hardening dibagi menjadi tiga tahap: tahap I adalah proses pengerasan inti yaitu pada suhu 9000 C dengan holding time 20 menit dan media pedinginnya air, tahap II pengerasan bagian kulit yaitu pada suhu 7600 C dengan holding time 20 menit dan media pendinginnya air, selanjutnya proses ini diakhiri dengan proses tempering pada suhu 1800 C.

Teknik analisis data yang digunakan pada penelitian ini adalah menggunakan statistika deskriptif, yaitu dengan cara melukiskan dan merangkum dari penelitian yang telah dilakukan. Data-data yang dihasilkan digambarkan secara grafis dalam histogram.

Nilai ketangguhan dari raw material 1,689 J/mm2 setelah proses carburizing menurun 1, 2562 J/mm2. Hasil proses carburizing diberi perlakuan double hardening I menurun 1,6468 J/mm2, double hardening II menurun 1, 5944 J/mm2. Proses double hardening diberi proses tempering menurun 1,4739 J/mm2. Proses double hardening berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah proses carburizing. Pada raw material perubahan struktur mikro dari ferrit dan perlit menjadi sementit, yang diperoleh setelah mengalami proses carburizing yang menyebabkan timbulnya struktur kristal yang berbentuk serpihan-serpihan. Ini menunjukkan adanya penambahan unsur karbon yang terikat oleh Fe. Struktur martensit diperoleh setelah mengalami proses double hardening I dan II, yang menyebabkan struktur kristal meningkat lebih banyak berbentuk serpihan kecil yang menunjukkan bahan bersifat getas. Proses tempering akan mengurai struktur martensit kembali dengan susunan kristal yang lebih besar dan merata/homogen yang menyebabkan bahan bersifat getas di luar bagian dalam bersifat ulet.

Simpulan dari penelitian ini adalah adanya perubahan ketangguhan pada proses double hardening dengan carburizing yaitu menurunkan ketangguhan bahan ST.40. Jika menginginkan satu jenis baja yang bersifat bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya dilakukan proses double hardening setelah melakukan proses carburizing.

iii

4

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

Motto:

Kekurangan bukanlah suatu kelemahan melainkan kelebihan dan karunia

yang dianugrahkan kepada setiap manusia.

Keberhasilan adalah buah dari usaha dan kesabaran tanpa ada rasa

penyesalan dan keputus asaan.

Kebesaran diri, akan kita peroleh apabila kita dapat membesarkan dan

menghargai orang lain.

Tidak ada suatu musibah pun yang menimpa seseorang kecuali dengan

izin Allah; dan barang siapa yang beriman pada Allah, niscaya Dia akan

memberi petunjuk kepada hatinya. Dan Allah Maha Mengetahui segala

sesuatu. (Qs. At Taghaabun: 11)

Persembahan Skripsi ini kupersembahkan teruntuk:

Papi & Mama tercinta terima kasihku untuk do’a dan dukungannya,

kebahagiaan kalian merupakan semangat buatku.

Bulek & Kakak-Kakakku yang menjadi suri tauladanku.

Seseorang yang selalu menemani hatiku, (DiMaSa)..thanks buat semua yang

telah kamu berikan..senyummu kesejukan hatiku.

Almamaterku.

iv

5

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan

kemudahan dan karunia-Nya sehingga proses penelitian sekaligus penulisan

skripsi berjalan dengan lancar. Penulis mengakui bahwa dalam penelitian dan

penulisan ini tidak lepas dari banyak kekurangan, namun berkat bantuan dan

bimbingan dari berbagai pihak penelitian ini dapat terlaksana dengan baik. Pada

kesempatan ini pihak penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Prof. H. Sudijono Sastroatmodjo, M. Si., Rektor Universitas Negeri Semarang

2. Prof. Dr. Soesanto, M.Pd., Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri

Semarang

3. Drs. Pramono, Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang

4. Drs. Murdani, M.Pd., Dosen Pembimbing I yang telah membimbing,

mengarahkan dan memotivasi penulis.

5. Hadromi, S. Pd., MT., Dosen Pembimbing II yang telah memberikan

bimbingan dan arahan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat selesai,

6. Seluruh dosen-dosen di jurusan Teknik Mesin, yang telah memberikan ilmu

yang berguna bagi peneliti.

7. Bapak dan Ibu yang telah memberi do’a dan dukungannya.

8. Bulek dan Kakak-kakakku yang telah memberikan pengertiannya selama

penulisan skripsi.

9. Seseorang (DiMaSa) yang telah membantu do’a, tenaga dan pikiran dalam

penyusunan skripsi.

10. Teman-temanku yang setia menunggu sampai ujian skripsi.

v

6

11. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini.

Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak ataupun peneliti. Peneliti

menyadari bahwa skripsi ini jauh dari kesempurnaan, karena kesempurnaan

hanyalah milik Allah dan kekurangan hanya milik kita. Kritik dan saran yang

membangun atas segala kekurangan dalam skripsi ini penulis terima dengan

senang hati.

Semarang, April 2007

Penulis

vi

7

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL........................................................................................... i

ABSTRAK ......................................................................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN............................................................................. iii

MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................................... iv

KATA PENGANTAR ........................................................................................ v

DAFTAR ISI....................................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix

DAFTAR TABEL............................................................................................... xi

DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xii

BAB I. PENDAHULUAN.................................................................................. 1

A. Latar Belakang ................................................................................. 1

B. Permasalahan.................................................................................... 4

C. Tujuan............................................................................................... 4

D. Manfaat ............................................................................................ 4

E. Penegasan Istilah .............................................................................. 5

F. Sistematika Penulisan Skripsi ........................................................... 7

BAB II. LANDASAN TEORI ............................................................................ 9

A. Landasan Teori................................................................................ 9

1. Baja ............................................................................................ 9

2. Penambahan Unsur Campuran.................................................... 15

3. Carburizing ................................................................................. 16

4. Double Hardening ....................................................................... 20

5. Tempering ................................................................................... 20

6. Media Pendingin ......................................................................... 6

7. Ketangguhan ............................................................................... 24

B. Kerangka Berpikir ........................................................................... 28

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 31

A. Bahan Penelitian.............................................................................. 31

B. Variabel Penelitian .......................................................................... 32

vii

8

C. Metode Penelitian............................................................................ 32

D. Waktu Dan Tempat Penelitian ........................................................ 37

E. Diagram Alir Penelitian................................................................... 38

F. Tehnik Pengumpulan Data............................................................... 39

G. Analisis Data ................................................................................... 39

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN................................... 40

A. Hasil Penelitian ............................................................................... 40

B. Pembahasan ..................................................................................... 57

BAB V. PENUTUP............................................................................................. 62

A. Simpulan ......................................................................................... 62

B. Saran................................................................................................ 63

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 64

LAMPIRAN........................................................................................................ 65

viii

9

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Diagram Fe-C (Fasa)......................................................................... 11

Gambar 2. Diagram transformasi besi ................................................................ 12

Gambar 3. Struktur Face Center Cubic ............................................................. 13

Gambar 4. Struktur Body Center Cubic .............................................................. 13

Gambar 5. Grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan karbon ....................... 19

Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan ....................................................... 21

Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper ............................................. 22

Gambar 8. Alat uji impact Charpy ...................................................................... 24

Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (ASTM E 23-56) ..................... 25

Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy........................................... 25

Gambar 11. Daerah ulet getas dan transisi.......................................................... 27

Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact ................................................ 33

Gambar 13. Peletakan spesimen saat pemanasan ............................................... 34

Gambar 14. Kotak carburizing ........................................................................... 34

Gambar 15. Diagram alir Penelitian.................................................................... 38

Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material ............................................. 42

Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing ............................................... 43

Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I ................................... 43

Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II .................................. 44

Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering .................................................. 44

Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata ....................................... 45

Gambar 22. Alat metalurgi mikroskop................................................................ 47

Gambar 23. Struktur mikro baja raw material................................................... 48

Gambar 24. Struktur mikro material carburizing bagian tepi............................. 49

Gambar 25. Struktur mikro material carburizing bagian tengah ........................ 49

Gambar 26. Struktur mikro material double hardening I bagian tepi ................ 50

Gambar 27. Struktur mikro material double hardening I bagian tengah ............ 50

Gambar 28. Struktur mikro material double hardening II bagian tepi ............... 51

ix

10

Gambar 29. Struktur mikro material double hardening II bagian tengah........... 51

Gambar 30. Struktur mikro material tempering bagian tepi ............................... 52

Gambar 31. Struktur mikro material tempering bagian tengah........................... 53

Gambar 32. Penampang patah benda raw material ............................................ 54

Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing........................... 55

Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I............... 55

Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II ............. 56

Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering ............................. 56

x

11

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Daya spesifikasi air .............................................................................. 23

Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact ............................................ 39

Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material).................................. 40

Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing ......................................................... 41

Tabel 5. Hasil pengujian impact raw material.................................................... 42

Tabel 6. Hasil pengujian impact carburizing...................................................... 42

Tabel 7. Hasil pengujian impact double hardening I .......................................... 43

Tabel 8. Hasil pengujian impact double hardening II......................................... 44

Tabel 9. Hasil pengujian impact tempering ........................................................ 44

Tabel 10. Nilai rata-rata kekuatan impact ........................................................... 45

xi

12

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Uji komposisi raw material ............................................................ 66

Lampiran 2. Uji komposisi material carburizing ................................................ 67

Lampiran 3. Hasil pengujian impact ................................................................... 68

Lampiran 4. Contoh perhitungan mencari tenaga patah dan ketangguhan ......... 70

Lampiran 5. Dokumentasi................................................................................... 71

Lampiran 6. Surat keterangan selama penyusunan skripsi ................................. 73

xii

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat kuat, liat, keras, dan

mempunyai titik cair yang tinggi. Logam terbuat dari bijih logam yang

ditemukan dalam keadaan murni atau bercampur. Bijih logam ini didapat dari

proses penambangan mulai dari pendahuluan, pengeboran, sampai pengolahan

logam.

Dari pengolahan logam inilah baru didapat logam yang kita inginkan.

Logam yang telah jadipun masih disebut logam setengah jadi (raw material)

sehingga masih diperlukan pengerjaan-pengerjaan dengan mesin, untuk

mendapatkan bentuk dan kualitas yang lebih baik. Agar memperoleh hasil

yang baik, komponen-komponen dari hasil mesin skrap, mesin bubut, mesin

frais, yang selanjutnya diberi perlakuan panas seperti pengerasan, penempaan,

penormalan, yang bertujuan memperbaiki sifat-sifat logam tersebut.

Dari bagian mesin, sering dijumpai suatu bahan yang diperlukan

kekerasan dan keliatannya. Misalnya poros transmisi dan roda gigi. Saat

mengalami perpindahan persneling, poros transmisi dan roda gigi mengalami

beban puntir. Komponen tersebut juga harus mempunyai sifat lentur, karena

dengan sifat lentur ketika terjadi perpindahan transmisi, diharapkan dapat

mengurangi hentakan keras pada saat roda gigi mengalami perkaitan.

2

Gabungan antara beban puntir dan lentur, juga diperlukan pada saat transmisi

dan roda gigi mengalami beban berat dan putaran tinggi.

Dengan mempertimbangkan kondisi di atas, maka diinginkan suatu

konstruksi bahan yang keras pada permukaan dan ulet pada intinya untuk

mencegah kerusakan. Kemudian agar memperoleh hasil yang baik,

komponen-komponen dari mesin-mesin tesebut selanjutnya diberi perlakuan

panas seperti pengerasan, penempaan, penemperan yang bertujuan

memperbaiki sifat-sifat logam tersebut.

Perlakuan panas (heat treatment) adalah proses memanaskan bahan

sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan dengan metode tertentu

(Amanto, 1999 : 63). Perlakuan panas terutama ditujukan untuk memperoleh

sifat-sifat yang sesuai dengan penggunaannya, khususnya untuk mendapatkan

kekerasan, kekuatan dan sifat liat yang diperlukan. Untuk mencegah keausan

pada logam, maka logam perlu mendapatkan kekerasan pada bagian

permukaan saja sedang inti tetap ulet. Untuk itu perlu dilakukan proses

pengerasan permukaan (surface treatment). Jadi dalam hal ini pengerasan

dapat dilakukan pada bagian-bagian tertentu saja sesuai kebutuhan dan fungsi

alat tersebut.

Menurut Palallo (1995: 57) menuliskan proses carburizing adalah proses

penambahan unsur karbon ke dalam logam pada bagian permukaan yang

didapat dari bahan-bahan yang mengandung karbon sehingga kekerasan

meningkat dengan adanya penambahan unsur karbon pada logam,

menyebabkan ukuran butir membesar.

3

Pemanasan pada temperatur tinggi untuk jangka waktu yang relatif lama

menyebabkan ukuran butir membesar, ini berarti butir-butir ferrit di bagian

dalam dan butir-butir perlit pada bagian permukaan menjadi kasar (Suratman,

1994: 143). Kekurangan pada proses carburizing pada logam dapat diperbaiki

dengan proses pengerasan lanjut (double hardening). Proses double hardening

dilakukan untuk memperhalus ukuran butir struktur logam. Ukuran struktur

yang halus dapat menghasilkan kekerasan yang lebih baik dari pada ukuran

butir struktur logam yang besar (Endri Maulana, 2006: 2). Perlakuan panas

tempering akan menghasilkan struktur yang homogen, tegangan sisa,

mengembalikan kondisi bahan pada kondisi normal akibat pengaruh

pengerjaan sebelumnya, memperhalus kristal yang akan berpengaruh terhadap

keuletan bahan dan meningkatkan kekuatan serta memperbaiki struktur setelah

bahan mengalami deformasi dalam keadaan panas dan dingin sehingga bahan

mempunyai sifat bagian luar getas sedangkan bagian dalam ulet.

Untuk mengetahui sejauh mana perlakuan panas proses carburizing,

double hardening – tempering terhadap perubahan sifat-sifat bahan dan

ketangguhan bahan setelah mengalami perlakuan. Untuk pengkajian lebih

lanjut maka perlu dilakukan pengujian bahan dengan menggunakan uji impact

dan uji struktur mikro.

Dari pertimbangan-pertimbangn tersebut di atas maka perlu diadakan

penelitian “Perubahan Ketangguhan Bahan ST.40 Yang Telah Mengalami

Proses Double Hardening Dengan Media Pendingin Air Setelah Proses

Carburizing”

4

B. Permasalahan

Adapun permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah:

1. Adakah perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil proses double

hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses

carburizing.

2. Adakah perubahan struktur mikro bahan ST40 hasil proses double

hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses

carburizing.

C. Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui tingkat perubahan nilai ketangguhan bahan ST. 40 hasil

proses double hardening dengan media pendingin air yang telah

mengalami proses carburizing.

2. Mengetahui perubahan stuktur mikro bahan ST. 40 hasil proses double

hardening dengan media pendingin air yang telah mengalami proses

carburizing.

D. Manfaat

Dengan adanya penelitian mengenai pengaruh kekuatan impact pada

proses double hardening setelah proses carburizing terhadap material baja

St.40 ini dapat diambil manfaat antara lain :

1. Memberikan informasi kepada dunia industri dalam perlakuan panas baja

tentang kekuatan baja yang dihasilkan dari perubahan ketangguhan baja

pada proses double hardening setelah proses carburizing .

5

2. Memberikan kontribusi terhadap pengembangan ilmu bahan dan

konstruksi.

3. Memberikan wawasan baru bagi perancangan suatu produk yang

membutuhkan kekuatan suatu bahan yang tinggi.

E. Penegasan Istilah

Penegasan istilah dimaksudkan untuk memberi arah penulisan skripsi

agar tidak menyimpang dari tujuan, sehingga judul mudah dipahami dan dapat

diketahui lingkup penelitiannya. Pengungkapan makna kata yang terkait

memerlukan peninjauan istilah baik menurut tata bahasa maupun kamus untuk

mencegah adanya penafsiran yang salah pada judul skripsi. Adapun yang perlu

ditegaskan dalam judul skripsi ini adalah:

1. Perubahan

Perubahan adalah sesuatu yang ada atau timbul karena rangkaian atau

tindakan pembuatan atau pengolahan produk. (Tim penyusun kamus,

2002:899)

2. Double Hardening

Double Hardening adalah proses pengerasan dari bahan yang telah

mengalami proses Carburizing. Untuk memperbaiki struktur bagian kulit

sama pada bagian inti benda kerja.

3. Media Pendingin

Menurut kamus Bahasa Indonesia pendingin adalah alat untuk

mendinginkan (Anton M. Moeliono, 1983: 207). Dalam penelitian ini

6

diartikan sebagai media yang digunakan untuk menurunkan temperatur

baja jenis St.40 pada proses double hardening adalah air (H2O).

4. Baja St.40

Baja St.40 adalah baja dengan kandungan C maksimum 0,15%, S =

0,05%, P = 0,16%,( Metalic Material Specification hand book, Robert B

Ross), Arti dari baja jenis St.40 adalah baja karbon rendah yang

mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/mm2.

5. Carburizing

Carburizing (pengarbonan) adalah suatu proses pengerasan permukaan

dengan menambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja dengan

jalan memanaskan benda kerja dalam kedap udara selama waktu tertentu

di dalam bahan yang mengandung unsur karbon. Pengaruhnya adalah

bahwa dari bahan tambah yang mengandung karbon masuk ke lapisan

benda kerja.

6. Pengujian Ketangguhan

Baja karbon yang biasanya bersifat ulet dapat diubah menjadi getas bila

berada kondisi tertentu. Menurut G. E. Diater (1988), terdapat tiga faktor

dasar yang mendukung terjadinya patah getas, keadaan tegangan tiga

sumbu, suhu rendah dan laju regangan tinggi atau laju pembebanan yang

cepat. Ketiga faktor tersebut tidak harus ada secara bersamaan pada waktu

terjadi patah getas. Maka disini untuk menentukan kepekaan bahan

terhadap patah getas, sering kali digunakan pengujian impact.

7

Jadi, yang dimaksud dengan perubahan ketangguhan bahan St.40 yang

telah mengalami proses double hardening dengan proses carburizing adalah

sesuatu yang timbul dari pengujian kepekaan patah getas yang telah

mengalami proses pengerasan bahan untuk memperbaiki struktur bagian kulit

sama pada bagian inti dengan cara menurunkan temperatur baja karbon rendah

yang mempunyai kekuatan tarik sebesar 40 kg/ 2mm setelah proses

penambahkan unsur karbon (C) ke dalam benda kerja.

F. Sistematika Penulisan Skripsi

Sistematika penulisan skripsi ini disusun untuk memudahkan

pemahaman tentang stuktur dan isi skripsi. Secara terperinci bagian-bagian

tersebut akan dijabarkan sebagai berikut :

1. Bagian pendahuluan skripsi berisi halaman judul, abstraksi, halaman

pengesahan, halaman motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi,

daftar tabel, daftar gambar serta lampiran.

2. Bagian isi skripsi terdiri atas:

Bab I. Pendahuluan, berisi alasan pemilihan judul, permasalahan,

penegasan istilah, tujuan dan manfaat penelitian serta

sistematika penulisan skripsi.

Bab II. Landasan Teori dan Hipotesis, berisi teori-teori yang diperoleh

dari kajian teori, keramgka berpikir yang merupakan jembatan

penghubung antara teori yang dikemukakan dengan hipotesis

yang diajukan, dan hipotesis yang merupakan jawaban

sementara terhadap permasalahan penelitian.

8

Bab III Metode Penelitian, berisi tentang bahan atau meteri

penelitian,alat, jalan penelitian dan teknik analisa data yang

dipergunakan dalam penelitian.

Bab IV. Hasil Penelitian dan Pembahasan, Berisi tentang hasil penelitian

yang berupa data, deskripsi data yang diperoleh dari hasil

penelitian lapangan serta analisanya, dan pembahasan.

Bab V. Kesimpulan dan Saran, berisi kesimpulan yang memuat

pernyataan singkat dan tepat dari penjabaran hasil penelitian dan

pembahasan serta saran.

3. Bagian akhir skripsi, berisi daftar lampiran sebagai pelengkap laporan

skripsi serta daftar pustaka.

9

BAB II

LANDASAN TEORI

A. Landasan Teori

1. Baja (Steel)

Baja adalah merupakan suatu campuran dari besi (Fe) dan karbon

(C), dimana unsur karbon (C) menjadi dasar. Disamping unsur Fe Dan C,

baja juga mengandung unsur campuran lain seperti sulfur (S), fosfor (P),

silikon (Si), dan mangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi.

Baja karbon adalah baja yang mengandung karbon antara 0,1% -

1,7%. Berdasarkan tingkatan banyaknya kadar karbon, baja digolongkan

menjadi tiga tingkatan :

a. Baja karbon rendah

Yaitu baja yang mengandung karbon kurang dari 0,30%. Baja karbon

rendah dalam perdagangan dibuat dalam bentuk pelat, profil, batangan

untuk keperluan tempa, pekerjaan mesin, dan lain-lain.

b. Baja karbon sedang

Baja ini mengandung karbon antara 0,30% – 0,60 %. Didalam

perdagangan biasanya dipakai sebagai alat-alat perkakas, baut, poros

engkol, roda gigi, ragum, pegas dan lain-lain.

c. Baja karbon tinggi

Baja karbon tinggi ialah baja yang mengandung kerbon antara 0,6% –

1,5%. Baja ini biasanya digunakan untuk keperluan alat-alat konstruksi

yang berhubungan dengan panas yang tinggi atau dalam

10

penggunaannya akan menerima atau mengalami panas, misalnya

landasan, palu, gergaji, pahat, kikir, bor, bantalan peluru, dan

sebagainya (Amanto,1999). Beberapa jenis baja karbon tinggi:

a) Baja konstruksi umum

Baja konstruksi umumnya terdiri atas baja karbon dan baja kualitas tinggi

tanpa paduan yang dipertimbangkan atas tegangan tarik yang tinggi. Baja jenis

ini banyak digunakan dalam kontruksi bangunan, gedung, jalan, poros mesin

dan roda gigi.

b) Baja otomat

Baja otomat terdiri dari baja paduan tinggi, baja ini mengandung 0,07-

0,65% Karbon, 0,18-0,% Belerang, 0,6-1,5% Mangaan, 0,05-0,4% Silisium.

c) Baja case hardening

Baja jenis ini diperoleh dengan cara menaruh baja karbon rendah dalam

bahan yang kaya akan kandungan karbon dan dipanaskan bersama dalam oven

sampai suhu kritis atas, baja case hardening tetap liat pada bagian inti namun

keras pada bagian permukaan.

Berdasarkan hasil pemaduan antara besi dengan karbon, karbon

berada di dalam besi dapat berbentuk larutan atau berkombinasi

membentuk karbida besi (Fe3C). Diagaram fasa menggambarkan

diagram fasa besi karbon untuk seluruh rentang paduan besi dengan

karbon yang mencakup baja dan besi cor. Kadar karbon pada diagram

tersebut bervariasi dari nol sampai 2%. Seperti pada tabel atau diagram

fasa besi karbon.

11

Gambar 1. Diagram Fe-C/fasa (Rochim Suratman,1994:93)

Karbon adalah unsur penstabil austenit. Larutan maksimum dari

karbon pada austenit adalah sekitar 1,7% (E) pada 01140 C. sedangkan

larutan karbon pada ferrit naik dari 0% pada 0910 C menjadi 0,025%

pada 0723 C. Pada pendinginan lanjut, larutan karbon pada ferrit

menurun menjadi 0,08% pada temperatur kamar. Pada saat presentase

karbon mencapai 0,8% pada temperatur 0723 C, titik ini disaebut titik

autectoid. Baja untuk kadar karbon 0,8% disebut baja autectoid dan

sedangkan baja dengan kadar karbon lebih dari 0,8% disebut baja

hypereutectoid.

Baja autectoid didinginkan dari temperatur austenitisasinya,

maka pada saat titik-titik sepanjang garis tersebut akan bertransformasi

menjadi satu campuran autectoid yang disebut pearlit. Jika baja

12

hypoeutectoid didinginkan dari temperatur austenitisasi, pada saat garis

GS, ferrit akan terbentuk disepanjang batas butir austenit.

Jika baja hypereutectoid didinginkan dari temperatur

austenitisasinya akan terjadi pemisahan cementit pada batas butir

austenit disepanjang garis SE.

Sifat allotropik dari besi memungkinkan adanya variasi struktur

mikro pada berbagai jenis baja. Pengertian allotropik adalah adanya

transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) ke bentuk

susunan atom yang lain. Besi sangat stabil pada temperatur di bawah

910o C dan disebut sebagai besi alfa (Fe α). Pada temperatur antara

910o C dan 1392o C, besi dikenal dengan besi gamma (Fe γ) dan pada

temperatur di atas 1392o C disebut sebagai besi delta (Fe δ).

Gambar 2. Diagram transformasi besi (Rochim Suratman 1994:92)

Fenomena allotropik dari besi memberikan kemungkinan untuk

memperbaiki sifat-sifatnya sesuai dengan kebutuhan dan mencakup

dua bentuk susunan atom. Pada temperatur di bawah 910oC susunan

13

atomnya berbentuk Body Centered Cubic (BCC). Mulai suhu 910o C

akan terjadi perubahan susunan atom. Di atas suhu tersebut susunan

atomnya berubah menjadi bentuk Face Centered Cubic (FCC). Jika

proses pemanasan dilanjutkan, bentuk susunan atomnya pada

temperatur 1392 ºC berubah kembali menjadi bentuk BCC lagi dan

dikenal dengan sebutan besi delta.

Gambar .3. Struktur Face Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92)

Gambar 4. Struktur Body Center Cubic (Rochim Suratman 1994:92)

Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan getaran atom

semakin besar sehingga pada temperatur 1536o C gaya kohesif yang

memelihara susunan atom tersebut tidak ada lagi dan membuat besi

menjadi cair. Pada saat membekukan besi cair ke temperatur kamar,

14

maka akan terjadi transformasi yang urutannya kebalikan dari proses

pemanasan.

Penambahan unsur paduan pada besi, khususnya karbon,

memungkinkan membuat berbagai jenis baja yang jika dikombinasikan

dengan berbagai metode perlakuan panas akan menghasilkan sifat-sifat

yang memadai untuk penggunaan tertentu.

Baja yang digunakan dalam penelitian ini termasuk ke dalam baja

karbon rendah karena pada baja tersebut hanya memiliki unsur karbon

kurang lebih 0,17 % mengandung unsur sulfur (S) sebesar 0,05% dan

mengandung unsur fosfor (P) sebesar 0,08%. Kandungan unsur sulfur dan

fosfor dalam baja mengakibatkan baja sukar dilas (Sucahyo, 1995).

2. Penambahan unsur campuran

Untuk mengatasi kekurangan sifat yang dimiliki oleh baja, maka

dilakukan penambahan unsur kedalamnya. Tujuan utama dalam penambahan

unsur adalah untuk mengurangi sifat yang tidak dinginkan pada baja karbon.

Pengaruh unsur campuran sewaktu dilakukan pemanasan dan

pendinginan adalah sebagai berikut :

1. Pengaruh yang menyeluruh

Pengaruh ini berhubungan dengan kecepatan pendinginan kritis

dan pengerasan bagian dalam baja. Kecepatan pendinginan kritis dapat

diturunkan dengan menambahkan kromium, mangan, dan wolfram ke

dalam baja.

2. Baja bercampur dengan nikel

15

Nikel membuat suhu pemanasan menjadi menurun dan

membentuk struktur austenit (baja harus dipanaskan lebih tinggi

selama proses pengerasan).

Pembentukan unsur karbid dengan menambahkan kromium dan

molibdenum akan menghasilkan pengerasan bagian dalam dan

pengaruh menyeluruh terhadap baja akan menurun.

Unsur campuran dalam baja membawa pengaruh sebagai berikut:

1) Silisium (Si)

Silisium merupakan unsur yang selalu ada dalam baja dengan jumlah

lebih dari 0,4%. Si mempengaruhi kenaikan tegangan tarik dan menurunkan

kecepatan pendinginan kritis.

2) Vanadium dan Wolfram

Unsur Vanadium dan Wolfram ini membentuk karbida yang

sangat keras, kemampuan potong dan daya tahan panas yang

cukup tinggi yang sangat diperlukan pada pahat potong.

3) Nikel (Ni)

Nikel memberi pengaruh sama seperti Mn yaitu

menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis. Ni

membuat struktur butiran menjadi halus dan menambah keuletan.

3. Carburizing

Pada pengarbonan padat dipakai arang yang dicampur dengan

10%-40% Na2CO3, Ba CO3 (Frederick Palallo, 1995: 54), baja dimasukkan

16

ke dalam campuran ini, ditempatkan dalam suatu wadah dan di tutup rapat

kemudian dipanaskan pada temperatur 0900 C- 0950 C (Surdia,T,2000).

Temperatur ini adalah temperatur austenit paduan besi karbon yang

mempunyai bentuk kisi kristal kubik pemusatan sisi atau face centered

cubik (FCC). Bentuk kisi ini mempunyai jarak atom yang lebih besar,

sehingga intersisinya memungkinkan ditempati oleh atom karbon, dengan

demikian permukaan baja akan mempunyai kadar karbon yang lebih

tinggi. Kandungan karbon akan bervariasi dalam arah menuju inti. Pada

permukaan kandungan karbon tinggi, dan akan berkurang dalam arah

menuju inti. Konsekuensinya struktur mikro akan berubah pula dari

permukaan menuju inti. Untuk dapat melakukan penyepuhan, kadar

karbon yang dibutuhkan minimal 0,3%. Carburizing bertujuan

memberikan tambahan unsur karbon. Carburizing dilakukan dengan cara

memanaskan bahan sampai pada suhu antara 900° - 950°C selama 3 – 6

jam dalam kondisi yang dapat menyerahkan karbon. (Amanto, 1994: 85),

diikuti dengan pendinginan dalam oven, hal ini dapat terjadi karena pada

suhu tersebut berada pada fasa austenit, karbon dapat meresap ke dalam

lapisan luar benda secara berdifusi. Carburizing juga disebut dengan

penumpukan karbon atau penyemenan. Adapun proses pengarbonan ada

tiga macam cara yaitu pengarbonan proses bubukan (pack carburizing),

pengarbonan proses cairan (liquid carburizing) dan pengarbonan proses

gas (gas carburizing).

17

Pengarbonan bubukan adalah proses pengarbonan pada permukaan

benda kerja dengan menggunakan karbon yang didapatkan dari bubukan

arang, benda dibungkus dengan bubuk yang kaya dengan kandungan

karbon, proses pemanasan antara 900° - 950°C selama 3 - 6 jam, bubuk

karbon akan bereaksi dengan oksigen dan membentuk karbon dioksida

(CO2). CO2 ini kemudian bereaksi dengan karbon dari medium menurut

reaksi sebagai berikut :

Reaksi pengarbonan bubukan dijelaskan seperti reaksi dibawah ini :

CO2 + C (arang) ↔ 2 CO

Pada saat suhu semakin tinggi kesetimbangan reaksi bergeser

kesebelah kanan, kadar gas CO bertambah banyak dan mengurai

dengan permukan baja menjadi :

2CO ↔ CO 2 + C (arang)

Atom karbon yang dihasilksan kemudian menyatu pada fasa

austenit dan berdifusi. CO2 hasil dari reaksi tersebut bereaksi kembali

dengan karbon yang lain diikuti dengan penguraian CO pada permukaan

logam, proses penguraian CO2 dengan CO berlangsung sangat lambat.

Kekerasan lapisan baja dapat mencapai 1 mm. Salah satu cara agar

mempercepat reaksi tersebut dengan menambahkan bahan katalis, katalis

yang sering digunakan yaitu barium karbonat (BaCO3), kalium ferosianida

(K4Fe(CN)6).

Komposisi yang umum campuran bubuk arang dengan bahan

tambah adalah :

18

a. Komposisi I

60 % arang kayu ditambah 40% BaCO3 (Barium Karbonat)

b. Komposisi II

45% arang kayu, 50% BaCO3 (Barium Karbonat) dan 5% K4Fe(CN)6

(Kalium ferosianida)

Pada suhu yang tinggi katalis akan bereaksi dan membentuk gas CO

seperti dibawah ini :

BaCO 3 ↔ BaO+ CO2

CO2 + C ↔ 2CO

Gas CO akan larut pada fasa austenit dan bereaksi dengan Fe sebagai

berikut:

3Fe + 2CO ↔ Fe3C + CO2

Gas CO2 yang terbentuk dari reaksi diatas kemudian bereaksi

dengan BaO dan membentu BaCO3, dengan demikian BaCO3 senantiasa

ada selama proses sehingga reaksi-reaksi dapat berjalan terus. Semakin

banyak kandungan karbon dipermukaan, atom karbon mulai berpindah

menuju inti melalui mekanisme difusi. Penetrasi karbon kedalam baja

dipengaruhi suhu, waktu penahanan (holding time), dan bahan

pengarbonan.

19

Gambar .5. grafik lama pemanasan dengan tebal lapisan carbon

(PEDC Bandung, Ilmu Bahan Logam. 1983: 120)

Dari garafik di atas dapat dipahami untuk membuat lapisan

karbonisasi setelah 2,5 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar

15-20 jam, sedangkan jika dengan suhu 9000C dibutuhkan waktu sekitar

45 jam. Menurut Beumer (1980: 37-38), lapisan karbonisasi yang sering

dibuat oleh dunia industri adalah sekitar 1,0 mm. Jika kita lihat kembali

garis dalam grafik diatas maka untuk mendapatkan ketebalan lapisan

karbon 1,0 mm dengan suhu 9500C dibutuhkan waktu sekitar 3 – 6 jam.

Oleh karena itu dalam penelitian ini peneliti menggunakan suhu 9500C dan

waktu 4 jam penahanan untuk proses karbonasi, dengan asumsi pada suhu

9500C tersebut proses penyusupan lebih cepat sehingga kandungan karbon

dalam besi bias lebih meningkat sesuai dengan harapan. Waktu 4 jam

penahanan proses karbonasi tersebut dapat memberikan waktu yang cukup

untuk penyerapan unsur karbon kedalam baja.

20

4. Double hardening

Double hardening termasuk perlakuan suatu proses pengerasan

dengan jalan memanaskan benda yang diikuti dengan pendinginan cepat

dari bahan yang telah mengalami proses carburizing. Pada material

karburizing terjadi perbedaan kandungan karbon. Sebagai contoh pada

bagian kulit mengandung 0,8%C dan pada bagian intinya tetap 0,2%C.

perbedaan kandungan karbon dengan bagian inti dari proses carburizing

tersebut sehingga tidak menghasilkan kekerasan yang baik, untuk itu harus

dilakukan pengerasan ulang yang disebut (double hardening) (Endri

Maulana, 2006:14). Dengan adanya proses ini bahan mempunyai sifat

getas sehingga ketangguhan bahan menjadi rendah.

Proses double hardening sendiri dibagi menjadi tiga tahap

pemanasan. Pemanasan pertama dilakukan sampai suhu 9000 C, hal ini

dilakukan untuk memecah cementit pada permukaan benda, kemudian

didinginkan dengan cepat menggunakan air. Pemanasan kedua dilakukan

pada suhu 7600 C, bertujuan untuk mengurangi tegangan yang tidak

diinginkan kemudian didinginkan dengan cepat. Dari pemanasan kedua ini

akan menghasilkan butiran kristal yang lebih halus. Proses ini harus

diakhiri proses pemudaan (tempering) pada suhu 1800 C.

5. Tempering

Pada dasarnya baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak

cocok untuk digunakan. Melalui temper, kekerasan, dan kerapuhan dapat

diturunkan sampai memenuhi persyaratan. Kekerasan turun, kekuatan tarik

21

akan turun, sedang keuletan dan ketangguhan akan meningkat (Djafrie,

1985). Pada saat tempering dapat terjadi proses difusi yaitu karbon dapat

melepaskan diri dari martensit berarti keuletan (ductility) dari baja naik,

akan tetapi kekuatan tarik, dan kekerasan menurun (Djafrie, 1986)

Perlakuan untuk menghilangkan tegangan dalam dan menguatkan

baja dari kerapuhan disebut dengan memudakan (tempering). Tempering

didefinisikan sebagai proses pemanasan logam setelah dikeraskan pada

temperatur tempering (di bawah suhu kritis), yang dilanjutkan dengan

proses pendinginan (Koswara, 1999: 134).

Baja yang telah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cocok untuk

digunakan, melalui proses tempering kekerasan dan kerapuhan dapat

diturunkan sampai memenuhi persyaratan penggunaan. Kekerasan turun,

kekuatan tarik akan turun pula, sedang keuletan dan ketangguhan baja

akan meningkat.

Gambar 6. Bagan umum proses pengerasan

Keterangan: 1. Struktur awal 2. Austenit 3. Martensit 4. Struktur temper H. Suhu pengerasan A. Suhu penemperan, dan R. Suhu ruangan

22

Pada suhu C2000 sampai C3000 laju difusi lambat dan hanya

sebagian kecil karbon dibebaskan, hasilnya sebagian struktur tetap keras

tetapi mulai kehilangan kerapuhannya. Diantara suhu C5000 dan C6000

difusi berlangsung lebih cepat, dan atom karbon yang berdifusi diantara

atom besi dapat membentuk sementit. Perubahan sifat mekanis akibat

temper martensit baja karbon 0, 45% dapat dilihat pada Gb. di bawah ini.

Gambar 7. Perubahan sifat mekanis akibat temper.

Prosesnya adalah memanaskan kembali berkisar antara suhu C1500 -

C6500 dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja

tersebut, menurut tujuannya proses tempering dibedakan sebagai berikut.

a. Tempering pada suhu rendah ( C1500 - C3000 )

Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan dan

kerapuhan dari baja, biasanya untuk alat-alat kerja yang tidak

mengalami beban berat seperti alat-alat potong, mata bor dll.

23

b. Tempering pada suhu menengah ( C3000 - C5500 )

Tempering pada suhu sedang bertujuan untuk menambah keuletan, dan

kekerasannya sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat

kerja yang mengalami beban berat misalnya palu, pahat, pegas.

c. Tempering pada suhu tinngi ( C5500 - C6500 )

Tempering pada suhu tinggi bertujuan untuk memberikan daya keuletan

yang besar dan sekaligus kekerasannya menjadi agak rendah, misalnya

pada roda gigi, poros, batang penggerak dan sebagainya.

6. Media Pendingin

Air mempunyai efek pendinginan yang lebih efektif bila

dibandingkan dengan zat yang lain sehingga dalam proses pengerasan

logam banyak dipakai sebagai media pendingin, pada baja karbon

rendah sangat cocok menggunakan pendingin air. Air merupakan

senyawa yang dapat berwujud padat, cair dan gas. Pada rumus kimia air

adalah H2O, yang berarti pada setiap molekul air ada dua atom hidrogen

yang terikat dengan atom oksigen. Air membeku pada suhu 2730K =

00C, dan menguap dibawah tekanan normal padasuhu 3730K = 1000C.

Air memiliki berat terbesar 2770K = 40C.

Tabel 1. Daya spesifikasi air

Spesifikasi air Daya

Kapasitas panas per massa C 4,186 kj/kg0K

Penguapan panas per massa I 2256 kj/kg

Koefisien penghantar panas 0,582 j/ms0K

24

7. Ketangguhan

Ketangguhan adalah ketahanan bahan terhadap beban tumbukan atau

kejutan. Ketangguhan juga dapat diartikan jumlah energi yang diserap

bahan sampai terjadi perpatahan (Djaprie.1992). Pengujian impact adalah

pengujian yang berdasarkan pada prinsip hukum kekekalan energi, yang

menyatakan bahwa jumlah energi mekanik selalu konstan. Maksud utama

dari pengujian impact adalah untuk mengukur kegetasan atau keuletan

bahan terhadap beban kejut dengan cara mengukur energi potensial sebuah

palu godam yang dijatuhkan pada ketinggian tertentu. Pengujian impact

merupakan pengujian dengan menggunakan beban sentakan (tiba-tiba).

Metode yang sering digunakan adalah metode Charpy dengan

menggunakan alat uji Impact Charpy.

Gambar 8. Alat uji Impact Charpy

Pada metode Charpy, batang uji diletakkan mendatar dan ujung-

ujungnya ditahan ke arah mendatar oleh penahan yang berjarak 40 mm.

Bandul akan berayun memukul benda uji tepat di belakang takikan. Untuk

25

pengujian ini digunakan sebuah mesin dimana suatu batang dapat berayun

secara bebas. Pada ujung batang dipasang pemukul yang diberi pemberat.

Batang uji diletakkan dibagian bawah mesin dan takikan tepat berada pada

bidang lintasan bandul.

Gambar 9. Spesimen pengujian impact Charpy (AS TM E 23 -56)

Gambar 10. Penempatan spesimen pada uji Charpy

Pada pengujian ini bandul pemukul dinaikkan sampai pada

ketinggian H. pada posisi ini pemukul memiliki energi potensial sebesar

26

WH (W adalah berat pemukul). Dari posisi ini pemukul dilepaskan dan

berayun bebas memukul, batang uji hingga patah dan pemukul masih terus

berayun sampai ketinggian H1. Selisih antara energi awal (WH) dengan

energi akhir (WH1) adalah energi yang digunakan untuk mematahkan

batang uji.

Ketahanan batang uji terhadap pukulan (impact strength ) dinyatakan

dengan banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan batang uji

(satuan Kgm/ft lb atau Joule). Impact strength merupakan ketangguhan,

yaitu ketangguhan benda uji terhadap beban kejut pada batang uji yang

bertakik (notch toughness). Logam yang getas akan memperlihatkan

impact strength yang rendah. Bahan yang ulet menunjukkan nilai impact

yang besar. Suatu bahan yang diperkirakan ulet ternyata dapat mengalami

patah getas. Patah getas ini dapat diakibatkan oleh beberapa hal antara lain

adanya takikan (notch), kecepatan pembebanan yang tinggi yang

menyebabkan laju peregangan yang tinggi pula dan temperatur yang

sangat rendah.

Patah ulet selain ditandai oleh nilai impact yang tinggi tetapi juga

ditandai oleh permukaan patah yang berserabut yaitu karena adanya

deformasi plastis pada daerah patah. Permukaan patah getas ditandai

dengan permukaan patah yang tampak mengkilat karena patahannya

kristalin.

dengan demikian sebuah bahan yang akan beroperasi pada

temperatur sangat rendah, misalnya pada suatu instalasi cryogenic perlu

27

diuji impact. Khususnya untuk mengetahui temperatur transisi antara ulet

dan getas, sifat peretakan pada baja dapat terjadi dalam tiga bentuk

(Sukadi, 2004:20) yaitu :

1. Keretakan getas atau keretakan bersuara, adalah rata dan mempunyai

permukaan yang mengkilap. Kalau potongan-potonganya kita

sambungkan lagi ternyata keretakan atau patahan itu tidak dibarengi

dengan deformasinya bahan. Tipe ini mempunyai pukulan takik yang

rendah

2. Patahan liat atau patahan perubahan bentuk, patahan ini mempunyai

permukaan yang tidak rata dan nampak seperti beludru, buram dan

berserat. tipe ini mempunyai nilai pukulan yang tinggi.

3. Patahan campuran, ialah patahan yang sebagian getas dan sebagian

liat. Patahan ini terjadi paling banyak.

Gambar 11. Daerah ulet, getas, dan transisi

28

Tenaga untuk mematahkan benda uji atau besarnya tenaga yang

diserap oleh benda uji sebelum terjadi patah dapat dihitung dengan rumus

sebagai berikut:

E = GR ( cos β – cos α )

Dengan :

E = Besarnya energi yang diserap (Joule )

G = Berat palu godam ( N)

R = Jarak titik putar ketitik berat palu godam (m)

α = Sudut jatuh (°)

β = Sudut ayun (°)

Keliatan bahan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

HKB = AE

Dengan : HKB = Keliatan bahan (joule / mm2)

E = Tenaga untuk mematahkan benda uji (Joule)

A = Luas penampang patahan benda uji (mm2

B. Kerangka Berpikir

Baja karbon yamg banyak digunakan pada industri-industri otomotif,

kebutuhan rumah tangga yaitu mempunyai sifat sesuai kebutuhan, maka baja

karbon tersebut dikenai perlakuan panas (heat treatment).

Pengarbonan bertujuan memberikan kandungan karbon yang lebih

banyak pada bagian permukaan dibanding dengan dinding bagian dalam pada

suhu 900o C s.d 950oC (Surdia, T, 2000). Pada dasarnya proses perlakuan

29

panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan

padat untuk mengubah sifat-sifat logam tersebut (Avner, 1974). Salah satu

perlakuan panas adalah carburizing.

Dari hasil carburizing, perbedaan karbon yang ada dalam bahan dari

bagian kulit dengan bagian inti sangat berbeda. Misalnya kulit 0, 8% C dan

ada bagian intinya tetap pada 0, 2%C sehingga pada bagian dalam adalah baja

hipoentektoid dan bagian kulit baja adalah baja hyperentektoid. Oleh karena

itu untuk menyamakan kandungan karbon antara bagian permukaan dengan

inti diperlukan perlakuan panas lanjut dengan melakukan proses double

hardening (pengerasan ganda). Double hardening (pengerasan ganda) adalah

proses pengerasan dari bahan yang telah mengalami proses carburizing untuk

memperbaiki struktur bagian kulit sama pada bagian inti benda kerja

(Frederick Palallo, 1995: 53). Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 880o C

s.d 900oC yaitu untuk memperbaiki bagian dalam benda kerja yang mengalami

pemanasan yang berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan

cementit pada bagian luar sehingga akan terjadi pengerasan unsur karbon pada

bagian luar ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat. Pemanasan

kedua dilakukan pada suhu 750 s.d 780 untuk mengurangi tegangan-tegangan

akibat pemanasan yang berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi

dari hasil carburizing kemudian didinginkan dengan cepat dari hasil

pengerasan ganda, akan menghasilkan butiran-butiran kristal yang halus. Dari

proses ini harus diakhiri dengan proses pemudaan (tempering) pada suhu

30

150oC s.d 180oC. Tempering ini hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan

dan kerapuhan pada baja.

31

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Bahan Penelitian.

1. Bahan penelitian

Bahan penelitian dibuat dari baja karbon rendah (low carbon steel)

dengan kandungan C 0,149 %. Pengerjaan material mengunakan mesin

bubut sebanyak 15 buah dengan ukuran 10x50 mm. Hal ini sesuai dengan

teori bahwa baja dengan kandungan karbon > 0,3% tidak dapat disepuh

keras, agar dapat disepuh keras maka diberi tambahan karbon dengan cara

karbonasi.

Variabel Penelitian

Variabel penelitian adalah gejala yang bervariasi dan menjadi

objek peneliti (Suharsimi, 1991: 89). Variabel yang diambil dalam

penelitian ini adalah :

1. Variabel bebas

Variabel bebas dari penelitian ini adalah carburizing dan double hardening.

2. Variabel terikat

Variabel terikat dalam penelitian ini adalah nilai ketangguhan dan struktur

mikro.

3. Varabel kontrol

Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah raw materiall (ST. 40), suhu

pemanasan proses carburizing, proses hardening, tempering, holding time

dan media pendinginan.

32

Metode Penelitian

Metode penelitian yang digunakan adalah metode deskriptif yaitu

metode penelitian dengan memberikan perlakuan pada spesimen yang

dilihat dengan gejala dideskriptifkan.

1. Peralatan Penelitian

Alat- alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai

berikut :

a) Alat uji ketangguhan: mesin uji impact merk “ Frank”

b) Alat uji komposisi

c) Furnace (dapur pemanas): dapur listrik, kotak carburizing, tang

penjepit, bak berisi air, sarung tangan, masker.

d) Mesin bubut (engine lathe C06230)

e) Mesin foto mikro: mikroskop optik merk Olympus

2. Uji Komposisi

Uji komposisi dilakukan guna mengetahui komposisi kimia C, Fe,

Mn, Al dan unsur lainnya yang terkandung dalam bahan uji.

Langkah dalam pengujian komposisi adalah sebagai berikut :

a) Spesimen dipotong dengan panjang 20 cm dibubut rata sampai halus

dan rata.

b) Spesimen dibakar dengan menggunakan sinar laser hingga bahan

mengalami pencairan/rekristalisasi. Alat uji komposisi akan menangkap

warna sensor cahaya dari proses rekristalisasi dan komputer mencatat

hasil yang diperoleh.

33

3. Pembuatan Spesimen

Pembuatan spesimen dilakukan dengan menggunakan mesin bubut

dan mesin skrap konvensional yang sebelumnya telah dilakukan pengujian

komposisinya. Pengerjaan material dengan jumlah dan ukuran yang telah

ditentukan.

Gambar 12. Dimensi spesimen kekuatan impact.

4. Carburizing

Proses pengarbonan dilakukan dengan menggunakan media bubukan

arang kayu. Proses pengarbonan ini memerlukan kotak sebagai wadah

benda uji yang terbuat dari pelat baja. Pemanasan dilakukan dengan

temperatur 900°C - 9500C dalam lingkungan yang menyerap karbon, lalu

ditahan beberapa lama pada suhu tersebut kemudian didinginkan. Gas

karbon menyusup kelapisan atas dan disana memperkaya kandungan karbon

sesuai kebutuhan yaitu 0,6 – 0,9% (Schonmetz, 1985 : 66).

Pengarbonan ini dilakukan dengan cara benda uji dimasukkan dalam

kotak yang telah ditaburi dengan bubuk arang yang telah dicampur dengan

40% BaCO3, benda uji diatur dengan jarak antara benda 2 cm kemudian

34

ditaburi kembali dengan bubuk arang batok kelapa secara merata. Tutup

kotak dipasang dengan rapat dan dimasukkan dalam dapur pemanas

(furnace) yang telah diatur dengan temperatur 9500C dan ditahan selama 4

jam. Material yang telah dipanaskan pada dapur, kemudian didinginkan

pada dapur pemanas hingga mencapai temperatur kamar. Kemudian

dilakukan uji komposisi untuk mengetahui penambahan kadar karbon.

5. Double Hardening

Proses pengerasan ganda ini dilakukan dengan 3 tahap pemanasan :

35

a) Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 9000C yaitu untuk

memperbaiki inti benda kerja yang mengalami pemanasan yang

berlebihan pada waktu proses carburizing dan memecahkan cementit

pada bagian luar sehinga akan terjadi penetrasi karbon pada bagian kulit

ke bagian inti kemudian didinginkan dengan cepat dengan media

pendingin air.

b) Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 7600C untuk mengurangi

tegangan-tegangan yang tidak diinginkan akibat pemanasan yang

berlebihan dan memperbaiki kekerasan yang tinggi dari hasil

carburizing kemudian didinginkan dengan cepat dengan media

pendingin air, tujuan dari pemanasan kedua menghasilkan butiran-

butiran kristal yang halus.

c) Proses terakhir adalah proses tempering pada suhu 1800C, yang

bertujuan untuk menghilangkan tegangan dalam yang terjadi selama

proses pengerasan dengan temperatur yang tinggi dan membuat baja

tidak rapuh.

6. Foto struktur mikro

Langkah yang dilakukan sebelumnya adalah pemolesan pada raw

material, hasil proses carburizing, double hardening yang dimulai dengan

menggunakan ampelas, autosol, agar permukaan menjadi mengkilap.

Kemudian melaksanakan foto struktur mikro terhadap bahan uji dengan

36

mesin foto struktur mikro. Proses ini dilakukan di laboratorium teknik

UGM.

7. Pengujian Ketangguhan

Pengujian ketangguhan dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan

bahan dalam menerima beban kejut. Pengujian ketangguhan dilakukan

dengan metode impak Charpy. Pelaksanaan pengujian Impact Charphy

adalah sebagai berikut:

d. Mengukur luasan benda uji sebelum di bentur dengan alat impact.

Pengukuran terutama pada lebar dan kedalaman takikan.

e. Menaikkan pengangkat pembentur sesuai dengan sudut yang telah

ditentukan dengan memutar handle beban pembentur, mengunci

pembentur dengan benar.

f. Melepaskan kunci dari pembentur setelah beban berada pada puncak

yang telah ditentukan, beban berayun tanpa tahanan dari benda uji.

g. Setelah kembali dari puncak ayunan, dapat dihentikan perlahan-lahan

dengan direm.

h. Mencatat jarum penunjuk (merah) pada skala yang benar berapa derajat

sudut ayunan pembentur tanpa benda uji (sudut α).

i. Menaikkan pembentur sedikit keatas.

j. Memasang benda uji pada anvil, tepatkan dengan penyenteran dan

lepaskan penyenter tersebut jika posisi benda uji sudah benar.

k. Pembentur dinaikkan perlahan-lahan dengan memutar handle tepat pada

sudut yang ditentukan. Kuncikan pengunci pembentur dengan baik.

37

l. Melepas kunci pembentur.

m. Biarkan pembentur bergerak jangan sampai kita menarik handle

pengereman. Karena hal ini akan sangat berpengaruh pada ketelitian

pengujian.

n. Setelah pembentur berayun mematahkan benda uji. Pembentur dapat di

hentikan dengan mengerem secara perlahan-lahan.

o. Mencatat jarum penunjuk pada skala yang benar sebagai sudut β.

p. Memfoto penampang patahan benda uji.

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari 2007 adapun

pelaksanaannya sebagai berikut :

1. Proses pembuatan spesimen dilaksanakan di Laboraturium SMK

Muhammadiyah Salatiga.

2. Pengujian komposisi dilakukan di PT. Itokoh Ceperindo Klaten.

3. Perlakuan panas dilakukan di BLKI Semarang.

4. Pengujian ketangguhan di Laboraturium Bahan Teknik Mesin UGM.

5. Foto struktur mikro dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik Mesin

UGM.

38

Diagram Alir Penelitian

Gambar 15. Diagram Alur Penelitian

39

Teknik Pengumpulan Data

Pengumpulan data dalam penelitian ini dilakukan dengan memasukkan

data yang diperoleh dari penelitian dalam lembar pengamatan. Data yang

diperoleh berupa hasil pengujian komposisi, foto mikro, pengujian impact.

Lembar pengamatan data sebagai berikut :

Tabel 2. Lembar pengamatan uji kekuatan impact.

No Proses pengerjaan Pengujian

I

Pengujian

II

Pengujian

III

Nilai

rata-

rata

1 G. RAW

MATRIAL

2 H. CARBURIZING

3 I. D.HARDENING

I

4 J. D.HARDENING

II

5 K. TEMPERING

Analisis data

Teknik analisis data yang dipakai dalam penelitian ini adalah

menggunakan analisis deskriptif yaitu menggambarkan data hasil

penelitian dalam bentuk table dan grafis.

40

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

7. Hasil Penelitian

Penelitian tentang pengaruh double hardening dengan media

pendingin air terhadap ketangguhan bahan ST.40 yang telah mengalami proses

carburizing menghasilkan data yang berupa angka dalam tabel, grafis

histogram dan foto yang meliputi: uji komposisi, pengamatan struktur mikro,

pengujian impact, dan bentuk patahan.

Uji Komposisi

Berdasarkan uji komposisi pada penelitian ini dilakukan dengan

metode sampel. Sampel 1 untuk uji komposisi adalah dari kelompok raw

material, maka dapat digeneralisasikan komposisi kimia seperti yang

tercantum pada tabel 3 dapat diklasifikasikan ke dalam jenis baja karbon

rendah (mild steel).

Tabel 3. Uji komposisi kimia baja karbon (raw material)

Komposisi kimia

Unsur Prosentase (%) Unsur Prosesntase (%) Fe 98,87 V < 0,00

S 0,021 Mn 0,560

Al 0,000 Mo < 0,004

C 0,135 W 0,04

Ni 0,094 P 0,009

Nb 0,00 Cu 0,105

Si 0,114 Ti 0,00

Cr 0,048 - -

41

Sampel ke 2 adalah dari kelompok material carburizing. Pada

material double hardening tidak dilakukan uji komposisi, karena dianggap

tidak ada proses penambahan unsur karbon.

Uji komposisi pada material carburizing digunakan untuk melihat ada

tidaknya penambahan unsur karbon. Uji komposisi pada sampel material

carburizing dapat kita lihat lebih jelas pada tabel 4:

Tabel 4. Uji komposisi proses carburizing.

Komposisi kimia

Unsur Prosentase (%) Unsur Prosesntase (%) Fe 75 V 0,002 S 0,009 Mn 0,009 Al 0,054 Mo 0,009

C > 4,584 W 0,013 Ni 0,047 P 0,034 Nb 0,024 Cu 0,208 Si 0,115 Ti 0,009

Cr 0,006 Mg > 0,038

Klasifikasi uji komposisi ini ditentukan oleh kadar karbon dalam

suatu material. Semua sifat-sifat yang dimiliki oleh baja dipengaruhi

komposisi kimia. Uji komposisi kimia ini bertujuan untuk mengetahui

penambahan unsur karbon setelah proses carburizing.

Hasil Pengujian Impact

Pengujian impact dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari

material baja karbon rendah sebagai material uji dalam penelitian ini. Hasil

pengujian impact pada umumnya adalah parameter ketangguhan (nilai

pukulan takik).

42

Data pengujian ini diperoleh dalam lima kelompok pengujian yaitu

spesimen raw material, hasil proses carburizing, double hardening

(hardening I dan hardening II), dan diakhiri dengan proses tempering.

Hasil pengujian impact ditunjukkan dalam tabel dan grafik, maka akan

diperoleh hasil - hasil berikut ini:

Tabel 5. Hasil Pengujian Impact Raw Material

No. Kode Lebar (mm)

Tinggi (mm)

Tinggi h1

A (mm2)

Tenaga patah

(Joule)

HKB (J/mm2)

1 BD1 10,3 9,99 8,2 84,46 143 1,693 2 BD2 10,1 10,0 8,1 81,81 138 1,687 3 BD3 10,0 10,10 8,0 80,0 135 1,687

Grafik Kekuatan ImpactRaw Material

Material

1,700

1 2 31,680

1,685

1,690

1,695

HK

B (J

/mm

2 )

1,693

1,687 1,687

Gambar 16. Grafik kekuatan impact raw material

Tabel 6. Hasil Pengujian Impact Carburizing

No. Kode Lebar (mm)

Tinggi (mm)

Tinggi h1

A (mm2)

Tenaga patah

(Joule)

HKB (J/mm2)

1 C1 10,2 10,1 7,5 76,5 33 0,4314 2 C2 10,0 9,99 8,1 81 35 0,4321 3 C3 10,2 10,0 8,0 81,6 35,5 0,4350

43

Grafik Kekuatan Impact

Carburizing

0,4300

0,4310

0,4320

0,4330

0,4340

0,4350

0,4360

HK

B (J

/mm

2 )

Material

0,43140,4321

0,4350

1 2 3

Gambar 17. Grafik kekuatan impact carburizing

Tabel 7. Hasil Pengujian Impact Double Hardening I

No. Kode Lebar (mm)

Tinggi (mm)

Tinggi h1

A (mm2)

Tenaga patah

(Joule)

HKB (J/mm2)

1 DH I 1 10,1 10,05 8,3 83,83 3,5 0,0417 2 DH I 2 10,0 10,0 8,0 8,0 3,4 0,0425 3 DH I 3 9,5 10,01 7,7 73,15 3,1 0,0424

Grafik Kekuatan Impact Double Hardening I

0,0405

0,0410

0,0415

0,0420

0,0425

0,0430

0,0435

0,0417

0,0425 0,0424

1 2 3Material

HK

B (J

/mm

2 )

Gambar 18. Grafik kekuatan impact double hardening I

44

Tabel 8. Hasil Pengujian Impact Double Hardening II

No. Kode Lebar (mm)

Tinggi (mm)

Tinggi h1

A (mm2)

Tenaga patah

(Joule)

HKB (J/mm2)

1 DH II 1 10,0 10,0 8,4 84,0 8 0,0952 2 DH II 2 9,6 10,05 8,3 79,68 7,5 0,0941 3 DH II 3 10,3 10,1 8,2 84,64 8,0 0,0947

Grafik Kekuatan ImpactDouble Hardening II

HK

B (J

/mm

2 )

0,0935

0,0940

0,0945

0,0950

0,0955

0,0960

0,0965

0,0941

0,0952

0,0947

1 2 3Material

Gambar 19. Grafik kekuatan impact double hardening II

Tabel 9. Hasil Pengujian Impact Tempering

No. Kode Lebar (mm)

Tinggi (mm)

Tinggi h1

A (mm2)

Tenaga patah

(Joule)

HKB (J/mm2)

1 T1 10 10,03 8,2 84 18 0,2143 2 T2 10,1 10,0 8,0 80,8 17,5 0,2166 3 T3 10,0 10,03 8,3 83 17,8 0,2144

Grafik Kekuatan ImpactTempering

HK

B (J

/mm

2 )

0,2130

0,2135

0,2140

0,2145

0,2150

0,2155

0,2160

0,2165

0,2170

Material1 2 3

0,2143

0,2166

0,2144

Gambar 20. Grafik kekuatan impact tempering

45

Tabel 10. Nilai Rata-Rata Kekuatan Impact

No Proses pengerjaan Pengujian

I

Pengujian

II

Pengujian

III

Nilai

rata-rata

1 RAW MATRIAL 1,693 1,687 1,687 1,689

2 CARBURIZING 0,4314 0,4321 0,4350 0,4328

3 D.HARDENING I 0,0417 0,0425 0,0424 0,0422

4 D.HARDENING II 0,0952 0,0941 0,0947 0,0946

5 TEMPERING 0,2143 0,2166 0,2144 0,2151

Diagram Hasil Pengujian Impact Rata-Rata

HK

B (J

/mm

2 )

2,000

1,500

1,000

0,500

0,000

1,689

0,4328

0,0422 0,09460,2151

BD C DH I DH II T

Gambar 21. Diagram hasil pengujian impact rata-rata.

Dari pengujian impact didapatkan nilai rata-rata kekuatan impact

pada setiap spesimen, adalah sebagai berikut:

Dari kelompok spesimen raw material rata-rata mempunyai nilai impact

1,689 J/mm2. Nilai dari raw material ini digunakan sebagai

pembanding.

46

Dari kelompok spesimen carburizing, diperoleh data nilai impact rata-rata

sebesar 0,4328 J/mm2. Dari perlakuan panas ini kekuatan impact bahan

mengalami penurunan yang signifikan yaitu sebesar 1,2562 J/mm2 atau

menurun sebesar 74,37%. Penurunan ini terjadi karena adanya

penambahan unsur karbon.

Nilai impact pada proses double hardening I adalah 0,0422 J/mm2 dan

mengalami penurunan 1,6468 J/mm2 atau menurun sebesar 97,50%

terhadap raw material. Juga mengalami penurunan sebesar 0,3906

J/mm2 atau menurun sebesar 90,24% terhadap proses carburizing,

dikarenakan material mengalami pengerasan pada inti baja.

Nilai impact pada proses double hardening II adalah 0,0946 j/mm2 dan

mengalami penurunan 1,5944 J/mm2 atau menurun sebesar 94,39%

terhadap raw material, sedangkan terhadap double hardening I

meningkat sebesar 0,0524 J/mm2 atau meningkat sebesar 124,17%. Hal

ini dikarenakan material mengalami pengerasan ulang pada permukaan

menyebabkan butiran struktur kristal logam lebih halus pada bagian

permukaan, sedangkan pada bagian inti kekerasannya berkurang

sehingga ketangguhan menjadi lebih baik.

Nilai impact pada proses tempering adalah 0,2151 J/mm2 dan mengalami

penurunan 1,4739 J/mm2 atau menurun sebesar 87,26 % terhadap raw

material. Jadi dari data hasil pengujian impact di atas diketahui bahwa

setelah proses double hardening hasil pengujian impact lebih rendah

terhadap proses carburizing begitu juga terhadap baja raw material

47

dikarenakan adanya pengerasan ulang terhadap material yang

menyebabkan butir struktur kristal logam lebih halus.

Foto Struktur Mikro

Foto mikro menggunakan dua buah lensa yaitu lensa obyektif dan lensa

okuler. Lensa okuler berfungsi untuk memperoleh fokus gambar yang akan di

ambil. Lensa obyektif berfungsi untuk memperbesar gambar dari lensa

okuler. Foto mikro logam disebut juga metalurgi mikroskop.

Gambar 22. Alat Metalurgi Mikroskop

Cara menggunakan metalurgi mikroskop:

1. Hidupkan Metalurgi Mikroskop dengan menekan tombol “ON”

2. Nyalakan lampu dengan menaikkan “Light Intencity Level” untuk

memilih cahaya yang diinginkan (untuk pemotretan sebaiknya pada

angka 10 –11)

3. Letakkan spesimen pada “Stage” lalu jepit dengan “Spesimen Holder”

4. Pilih pembesaran lensa “Objective” dengan memutarkan

“Revolvingnes Piece”

48

5. Lihat pada “Eye Piece” yaitu pada lensa okuler atau hidupkan layar

monitor

6. Putar “Coorse Focus” dan “ Fine Focus” untuk memperoleh gambar

yang fokus

7. Pilih lokasi pada spesimen yang diinginkan dengan memutar “Y- Axis

Knop” atau “X-Axis Knop”

8. Untuk melakukan pemotretan pertama masukan film pada kamera

kemudian tekan “Expose” untuk melakukan pemotretan.

Hasil foto mikro adalah sebagai berikut:

Raw Material

Struktur mikro material terlihat jelas dengan menggunakan

mikroskop program untuk diambil gambar strukturnya. Raw material

yang digunakan pada penelitian ini mengandung unsur karbon sebesar

0,135%. Untuk foto mikro baja raw material seperti terlihat pada

gambar mempunyai struktur ferrit dan perlit. Baja mempunyai sifat liat

dan lunak.

Gambar 23. Struktur mikro baja raw material

Perlitferrit

49

Material hasil proses Carburizing

Baja karbon rendah yang diberi perlakuan carburizing pada suhu

9500 C dan dipertahankan selama 4 jam dan kemudian didinginkan

dengan suhu ruangan. Pada proses carburizing ini kadar karbon

meningkat secara signifikan pada bagian permukaan dan struktur

mikro yang dihasilkan pada proses carburizing ini adalah sementit dan

perlit.

Gambar 24. Stuktur mikro material carburizing bagian tepi.

Gambar 25. Stuktur mikro material carburizing bagian tengah.

Struktur sementit ini terbentuk karena adanya penambahan unsur

karbon dan terikat oleh struktur Fe. Proses carburizing hanya

Perlit

Sementit

Perlit

ferri

50

menambah unsur karbon pada bagian permukaan, sehingga pada

bagian inti material strukturnya tetap yaitu ferrit dan perlit lebih

merata, maka ketangguhan akan menurun. Jadi hal ini mengurangi

ketangguhan pada baja raw material.

Material hasil proses double hardening I

Proses double hardening I merupakan pengerasan inti. Dari

proses ini struktur mikro yang terbentuk pada material baja hasil

double hardening I adalah struktur perlit dan sementit.

Gambar 26. Stuktur mikro material double hardening I bagian tepi.

Gambar 27. Stuktur mikro material double hardening I bagian tengah.

Proses pengerasan inti pada double hardening I terlihat struktur

ferrit dan perlit pada bagian tengah. Pada bagian tepi proses double

Perlit

Sementit

Perlit

ferrit

51

hardening I struktur sementitnya lebih besar dan struktur perlit mulai

terurai, sedangkan bagian inti perlit lebih tebal yang menyebabkan

pada bagian permukaan dan inti lebih keras. Jadi, ketangguhan proses

double hardening I lebih rendah dari carburizing.

Material hasil proses double hardening II

Pada proses double hardening II merupakan pengerasan

permukaan. Dari proses ini struktur mikro yang terbentuk pada

material baja hasil double hardening II adalah struktur martensit yang

menyebabkan pada bagian tepi material menjadi sangat keras.

Gambar 28. Stuktur mikro material double hardening II bagian tepi.

Gambar 29. Stuktur mikro material double hardening II bagian tengah.

Sementi

Martensit

Ferrit

Perlit

52

Proses pengerasan permukaan pada double hardening II terlihat

struktur ferrit dan perlit lebih tipis pada bagian tengah dibandingkan

dengan double hardening I. Hal ini menunjukkan baja mempunyai

ketangguhan yang lebih baik dari double hardening I.

Material hasil proses tempering

Proses double hardening pada penelitian ini meliputi pengerasan

inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses tempering.

Dari proses tempering kegetasan dan kekerasan dapat diturunkan, dari

proses yang sedemikian rupa struktur mikro yang terbentuk pada

material baja hasil double hardening adalah struktur martensit temper,

akan tetapi struktur martensit pada penelitian ini kekerasanya agak

rendah sehingga ketangguhan manjadi lebih tinggi dari pada proses

double hardening karena telah dikenai proses tempering.

Gambar 30. Stuktur mikro material tempering bagian tepi.

Perlit

Martensi

53

Gambar 31. Stuktur mikro material tempering bagian tengah.

Dari penelitian ini dapat kita ambil untuk ketangguhan pada

proses double hardening menjadi sangat rendah. Dengan adanya

tempering pada bagian inti struktur yang terdapat pada material tetap

ferrit dan perlit, sehingga ketangguhan menjadi lebih baik dari proses

double hardening I dan II. Pada penelitian ini proses carburizing

merubah susunan struktur mikro ferrit dan perlit pada raw material

menjadi sementit, setelah proses double hardening dengan media

pendingin air yang diakhiri dengan proses tempering struktur mikro

berubah menjadi martensit, sehingga ketangguhan proses double

hardening lebih rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga

terhadap baja raw material.

Penampang Patah

Spesimen setelah dikenai pengujian pukul takik akan patah pada

penampang kritis yang telah ditentukan, parameter keliatan/keuletan yang

ditunjukkan dengan reduksi penampang (reduction of area) maupun bentuk

penampang patahannya.

FerritPerlit

54

Penampang hasil patahan inilah yang akan diamati. Penampang hasil

patahan pengujian takik secara teliti dapat dilihat perbedaannya, masing-

masing bentuk patahan mempunyai karakteristik yang berbeda-beda.

Secara umum bentuk patahan pada pengujian pukul takik ada 3 bentuk,

yaitu: patah getas/rapuh, patah liat dan patah campuran.

a. Raw Material

Penampang patah raw material tampak terjadi pengecilan

penampang yang tidak rata dengan bentuk kristal yang tidak rata,

sehingga menunjukkan raw material mempunyai bentuk patahan liat

dengan sifat ulet dan lunak. Penelitian ini dapat diketahui unsur karbon

mempengaruhi katangguhan baja.

Gambar 32. Penampang patah benda raw material

b. Carburizing

Spesimen dengan perlakuan carburizing, mempunyai pengecilan

patahan, penampang patahnya terlihat rata dan butiran kristalnya halus

pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian tengah terlihat butiran

kristalnya tidak rata, kasar dan berserat yang menandakan bahan ini

55

ketangguhannya tidak terlalu tinggi disebabkan adanya penambahan

unsur karbon pada bagian tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk

patah campuran.

Gambar 33. Penampang patah benda pada proses carburizing.

c. Double Hardening I

Spesimen dengan perlakuan double hardening I penampang

patahnya terlihat rata, butiran kristalnya rata pada bagian tengah dan

tepi. Menunjukkan patahan baja berbentuk patah getas.

Gambar 34. Penampang patah benda pada proses double hardening I

d. Double Hardening II

Spesimen dengan perlakuan double hardening II penampang

patahnya terlihat rata, butirannya lebih halus pada tepi, pada bagian

tengah terlihat lebih kasar. Hal ini menandakan bahwa material

mempunyai unsur karbon lebih banyak pada bagian tepi, sedangkan

56

pada bagian tengah berkurang. Jadi patahan baja berbentuk patah

getas.

Gambar 35. Penampang patah benda pada proses double hardening II

e. Tempering

Spesimen dengan perlakuan tempering penampang patahnya

terlihat serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah

terlihat berserat dan lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata.

Hal ini menandakan material mempunyai unsur karbon yang merata

pada bagian tepi. Setelah ditemper kandungan unsur karbon pada

bagian tengah berkurang sehingga patahan baja berbentuk patah

campuran.

Gambar 36. Penampang patah benda pada proses tempering.

57

Dalam perlakuan double hardening pada penelitian ini meliputi

pengerasan inti, pengerasan permukaan yang diakhiri dengan proses

tempering menyebabkan ketangguhan pada baja dari carburizing

menjadi berkurang setelah mengalami proses double hardening.

Karena baja mengalami pengerasan yang berulang-ulang, sehingga

kandungan serat dalam baja sangat sedikit. Dengan adanya proses

pemudaan (tempering) baja menjadi lebih liat terhadap proses double

hardening. Dari masing-masing bentuk patahan, patahan raw material

mempunyai bentuk patahan yang liat, sedangkan pada proses double

hardening mempunyai bentuk patahan campuran. Jadi dari bentuk

patahan baja pada penelitian ini dapat disimpulkan bahwa proses

carburizing mempengaruhi penurunan ketangguhan, setelah proses

double hardening dengan media pendingin air ketangguhan lebih

rendah dibandingkan proses carburizing begitu juga terhadap baja raw

material.

8. Pembahasan

Pada proses carburizing adalah heat treatment yang bertujuan untuk

menambah unsur karbon pada bagian permukaan agar dapat disepuh keras,

karena pada baja karbon rendah mempunyai kandungan karbon di bawah 0,3%

tidak dapat disepuh keras. Dengan proses carburizing material mempunyai

lapisan luar yang keras dan bagian inti yang kenyal dan liat.

Pada penelitian ini katangguhan baja sangat jauh menurun setelah baja

mengalami proses carburizing. Begitu juga pada proses double hardening

58

ketangguhan baja semakin menurun dikarenakan proses double hardening

yang diakhiri proses tempering yaitu proses pengerasan ulang terhadap

material hasil carburizing, untuk memperhalus butiran struktur kristal lebih

baik pada bagian permukaan maupun inti.

Hasil penelitian ini dideskripsikan dalam bentuk diagram di atas

diketahui ada penurunan tingkat ketangguhan antara spesimen carburizing

dengan double hardening I, Double hardening II dan tempering terhadap raw

material. Pada penelitian ini raw material hanya digunakan sebagai

pembanding. Perbedaan tingkat ketangguhan yang diketahui antara spesimen

carburizing dengan spesimen double hardening I dan II, pada double

hardening juga diketahui perbedaan antara proses hardening I dan hardening

II. Setelah mengalami proses tempering dapat diketahui perbedaan

ketangguhan antara proses double hardening dengan tempering. Nilai

ketangguhan rata-rata pada spesimen proses carburizing mengalami

penurunan sebesar 74,37% (1,2562 J/mm2), pada spesimen proses double

hardening I mengalami penurunan sebesar 97,50% (1,6468 J/mm2), pada

spesimen proses double hardening II mengalami penurunan sebesar 94,39%

atau 1,5944 J/mm2. Sedangkan pada proses tempering mengalami penurunan

sebesar 87,26% atau 1,4739 J/mm2. Pada proses carburizing, double

hardening, dan tempering mengalami penurunan terhadap raw material.

Berdasarkan data-data di atas perubahan nilai ketangguhan pada tiap

kelompok spesimen dapat terjadi karena beberapa faktor yang

mempengaruhinya.

59

Proses carburizing adalah proses penambahan unsur karbon pada

permukaan material, sehingga unsur karbon bertambah. Penampang patahnya

terlihat rata dan butirannya halus pada bagian tepi. Sedangkan pada bagian

tengah terlihat butiran kasar berserat. Penambahan unsur karbon pada material

memungkinkan terbentuknya struktur sementit pada bagian tepi, tetapi pada

bagian tengah tetap mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur ini

menyebabkan baja menjadi getas pada bagian luar sedangkan bagian

dalamnya ulet dan mengalami penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar

1,2562 J/mm2 terhadap raw material, sedangkan carburizing terhadap double

hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,3906 J/mm2.

Carburizing terhadap double hardening II mengalami kenaikan nilai

ketangguhan 0,3382 J/mm2, begitu juga carburizing mengalami kenaikan nilai

ketangguhan sebesar 0,2177 J/mm2 terhadap tempering. Jadi, baja mempunyai

sifat luar getas, bagian dalamnya ulet dan memiliki bentuk patahan campuran.

Pada proses double hardening I bahan mengalami pengerasan inti,

akibat proses pengerasan itu menyebabkan struktur sementit menjadi lebih

besar dan struktur perlit mulai terurai pada bagian tepi sedangkan pada bagian

tengah struktur perlit terlihat tebal dan lebar sehingga baja menjadi getas.

Nilai ketangguhan rata-ratanya cenderung menjadi paling rendah, yaitu

sebesar 1,6468 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahannya terlihat

merata dengan butiran yang agak kasar pada bagian inti dan permukaan.

Proses ini merupakan proses pengerasan inti pada baja yang mempunyai

patahan yang berbentuk patah getas.

60

Proses double hardening II merupakan proses pengerasan permukaan

menyebabkan bahan mempunyai struktur martensit pada bagian tepi

sedangkan bagian tengah struktur perlit lebih merata dan kembali seperti

semula. Proses ini mempunyai penurunan nilai ketangguhan rata-rata sebesar

1,5944 J/mm2 terhadap raw material. Bentuk patahanya terlihat rata, butiranya

lebih halus pada tepi, bagian tengah terlihat lebih kasar. Jadi, proses double

hardening II mengalami kenaikan nilai ketangguhan sebesar 0,0524 J/mm2

terhadap proses double hardening I dan bentuk patahan baja bersifat getas.

Proses tempering adalah proses pemudaan yang mempunyai penurunan

nilai ketangguhan rata-rata sebesar 1,4739 J/mm2 terhadap raw material.

Tetapi terhadap double hardening I mengalami kenaikan nilai ketangguhan

sebesar 0,1729 J/mm2, begitu juga mengalami kenaikan nilai ketangguhan

sebesar 0,1205 J/mm2 terhadap double hardening II dikarenakan struktur

martensit bagian tepi hasil penemperan kekerasanya agak rendah sedang

bagian tengah/inti tetap ferrit dan perlit dengan penampang patahnya terlihat

serat-serat halus rata pada bagian tepi dan bagian tengah terlihat berserat dan

lebih kasar dengan bentuk kristal yang tidak rata. Jadi, baja mempunyai luar

getas sedangkan bagian dalamnya ulet dan mempunyai patahan yang

berbentuk patah campuran.

Berdasarkan pembahasan data-data penelitian yang telah diuraikan di

atas, raw material mempunyai nilai ketangguhan yang paling tinggi sebesar

1,689 J/mm2 setelah dikenai perlakuan panas dimana dalam hal ini adalah

proses carburizing dan pengerasan adalah proses double hardening yang

61

diakhiri dengan proses tempering. Dalam penelitian ini proses carburizing

mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,4328 J/mm2, double hardening I

sebesar 0,0422 J/mm2, double hardening II sebesar 0,0946 J/mm2, dan proses

tempering yang mempunyai nilai ketangguhan sebesar 0,2151 J/mm2. Dari

semua data penelitian di atas diperoleh data yang dapat membuktikan bahwa

proses carburizing berpengaruh menurunkan ketangguhan setelah mengalami

proses double hardening dengan media pendingin air tingkat ketangguhan

menjadi lebih banyak berkurang dibanding proses carburizing maupun

terhadap raw material.

62

BAB V

PENUTUP

A. Simpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan evaluasi data serta pembahasan di

atas, maka dapat diambil kesimpulan antara lain:

1. Nilai ketangguhan rata-rata raw material adalah 1.689 J/mm2, nilai

ketangguhan rata-rata material carburizing adalah 0,4328 J/mm2, nilai

ketangguhan rata-rata material double hardening I adalah 0,0422

J/mm2, nilai ketangguhan rata-rata material double hardening II adalah

0,0946 J/mm2 dan nilai ketangguhan material tempering adalah 0,2151

J/mm2. Karena nilai ketangguhan rata-rata raw material 1,689 J/mm2

dan nilai ketangguhan rata-rata proses double hardening 0,2151 J/mm2

maka nilai ketangguhannya menurun sebesar 87,26 %. Jadi, dapat

diambil kesimpulan bahwa proses double hardening dengan media

pendingin air pada bahan ST.40 setelah mengalami proses carburizing

adalah menurunkan ketangguhan baja.

2. Raw material mempunyai struktur ferrit dan perlit. Struktur sementit

pada bagian permukaan diperoleh setelah spesimen mengalami proses

carburizing sedangkan pada bagian tengah spesimen tetap ferrit dan

perlit. Pada proses double hardening mengurai struktur martensit

kembali menjadi struktur ferrit dan perlit dengan susunan kristal yang

lebih besar dan merata atau homogen. Jadi, proses double hardening

dengan media pendingin air yang telah mengalami proses carburizing

63

adalah terjadi perubahan ukuran butir kristal dan susunan struktur

mikro raw material.

3. Penampang patah bahan menunjukkan patah campuran pada spesimen

perlakuan proses carburizing, penampang patah bahan menunjukkan

patah getas pada spesimen perlakuan proses double hardning I dan II.

Patah campuran kembali ditunjukkan pada proses double hardening

setelah mendapat perlakuan proses tempering.

B. Saran

Saran yang dapat diberikan sehubungan dengan penelitian tentang

proses double hardening setelah mengalami proses carburizing terhadap

bahan ST. 40 adalah ketangguhan bahan menjadi hilang tetapi, untuk dapat

memperoleh sifat baja yang bagian luar getas dan bagian dalam ulet sebaiknya

dilakukan proses double hardening untuk memperbajki kualitas baja.

40

64

41

Lampiran 1

42

43

Lampiran 2

44

Contoh Mencari Tenaga Patah dan Ketangguhan

Contoh.

Spesimen Raw Mentari 1

Diketahui : Bahan = Baja karbon ST. 40

Luas penampang patahan benda uji (A) = 84,46 mm2

Berat palu godam (G) = 150 kg

Jarak titik putar ketitik berat palu godam (R) = 0,75 m

Sudut jatuh (α) = 157 0

Sudut ayun (β) = 69,50 0.

Hitung : a. Tenaga Patah (E)?

b. Ketangguhan (HKB)?

Penyelesaian:

a) E = GR ( cos β – cos α )

= 150. 0,75 ( cos 69,50 0 – cos 157 0 )

= 112,5 (0,3502 – (- 0,921))

= 112,5 (1,271)

= 143 joule.

b) HKB= AE =

46,84143 = 1,693 j/mm2

45

Gambar 5a. Dapur pemanas

Gambar 5b. Pengaturan Suhu

Gambar 5c. Spesimen penelitian

Lampiran 5

46

Gambar 5d. Mesin uji impact

Gambar 5e. Spesimen penelitian

47

PERNYATAAN SELESAI BIMBINGAN

Yang bertanda tangan dibawah ini, pembimbing skripsi dari mahasiswa:

Nama : Widya Mukti S

NIM : 5201401043

Prody : Pendidikan Teknik Mesin

Menyatakan bahwa mahasiswa tersebut telah selesai bimbingan skripsinya yang

berjudul “Pengaruh Double Hardening Dengan Media Pendingin Air

Terhadap Ketangguhan Bahan ST. 40 yang Telah Mengalami Proses

Carburizing” dan skripsi tersebut siap diujikan.

Demikian, semoga menjadi periksa.

Semarang, Februari 2007

Pembimbing I Pembimbing II

Drs. Murdani, M. Pd Hadromi, S. Pd, M. T NIP. 130894848 NIP. 132093201

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Mesin

FT. UNNES

Drs. Pramono NIP. 131474226