BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Untuk dapat mengetahui hasil dari penelitian ini maka pada bab ini akan di bahas

mengenai metode penelitian yakni mengenai proses pelaksanaan dan prosedur penelitian

yang akan di lakukan dalam menguji benda uji, dimana pelaksanaannya di mulai dari

persiapan benda uji sampai proses pengujian material yang di lakukan.

Ada beberapa pengujian yang dilakukan antara lain meliputi uji unsur kimia, uji

kekerasan sebelum dan sesudah di hardening, uji aus sebelum dan sesudah di hardening,

dan pengujian struktur mikro sebelum dan sesudah di hardening.Adapun prosedur ini

sesuai dengan diagram alir yang telah dibuat pada gambar 3.1. Dari hasil pengujian

tersebut akan didapat kondisi normal proses laku panas yang diterapkan meliputi

temperatur dan waktu tahan.Adapun prosedur penelitian dilakukan seperti yang terlihat

pada gambar 3.1 yang mana terlihat tentang proses penelitian meliputi :

• Pemilihan bahan

• Pembuatan Spesimen banda uji

• Perlakuan panas

• Pengujian sifat mekanis dan struktur mikro

• Analisa dan pembahasan

• Kesimpulan

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Penelitian

Uji Keausan

Uji Metallografi

Uji Kekerasan

Data Hasil Pengujian

Pembahasan

Preparasi Sample Material Baja AISI 4140

Komposisi Kimia Baja karbon AISI 4140

Material Variasi Holding Time Quenching Non Heat Tretament

( 15,30,45 ) menit

KESIMPULAN

3.2 Pemilihan Material Benda Uji

Pada penelitian ini benda uji yang dipilih adalah baja paduan chrom-molybdenum

(chrom-molybdenum alloy steels) tipe 4140 atau disebut baja paduan SCM 4 standar JIS

(Japan Industrial Standar). Bahan ini merupakan baja karbon rendah dengan paduan

Chromium (Cr) dan kadar karbon (C) rendah seperti terlihat pada tabel 3.1, hasil

komposisi kimia menunjukkan bahwa baja paduan ini yang sebagian besar dipengaruhi

oleh unsur-unsur paduannya dan dapat digunakan untuk bahan benda uji penelitian

karena memenuhi standar bahan baja paduan chrom-molybdenum AISI tipe 4140.

Tabel 3.1. Komposisi Kimia Baja AISI 4140

Unsur % Komposisi Menurut Analisa Kimia dengan (Emission Spectrometer)

Karbon (C)

Mangan (Mn)

Silikon (Si)

Chromium (Cr)

Molybdenum (Mo)

Sulfur (S)

Phospor (P)

0.38 – 0.43

0.75 – 1.00

0.15 – 0.30

0.80 – 1.10

0.15 – 0.25

0.04 (max)

0.035 (max)

3.3 Persiapan Material Benda Uji

Untuk mendapatkan kondisi pengujian dan hasil terbaik, maka dilakukan

persiapan-persiapan percobaan dan pengujian di laboratorium. Dibawah ini akan

diuraikan mengenai persiapan bahan (spesimen), diantaranya beberapa percobaan

perlakuan panas, pengujian kekerasan, pengujian aus dan struktur mikro.

Bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah material baja paduan 4140

berbentuk silinder berdiameter dalam 12 mm dan diameter luar 18 mm dengan panjang

61 mm. Untuk menyesuaikan dengan mesin-mesin penguji dan alat yang digunakan

dalam percobaan, batang baja bulat tersebut dipotong-potong kemudian dibuat batang

spesimen. Kemudian batang spesimen dikelompokkan sesuai dengan proses perlakuan

yang akan dilakukan seperti terlihat pada tabel 3.2 berikut :

Tabel 3.2. Perincian Benda Uji Proses Perlakuan Panas

Proses Perlakuan Panas Jumlah Uji Mekanik Jumlah

benda Uji (buah)

Holding Time Hardening

(menit)

Uji Kekerasan

(Titik)

Uji Aus (Buah)

Pengujian Stuktu Mikro

(2 kali) Pembesaran

5

15

30

45

10

10

10

1

1

1

1

1

1

Non Heat Treatment (2 buah)

Suhu Kamar 10 2 2

Benda uji kekerasan ukuran panjang, lebar dan tinggi dibuat sama seperti ukuran benda

uji heat treatment supaya pada saat proses pemotongan dengan Wire Cutting dapat

dikerjakan sekaligus.

3.4 Proses Perlakuan Panas

Setelah melakukan persiapan benda uji maka sebagai langkah selanjutnya

dilakukan perlakuan panas, perlakuan panas bertujuan untuk meningkatkan kekerasan

dan ketangguhan, serta agar dapat mengetahui seberapa besar perubahan struktur mikro

pada benda uji tersebut, adapun proses perlakuan panas yang diberikan meliputi :

3.4.1 Proses Austenisasi

Pada proses awal ini semua spesimen baja dimasukkan kedalam dapur pemanas

secara bergiliran untuk kemudian dilakukan proses austenisasi yaitu memanaskan baja

sampai mencapai suhu 850°C dengan waktu tahan (Holding Time) selama 15, 30, 45

menit. Setelah itu spesimen dikeluarkan dari dapur pemanas untuk kemudian dilakukan

pendinginan cepat dengan media air.

3.4.2 Proses Quenching

Proses quenching bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanis bahan. Dalam

penelitian ini, proses quenching yang dilakukan adalah dengan variasi holding time yaitu

15, 30, 45 menit dengan suhu 8500C, kemudian dilanjutkan dengan pendinginan secara

cepat di air.

Gambar 3.2 Tungku HOFMANN

3.5 Pengujian Sifat Mekanis

Setelah selesai proses perlakuan panas (proses austenisasi,dan quenching)

terhadap benda uji, langkah selanjutnya adalah meneliti sifat mekanis yang meliputi :

3.5.1 Pengujian Kekerasan

Kekerasan merupakan ketahanan suatu material terhadap penetrasi material lain

atau dapat juga dikatakan ketahanan terhadap deformasi, dan untuk logam dengan sifat

tersebut merupakan ketahanannya terhadap deformasi plastis atau deformasi permanen.

Uji kekerasan dilakukan dengan menekankan identer ke permukaan logam yang diukur

kekerasannya. Identer biasanya terbuat dari material yang lebih keras dari pada benda uji,

contohnya hardened steel, tungsten carbide atau intan. Biasanya identer berbentuk bola,

pyramid, atau kerucut. Uji kekerasan standar dilakukan dengan menekankan identer

dengan hati-hati ke permukaan benda uji secara tegak lurus (900). Setelah proses peng-

identasian, identer ditarik dari benda uji dan nilai kekerasan akan terhitung atau terbaca

dari skala, berdasarkan kedalaman bekas penekanan dan diameter lekukan.

Kekerasan juga dapat didefinisikan sebagai :

- Ketahanan terhadap identasi permanen dibawah beban statis atau dinamis

(kekerasan identasi)

- Energy yang diserap dibawah beban impak (kekerasan pantulan)

- Ketahanan terhadap goresan (kekerasan gores)

- Kekerasan terhadap aus (kekerasan aus)

- Kekerasan terhadap pemotongan (cutting) atau drill (drilling)

Metode Rockwell

Dalam metode ini penetrator ditekan dalam benda uji. Harga

kekerasan didapat dari perbedaan kedalaman dari beban mayor dan

minor.

Beban minor adalah beban pertama yang diberikan identer kepada

specimen pada saat mencapai permukaan specimen juga berfungsi

sebagai landasan untuk beban mayor. Sedangkan beban mayor adalah

beban yang diberikan pada benda uji sampai mencapai kedalaman

tertentu pada specimen dari identer. Jadi nilai kekerasan didasarkan pada

kedalaman bekas penekanan.

Metode ini sangat cepat dan cocok untuk pengujian massal. Karena

hasilnya dapat secara langsung dibaca pada jarum penunjuk, maka

metode ini sangat efektif untuk pengetesan massal.

Uji kekerasan ini banyak digunakan disebabkan oleh sifat-sifatnya

yang cepat dalam pengerjaannya, mampu membedakan kekerasan pada

baja yang diperkeras, ukuran penekanan relative kecil, sehingga bagian

yang mendapatkan perlakuan panas dapat diuji kekerasannya tanpa

menimbulkan kekerasan. Uji ini menggunakan kedalaman lekukan pada

beban yang konstan sebagai ukuran kekerasan.

Mula-mula diberikan beban kecil sebesar 10 kgf untuk

menempatkan benda uji. Hal ini untuk memperkecil kecenderungan

terjadinya penumbukan keatas atau penurunan yang disebabkan oleh

identer. Kemudian diberikan beban yang besar sebagai beban utama ,

secara otomatis kedalaman bekas penekanan akan terekam pada “gauge”

penunjuk yang menyatakan angka kekerasannya.

Pengujian kekerasan Rockwell didasarkan pada kedalaman

masuknya penekan benda uji, makin keras benda yang akan diuji makin

dangkal masuknya penekan tersebut. Sebaliknya semakin dalam

masuknya penekan tersebut berarti benda uji makin lunak. Cara

Rockwell disukai karena dapat dengan cepat mengetahui harga kekerasan

suatu material tanpa menghitung seperti cara brinell dan Vickers. Nilai

kekerasan dapat langsung dibaca setelah beban utama dihilangkan,

dimana beban awal masih menekan benda tersebut.

Uji kekerasan Rockwell mempunyai kemampuan ulang

(reproduciable), namun perlu diperhatikan :

• Penekan dan landasan harus bersih dan terpasang dengan baik.

• Permukaan yang diuji harus bersih, kering, halus, dan bebas dari

pengotor.

• Permukaan harus datar dan tegak lurus terhadap penekan.

• Menguji permukaan silinder memberikan hasil pembacaan yang

rendah. Pengukuran pada permukaan silinder memerlukan koreksi

dimana data-data koreksinya secara teoritis dan empiris telah

dipublikasikan.

• Jarak antara satu pengujian dengan pengujian berikutnya harus 3-5

kali diameter bekas penekan.

• Kecepatan pembebanan harus sama dengan waktu pemberian

beban, baik untuk pengujian pertama maupun selanjutnya.

• Tebal benda uji harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi

gembung pada permukaan dibaliknya. Dianjurkan agar tebal benda

uji minimal 10 kali kedalaman bekas penekanan. Pusat dari

penekanan tidak boleh kurang dari 2,5 kali garis tengah penekanan

dari tiap sisi benda uji tersebut dan dari segala macam penekan

lainnya.

Tabel 3.3 Skala Kekerasan Rockwell

Skala Beban Mayor

(kg)

Tipe Identor Tipe material uji

A 60 Intan kerucut Sangat keras, tungsten, karbida

B 100 1/16” bola

baja

Kekerasan sedang, baja karbon rendah

dan sedang, kuningan, perunggu

C 150 Intan kerucut Baja keras, paduan yang dikeraskan,

baja hasil tempering

Gambar 3.3 Rockwell Hardness Tester HR-150

Kelebihan :

Cepat dan lebih sederhana

Mampu untuk membedakan perbedaan kekerasan kecil pada baja yang

diperkeras

Ukuran lekukan kecil, sehingga bagian yang mendapat perlakuan panas

yang lengkap dapat diuji kekerasan tanpa menimbulkan kerusakan.

Kekurangan :

Skala kekerasan pengukuran yaitu kombinasi antara penetrator yang

digunakan dan beban penekanan yang diijinkan untuk setiap material

berbeda-beda, sehingga harus disesuaikan.

Dengan bekas tekanan yang kecil maka kekerasan rata-rata tidak dapat

ditentukan untuk bahan yang tidak homogeny.

Dengan pembesaran dalamnya bekas tekanan yang kecil terdapat

kesalahan pengukuran yang besar.

Gambar 3.4. Material Uji Kekerasan

Gambar 3.5. Titik Uji Kekerasan

Keterangan :

Diameter Dalam : 12,1 mm

Diameter Luar : 18 mm

Tinggi : 61 mm

3.5.2 Proses Pengujian Keausan

1. Dalam proses pengujian keausan ini diperhatikan beberapa hal sebagai berikut

:

Memasang piringan (disc) pada alat uji dan pada pemegang specimen

dipasang specimen uji.

Diatas pemegang specimen dipasang pemberat, dan mengatur jarak

specimen uji pada radius tertentu dari pusat piringan.

Setelah semua terpasang dengan baik kemudian motor penggerak piringan

dijalankan bersamaan dengan motor penggerak lengan pemegang

specimen.

Gambar 3.5. Alat Uji Keausan Type Pin-on-disc

Gambar 3.6. Specimen Uji Aus

2. Prosedur Pengujian

Sebelum pengujian

a. Memasang amplas pengabrasi yang telah disesuaikan dengan

ukuran piringan mesin uji.

Gambar 3.7. Amplas Yang Telah Dipasang Di Piringan

b. Menyetel kedataran permukaan piringan yang telah dipasang

amplas dan kedataran lengan dengan menggunakan waterpass.

c. Specimen uji terlebih dahulu dibersihkan dengan alcohol dan

kemudian dikeringkan

d. Menimbang specimen untuk mengetahui beratnya sebelum

dilakukan pengujian dengan menggunakan neraca digital dengan

ketelitian 0,001 gram.

Gambar 3.8. Neraca Digital

3. Saat Pengujian

a. Memasang specimen uji pada pemegang specimen dengan posisi tegak

lurus terhadap permukaan datar piringan.

Gambar 3.9. Specimen Uji Dipasang Pada Pemegang

b. Memasang beban sebagai gaya penekan specimen, dengan besarnya beban

yang konstan.

c. Menghidupkan saklar power dari alat uji.

d. Mengembalikan saklar motor penggerak piringan pada posisi off.

e. Melepaskan beban penekan specimen.

f. Melepaskan specimen dan dibersihkan dengan alcohol dan dikeringkan,

kemudian ditimbang kembali untuk mengetahui massa yang hilang setelah

pengujian.

g. Mengulang kembali prosedur diatas untuk pengujian selanjutnya.

3.6 Pengujian Metallografi (Struktur Mikro)

Untuk mendapatkan tampilan struktur mikro dari benda uji baik yang belum

dilakukan proses hardening maupun yang sudah di lakukan proses hardening di dapatkan

melalui langkah-langkah preparasi sampel metalografi sebagai berikut:

Metode pengujian ini memerlukan persiapan yang cukup teliti dan cermat, agar

diperoleh hasil metalllografi yang baik, oleh karenanya diperlukan beberapa tahap dalam

persiapannya yaitu :

Pemotongan Benda Uji

Untuk dapat melihat struktur dalam benda uji mikroskop optik dengan baik, maka

benda uji dipotong sesuai dengan ukuran alat uji metallografi dalam arah vertikal

dan horizontal.

Gambar 3.5. Hasil Pemotongan untuk Pengujian Metalografi Mounting

Setelah dipotong kemudian benda uji di mounting, yang bertujuan agar

memudahkan pengoperasian selama proses preparasi (grinding dan polishing).

Gambar 3.6. Hasil Mounting

Grinding

Setelah benda uji di mounting baru kemudian diamplas secara berurutan dari yang

kasar sampai yang halus memakai kekasaran kertas amplas dengan nomor : 220,

400, 500, 800, 1000, 1200, 1500 dan 2000. Kertas amplas terbuat dari bahan

alumunium oxide waterproof. Dalam proses grinding harus selalu dialiri air bersih

secara terus menerus dengan tujuan menghindari timbulnya panas dipermukaan

benda uji yang kontak langsung dengan kertas amplas dan juga untuk

menghilangkan partikel-partikel bahan abrasive menempel pada permukaan benda

uji.

Polishing

Dalam memoles digunakan kain poles beludru dan mesin poles. Kain beludru

ditempelkan pada piringan yang berputar pada mesin poles, kemudian kain diberi

pasta alumina berupa partikel abrasive yang sangat halus. Selama pemolesan

benda uji digerakkan kedepan, kebelakang dan berputar dengan tujuan agar

partikel-partikel abrasive dapat terdistribusi dengan merata diatas piringan

penoles. Setiap satu langkah pemolesan berakhir, benda uji harus senantiasa

dicuci dan dibersihkan, yaitu dengan menggunkan alkohol lalu dikeringkan

dengan udara hangat. Benda uji yang sudah dipoles kemudian diperiksa dibawah

mikroskop untuk dilihat apakah masih ada goresan-goresan, inklusi non logam,

retakan dan lain-lain. Apabila masih ada goresan, retakan maka benda uji harus

dipoles kembali. Polishing akan berakhir bila sudah diperoleh permukaan benda

uji yang bebas dari goresan, retakan dan permukaannya seperti cermin.

Etsa

Setelah benda uji mengalami proses polishing, maka dilakukan pengetsaan,

dimana permukaan benda uji dicelup dengan waktu ± 5 detik menggunakan

larutan Nitral 2 % (alkohol 97 % 100ml + HNO3 3 ml) setelah itu dibersihkan

dengan air dan alkohol 97 % kemudian dikeringkan dengan udara hangat,

tujuannya agar terhindar dari oksidasi udara sekitar.

Gambar 3.7. Mikroskopik