46

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

kekerasan sebelum dan sesudah di carburizing dan pengujian struktur mikro

sebelum dan sesudah di carburizing. 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 yang dilakukan tentang proses

penelitian meliputi :

Persiapan bahan yang akan di uji

Pemotongan Spesimen benda uji

Perlakuan panas dengan proses Carburizing

Proses pendinginan

47

Pengujian kekerasan dan struktur mikro

Analisa dan pembahasan

Kesimpulan

48

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Penelitian

PERSIAPAN BENDA UJI

KARBON RENDAH ST 40

SPECIMEN NON CARBURIZING

PEMOTONGAN BENDA UJI

SPECIMEN CARBURIZING

PROSES QUENCHING

SPECIMEN 1

WAKTU TAHAN

20 MENIT

SPECIMEN 2

WAKTU TAHAN

45 MENIT

SPECIMEN 3

WAKTU TAHAN

90 MENIT

UJI STRUKTUR MIKRO UJI KEKERASAN

PEMBAHASAN

DATA HASIL PENGUJIAN

KESIMPULAN

49

3.2 Pemilihan Material Benda Uji

Pada penelitian ini benda uji yang dipilih adalah baja karbon rendah

tipe ST 40 Bahan ini merupakan baja karbon rendah dengan kadar karbon (C)

0,10 – 0,30 %. hasil komposisi kimia menunjukkan bahwa baja karbon ini

yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsur-unsur paduannya dan dapat

digunakan untuk bahan benda uji penelitian karena memenuhi standar bahan

baja.

Tabel 3.1. Komposisi Kimia Baja Karbon Rendah ST 40

Unsur % Komposisi Kimia

Karbon (C)

Mangan (Mn)

Silikon (Si)

Sulfur (S)

Phospor (P)

0,25 - 0,30

0,60 - 0,90

0,10 - 0,30

0,05 max

0,05 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 (specimen),

50

diantaranya beberapa percobaan perlakuan panas, pengujian kekerasan, dan

struktur mikro.

Bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah material baja

karbon rendah ST 40 berbentuk silinder berdiameter dalam 16 mm dan

diameter dengan panjang 30 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 Pengujian

Jumlah Bahan Uji

Baja Karbon Rendah

ST 40

( Buah )

Proses Karburasi pada

suhu 8500C

Jenis Pengujian

Holding Time Hardening

( Menit )

Kekerasan

( Titik )

Metalogfafi

( Buah )

3

3

3

20

45

90

4

4

4

1

1

1

Non Heat Treatment

( 3 Buah ) Suhu Kamar 4 1

Untuk pemanasan dalam tungku, material – material tersebut di

letakkan dalam sebuah box yang terbuat dari plat besi dengan tebal 2mm,

panjang 150 mm, lebar 135 mm dan tinggi 70 mm. Box carburizing tersebut

51

harus dipastikan rapat, karena kalau tidak rapat dapat menyebabkan kerusakan

pada tungku hoffment, karena serbuk dan asap karbon akan keluar dari box

dan mengenai dinding tungku.

3.4 Carburizing

Carburizing adalah cara pengerasan permukaan luar suatu material

baja atau besi kadar karbon rendah agar menjadi keras pada lapisan luar atau

memiliki kadar karbon tinggi pada lapisan luarnya. Biasanya suhu pada proses

karburasi adalah 17000F. Setelah proses pendinginan maka pada permukaan

baja dapat dilihat dengan mikroskop bahwa terdapat bagian – bagian

hypereutectoid, zona yang terdiri dari perlit dan jaringan sementit yang putih,

diikuti zona euktektoid, hanya terdiri dari perlit dan terakhir adalah zona

hypeutektoid, yang terdiri dari perlit dan ferrit, dimana jumlah ferrit

meningkat hingga pusat dicapai.

Carburizing ada tiga jenis yaitu :

3.4.1 Karburasi Padat ( Pack Carburizing )

Bahan dipadatkan pada medium yang kaya akan karbon, seperti

bubuk karbon dan dipanaskan pada tungku pemanas pada suhu 8000C –

9000C. pada temperatur ini CO diproduksi sebagai bahan reduksi yang

kuat. Reaksi reduksi terjadi pada permukaan besi yang mengeluarkan

karbon, yang kemudian berdifusi kepermukaan akibat temperatur yang

52

tinggi. Ketika cukup karbon di absorsi ke dalam bahan, bahan tersebut

dapat dipindahkan dari tungku/furnace.

Reaksi dari karburasi padat adalah sebagai berikut :

a. Pembusukan energizer untuk memberi gas CO ke permukaan besi.

BaCo3 BaO + CO2

Co2 + C 2CO

b. Karbon monoksida bereaksi bengan permukaan dari besi.

2CO + Fe Fe(c) + CO2

c. Difusi karbon kedalam besi.

CO2 yang terbentuk pada langkah ( b ) bereaksi dengan “C”

didalam arang.

CO2 + C 2CO

Kelebihannya hanya memerlukan biaya yang kecil dan sangat mudah

dari ada teknik surface hardening yang lain

Kekurangan memakan waktu yang cukup lama dan merupakan

hardening yang kotor.

3.4.2 Karburasi Gas ( Gas Carburizing )

Antara lain dapat digunakan gas alam atau hidro karbon atau

propon ( Gas Karbit ). Prosesnya yaitu benda yang akan dipanaskan

dimasukkan dalam oven atau furnace dengan temperature bervariasi

53

antara 8700C sampai 950

0C. atmosfir gas untuk karburasi diproduksi

dari cairan ( metanol, isopropanol ), atau gas hidrokarbon ( peropana

dan metana ). Generator gas endhotermik dipakan untuk menyuplai gas

endhotermik.

Komposisi gas dalam proses karburasi gas adalah :

Nitrogen 40%

Hydrogen 40%

karbon monoksida 20%

Karbon dioksida 0,3%

Metana 0,5%

Uap air 0,8%

Oksigen in treaces

Oven dialiri dengan gas karbon. Atom – atom karbon akan

tertarik menembus kedalam logam. Sehingga permukaan logam

menjadi kaya karbon. Cara ini diterapkan dalam karburasi dalam

bagian – bagian yang kecil yang dapat dicelupkan langsung setelah

pemanasan dalam dapur.

Selama proses karburasi gas, terjadi reaksi – reaksi sebagai

berikut:

a. C3H8 2CH4 + C ( craking of hydrocarbon )

b. CH4 + F Fe ( C ) + 2H2

54

c. CH4 + CO2 2CO + 2H2

d. 2CO + Fe Fe ( C ) + CO2

Kelebihan dari gas carburizing yaitu lebih cepat dibandingkan dengan

pack carburizing. Proses ini hanya membutuhkan sedikit tenaga kerja

dan penanganan. Juga lebih praktis dari pada pack carburizing untuk

jumlah yang banyak.

Kekurangan, alat dan bahan yang digunakan dalam proses ini lebih

mahal.

3.4.3 Karburasi Cair ( Liquid Carburizing )

Karburasi jenis ini menggunakan lelehan sainida ( CN ) pada

logam berkarbon rendah yang dipanaskan dengan menggunakan belerang

pemanas yang dipanaskan dengan minyak atau gas. Suhunya kira – kira

8150C – 900

0C. proses ini dilakukan dengan kontinyu dan otomatis karena

memberikan hasil akhir yang baik. Permukaan lelehan ditutup dengan

grafit atau batu bara untuk mengurangi hilangnya radiasi dan dekomposisi

sianida yang berlebiahan. Selain sodium dan potassium sianida, lelehan

yang digunakan juga mengandung sodium dan pottasium klorida dan

barium klorida yang berperan sebagai aktifator. Reaksi yang terjadi

didalam dapur garam sianida adalah sebagai berikut :

55

BaCl2 Ba (CN)2 + 2NaCl

Ba (CN)2 + Fe Fe(c) + BaCN2

Proses ini mirip dengan proses sianida, hanya disini kulit luar

mempunyai kadar karbon yang tinggi dan kadar nitrogen yang rendah.

Karburasi cair dapat digunakan untuk membentuk lapisan setebal 6,35mm,

meskipun umumnya tidak melebihi 0,64 mm. Cara ini baik untuk

pengerasan permukaan benda yang berukuran kecil dan sedang.

Kelebihan, karena cairan mentransfer dengan cepat maka karbon

yang ditambahkan juga lebih cepat. Juga pengerasan yag

dihasilkan lebih merata.

Kekurangan, beberapa nitrogen terserap bersama – sama dengan

karbon dan menyebabkan pengerasan mendadak. Juga material

harus dikeringkan setelah proses ini untuk menghindari korosi, hal

tesebut memakan waktu dan biaya.

Dan hal – hal yang mempengaruhi hasil proses karburasi adalah

sebagai berikut :

Potensial Karbon

Semakin tinggi potensial karbon, makin cepat karbon disuplai

kedalam baja, menghasilkan gradien konsentrasi lebih tinggi

dipermukaan. Untuk campuran berbagai macam gas potensial

56

karbon pada temperatur tertentu, potensial karbon dikenal sebagai

kandungan karbon dalam kesetimbangan dengan atmosfir tungku.

Biasanya kondisi ini mengacu pada aktivitas karbon dalam atmosfir,

yang dapat dikenal dari penunjukkan potensial oksigen, CO dan

CO2

dalam atmosfir, jika atmosfir fasa gas tersebut berada dalam

kesetimbangan.

Kecepatan Reaksi

Dipermukaan Baja : Sifat dan konsentrasi dari spesies molekul

dalam atmosfir mempengaruhi kecepatan reaksi. Sebagai contoh,

reaksi permukaan lebih cepat terjadi pada atmosfir gas endotermik

daripada atmosfir metana-hidrogen.

Temperatur Karburasi

Peningkatan proses akan meningkatkan kecepatan reaksi

permukaan, sehingga menghasilkan kedalaman penetrasi karbon

lebih besar. Dengan demikian ketebalan lapisan yang diperoleh

lebih dalam.

Paduan Logam

Kandungan unsur paduan pada baja memberikan pengaruh,

pertama terhadap kandungan karbon lapisan dan kedua terhadap

kecepatan difusi karbon kedalam baja. Hal diatas disebabkan

elemen-elemen paduan tersebut menempati posisi subsitusi dan

57

interstisi pada sisi matrik logam sehingga akan menghambat

gerakan atom-atom karbon yang berdifusi, sehingga akan dihasilkan

kedalam karburasi yang berbeda

Waktu Karburasi

Kedalaman penetrasi karbon meningkat, seiring dengan

peningkatan waktu karburasi dan untuk memperoleh pemanasan

yang homogen sehingga struktur austenitnya homogen atau terjadi

kelarutan karbida ke dalam austenit dan difusi karbon dan unsur

paduannya.

Difusi

Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dari bagian

berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah.

Contoh yang sederhana adalah penambahan carbon ke dalam baja karbon rendah

sehingga pada baja, karbonnya lebih besar.Difusi yang paling sering terjadi adalah

difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan

(layer) molekul yang diam.

Apabila suhu pada suatu material naik, akan menyebabkan atom-atomnya

bergetar dengan energi yang lebih besar dan sejumlah kecil atom akan berpindah

dalam kisi. Mekanisme perpindahan atom dalam suatu logam dapat terjadi secara

interstisi dan kekosongan. Perpindahan secara interstisi terjadi bila atom tidak

memilki ukuran yang sama. Sedangkan perpindahan secara kekosongan dapat terjadi

bila semua atom memiliki ukuran sama.

58

Proses difusi dapat terjadi lebih cepat Apabila:

1. suhu tinggi

2. atom yang berdifusi kecil

3. ikatan struktur induk lemah (dengan titik cair rendah)

4. terdapat cacat-cacat dalam bahan (kekosongan atau batas butir)

3.5 Proses Pengujian

3.5.1 Karburasi

karena yang akan diuji adalah pengaruh karburasi terhadap baja karbon

rendah ST 40. Pada pengujian ini sistem yang karburasi dipakai adalah pack

carburizing atau pengkarbonan dengan media padat. Bahan untuk proses

perlakuan panas pada Pack Carburizing adalah Bubuk Carbon aktif + Barium

Carbonat sebagai energizer.

Proses karburisasi padat adalah proses dimana karbon monoksida yang

berasal dari senyawa padat dilarutkan atau diuraikan pada permukaan logam

masuk kedalam unsur karbon asal. Unsur karbon yang diberikan diadsorb

masuk kedalam logam dan membentuk karbon dioksida. Karbon dioksida

kemudian bereaksi dengan unsur karbon material dalam senyawa padat

karburisasi untuk menghasilkan karbon monoksida yang bersih. Pembentukan

karbon monoksida diperbesar oleh energi pembentuk (Energizer) atau katalis.

Salah satu jenis katalisnya yaitu Barium Carbonat (BaCO3). Energizer ini

59

memudahkan reduksi karbon dioksida dengan karbon membentuk karbon

monoksida. Bahan dari media karburisasi padat yang umum digunakan adalah

Bubuk carbon aktif. Dengan perbandingan Bubuk carbon aktif dan barium

carbonat adalah 1 / 0,1.

Pada karburisasi dengan media padat mekanisme reaksi yang terpenting

adalah menghasilkan gas CO dan CO2.

Reaksinya adalah sebagai berikut.

BaCO3 BaO + CO

2

CO2

+ C 2CO

Mula-mula CO2

terbentuk dari hasil disosiasi BaCO2

dan selanjutnya

CO2

bereaksi dengan karbon yang ada dalam arang menghasilkan gas aktif CO.

2CO CO2

+ C

Gas CO2

yang terbentuk kemudian bereaksi dengan BaO membentuk

BaCO3, dengan reaksi :

BaO + CO2

BaCO

Dengan demikian reaksi akan berlangsung terus menerus selama proses

berlangsung.

60

Gambar 3.2 Proses Pack Carburizing

Prosedur Carburizing

a) Siapkan box sebagai tempat bubuk carbon aktif dan tempat specimen.

b) Tuangkan 0.25 kg Bubuk carbon aktif yang telah dicampur dengan

Barium Karbida 10 % kedalam box, masukkan spesimen uji yang telah

dibersihkan dan tuangkan 0.25 kg lagi Bubuk carbon aktif. Posisi

spesimen adalah seperti gambar berikut :

Gambar 3.3 Penyusunan Spesimen pada proses Carburizing

61

c) Tutup rapat – rapat box tersebut. Kalau tidak rapat bisa menyebabkan

kerusakan pada tungku hoffment, karena serbuk dan asap karbon akan

keluar dari box dan mengenai dinding tungku.

d) Masukkan box kedalam tungku hoffment dan hidupkan tungku.

e) Atur suhu pemanas ( 8500C) dan atur waktu holding timenya.

f) Setelah selesai ambil box dari tungku, dan keluarkan specimen.

Gambar 3.4 Pengambilan Specimen Dari Tungku

g) Langkah terakhir adalah mencelupkan specimen kedalam oli

pendingin. Dan specimen dibersihkan dari kerak – kerak yang

menempel.

62

3.5.2 Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan metode Rockwell

dengan skala HRC, yang menggunakan indentor berupa sebuah intan

berbentuk piramida dengan sudut 1200. Pembebanan yang diberikan adalah

sebesar 150 kgf

Gambar 3.5 Alat Uji Kekerasan Rockwell

Gambar 3.6 Landasan Specimen Uji

63

Gambar 3.7 Indikator Intan Kerucut

Daerah penetrasi (penekanan)

Daerah penekanan diambil secara vertikal, sebanyak 4 titik dengan

penahanan waktu tekan selama 60 detik untuk masing-masing material uji.

Langkah – Langkah Pengujian

1. Bersihkan benda uji dari kotoran dan karat sampai bersih agar

hasilnya baik.

2. Letakan benda uji pada dudukannya lalu setel hingga rata.

3. Kalibrasi mesin uji Rockwell ke skala C dengan mengarahkan jarum

indikator ke skala C dan atur besar beban.

4. Pasang indentor intan kerucut yang bersudut puncak 120° untuk semua

benda uji kekerasan.

5. Naikkan benda uji dengan memutar roda tangan sampai menyentuh

indentor dan kedudukannya harus tetap rata.

6. Tekan dial indicator, tunggu loading selama 60 detik.

7. Setelah loading 60 detik kembalikan tuas indicator ke posisi unload.

64

8. Lakukan penekanan ke material yang akan diuji dengan beban penekan

150 Kgf, pada 4 titik penekanan.

9. Mengkonversi harga kekerasan Rockwell ke harga kekerasan Brinell

dan Vickers untuk mengetahui perbedaan harga kekerasan.

Dari hasil data kekerasan Rockwell yang sudah didapat, kita dapat

mengkonversikannya ke bentuk HV dan HB. Tujuan pengkonversian ini

adalah agar kita dapat mengetahui perbedaan nilai kekerasan antara HRC, HV

dan HB.

Keterangan :

HR = Rockwell Hardness number ( nilai kekerasan Rockwell )

HB = Brinnell Hardness number ( nilai kekerasan Brinnell )

HV = Vickers Hardness number ( nilai kekerasan Vickers )

Konversi dari nilai HR ke nilai HV dn HB :

a. Untuk HRC, pencarian nilai HV dapat menggunakan persamaan :

b. Untuk HRC, pencarian nilai HB dapat digunakan persamaan :

65

3.5.3 Pengujian Metallografi (Struktur Mikro)

Untuk mendapatkan tampilan struktur mikro dari benda uji baik yang

belum dilakukan proses pack carburizing maupun yang sudah di lakukan

proses pack carburizing di dapatkan melalui langkah-langkah preparasi

sampel metalografi sebagai berikut:

Metode pengujian ini memerlukan persiapan yang cukup teliti dan

cermat, agar diperoleh hasil metallografi 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.

Mounting

Setelah dipotong kemudian benda uji di mounting, yang bertujuan agar

memudahkan pengoperasian selama proses preparasi (grinding dan polishing).

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

66

dengan kertas amplas dan juga untuk menghilangkan partikel-partikel bahan

abrasive menempel pada permukaan benda uji.

Gambar 3.8 Mesin Grinding / Poleshing

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 pemoles. 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,

67

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 3.9 Mikroskop