PENDAHULUANTuntutan kebutuhan industri telah banyak

mempengaruhi perkembangan teknologi, salahsatunya adalah pelapisan permukaan bahan(coating). Pelapisan dimaksudkan untukmelindungi permukaan material terhadaplingkungan yang mungkin menyebabkan korosidan reaksi lain yang merusak, melindungipermukaan dari keausan akibat interaksi antaradua permukaan, memperbaiki sifat fisik danmekanik dari material yang dilapisi dan tidak kalahpentingnya juga untuk meningkatkan tampilanpermukaan. Perubahan fasa dan perubahan ukurandiameter butir dapat dimodifikasi sesuai dengankeinginan dan akan mempengaruhi sifat materialterutama kekerasan menjadi lebih baik.

Dengan mengubah struktur, tentunyabertujuan untuk memperoleh sifat material ataubarang industri yang jauh lebih unggul danberkualitas dari yang ada saat ini. Sifat-sifat pada

Abstract

Many things can affect the quality of Arc Sprayed process, including the process of settingthe parameters of the machine, especially large current and voltage settings on the machine ArcSprayed burning electricity (in this study using the machine SULZER METCO TUBE models 300).Given it is done research on comparative analysis of the microstructure of the material hardnessand cooper wire AW 14 GA and 13Cr steel which will be used as the standard parameters on PT.X by using some variation of voltage (voltage) and current (ampere) on the machine SULZERMETCO TUBE 300 models that aim to make the coating material sprayed results arc process.Coating or coating aims to improve the mechanical properties of the material or industrial goodsthat are far superior and quality of existing or recondition the mechanical properties of the materialoriginally kekondisi. One example of that is the Arc Sprayed coatings using Copper material AW14GA and 13Cr steel. The amount of electric current used in this study for 200A, 225A, 250A, and275A and a large voltage that is used for 26V, 28V, 30V and 32V with standard minimum hardnessof 118 HV and 372 HV hardness maximum amount and there is no porosity of testing photo materialmicro structure. From the research, it was found that the magnitude of the ideal machine parametersin accordance with the quality standards that have been set, namely the+32V 250A engine parameters,and the parameters used as the standard parameters for the production process in PT. X.

Key words: Arc sprayed process, hardness vickers (HV), micro structure material, porosity

PENGARUH TEGANGAN DAN KUAT ARUS LISTRIKTERHADAP SIFAT MEKANIS MATERIAL PADA LAPISANMATERIAL COOPER AW 14 GA + 13Cr STAINLESS HASIL

DARI TEKNIK ARC SPRAYED

Sahid Prastowo1), Margono Sugeng2)Program Studi Teknik Mesin, Institut Sains dan Teknologi Nasional

Jl. Cikini Raya 74-76 Jakarta Pusat, Jakarta, Indonesia1)e-mail : sahid.prastowo@gmail.com; 2)margono.s@istn.ac.id

pembentukan mikrostruktur dari bahan materialyang dihasilkan, diperoleh dari komposisi kimia,pengontrolan energi reaksi dan pengontrolantekanan pada proses pengolahannya. Salah satutekhik yang digunakan untuk proses coatingmaterial yaitu dengan arc sprayed process denganmaterial wire yang digunakan Cooper AW 14GA+13Cr Stainless.

Pada struktur teknik dengan arc sprayprocess ini cara mengaplikasikannya adalah dengancara melapisi baja dengan metode penyemprotan.Dalam penyemprotan ini ada hal-hal yang perlukita perhatikan, antara lain : parameter mesin danmetode penyemprotan. Dalam proses settingparameter mesin perlu diperhatikan besar aruslistrik, tegangan dan besar tekanan angin yangkeluar dari mesin arc sprayed.

Dalam kaitannya dengan hal-hal yang telahdiuraikan pada paragraf-paragraf sebelumnya,penulis tertarik untuk membahas dan meneliti

lebih dalam mengenai pengaruh besar tegangandan arus listrik terhadap kekerasan pada lapisanCooper AW 14GA+13Cr Stainless berbahan kawathasil tekhnik arc sprayed dengan menggunakanbeberapa variasi tegangan dan arus listrik, sehinggadapat ditentukan parameter yang ideal terkaitkekerasan yang diinginkan.

STUDI PUSTAKAPelapisan

Pelapisan adalah menambah ataumenempelkan suatu material atas permukaanmaterial lain. Pelapisan dimaksudkan untuk :1) Melindungi permukaan material terhadap

lingkungan yang mungkin menyebabkan korosidan reaksi lain yang merusak.

2) Meningkatkan tampilan permukan.3) Meningkatkan kualitas permukaan bahan seperti

kekerasan permukaan.4) Menambah kekerasan terutama sifat tribologi

(interaksi dua permukaan yang bergerak relatifsatu terhadap lainnya, dimana didalamnyaterdapat fenomena gesekan, pelumasan, dankeausan).

Thermal SprayingThermal Spray adalah suatu teknologi

pelapisan (coating) dengan permanen denganmeleburkan suatu material dalam suatu ruangbakar baik itu metal maupun material non metalyang di spray (disemprotkan) pada permukaanbenda kerja yang akan dilakukan pelapisan denganmaksud untuk memberikan proteksi terhadapkeausan, perlindungan korosi, panas ataupunrekondisi aplikasi sehingga kembali pada fungsidan ukuran semula dengan ketebalan lapisanberkisar antara 25 µm sampai dengan 2.500 µm.

Thermal spray dapat digambarkan sebagaigabungan / kombinasi antara pemanfaatan energipanas untuk pemanasan atau peleburan dan energikinetik untuk mengalirkan dan mendispersikanleburan / lelehan yang diarahkan ke permukaanbenda kerja. Energi panas dapat dihasilkan secarakimiawi, pembakaran bahan bakar dan oksigen,listrik ataupun dari radiasi.

Sumber energi kinetik yang kompatibledengan thermal spray adalah udara dengan tekanantinggi. Udara bertekanan dapat juga digunakansebagai pemanas dan atau mempercepat lelehan.

Dalam proses thermal spraying terdapatlangkah-langkah utama dalam pengerjaannya.Berikut langkah umum dalam proses thermal

spraying :➪ Langkah pertama papada proses thermal

spraying adalah mempersiapkan permukaan,pekerjaan ini dilakukan dengan pembersihandan blasting permukaan yang akan dilapisi.

➪ Langkah kedua adalah meleburkan materialpelapis berupa bubuk atau kawat dengan mema-sukan material ke dalam ruang pembakaran.Peleburan material tersebut dapat dihasilkansecara kimiawi, pembakaran bahan bakar danoksigen, listrik ataupun dari radiasi.

➪ Langkah ketiga adalah dengan mempercepatpartikel ke atas permukaan substrat denganmenggunakan aliran gas untuk ditempelkannya.

Electric Arc Spraying (AESP)Motor menggerakkan kawat bermuatan

listrik dengan berbeda potensial 18 sampai 40 Voltmelalui suluh (gun) menuju ujung temu padakepala suluh dimana busur listrik menciptakansuhu melebihi 6.000°C. Udara yang bertekananmengotomatiskan material pelapis yang sudah cairdan menembakanya kepada permukaan yang akandilapisi. Skema busur listrik spray dapat dilihatpada Gambar 2.1

Gambar 2.1 Skema proses pelapisan busur listrik

Ujung-ujung kawat diberi beda potensialsebesar 18-40 kV. Temperatur ujung suluhmencapai 6.000°C, udara dengan tekanan tinggimengotomasikan pelapis yang sudah cair danmendorong keluar dengan kecepatan tinggi.

Satu keuntungan dari beberapa metode ther-mal spray adalah lapisan yang dihasilkan memilikikerapatan yang sangat tinggi dan rendah oksidasi-nya. Oksidasi rendah diakibatkan karena tingginyakecepatan dan tingginya temperatur gas pijar yaknisekitar 3.000°C saat menumbuksubstrat. Penampa-ng lintang dari model lapisan yang diperoleh den-gan thermal spray dapat dilihat pada Gambar 2.2

Gambar 2.2 Penampang lintang yang dibuatoleh proses thermal spray

Warna hitam pada penampang lintangmenjelaskan tentang oksidasi yang terperangkappada paduan material. Kekosongan pada penam-pang lintang sering disebut dengan istilah celah(porosity). Dan yang terakhir adalah ada istilahmengenai partikel yang tidak meleleh, dimanapartikel tersebut tidak sempurna dan ikut menempelpada paduan material.Kekerasan

Kekerasan adalah ketahanan material terha-dap deformasi plastis yang diakibatkan oleh tekan-an atau goresan dari benda lain. Kekerasan merupa-kan sifat suatu logam, yang memberi kemampuanlogam tahan terhadap deformasi permanen (beng-kok, rusak, atau bentuk yang berubah), ketikasuatu beban diterapkan.Untuk melakukanpengujiankekerasan ada 3 metode, yaitu :1. Metode goresan2. Metode elastis atau pantulan ( rebound )3. Metode indentasi (Brinnel, Rockwell, Vickers)Metode Pengujian Kekerasan Vickers

Pengujian kekerasan dengan menggunakanmetode vickers banyak digunakan dalam pekerjaanpenelitian.Uji kekerasan vickers menggunakan in-dentor piramida intan yang pada dasarnya berben-tuk bujur sangkar. Besar sudut antar permukaanpiramida intan yang saling berhadapan adalah1360. Nilai ini dipilih karena mendekati sebagianbesar nilai perbandingan yang diinginkan antardiameter lekukan dan diameter bola penumbukpada uji kekerasan brinell.

Gambar 2.3 Skema pengujian metode Vickers

Angka kekerasan vickers didefinisikansebagai beban dibagi luas permukaan lekukan.Pada prakteknya. Luas ini dihitung dari pengukuranmikroskopik panjang diagonal jejak, sehinggametode ini memiliki akurasi yang lebih baik daripengujian Brinnel ataupun Rockwell. Angkakekerasan Vickers (VHN) dapat ditentukan daripersamaan 1, 2 dan 3 :

Dimana : VHN = Angka kekerasan Vickers (kg/mm2)P = Beban yang digunakan (kg)Ø = Sudut antara intan yang saling

berhadap (1360)d = Diagonal panjang rata-rata (mm)

METODOLOGI PENELITIAN DAN HASILPENGUJIAN

Gambar 3.1 Diagram Alir Pengujian

Dari pembuatan sampel sampai denganproses mengambil kesimpulan dari hasil uji sampeldata yang diambil adalah besarnya arus listrik &tegangan yang digunakan pada mesin dan hasiluji kekerasan sampel. Setelah didapat hasil peneli-

tian tersebut, maka diambil parameter yang palingbaik dan dapat digunakan untuk PT. X.Pembuatan & Pengujian Sampel Uji

Material sampel uji (test piece) yang diguna-kan untuk uji kekerasan pada proses arc sprayedadalah berjenis SAE 1040 (plain carbon maximum1%). Untuk dimensi material uji kekerasan yaituberbentuk balok dengan spesifikasi 200 X 200 X5 mm. Lalu dilakukan proses pengasaran permuka-an dengan menggunakan metode sand blastinguntuk mendapatkan ikatan yang kuat dengan mate-rial pelapis dengan menggunakan pasir logam.

Material logam yang digunakan sebagaimediator dalam proses sand blasting adalah BrownAluminium Oxide CF24 dengan ukuran materialsebesar 24 mesh (0.59 mm) ~ 8 mesh (2 mm)menggunakan tekanan sebesar 110 psi dengankekasaran lebih dari mikron.

Gambar 3.2 Material sebelum dan sesudah sand blasting

Setelah itu, dilakukan proses arc sprayedyang dibagi menjadi 2 tahapan proses, yaitu prosesbonding coat dan proses top coat. Proses bondingcoat merupakan proses pelapisan material dasaryang mana bertujuan mengikat material pelapisyang akan digunakan pada proses top coat. Prosestop coat merupakan proses pelapisan luar permu-kaan material dimana proses pelapisan top coatmerupakan pelapisan material yang akan diujikekerasannya karena sifat mekanis yang akandiaplikasikan kepada material uji merupakan sifatmekanis dari material pelapis top coat. Materialyang digunakan pada proses top coat adalahCooper AW 14GA + 13Cr Stainless.

Gambar 3.3 Proses arc sprayed

Hasil dari proses arc sprayed tersebut tidakdapat diaplikasikan kepada produk yang akandigunakan, harus melalui beberapa tahapan pengha-lusan dan pengujian material.

Parameter mesin arc sprayed yang diubahuntuk membandingkan hasil kekerasan dan strukturmaterial pada pengujian ini hanya parameter tega-ngan (voltage) dan arus listrik (Ampere), untuk para-meter lain pada mesin arc sprayed tidak diubah(tetap).

Pengujian yang pertama kali dilakukanadalah pengecekan struktur material dengan meng-gunakan microstructure machine. Pada penelitianini, pengecekan struktur material dengan perbesa-ran 50 kali zoom out. Hasil yang diambil daripenge-cekan struktur material adalah gambar dari strukturmaterial yang diuji (test piece) apakah tercampursecara homogen atau tidak dan melihat seberapabesar porosity / lubang berupa celah berwarnahitam yang ada dipermukaan material (< 0.1 mm).

Setelah dinyatakan bagus / lolos uji penge-cekan struktur material, maka material uji hasilproses pelapisan arc sprayed dilanjutkan ke pengu-jian kekerasan material menggunakan mesin brandmitutoyo dengan model HM 101.Pengujian kekera-san material dalam penelitian ini menggunakanmetode pengujian kekerasan vickers, dikarenakanpengujian kekerasan menggunakan metode iniakanmendapatkan nilai kekerasan yang lebih teliti daripada pengujian kekerasan dengan metode lain.Hasil Pengujian Micro Structure & Kekerasan

Pengujian pertama adalah melakukanpengujian micro structure material yang bertujuanuntuk melihat struktur material hasil dari prosespelapisan arc sprayed dengan beberapa variasiparameter mesin dengan standar porosity < 0.1mm. Berikut merupakan salah satu pengujian microstructure dari material pelapis.

Gambar 3.4 Hasil pengujian foto micro structure

Dari gambar 3.4 dapat dilihat visualisasipermukaan material pelapis dengan perbesaran 50

kali zoom yang terdapat celah-celah hitam yangbernama porosity. Dengan menggunakan mesinuji micro structure, celah / lubang hitam padapermukaan material tersebut dapat diukurdiameternya. Apabila diameter porosity lebih dari0.1 mm, maka hasil dari pelapisan arc sprayeddengan parameter yang telah ditentukan sebelum-nya. Untuk itu perlu dilakukan pengujian padamasing-masing parameter mesin yang digunakanuntuk mengetahui parameter mesin mana yanghasil foto micro structure nya dinyatakan bagus.

Tabel 3.1 Hasil pengujian foto micro structure

Setelah didapatkan hasil pengujian foto microstructure, dilakukan pengujian kekerasanmenggunakan mesin hardness tester vicers.Dimana hasil pengujiannya diketahui panjangdiagonal dari indentor yang ditumbukan denganbeban 0.5 kg.

Gambar 3.5 Panjang diagonal indentor pada mesin

Cara menghitung kekerasan vickers adalahsebagai berikut :a. Menghitung rata-rata panjang diagonal indentor:

b. Menghitung besaran kekerasan vickers (HV) :

Hasil pengukuran dan perhitungan nilai ke-kerasan vickers dari beberapa variasi besar tega-ngan dan arus listrik menggunakan material Cu-AW14GA (tembaga) dicampur dengan 13Cr-Stainless (stainless steel) dengan standar HV mini-mum 118 HV dan maksimum 372 HV disajikandengan menggunakan tabel, bertujuan untukmempermudah pembaca untuk membaca hasilpenelitian ini.

Tabel 3.2 Hasil pengujian kekerasan

PEMBAHASANAnalisa Hasil Penelitian

Setelah didapatkan hasil pengujian fotomicro structure material dan pengujian hardnessvickers pada masing-masing parameter mesin,

didapatkan hasil sebagai berikut ini :

Tabel 4.1 Hasil pengujian micro structure danhardness vickers

Pada tabel 4.1, terdapat beberapa parameteryang miliki hasil yang bagus dari salah satu danatau kedua hasil pengujian yang dinyatakan bagusdari pengujian foto micro structure material danpengujian hardness vickers.

Untuk mendapatkan hasil yang ideal, makakedua hasil pengujian pada parameter mesin yangdiuji harus memiiki nilai pengujian yang dinyatakanbagus. Dari data hasil pengujian pada tabel 4.1 di-dapatkan 3 parameter mesin yang dinyatakan me-miliki hasil pengujian foto micro structure materialdan hardness vickers yang bagus, yaitu pada para-meter mesin 32V+225A,32V+250A dan 32V+375 A. Untuk mendapatkan parameter mesin yangpaling ideal untuk proses arc sprayed perlu dilaku-kan pengujian ulang pada ke-3 parameter tersebut.Perbandingan Hasil Pengujian

Setelah didapatkan 3 parameter yang memili-ki hasil yang bagus, maka dilakukan pengujiansebanyak 10 kali pada masing-masing parametertersebut dengan menggunakan 10 material uji yangbertujuan untuk menentukan parameter mesinyang paling ideal berdasarkan hasil pengujian.Berikut merupaka hasil pengujian ke-3 parametertersebut :

Gambar 4.1 Hasil pengujian 3 parameter

Pada gambar 4.1, dapat dilihat pada test

piece O (32V + 250A) memiliki nilai yang pallingideal diantara parameter yang lain, dimana hasildari foto micro structure tidak terdapat porositydan memiliki nilai kekerasan dengan range darirata-rata paling kecil dibanding parameter yanglain, yaitu sebesar 5 HV dari rata-rata toleransikekerasan sebesar 245 HV. Berikut detail hasilpengujiannya:

Gambar 4.1 Salah satu hasil pengujian foto microstructure pada parameter 32V + 250A

Tabel 4.2 Hasil 10 kali pengujian kekerasanpada parameter 32V + 250A

Gambar 4.2 Diagram garis hasil pengujiankekerasan pada parameter 32V + 250A

KESIMPULANBesaran parameter yang dapat digunakan

dalam proses arc sprayed adalah :a. Tegangan (voltage) 32 V dengan arus listrik

(ampere) 225 Ab. Tegangan (voltage) 32 V dengan arus listrik

(ampere) 250 Ac. Tegangan (voltage) 32 V dengan arus listrik

(ampere) 275 ABesaran parameter yang paling baik dalam

proses arc sprayed yang digunakan pada PT. X

adalah dengan menggunakan tegangan (voltage)32 V dengan arus listrik (ampere) 250 A. Dimanahasil penelitian dengan menggunakan parametertersebut pada pengujian micro structure material,material pelapis tercampur sempurna dan tidakterdapat porosity.

Sedangkan pada pengujian kekerasan mate-rial, hasil uji kekerasan dengan menggunakan pa-rameter ini tidak terdapat nilai kekerasan melewatibatas standard yang telah ditetapkan, dimana Min: 118 HV dan Max : 372 HV dengan rata-rata nilaikekerasan yang didapatkan adalah sebesar 245.64HV dan range tertinggin -5 HV dan range terendah5 HV dengan standard rata-rata kekerasan sebesar245 ± 5 HV sehingga nilai kekerasan pada para-meter ini lebih stabil diban-dingkan denganparameter lain.

DAFTAR PUSTAKACalister, William D. Jr., Material Science

and Engineering an Introduction, Third Edition,New York, John Willey, 1994.

Common Thermal Spraying Processes,http://www.efunda.com/processes/surface/thermal_sprayings.cfm, 05 Juli 2014.

Halldearn Richard, Thermal Sprayed, HighVelocity Oxy Fuel (HVOF) http:// www.twi.co.uk/j32k/protected/band_3/ksrdh002.html,07 Juli 2014.

Indartono, Kuat,. Jurnal Ilmiah tentangTeknik Elektro : Politeknik Dharma Patria.

Plasma and Thermal Coatings AppliedSurface Technology, Thermal Spray Process,http://www.plasmacoat.co.uk//technologies.htm,12 Juli 2014.

Pradipta, Oksi Sigit., 2008, Jurnal IlmiahStudi Komparasi Unjuk Kerja Motor Bakar,Jakarta: FTUI.

Santoso, Agus., 2008, Jurnal Ilmiah tentangAnalisa Struktur Kristal dan Komposisi fasa padalapisan Tungsten Carbide/Cobalt (WC/Co) yangdibuat dengan metode HVOF: FTUI.

Suwarji, Sentot Imam., 2008, Jurnal IlmiahPreparasi dan Karakterisasi Lapisan JK 7184

Jetkote pada Subtrat baja yang dibuat denganHVOF :FTUI.

Teguh, Santoso.,2008, Jurnal Ilmiah tentangPengaruh Mikrostruktur Terhadap Kekerasan PadaLapisan WC-17% CO berbahan bubuk JK 7117dan JK 7184 hasil teknik HVOF dengan variasitekanan c3h8/o2 : FTUI.

Teori Dasar Listrik, https://sites. google.com/site/teoridasarelektronika/, 5 Agustus 2014.

Yunus, Asyari Darami., 2010, Jurnal Ilmiahtentang Struktur dan sifat Material : FT. DarmaPersada-Jakarta.

Spuranto, Johanes., 2000, Statistik : Teori& aplikas, edisi 6, jilid 1, Jakarta

http://id.wikipedia.org/wiki/Statistika

Metco, Sulzer., 2009, Thermal spray processdescription, properties & application, Japan.