STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS KARBONISASI PADAT ...eprints.ums.ac.id/77495/8/NASKAH...
Transcript of STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS KARBONISASI PADAT ...eprints.ums.ac.id/77495/8/NASKAH...
STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS KARBONISASI PADAT DENGAN
ARANG DAUN BAMBU BERUKURAN 200 MESH DAN ARANG HASIL
SHAKERMILL
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik
Oleh:
FAJAR RHAMADHANI
D 200 140 258
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2019
1
STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS KARBONISASI PADAT DENGAN ARANG
DAUN BAMBU BERUKURAN 200 MESH DAN ARANG HASIL SHAKERMILL
Abstrak
Baja karbon rendah adalah baja yang memiliki kandungan karbon < 0,3 persen. Proses
carburizing bertujuan untuk penambahan unsur karbon dan perubahan sifat pada logam. Dalam
penelitian ini bahan yang digunakan untuk pembuatan arang berasal dari daun bamb. Arang daun
bamboo adalah suatu produk yang diperoleh dari pembakaran tidak sempurna terhadap daun
bambu. Penelitian ini menggunakan alat shakermil untuk melakukan proses High Energi Ball
Milling (HEBM). Alat ini dimodifikasi sehingga bola baja saling bertumbukan dengan arang,
dengan kecepatan 900 Rpm selama 3 juta siklus, dengan ukuran bola baja ¼ inchi. Dari
pengujian ini selanjutnya baja karbon diuji dalam pengujian struktur mikro dan kekerasan vikers.
Pengujian struktur mikro bertujuan untuk mengetahui fase yang terdapat pada permukaan baja
karbon sebelum dan sesudah dilapisi arang daun bambu. Pada pengujian kekerasan vikers yang
dilakukan pada baja karbon bertujuan untuk mengetahui nilai kekerasan setelah dilapisi arang
daun bambu. Kata kunci : Baja karbon rendah, Carburizing, struktur mikro, Vikers.
Abstract
Low carbon steel is steel that has a carbon content of <0.3 percent. The carburizing
process aims to add carbon elements and changes the properties of metals. In this study the
material used for the manufacture of charcoal comes from the leaves of bamb. Bamboo leaf
charcoal is a product obtained from incomplete combustion of bamboo leaves. This study uses
shakermill tools to process the High Energy Ball Milling (HEBM). This tool was modified so
that steel balls collided with each other with charcoal, with a speed of 900 Rpm for 3 million
cycles, with the size of an ¼ inch steel ball. From this test, carbon steel is then tested in
microstructure testing and vapor hardness. Microstructure testing aims to determine the phase
found on the surface of carbon steel before and after coated with bamboo charcoal. In testing the
hardness of carbon carried out on carbon steel aims to determine the value of hardness after
coated with bamboo leaf charcoal. Keywords: Low carbon steel, Carburizing, microstructure, Vikers.
2
1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Logam adalah salah satu material yang banyak berperan di dalam dunia
industri seiring perkembangan jaman dan ilmu pengetahuan saat ini menuntut
tersedianya suatu material yang memiliki kualitas yang tinggi.Baja karbon
rendah adalah jenis logam yang banyak digunakan karena baja karbon rendah
memiliki keuletan yang tinggi tapi kekerasan dan keausanya rendah. Baja ini
tidak dapat dikeraskan dengan cara konvensional karena kadar karbonnya
yang rendah, sehingga perlu dilakukan proses carburizing.
Proses carburizing sendiri didefinisikan sebagai suatu proses penambahan
kandungan unsur karbon (C) pada permukaan baja. Proses carburizing
yang tepat akan menambah kekerasan permukaan sedang pada bagian dalam
tetap ulet.Baja biasanya dijual dalam bentuk baja padat, baik dalam
bentuk plat, lonjoran, batangan maupun profil. Menaikkan maupun
menurunkan prosentase unsur karbon dari baja padatan tidak semudah
dalam keadaan cair, salah satu cara yaitu dengan proses
carburizing.Carburizing tidak mampu merubah komposisi karbon secara
menyeluruh dari material yang diproses, namun pada daerah kulit atau
permukaan baja akan berubah signifikan. Selain dari itu ada hal yang
perlu diperhatikan sebelum memulai proses pengarbonan (carburizing),yaitu
komposisi kimia khususnya perubahan unsur karbon C akan dapat
mengakibatkan perubahan sifat-sifat mekanik baja tersebut. Proses karburasi
dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu waktu penahanan atau lamanya
proses karburasi,temperatur pemanasan,media karburasi dan lamanya proses
pendinginan. Untuk media karburasi, penggunaan prosentase bahan karbon
aktif danbahan kimia yang berfungsi sebagai energize akan menghasilkan
kekerasan yang berbeda pada baja.
3
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Mengetahui struktur mikro baja karbon rendah dengan arang daun bambu
berukuran 200 mesh dan arang hasil shaker mill.
2. Mengetahui perbandingan kekerasan arang daun bambu berukuran 200
mesh dan arang hasil shaker mill.
1.3 Rumusan Masalah
Untuk mempermudah penelitian maka dirumuskan permasalahan sebagai
berikut :
1. Bagaimana struktur mikro pada baja karbon rendah proses carburizing
arang daun bambu berukuran 200 mesh dan arang hasil shakermill ?
2. Bagaimana hasil perbandingan kekerasan pada baja karbon rendah
proses carburizing arang daun bambu berukuran 200 mesh dengan
arang hasil shaker mill ?
1.4 Batasan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, penelitian ini berkonsentrasi pada:
a. Arang yang dipakai terbuat dari daun bambu.
b. Partikel karbon yang digunakan lolos ayakan 200 mesh.
c. Ukuran bola baja yang digunakan adalah 1/4 inchi.
d. Pembuatan partikel nano menggunakan alat shaker mill.
e. Kecepatan putaran mesin pada shaker mill adalah 900 Rpm.
f. Proses Carburizing selama 2 jam.
g. Siklus tumbukan yang digunakan sebesar 3 juta siklus.
h. Pengujian spesimen menggunakan uji Kekerasan Vickers (Vickers
Hardness testing) dan uji struktur mikro
4
i. Dalam penelitian ini hanya mengkaji perbandingan data hasil uji
kekerasan vickers arang daun bambu berukuran 200 mesh dan arang hasil
shaker mill.
1.5 Tinjauan Pustaka
Karim,Muhammad,R (2017) melakukan penelitian studi sifat fisis dan
mekanis baja karbon rendah dengan perlakuan carburizing arang bambu.
Dengan proses Carburizing 2 jam dengan arang bambu nilai kekerasan rata
rata raw material 183,817 VHN meningkat menjadi 351,050 VHN dengan
kedalaman 0.10 mm dan nilai rata rata kekerasanya 219,085 VHN setelah
dilakukan carburizing.
Nurharyanto,Anwar (2008) melakukan penelitian pengaruh variasi
media carburizing terhadap kekerasan dan struktur mikro dari baja karbon
rendah pada proses pack carburizing. Menggunakan Media carburizing yang
digunakan adalah arang sekam padi dan arang tempurung kelapa dengan
presentase berat sebesar 80% dan bahan kimia aktif aktif (BaCO3) sebesar
20%. Hasil dari penelitian tersebut Sekam padi dengan waktu penahanan
selama 3 jam diperoleh nilai kekerasan sebesar 570 HV dengan kedalaman
pengerasan pada 0.13 mm. Sehingga jika menggunakan media arang sekam
padi untuk proses pack carburizing waktu yang digunakan lebih dari 3 jam.
Setyono Y (2012) melakukan penelitian sifat fisis dan mekanis baja
karbonisasi arang kayu sengon.penelitian ini menggunakan temperatur 900o C
variasi waktu 2 jam dan 4 jam dengan proses karbonisasi, harga kekerasan
yang semula 247,0 VHN (raw material) meningkat menjadi 250,2 VHN
(karbonisasi 2 jam) dan 260,3 VHN (karbonisasi 4 jam).
2. Metodologi Penelitian
2.1 Diagram Alir
5
Kegiatan penelitian ini dilaksanakan sesuai dengan diagram alir
dibawah ini :
2.2 Alat dan Bahan
Bahan
1. Baja karbon rendah
2. Arang daun bambu
3. Resin
Mulai
Studi Pustaka
Persiapan Alat dan Bahan
Arang 200 Mesh Proses Shakermill
Proses Carburizing
Pengujian Strukturmikro
Analisa Data
Kesimpulan
Pengujian Kekerasan
Selesai
Pengayakan Arang (200 mesh)
6
4. Larutan HNO3
Alat
1. Penumbuk
2. Ayakan
3. Bola baja ukuran ¼ inch
4. Tabung shaker mill
5. Shakermill
6. Cawan
7. Furnace
8. Gerinda Potong
9. Amplas
10. Autosol
11. Alat uji struktur Mikro
12. Alat uji kekerasan vikers
2.3 Langkah-langkah pengujian
Langkah-langkah penelitian :
1. Mempersiapkan alat dan bahan penelitian.
2. Proses pembuatan arang daun bambu
3. Melakukan pengayakan 200 mesh
4. Menyiapkan arang 200 mesh yang akan di shakermill
5. Melakukan proses penumbukan dengan shaker mill dengan ukuran
bola baja ¼ inchi.
6. Melakukan proses carburizing
7. Melakukan pengerasan resin terhadap baja karbon untuk
mempermudah proses pengujian.
8. Memotong atau membelah spesimen menjadi dua bagian.
9. Melakukan penghalusan pada permukaan baja karbon dengan cara
diamplas.
10. Proses etsa pada spesimen
7
11. Melakukan pengujian struktur mikro.
12. Melakukan pengujian kekerasan vikers.
13. Selesai Pengujian.
3 . Analisa Pembahasan
3.1 Pembahasan Pengujian Struktur Mikro
3.1.1 Pengujian Struktur Mikro Baja Karbon Dengan Arang 200
Mesh
Dari pengujian yang dilakukan diperoleh gambar struktur mikro baja
karbon 200 Mesh, Terlihat dibawah ini :
Gambar struktur mikro baja karbon 200 mesh bagian tepi dengan
pembesaran 100x
Perlite
Ferrite
8
Gambar struktur mikro baja karbon 200 mesh bagian transisi dengan
pembesaran 100x
Gambar struktur mikro baja karbon 200 mesh bagian tengah dengan
pembesaran 100x
Perlite
Ferrite
Perlite
Ferrite
9
Pembahasan pengujian strukturmikro :
Dari pengujian strukturmikro pada baja karbon rendah dengan
lapisan arang 200 mesh dapat diketahui bahwa pada bagian tepi hingga
ke tengah fasa perlite mengalami penurunan jumlah, sedangkan fasa
ferrite mengalami peningkatan. Fasa perlit memiliki sifat yang kuat dan
cukup keras dan fasa ferrite memiliki sifat lunak dan ulet.
3.1.2 Pengujian Struktur Mikro Baja Karbon Dengan Arang Hasil
Shakermill
Dari pengujian yang dilakukan diperoleh gambar struktur mikro proses
shakermill, Terlihat dibawah ini :
Gambar struktur mikro baja karbon dengan arang hasil Shaker mill bagian
tepi dengan perbesaran 100x
Perlite
Ferrite
10
Gambar struktur mikro baja karbon dengan arang hasil Shaker mill bagian
transisi dengan perbesaran 100x
Gambar struktur mikro baja karbon dengan arang hasil Shaker mill bagian
tengah dengan perbesaran 100x
Ferrite Perlite
Ferrite
Perlite
11
Pembahasan pengujian strukturmikro :
Dari pengujian struktur mikro pada baja karbon rendah dengan lapisan
arang hasil shaker mill dapat diketahui bahwa pada bagian tepi hingga
ke tengah fasa perlite mengalami penurunan jumlah, sedangkan fasa
ferrite mengalami peningkatan. Fasa perlit memiliki sifat yang kuat dan
cukup keras dan fasa ferrite memiliki sifat lunak dan ulet.
3.2 Pembahasan Pengujian Kekerasan
Kekerasan permukaan material dapat diuji dengan
menggunakan metode Vikers. Pada uji kekerasan Vikers
menggunakan 5 titik sampel, gaya (F) sebesar 2.942 N dan waktu
pembebanan (T) 15 detik. Diperoleh nilai kekerasan sebagai berikut:
Tabel Nilai kekerasan baja karbon dengan arang 200 Mesh
No Perlakuan
Jarak
dari tepi
(mm)
d1
(µm)
d2
(µm)
d rata-
rata
(µm)
Kekerasan
(HV)
1 0,2 61,88 61,94 61,9 107,5
2 0,4 84,50 63,69 74,1 101,5
3 200 Mesh 0,6 84,57 64,50 74,53 100,3
4 0,8 86,26 66,34 76,30 95,6
5 1 87,20 68,70 77,95 90,2
Hasil dari pengujian dapat dilihat pada tabel tersebut terlihat adanya
penurunan harga kekerasan, mulai dari titik ke-1 (satu) dengan harga
12
kekerasan yang tinggi (107,5 HV) dan kemudian berangsur menurun hingga
titik ke-5 (lima) dengan harga kekerasan (90.2 HV). Hal ini menunjukan
bahwa penurunan harga kekerasan adalah akibat atom karbon yang masuk
kedalam struktur baja hanya sampai beberapa micron saja.
Tabel Nilai kekerasan baja karbon dengan arang hasil shakermill
No Perlakuan
Jarak
dari tepi
(mm)
d1
(µm)
d2
(µm)
d rata-
rata
(µm)
Kekerasan
(HV)
1 0,2 75,30 58.24 66,77 110.5
2 Shakermill 0,4 76,80 60,36 68,58 108,2
3 0,6 78,63 66,44 72,53 105,9
4 0,8 80,82 76,55 78,83 90,0
5 1 82,69 76,69 76,69 87,7
Hasil dari pengujian dapat dilihat pada tabel tersebut terlihat adanya
penurunan harga kekerasan, mulai dari titik ke-1 (satu) dengan harga
kekerasan yang tinggi (110,5 HV) dan kemudian berangsur menurun hingga
titik ke-5 (lima) dengan harga kekerasan (87,7 HV). Hal ini menunjukan
bahwa penurunan harga kekerasan adalah akibat atom karbon yang masuk
kedalam struktur baja hanya sampai beberapa micron saja.
13
Dari tabel nilai kekerasan baja karbon dengan arang daun bambu 200
mesh dan arang hasil shakermill maka diperoleh grafik pada gambar di bawah
ini :
Grafik perbandingan kekerasan antara baja karbon dengan arang 200 mesh
dan arang hasil shakermill
Dari pengujian kekerasan yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa
nilai kekerasan dengan arang 200 mesh maupun arang hasil shaker mill sama-
sama mengalami penurunan nilai kekerasan yang disebabkan oleh fasa yang
terdapat pada bagian permukaan material dan kecepatan perambatan atom
karbon. Pada baja karbon dengan arang 200 mesh dari bagian tepi hingga ke
tengah mengalami penurunan nilai kekerasan dari 107,5 HV menjadi 90,2
HV. Sedangkan pada baja karbon dengan arang hasil shaker mill dari bagian
tepi hingga ke tengah mengalami penurunan nilai kekerasan dari 110,5 HV
menjadi 87,7 HV.
0
20
40
60
80
100
120
0.2 0.4 0.6 0.8 1
shakermils
200 mesh
(mm)
14
4 . PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Setelah melakukan penelitian dan analisa dapat diambil kesimpulan sebagai
berikut:
1. Pengujian struktur mikro baja karbon dengan arang daun bambu 200 mesh
dari bagian tepi hingga ke tengah mengalami penurunan fasa perlite yang
disebabkan oleh waktu penahanan dan kecepatan perambatan yang kurang
sehingga unsur karbon (C) tidak dapat masuk meresap dengan baik .
Sedangkan pengujian struktur mikro baja karbon dengan arang daun bambu
shakermill dari bagian tepi hingga ke tengah juga mengalami penurunan fasa
perlite yang juga disebabkan oleh waktu penahanan dan kecepatan
perambatan yang kurang baik.
2. Dengan proses Carburizing 2 jam dengan arang daun bambu nilai kekerasan
arang 200 mesh maupun arang shaker mill sama-sama mengalami penurunan
nilai kekerasan yang disebabkan fasa yang terdapat pada bagian permukaan
material dan kecepatan perambatan atom karbon. Terjadi penurunan nilai
kekerasan pada baja karbon dengan arang 200 mesh dari 107,5 HV menjadi
90,2 HV. Dan terjadi penurunan nilai kekerasan pada baja karbon dengan
arang shakermill dari 110,5 HV menjadi 87,7 HV.
4.2 Saran
Setelah melakukan penelitian ini penulis memberikan saran yang bisa dijadikan
pertimbangan yaitu :
1. Dalam pemilihan bahan agar diperhatikan kondisi pasaran agar bahan
pengujian mudah didapat.
2. Pada saat pembuatan bahan penelitian sebaiknya lebih teliti dalam pemilihan
bahan
15
3. Dalam pengujian struktur mikro dan kekerasan sebaiknya lebih
memperhatikan cara dan proses pengujian.
4. Dalam persiapan pengujian struktur mikro dan kekerasan sebaiknya benda uji
diperhatikan kerataanya dan kehalusanya.