Meningkatkan kekerasan permukaan sparepart lokal kendaraan

Meningkatkan kekerasan permukaan sparepart lokal kendaraan
bermotor dengan cara Karburasi Cair
Yusril Irwan
Staf Pengajar jurusan Teknik Mesin
Institut Teknologi Nasional-Bandung
ABSTRAK
Pada bagian-bagian komponen tertentu atau khusus dari suatu mesin terbuat dari baja
yang dirancang untuk menerima beban, gesekan, dan kekuatan endurance yang tinggi,
tentunya dibutuhkan baja yang mempunyai sifat kekerasan yang sangat tinggi tetapi
tetap memiliki tingkat keuletan yang tinggi, hal ini dengan proses karburasi di harapkan
gabungan sifat mekanik yang diinginkan itu dapat tercapai. Karburasi yang digunakan
adalah metoda karburasi cair, dimana pada karburasi ini menggunakan media:
45%K4Fe(CN)6 + 18% KCL + 37% Na2CO3
Temperatur pemanasan adalah 850ºC dan 950º selama 30 menit dengan pendinginan
udara dengan kecepatan tinggi. Spesimen yang digunakan adalah poros lokal roda
belakang motor Karisma. Dari hasil karburasi kenaikan kekerasan permukaan poros
lokal jadi meningkat dari kekerasan awal dan kekerasan di bagian dalam nya masih
tetap rendah, hal ini menandakan bahwa material secara keseluruhan bersifat ulet.
Kata kunci : Baja karbon, karburasi cair, sifat mekanik
i
PENDAHULUAN
Di pasaran spareparts kendaraan bermotor terdiri dari dua jenis, lokal dan orisinil. Dua
jenis komponen ini memiliki sifat mekanik, umur pakai dan harga yang berbeda. Contohnya poros
roda belakang atau sproket sepeda motor. Komponen ini harus memiliki kombinasi sifat yaitu
kekerasan pada bagian permukaan tetapi secara keseluruhan komponen tersebut harus memiliki
keuletan yang tinggi sehingga kekuatan endurance-nya meningkat. Untuk komponen lokal hal ini
sulit tercapai, bisa saja di sebabkan karena bahan dasar yang di gunakan tanpa perhitungan atau
produknya tanpa mengalami perlakuan lanjutan untuk meningkatkan kualitas yang sama dengan
komponen orisinil. Biasanya produk lokal ini di produksi oleh indutri-industri kecil, yang
memiliki modal terbatas untuk membeli bahan baku yang tepat dengan harga relatif tinggi.
Maka dalam penelitian ini memberikan salah satu cara untuk meningkatkan kualitas
produk lokal tanpa merubah bahan baku, tetapi mencoba untuk menyamai sifat produk orisinil.
Untuk memperoleh kombinasi sifat diatas dilakukan dengan surface treatment, yaitu proses
“Liquid Carburizing”, dengan cara ini diperoleh suatu kondisi dimana terjadinya peningkatan
kekerasan pada permukaan poros lokal roda belakang motor, hingga tahan terhadap gesekan tetapi
pada bagian dalamnya mempunyai sifat keuletan yang baik, sehingga didapat ketangguhan yang
tinggi. Metoda yang di lakukan dalam penelitian ini dapat di terapkan pada komponen-komponen
lokal kendaraan bermotor lainnya seperti roda gigi atau sproket.
TINJAUAN UMUM
Dalam dunia perancangan, material logam yang paling banyak digunakan adalah baja,
karena selain jenisnya yang bervariasi, bersifat kuat, ketahanan aus yang tinggi dan sifat mampu
bentuk yang tinggi. Baja merupakan paduan dari besi (Fe) dengan kandungan karbon (C) yang
kurang dari 2,1% dan unsur-unsur paduan pendukung lainnya. Sifat-sifat yang di miliki baja dapat
di ubah dengan cara; merubah fasa, bentuk serta ukuran butir dan komposisi kimia dari
paduannya. Sedangkan metode untuk merubah sifat baja itu bisa dengan proses perlakuan
permukaan, perlakuan panas dan deformasi plastis.
Beberapa komponen logam dikehendaki dengan sifat kombinasi yang sulit didapatkan
seperti bersifat keras akan tetapi juga harus ulet, tahan goncangan juga keras dan tahan aus seperti
poros dan roda gigi. Masalah ini dapat diatasi dengan cara perlakuan permukaan yaitu merubah
komposisi kimia pada permukaan baja karbon rendah dengan pengerasan permukaan atau
nitriding. Proses perlakuan permukaan terjadi apabila terjadinya proses difusi, seperti difusi
karbon.
Proses difusi karbon digunakan sebagai proses peningkatan sifat mekanik permukaan, ini
berdasarkan kenyataan bahwa karbon akan mengurai semakin banyak kedalam besi padat, dengan
bentuk kristal FCC. Disini karbon mengurai secara intertisi dalam besi, atom karbon cukup kecil
untuk masuk diantara atom Fe yang lebih besar. Perlakuan permukaan untuk mencapai difusi
karbon pada permukaan antara lain adalah:
Karburasi
Proses karburasi merupakan proses perlakuan pada baja yang bertujuan untuk
meningkatkan kandungan karbon pada permukaan baja agar permukaan baja tersebut menjadi
keras dan tahan terhadap gesekan. Proses karburasi harus berada pada temperatur austenit (γ) (Tγ
= TAC3 + 50º) dimana karbon mudah berdifusi pada temperatur tersebut. Pada proses karburisasi,
karbon bebas akan berdifusi jika konsentrasi karbon pada media karburisasi lebih tinggi dari
konsentrasi karbon didalam baja. Pada temperatur tertentu jumlah karbon yang berdifusi dapat
5
mencapai batas kelarutannya. Karburisasi dilakukan pada temperatur relatif tinggi tujuannya untuk
meningkatkan laju difusi karbon, karena cepat atau lambatnya laju peningkatan kadar karbon
didalam benda kerja dipengaruhi oleh temperatur. Selain itu, jenis kelarutan karbon didalam benda
kerja juga mempengaruhi laju peningkatan kadar karbon. Sedangkan besar kecilnya kelarutan
karbon didalam logam tergantung pada temperatur karburisasi. Dari diagram fasa untuk sistem FeFe3C terlihat bahwa kelarutan karbon didalam besi gamma pada temperatur 900oC adalah 1,3 %,
dan pada temperatur 1100oC adalah 2,0%. Dari data tersebut dapat diketahui bahwa untuk
kenaikan temperatur dari 9000C hingga 1100oC akan menaikan kemampuan melarutkan karbon.
Temperatur yang biasanya digunakan untuk proses karburisasi adalah 925oC. Pada temperatur ini
diperoleh laju karburisasi yang relatif cepat dan pada prakteknya tidak membutuhkan tungku
pembakaran khusus. Pemakaian temperatur karburisasi lebih tinggi biasanya dilakukan bila
diinginkan harga kedalaman dari hasil karburisasi tinggi. Sedangkan jika diinginkan kedalaman
rendah, maka temperatur operasi yang digunakan adalah temperatur rendah. Menurut data, rentang
suhu karburisasi adalah antara 8150C hingga 9550C atau 1500oF hingga 1750oF.
Ada beberapa jenis – jenis proses karburasi :
Karburasi padat
Media karburasi yang digunakan adalah arang karbon yang berasal dari sisa pembakaran
kayu, batok kelapa, dan sebagainya. Difusi karbon pada permukaan logam dapat diperoleh dari
reaksi antara besi dengan karbon monoksida (CO).
CO2 (g) + C(g) ↔ 2CO(g)
Fe(s) + 2CO(g) ↔ Fe(C) (S) + CO2(g)
Notasi Fe(c) memberi arti bahwa karbon larut dalam unsur besi, dalam hal ini besi gama atau
austenit.
Karburizing Cair
Pada karburizing cair, baja dimasukan bersama garam kalium ferro Cyanida dan
dipanaskan hingga temperature austenit sehingga karbon dan sedikit nitrogen dapat berdifusi
kedalam permukaan baja. Proses ini menyerupai proses sinaniding (Cyaniding), hanya saja karbon
yang dihasilkan lebih tinggi dan nitrogen yang dihasilkan memiliki kadar lebih rendah. Cara ini
baik untuk pengerasan permukaan pada benda – benda yang berukuran kecil. Bahan-bahan kimia
yang digunakan pada karburasi cair ini antara lain:
K4Fe(CN)6 + Na2CO3 + KCl + Fe
Na2CO3 dan KCl berfungsi sebagai katalisator (Sebagai media mempercepat difusi karbon
kedalam permukaan baja) pada reaksi ini proses karburasi harus menggunakan tabung reaksi yang
terbuat dari bahan non logam, ini disebabkan untuk mencegah difusi karbon pada tabung reaksi
tersebut ketika berlangsungnya proses karburasi. Salah satu jenis tabung reaksi yang dapat
dipergunakan dalam proses karburasi cair tersebut adalah keramik. Penggunaan keramik ini
dikarenakan karbon tidak dapat bereaksi dengan keramik oleh karena itu diharapkan karbon yang
terkandung pada larutan kimia tersebut dapat berdifusi dengan baik pada baja yang dikenakan
proses karburasi, faktor lain dari keramik yaitu bahan yang tahan terhadap temperatur yang sangat
tinggi.
6
Karburasi gas
Karburasi gas dilakuakan untuk memperoleh lapisan tipis, ketebalan yang didapatkan
antara 0,1 – 0,75 mm. Proses karburasi gas menggunakan media gas alam atau gas propan. Cara
ini diterapkan untuk karburasi bagian – bagian kecil dan dapat dicelup langsung setelah
dipanaskan hingga temperatur austenit didalam tungku.
Nitriding
Proses: baja dipanaskan 500 - 590ºC dalam lingkungan yang kaya akan nitogen.
Pengerasan yang terjadi akibat terbentuknya senyawa nitrida yang sangat keras. Nitrogen yang
digunakan dalam bentuk N2. gas N2 ini harus dapat dirubah menjadi gas N yang monoatomik. N
monoatomik dapat diperoleh melalui amoniak.
Carbonitriding
Carbonitiding adalah proses pengerasan permukaan dengan memanfaatkan penyerapan
unsur C dan N, suhu proses antara 800 – 900 ºC. Proses carbonitiding: pada tahap awal dilakukan
proses karburizing gas kemudian baru dialirkan gas monoatomik atau merupakan proses
karburizing gas dimana pada saat yang sama terjadi proses nitriding. Dengan catatan dalam hal
pengaliran gas amoniak dilakukan bersama-sama dengan gas hidrokarbon, maka atom N akan
mengalami difusi dari atom karbon. Manfaat proses karbonitriding antara lain menaikan mampu
keras bahan dengan menambah ketahanan aus, dan memberikan lapisan keras yang seragam.
Nitocarburizing
Proses nitocarburizing mirip dengan karbonitiding hanya suhu oprasinya berbeda (450 590º). Peaksanaannya dapat dilakukan dengan menggunaan medium cair, padat, dan gas.Hasil
Nitrocarborizing adalah hanya lapisan berfasa tunggal yang sangat tipis. Lapisan ini merupakan
senyawa terner heksagonal antara Fe, N, dan C yang terbentuk pada rentan suhu 450 – 590 ºC.
METODE PENELITIAN
Pada Penelitian ini spesimen yang di gunakan adalah komponen lokal Poros roda
belakang motor Honda Karisma 125, kemudian hasil penelitian di bandingkan dengan produk
original.
Gambar 1. Poros roda belakang Motor Honda Karisma 125.
Dari segi dimensi dan bentuk kedua poros ini (gambar.1) memiliki kesamaan tetapi memiliki
kekerasan permukaan yang jauh berbeda, yaitu kekerasan rata-rata poros original adalah 337 VHN
7
sedangkan poros lokal adalah 180 VHN. Oleh sebab itu penulis mengambil spesimen uji dari
poros lokal ini. Adapun langkah-langkah penelitiannya adalah :
a. Penentuan Kadar karbon
Untuk mengetahui kadar karbon spesimen lokal dan original di lakukan dengan metoda garis,
yaitu dengan melihat fasa yang terdapat pada kedua spesimen. Fasa untuk kedua spesimen
hampir sama yaitu fasa perlit dan ferit, dengan metoda pengukuran garis di dapat persentase
kedua fasa dan kemudian dilakukan perhitungan persentase karbon menggunakan kaedah
lengan (lever arm) pada diagram fasa Fe-Fe3C di dapatkan kadar karbon untuk spesimen
original adalah 0.3% sedangkan spesimen lokal adalah 0.26%.
SPESIMEN LOKAL
SPESIMEN ORIGINAL
Gambar 2. Struktur Mikro kedua spesimen yaitu perlit dan ferit.
b. Persiapan Spesimen Uji
Pertama-tama poros di potong dan di bubut sesuai dengan bentuk spesimen uji tarik kemudian
di lakukan pemanasan hingga temperatur 450OC dan kemudian didinginkan dengan cepat
untuk penghalusan butir dari spesimen. Penghalusan butir bertujuan untuk meningkatkan
keuletan.
6
12
50
50
50
Gambar 3. Spesimen pengujian.
c. Proses Karburasi Cair
Dalam proses karburasi ini di gunakan keramik sebagai wadah, karena keramik tahan pada
temperatur tinggi. Setelah itu bahan kimia yang di gunakan di masukan bersamaan dengan
spesimen kedalam keramik ini. Bahan kimia yang dipakai pada proses karburasi terdiri dari
K4Fe(CN)6. Pengaruhnya terhadap proses karburasi logam adalah sebagai medium dapat mengurai
menjadi karbon (C) dan nitrogen (N) yang dapat masuk kedalam permukaan logam sehingga
meningkatkan kekerasannya. Dan di tambahkan KCl + Na2CO3 yang berpengaruh terhadap proses
karburasi logam sebagai katalisator yaitu membantu proses difusi karbon kedalam permukaan
logam.
8
Gambar 4. Wadah tempat proses karburasi
Gambar 5. Bahan kimia yang di gunakan.
Keramik silinder selanjutnya dimasukan kedalam tungku pemanas yang telah mencapai
temperatur difusi. Ada dua variasi temperatur di fusi yang diambil pada penelitian ini yaitu
temperatur 850ºC dan 950ºC, variasi temperatur ini dimaksudkan untuk mengetahui
pengaruh temperatur terhadap perubahan sifat yang terjadi. Pemanasan dilakukan selama
30 menit .
Gambar 6. Tungku pemanas dengan temperatur maksimum 1200oC
9
Waktu pemanasan ini adalah waktu perkiraan dimana pada 30 menit sudah terjadi difusi
yang sempurna dan merata pada permukaan spesimen, kemudian keramik dikeluarkan dari
dalam tungku dan dilakukan pendinginan dengan cara penyemprotan spesimen dengan
udara kecepatan tinggi yang di umpan dari kompresor. Pendinginan dengan cepat ini
berguna untuk mendapatkan fasa keras di permukaan saja. Apabila pendinginan di lakukan
dengan pencelupan ke dalam air, maka di kuatirkan fasa austenit akan berubah menjadi
fasa martensit yang bersifat getas di seluruh bagian dari spesimen.
Gambar 7. Spesimen Hasil Karburisasi
d. Pengujian Mekanik dan Analisa Struktur Mikro
Setelah spesimen di bersihkan, kemudian dilakukan pengujian kekuatan menggunakan
mesin uji tarik, hingga spesimen patah dan di dapatkan angka kekuatan. Uji tarik ini juga
di lakukan pada spesimen poros original dan spesimen poros lokal yang tidak di kaburasi
sebagai pembanding. Setelah di uji tarik spesimen di potong- potong pada bagian yang
tidak terpengaruh oleh aliran deformasi plastis akibat uji tarik. Dengan metoda Grossman
spesimen dipotong dalam arah tegak lurus batang poros, ini dilakukan untuk mengetahui
peningkatan perubahan akibat difusi karbon dari permukaan kulit hingga ketengah
poros.Lalu di mounting atau dibingkai. Pembingkaian di maksud agar mudah dalam
melakukan pengujian selanjutnya. Kemudian spesimen di amplas mulai dari amplas
dengan mesh yang kasar hingga mesh yang paling halus (600, 1000, 1500, dan 2000) dan
kemudian di poles dengan menggunakan pasta yang mengandung alumina. Setelah goresan
hasil amplas benar-benar hilang kemudian di etsa menggunakan larutan Nital 2% – 5%
(Nitit Acid 2% dan Alkohol 99%) selama 10 detik. Setelah etsa di lanjutkan dengan
Analisa Struktur Mikro menggunakan mikroskop elektrik untuk melihat perubahan struktur
mikro pada permukaan spesimen dan kemudian di lanjutkan dengan uji keras menggunan
mikro Vicker dengan beban 1000gr. Pengujian kekerasan di lakukan pada beberapa titik
pada permukaan hingga di bawah permukaan.
10
Gambar 8. Alat uji yang di gunakan
( Mesin Mikro Vicker, Mesin Uji keras, Mikroskop electrik, mesin amplas, dan spesimen mounting)
HASIL PENELITIAN
a. Hasil Uji Tarik .
Pengujian di lakukan pada 8 spesimen yaitu satu untuk spesimen original dan lokal dan
enam untuk spesimen lokal yang di karburisasi pada dua temperatur. Hasil uji tarik dari
spesimen adalah sebagai berikut :
Spesimen
Original
Lokal
Lokal 1
Lokal 2
Lokal 3
Rata-rata
Tabel 1. Hasil Uji Tarik.
Tanpa karburising
Karburising
Kg/mm2
850oC (Kg/mm2)
58.72
49.69
53.56
57.74
55.67
55.65
Karburising
950oC (Kg/mm2)
59.77
61.66
60.95
60.79
Gambar 9. Grafik Perbandingan hasil uji tarik
b. Hasil Uji Keras.
Pengambilan harga kekerasan untuk specimen setelah proses karburasi dilakukan bertahap
dari permukaan hingga ketengah batang specimen, ini dilakukan untuk mengetahui
perubahan kekerasan yang terjadi di setiap titik pada potongan spesimen, daerah pengujian
dapat di lihat pada gambar 10. Setiap garis pada gambar 10 dilakukan 10 titik pengujian
dan kemudian di rata-ratakan.
Garis 1
Garis 2
Garis 3
11
Gambar 9. Titik yang uji keras
Uji keras Mikro Vickers dengan pembebanan 1000gr dengan hasil sebagai berikut.
Spesimen
Original
Lokal
Lokal 1
Lokal 2
Lokal 3
Rata-rata
Tabel 2. Harga kekerasan Permukaan pada garis 1 (gambar 10)
Tanpa karburising
Karburising 850oC
Karburising 950oC
(VHN)
(VHN)
(VHN)
337
180
319
298
308
308
411
391
407
403
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras
Spesimen
Original
Lokal
Lokal 1
Lokal 2
Lokal 3
Rata-rata
Tabel 3. Harga kekerasan di tengah garis ke 2 (gambar 10)
Karburising 950oC
Tanpa karburising
Karburising 850oC
(VHN)
(VHN)
(VHN)
317
177
233
279
252
268
247
261
244
269
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras pada bagian tengah spesimen
Spesimen
Original
Lokal
Tabel 4. Harga kekerasan di tengah garis ke 3(gambar 10)
Karburising 950oC
Tanpa karburising
Karburising 850oC
(VHN)
(VHN)
(VHN)
315
175
12
Lokal 1
Lokal 2
Lokal 3
Rata-rata
205
200
189
198
219
208
211
212
Gambar 11. Grafik Perbandingan hasil uji keras sekitar titik sumbu spesimen.
c. Hasil Analisa Struktur Mikro
Kedalaman difusi ini dapat dilihat dengan bantuan mikroskop elektrik dengan perberasan
40X.
Gambar 12. Gambar kedalaman difusi karbon pada 850oC dan 950°C
Kedalaman difusi karbon pada spesimen karburasi cair 850°C adalah sekitar 1000-1200
mikrometer.
Sedangkan kedalaman difusi karbon pada spesimen karburasi cair 950°C berkisar antara
1300 hingga 1500 mikrometer
KESIMPULAN DAN PEMBAHASAN
1. Difusi di pengaruhi oleh temperatur dan lama pemanasan. Semakin tinggi temperatur,
maka jumlah di fusi juga meningkat. Hal ini dapat di lihat pada hasil analisa struktur
mikro. Pada temperatur 950oC difusi lebih dalam di bandingkan pada temperatur
850oC. Dengan selisih hingga 300 mikrometer.
2. Dimana dengan naiknnya kekerasan permukaan akan menaikan kekuatan tarik di
logam tersebut. Hasil uji kekerasan, temperatur 950oC memiliki kekerasan yang tinggi,
sehingga mempengaruhi hasil uji tarik, dimana kekuatan tertinggi terdapat pada
pemanasan 950oC, dimana kekuatanya melebihi kekuatan spesimen original.
3. Namun kekerasan di bahagian dalam dari spesimen masih rendah, hal ini menyatakan
keuletan dari spesimen masih tinggi.
4. Jadi untuk manaikan kekerasan dan kekuatan baja tersebut dengan menggunakan
proses karburasi cair, sebaiknya di lakukan pada temperatur 950oC selama 30 menit,
13
hal ini akan meningkatkan jumlah karbon di permukaan sehingga kekerasan dan
kekuatan tarik serta endurance dari logam tersebut akan meningkat.
DAFTAR PUSTAKA
o Handbook of Chemistry and Physics, 71st edition, CRC Press, Ann Arbor,
Michigan, 1990.
o N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Pergamon Press, 1984.
ISBN 0-08-022057-6
o "Physical Metallurgy Principles". Reed-Hill, Robert. 3rd. Edition. PWS
Publishing. Boston. 1991.
o DeGarmo, E.P., Materials and Processes in Manufacturing, Macmillan Publishing
Company, New York, 1984.
o George krauss, Heat Treatment and Processing Principles, University Of
Colorado.
o William D Callister, Jr. Materials Science and Engineering, University of Utah
, 1982.
14