analisis sifat kekerasan dan struktur mikro baja aisi …eprints.ums.ac.id/68792/9/halaman...
TRANSCRIPT
ANALISIS SIFAT KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO
BAJA AISI 4140 HASIL KARBURASI PLASMA
DENGAN VARIASI TEKANAN
TESIS
Disusun sebagai satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata II
pada Program Studi Magister Teknik Mesin Sekolah Pascasarjana
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh :
Yuli Supriyanto
U 100 160 015
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2018
ii
iii
iv
v
vi
vii
ANALISIS SIFAT KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO
BAJA AISI 4140 HASIL KARBURISING PLASMA
DENGAN VARIASI TEKANAN
Abstrak
Proses Karburising terhadap baja AISI 4140 untuk diuji kekerasan dengan metode
pengujian Vikers dan diamati struktur mikronya. Tujuan dari penelitian ini adalah
Mengetahui tingkat kekerasan dari material AISI 4140 yang telah mengalami
proses pelapisan dengan metode karburasi plasma. Sampel berupa baja AISI 4140
dipotong menjadi 30 sampel uji, kemudian dilakukan pemolesan dengan Autosol
menggunakan amplas dengan ukuran 120 sampai dengan 5000 mesh. Kemudian
sampel yang sudah dipoles dikarburising dengan variasi tekanan dari 1,2; 1,4; 1,6;
1,8 dan 2,0 mBar dengan temperatur serta waktu yang tetap. Kekerasan yang
terbesar atau optimum diperoleh pada tekanan 1,4 mbar. Hal ini disebabkan laju
deposisi terlalu besar tetapi laju difusi dan kelarutan secara interstisi atom karbon
pada baja AISI 4140 tidak dapat mengikuti laju deposisi maka akan terjadi
penumpukan atom karbon pada permukaan karena laju deposisi lebih besar dari
laju difusi dan kelarutan secara interstisi. Dengan demikian kekerasan permukaan
tidak naik melainkan menurun sebagai akibat menumpuknya atom karbon pada
permukaan. Pengujian terhadap struktur mikro menghasilkan bahwa lapisan tipis
terlihat di bagian luar permukaan dengan unsur karbon yang teridentifikasi sangat
tipis.
Kata Kunci : Karburising, AISI 4140, Tekanan, Kekerasan Vikers, Struktur
mikro.
Abstract
Carburizing process for AISI 4140 steel to test hardness with the method of
testing and identification of microstructure. The purpose of this study was to
determine the level of hardness from AISI 4140 material that has carried out the
coating process with the plasma carburizing method. Samples in the form of AISI
4140 steel cut into 30 samples, then polishing with Autosol using sandpaper with
sizes 120 until 5000 mesh. Then the sample that has been dipped is carburized
with various pressure 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 and 2,0 mBar and a fixed temperature
and time. The highest highest or obtained optimally at 1.4 mbar. This is due to a
process that is faster and larger than the carbon in AISI 4140 steel can not follow
the deposition rate that will occur at the bottom of the accumulation of carbon
atoms. Thus, nothing is the same as the result of stacking carbon atoms on the
surface. Testing of the microstructure resulted in a thin layer visible on the
outside of the surface with the carbon element identified as very thin.
Keywords: Process Carburizing, AISI 4140, Pressure, Hardness of Vikers , microstructure
viii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas
segala karunia dan ridho-Nya, sehinga laporan tesis dengan judul “Analisis Sifat
Kekerasan dan Struktur Mikro Baja AISI 4140 Hasil Karburasi Plasma Dengan
Variasi Tekanan” ini dapat diselesaikan. Tesis ini disusun sebagai satu syarat
menyelesaikan Program Studi Strata II pada Program Studi Magister Teknik
Mesin Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan
menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada :
1. Bapak Dr. Sofyan Anif, M.Si., selaku Rektor Universitas Muhammadiyah
Surakarta, atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis
untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan strata II di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Prof. Dr. Bambang Sumardjoko, selaku Direktur Sekolah
Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta, atas kesempatan dan
fasilitas pada Sekolah Pascasarjana yang diberikan kepada penulis untuk
mengikuti dan menyelesaikan pendidikan strata II di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Tri Widodo Besar, M.Sc., Ph.D., selaku Ketua Program Studi
Magister Teknik Mesin dan Pembimbing Satu serta Ketua Dewan Penguji
yang telah memberikan masukan dan saran pada saat proses
pembimbingan sampai selesainya laporan tesis ini.
4. Bapak Dr. Joko Sedyono., selaku pembimbing dua dan Anggota Dewan
Penguji, atas saran dan bimbingannya.
5. Bapak Marwan Effendy, S.T.,M.T., Ph.D selaku Anggota Dewan Penguji
atas masukan dan sarannya.
6. Pusat Sains dan Teknologi Akselerator Badan Tenaga Nuklir Nasional
Yogyakarta, yang telah mengijinkan tempatnya untuk penelitian tesis ini.
ix
7. Segenap dosen Magister Teknik Mesin, yang telah memberikan ilmu dan
arahan selama kuliah.
8. Ayahanda Masiyo Redjo Suwarno, Ibunda Djuminah, Adik-adik saya
Muhammad Umaryono, Agus Marwanto dan Betty Wahyuningsih atas
do’a dan semua yang telah diberikan sehingga penulis dapat
menyelesaikan Magister Teknik Mesin di Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
9. Istri saya Emmie Khurriyati Octavia, S.E, S.Pd beserta anak-anakku,
Muhammad Hibban Mikhail dan Maisie Naeva Raudhoh terimakasih atas
segala motivasi, perhatian dan do’a nya serta kesabarannya sehingga
semangat tumbuh untuk segera menyelesaikan Magister Teknik Mesin di
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
10. Temen-teman seperjuangan Magister Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Surakarta angkatan ke-5, untuk motivasinya.
11. Civitas Akademi SMK Muhammadiyah Bumiayu, yang telah memberikan
dukungan segalanya.
12. Kepada semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis
sebutkan satu persatu.
Dengan keterbatasan pengalaman, ilmu maupun pustaka yang ditinjau, penulis
menyadari bahwa tesis ini masih banyak kekurangan dan pengembangan lanjut
agar benar benar bermanfaat. Oleh sebab itu, penulis sangat mengharapkan kritik
dan saran agar tesis ini lebih sempurna serta sebagai masukan bagi penulis untuk
penelitian dan penulisan karya ilmiah di masa yang akan datang.
Akhir kata, penulis berharap tesis ini memberikan manfaat bagi kita semua
terutama untuk pengembangan ilmu pengetahuan yang ramah lingkungan.
Surakarta, Oktober 2018
Penulis
Yuli Supriyanto
U 100 160 015
x
DAFTAR ISI
NOTA PEMBIMBING I ……………………………………………………… ii
NOTA PEMBIMBING II …………………………………………………….. iii
HALAMAN PERSETUJUAN............................................................................ iv
HALAMAN PENGESAHAN............................................................................. v
PERNYATAAN................................................................................................... vi
ABSTRAK ........................................................................................................... vii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii
DAFTAR ISI ....................................................................................................... x
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1
1.1. Latar Belakang ............................................................................ 1
1.2. Perumusan Masalah .................................................................... 4
1.3. Batasan Masalah ......................................................................... 4
1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................ 4
1.5. Sistematika Penulisan ................................................................. 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 6
2.1. Kajian Pustaka ............................................................................ 6
2.2. Landasan Teori ........................................................................... 9
2.2.1. Konsep Dasar Plasma ..................................................... 9
2.2.2. Plasma Lucutan Pijar …................................................ 10
2.2.3. Karburasi ........................................................................ 11
2.2.4. Karburasi Plama ............................................................. 11
2.2.5. Mesin Karburasilasma ................................................... 13
2.2.6. Uji Kekerasan Vikers ..................................................... 13
2.2.7. Struktur Mikro ................................................................ 15
xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 16
3.1. Tempat Penelitian ..................................................................... 16
3.2. Alat dan Bahan ........................................................................... 16
3.2.1. Alat Penelitian ................................................................ 16
3.2.2. Bahan Penelitian ............................................................. 17
3.3. Prosedur Penelitian ..................................................................... 18
3.3.1. Preparasi Sampel Material Baja AISI-4140 ................... 19
3.3.2. Proses Pemolesan Sampel Material AISI 4140 .............. 20
3.3.3. Proses Pencucian Sampel Material Baja AISI 4140 ....... 21
3.3.4. Preparasi Alat Karburasi Plasma .................................... 21
3.3.5. Hasil Proses Pengerasan Permukaan Teknik Plasma ..... 22
3.3.6. Metode Pembentukan Lapisan Tipis ............................. 23
3.3.7. Proses Pengujian Vickers ............................................... 24
3.3.8. Proses Pengujian SEM/EDX .......................................... 24
3.3.9. Analisa Data ................................................................... 24
BAV IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 25
4.1. Pengujian Kekerasan Vickers ..................................................... 25
4.2. Uji SEM/EDX ............................................................................ 30
BAB V KESIMPULAN .................................................................................. 39
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1. Komposisi kimia material AISI 4140 .................................... 2
Tabel 4.1 Hasil uji kekerasan sebelum karburasi……………………………….. 38
Tabel 4.2 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan
tekanan 1,2 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ….................. 38
Tabel 4.3 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan
1,4 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ................................... 38
Tabel 4.4 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan
1,6 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam .................................. 39
Tabel 4.5 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan
1,8 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam .................................. 39
Tabel 4.6 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan
2,0 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ................................... 39
Tabel 4.7.Hasil uji kekerasan rata-rata permukaan setelah proses karburasi
dengan tekanan1,2; 1,4; 1,6 ; 1,8 dan 2,0 mbar pada temperatur
450O
C serta waktu 3 jam ………………………………….………… 40
Tabel 4.8Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 1,2 mbar,
pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam, pada bagian
substrat ..................................................................................... 45
Tabel 4.9 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 1,2
mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam pada
permukaan substrat ............................................................................ 46
Tabel 4.10 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX variasi tekanan
2,0 mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam, pada
bagian substrat ................................................................................... 47
Tabel 4.11 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0
mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi3 jaml pada
bagian substrat …………………………………………….............. 48
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Plasma sebagai keadaan fisis ke empat dari wujud zat…………... 10
Gambar 2.2 Skema plasma lucutan pijar …..………………………………….. 12
Gambar 2.3 Pengujian Vickers dan Bentuk indentor Vickers ............................ 14
Gambar 3.1 Skema Diagram Alir Penelitian ...................................................... 18
Gambar 3.2 Sampel material baja AISI 4140 No. 1 dan No. 2 .......................... 19
Gambar 3.3 Proses pembubutan material baja AISI 4140 ................................. 19
Gambar 3.4 Bentuk sampel material baja AISI 4140 yang sudah dibubut
dengan ukuran diameter 1,4 cm dan tebal 0,4 cm .......................... 20
Gambar 3.5 Proses pemolesan sampel material baja AISI 4140 dengan
ukuran diameter 1,4 cm dan tebal 0,4cm ....................................... 20
Gambar 3.6 Hasil proses pemolesan sampel material baja AISI 4140 ............... 21
Gambar 3.7 Proses pencucian sampel baja tahan karat AISI 4140 dengan
mesin ultrasonic cleaner ................................................................ 21
Gambar 3.8 Sistem Karburasi Plasma ............................................................ 21
Gambar 3.9. Hasil proses pengerasa permukaan teknik plasma Karburizing
dengan variasi tekanan 1,2 mbar – 2,0 mBa .................................. 22
Gambar 4.1 SEM dari tampang lintang substrat baja AISI 4140 setelah
dikarburasi plasma dengan variasi tekanan 1,2 dan 2,0 mbar
pada temperatur 450 oC waktu karburasi 3 jam ........................... 29
Gambar 4.2 SEM-EDX Spot 1 substrat baja AISI 4140 hasil karburasi plasma
untuk variasi tekanan 1,2 mBar …………………………….......... 31
Gambar 4.3.Unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX pada bagian
permukaan substrat tekanan 1,2 mbar,........................................... 31
Gambar 4.4 SEM-EDX spot 5 substrat baja AISI 4140 hasil karburasi plasma
tekanan 1,2 mbar,............................................................................ 32
xiv
Gambar 4.5 Unsur Komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar,
pada bagian substrat ....................................................................... 33
Gambar 4.6, SEM-EDX tekanan 2,0 mBar pada bagian permukaan substrat…... 33
Gambar 4.7. Unsur Komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar
pada bagian permukaan substrat …………………………………. 34
Gambar 4.8. SEM-EDX tekanan 2,0 mbar, diambil pada bagian substrat……… 34
Gambar 4.9. Unsur Komposisi Kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar
diambil pada bagian substrat……………………………………… 35