M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. 21, No. 1, April 2006

Diterbitkan oleh : Program Studi Teknik Mesin, FTI

Institut Teknologi Bandung

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

MESIN Vol. 21 No. 1 i

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 21, No. 1, April 2006

Budi Hartono Setiamarga⁽¹⁾, Novi Kurniawati⁽²⁾ dan Umen Rumendi⁽³⁾

(1) Laboratorium Teknik Metalurgi, Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung E-mail: setiamar@indo.net.id

(2) Alumnus Program Studi Teknik Material, Institut Teknologi Bandung (3) Divisi Perlakuan Panas, Jurusan Teknik Manufaktur, Politeknik Manufaktur Bandung E-mail: umen_rumendi2002@yahoo.com

Ringkasan

Sprocket sepeda motor yang berkualitas tinggi dengan harga relatif murah telah berhasil didapatkan dengan memproses sprocket non-orisinil buatan lokal sedemikian sehingga mendekati kualitas sprocket orisinil buatan Jepang. Metode yang digunakan adalah karburisasi padat, dilanjutkan dengan quench hardening dan tempering pada sprocket non orisinil. Proses karburisasi padat dilakukan dengan media karbon aktif dengan penambahan energizer BaCO3 sebesar 10 %wt. Proses karburisasi padat berlangsung pada temperatur 950°C selama 1 jam. Untuk proses perlakuan panas, pemanasan dilakukan pada temperatur 850°C selama 15 menit dilanjutkan water quenching dan tempering pada temperatur 150°C selama 30 menit. Hasil dari proses karburisasi padat menunjukkan bahwa penetrasi karbon yang terjadi adalah sebesar 1,05 mm. Setelah di-temper, spesimen hasil karburisasi 1 jam memiliki effective case depth sebesar 0,2 mm. Dari penelitian ini didapatkan bahwa untuk menghasilkan effective case depth seperti sprocket orisinil, sprocket non orisinil harus dikarburisasi padat pada temperatur 950°C selama 1 jam di dalam media karbon aktif granule dengan penambahan 10%wt BaCO3,, yang dilanjutkan dengan water quenching dari temperatur 850°C, dan tempering pada temperatur 150°C selama 30 menit.

1. PENDAHULUAN

Sprocket sepeda motor yang berpasangan dengan rantai merupakan salah satu contoh komponen yang berfungsi untuk mentransmisikan daya. Di pasaran beredar beberapa macam produk sprocket sepeda motor mulai dari produk orisinil (buatan Jepang) yang berharga mahal, hingga produk-produk non orisinil atau tiruan yang relatif lebih murah. Harga produk orisinil saat ini sekitar sepuluh kali lipat dari harga produk non orisinil.

Keunggulan sprocket orisinil yaitu umur pakai yang lebih lama, disebabkan adanya proses perlakuan tambahan pada sprocket, yaitu surface treatment untuk mengubah sifat atau karakteristik logam pada permukaan. Salah satu proses yang dipakai untuk mengubah sifat permukaan logam adalah proses karburisasi padat (pack carburizing) [1].

Purnadi [2] dan Kurniawati [3] telah melakukan penelitian untuk menghasilkan sprocket sepeda motor yang berkualitas tinggi dengan harga relatif murah yaitu dengan meneliti parameter proses karburisasi padat yang tepat seperti waktu dan temperatur karburisasi, temperatur dan media pendingin proses quench hardening serta temperatur tempering yang harus dilakukan.

2. PROSEDUR PENELITIAN

Dalam penelitian ini, material yang digunakan sebagai spesimen percobaan adalah sprocket orisinil dan sprocket non orisinil. Sprocket tersebut terbuat dari material baja karbon rendah. Seluruh spesimen sprocket non orisinil akan dikarburisasi sesuai dengan parameter karburisasi yang dipilih. Dalam penelitian ini, media karburisasi yang digunakan adalah campuran antara karbon aktif dan barium karbonat (BaCO3). Kadar BaCO³ yang digunakan adalah 10%wt. Barium karbonat ini berfungsi sebagai energizer agar aktivasi dari karbon dapat ditingkatkan, sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Rumendi [4] serta Lyta [5].

Proses karburisasi padat berlangsung pada temperatur 950°C dengan holding time selama 1 jam. Sebelum temperatur mencapai 950°C, dapat dilakukan preheating pada temperatur 600°C selama 1 jam. Pendinginan spesimen karburisasi dilakukan dengan pendinginan dalam tungku (furnace cooling). Setelah proses karburisasi padat, untuk mendapatkan sifat mekanik yang optimum maka dilakukanlah proses perlakuan panas quench hardening dan tempering. Pemanasan dilakukan pada temperatur 850°C selama 15 menit dilanjutkan water quenching dan tempering pada temperatur 150°C selama 30 menit.

Setelah proses karburisasi, spesimen utama akan dipotong-potong untuk metalografi dan uji keras seperti pada Gambar 1. Uji keras dilakukan menggunakan Micro Vickers dengan beban 200 gram. Uji keras dilakukan untuk mengetahui distribusi kekerasan dari bagian permukaan hingga ke bagian inti dari spesimen (Gambar 2), baik untuk spesimen hasil proses karburisasi maupun spesimen hasil proses perlakuan panas.

Gambar 1. Pembagian spesimen metalografi dan uji keras

Gambar 2. Posisi pengamatan metalografi dan uji keras

Pemeriksaan struktur mikro dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik dengan Image Analyzer Omnimet di Laboratorium Teknik Metalurgi ITB. Etsan yang dipakai adalah Nital 2%. Penghitungan persentase karbon dilakukan dengan cara menghitung fraksi luas dikombinasikan dengan Lever Arm Rule.

Dari metalografi dan uji keras didapatkan informasi mengenai lapisan hasil karburisasi. Beberapa definisi tentang lapisan hasil karburisasi antara lain :

• Total case depth adalah jarak yang diukur tegak lurus dari permukaan baja yang telah atau belum mengalami proses pengerasan, di mana perbedaan sifat mekanik atau komposisi kimia antara permukaan dan inti sudah tidak dapat dibedakan.
• Effective case depth adalah jarak yang diukur tegak lurus dari permukaan baja yang telah mengalami proses pengerasan ke titik di mana kekerasan yang dicapai adalah 550 VHN.

3. DATA DAN ANALISIS

Sprocket Non Orisinil

Dari hasil pemeriksaan struktur mikro sprocket non orisinil diketahui bahwa sprocket tersebut terbuat dari baja karbon rendah, dengan komposisi sekitar 0,08 %C. Fasa-fasanya terdiri dari perlit dan ferit (Gambar 3). Dari hasil uji keras diperoleh kekerasan rata-rata 126 ± 4 HV0,2.

Gambar 3. Struktur mikro sprocket non orisinil (etsan: Nital 2%)

Sprocket Orisinil

Pengujian kekerasan sprocket orisinil menghasilkan suatu bentuk distribusi kekerasan seperti pada Gambar 4.d. Dari hasil pengukuran diketahui nilai effective case depth sebesar 0,2 mm.

Dari hasil pemeriksaan struktur mikro pada sprocket orisinil, pada bagian permukaan terlihat adanya fasa martensit temper dengan kekerasan maksimum sekitar 609 ± 29 HV0.2 (Gambar 4.a). Fasa martensit ini jumlahnya semakin berkurang dengan bertambahnya kedalaman. Semakin ke dalam, mulai muncul fasa ferit dan perlit. Fasa ferit pada kedalaman sekitar 0,5 mm merupakan fasa ferit proeutektoid dengan morfologi widmanstatten (Gambar 4.b). Pada bagian inti terlihat semakin banyaknya fasa ferit dan perlit (Gambar 4.c).

Perhitungan kadar karbon pada baja dapat dilakukan dengan asumsi bahwa bagian inti spesimen tidak mengalami perubahan fasa setelah mendapat proses perlakuan panas. Kadar karbon ditentukan dengan menggunakan Lever Arm Rule berdasarkan jumlah persentase fasa ferit dan perlit. Dari hasil perhitungan, komposisi karbon baja yang didapatkan adalah 0,07% dengan harga kekerasan rata-rata adalah 112 HV0,2.

(4.a) Bagian permukaan

(4.b) Sekitar 0,8 mm dari permukaan

(4.c) Sekitar 1,2 mm dari permukaan

(4.d) Distribusi kekerasan

Gambar 4. Struktur mikro serta distribusi kekerasan sprocket orisinil (etsan: Nital 2%)

Hasil karakterisasi awal sprocket orisinil ini menunjukkan bahwa sprocket tersebut merupakan hasil proses karburisasi yang dilanjutkan dengan proses perlakuan panas (quench hardening dan tempering), dengan hasil perhitungan effective case depth sebesar 0,2 mm serta kadar karbon awal sebelum proses perlakuan sekitar 0,07%C.

As Carburized

Setelah mengalami proses karburisasi padat, kekerasan di bagian permukaan spesimen mengalami peningkatan dari kekerasan awal (126 HV0,2). Hal ini disebabkan karena telah terjadi difusi atom-atom karbon dari media karburisasi ke dalam spesimen. Semakin ke dalam, harga kekerasan semakin berkurang. Bahkan pada bagian inti, harga kekerasan lebih rendah bila dibandingkan harga kekerasan awal. Hal ini terjadi akibat pertumbuhan butir yang terjadi saat spesimen berada pada temperatur karburisasi yaitu pada temperatur 950°C selama 1 jam.

Dari hasil perhitungan, kadar karbon pada bagian permukaan adalah sekitar 0,75%C. Kadar karbon akan berkurang dengan bertambahnya kedalaman. Kenaikan kadar karbon dari 0,08%C menjadi sekitar 0,75%C pada permukaan menyebabkan terjadinya peningkatan kekerasan dan perubahan struktur mikro. Hasil dari proses karburisasi menunjukkan bahwa telah terjadi penetrasi karbon sebesar 1,05 mm (Gambar 5.d).

Dari pemeriksaan struktur mikro didapatkan bahwa telah terjadi perubahan fasa dari bagian permukaan hingga bagian inti spesimen. Pada bagian permukaan, fasa yang terjadi adalah fasa perlit dan ferit. Semakin ke dalam, jumlah fasa ferit semakin bertambah hingga bagian inti spesimen. Struktur mikro spesimen as carburized ditunjukkan pada Gambar 5.a sampai dengan 5.c.

(5.a) Bagian dekat permukaan

(5.b) Sekitar 0,3 mm dari permukaan

(5.c) Sekitar 2 mm dari permukaan

(5.d) Distrbusi kekerasan

Gambar 5. Struktur mikro dan distribusi kekerasan spesimen as carburized (etsan: Nital 2%)

As Quenched

Setelah quenching, didapatkan peningkatan kekerasan yang tinggi dari spesimen as carburized (Gambar 6.d). Struktur mikro spesimen as quenched ditunjukkan pada Gambar 6.a sampai 6.c yang menunjukkan adanya fasa martensit yang keras di permukaan dan fasa ferit-perlit yang relatif lebih lunak di bagian dalam.

(6.a) Bagian dekat permukaan

(6.b) Sekitar 0,5 mm dari permukaan

(6.c) Sekitar 1,3 mm dari permukaan

(6.d) Distribusi kekerasan

Gambar 6. Struktur mikro dan distribusi kekerasan spesimen as quenched (etsan: Nital 2%)

As Tempered

Untuk mendapatkan kekerasan permukaan yang mendekati sprocket orisinil, setelah quenching dilakukan tempering pada temperatur 150°C selama 30 menit.

(7.a) Bagian dekat permukaan

(7.b) Sekitar 0,8 mm dari permukaan

(7.c) Sekitar 1,1 mm dari permukaan

(7.d) Distribusi kekerasan

Gambar 7. Struktur mikro dan distribusi kekerasan spesimen as tempered

Nilai kekerasan permukaan as tempered yang dihasilkan lebih rendah daripada as quenched (Gambar 7.d). Hal ini disebabkan karena saat tempering, terjadilah difusi atom karbon keluar dari fasa martensit membentuk martensit temper. Sedangkan pada bagian inti, fasanya adalah ferit proeutektoid dan perlit dengan nilai kekerasan yang relatif tidak terlalu banyak berubah. Struktur mikro spesimen as tempered ditunjukkan pada Gambar 7.a sampai 7.c.

Dari distribusi kekerasan spesimen as tempered (Gambar 7.d) maka effective case depth dapat diketahui yaitu sebesar 0,2 mm. Distribusi kekerasan hasil tempering ini mendekati distrbusi kekerasan sprocket orisinil yang memiliki effective case depth sebesar 0,2 mm. Namun harga kekerasan di daerah inti spesimen as tempered yang memiliki kekerasan rata-rata 200 HV0,2 ini lebih tinggi daripada harga kekerasan inti sprocket orisinil yang memiliki kekerasan rata-rata 112 HV0,2. Hal ini terjadi karena kadar karbon awal dari spesimen sprocket orisinil dan non orisinil berbeda.

Perbandingan Distribusi Kekerasan pada Berbagai Tahapan Proses Perlakuan Panas

Gambar 8 menunjukkan perbandingan distribusi kekerasan antara spesimen as it is, as carburized, as quenched dan as tempered. Hasil ini menunjukkan bahwa pada setiap tahapan proses, telah terjadi perubahan struktur mikro yang berdampak pada perubahan distribusi kekerasannya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 sampai 7. Spesimen as carburized telah mengalami peningkatan kekerasan di permukaan akibat adanya penetrasi karbon ke dalam permukaan yang mengakibatkan adanya penambahan jumlah fasa perlit. Spesimen as quenched telah mengalami peningkatan kekerasan yang sangat tinggi akibat terbentuknya fasa martensit yang sangat keras, sedangkan pada spesimen as tempered telah terjadi pembentukan fasa martensit temper yang relatif lebih lunak dari fasa martensit.

Gambar 8. Distribusi kekerasan spesimen as it is, as carburized, as quenched dan as tempered

Perbandingan Distribusi Kekerasan pada Sprocket Orisinil dan Sprocket Non orisinil

Gambar 9 menunjukkan perbandingan antara distribusi kekerasan sprocket orisinil dan non orisinil yang telah diberi perlakuan permukaan. Hal ini menunjukkan bahwa dengan melakukan proses karburisasi diikuti perlakuan panas pada sprocket non orisinil (dengan parameter waktu karburisasi 1 jam dan temperatur temper 150°C) diperoleh distribusi kekerasan mendekati sprocket orisinil dengan effective case depth sebesar 0,2 mm.

Gambar 9. Distribusi kekerasan sprocket orisinil dan non orisinil yang telah diberi perlakuan permukaan

4. KESIMPULAN

Dengan melakukan proses karburisasi padat diikuti proses perlakuan panas pada sprocket non orisinil buatan lokal, dapat diperoleh distribusi kekerasan yang mendekati distribusi kekerasan sprocket orisinil buatan Jepang.

Parameter penelitian yang tepat untuk menghasilkan effective case depth sebesar 0,2 mm yg dimiliki oleh sprocket orisinil adalah karburisasi padat dengan media karburisasi karbon aktif granule dengan penambahan 10 %wt BaCO³ pada temperatur 950°C selama 1 jam, lalu dilanjutkan proses perlakuan panas quench hardening dari temperatur 850°C dengan menggunakan medium pendingin air, serta tempering pada temperatur 150°C selama 30 menit.

5. UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih disampaikan kepada program PHK A3 Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung yang telah membiayai penelitian ini.

6. DAFTAR PUSTAKA

• 1. ASM Handbook Commitee, ASM Handbook Volume 4 Heat Treating, Ohio, 1991.
• 2. Duddy Yan Purnadi, Proses Pack Carburizing dengan Media Arang Batok dengan Penambahan Energizer BaCO3 Pada Roda Gigi Sproket Sepeda Motor, Tesis Magister, Program Magister Teknik Mesin, Bandung,. Institut Teknologi Bandung, 2004.
• 3. Novi Kurniawati, Pack Carburizing pada Sprocket Sepeda Motor dengan Material Baja Karbon Rendah, Tugas Sarjana, Program Studi Teknik Material, Bandung,. Institut Teknologi Bandung, 2005.
• 4. Umen Rumendi, Pack Carburizing Arang Batok pada Baja St-37 Sebagai Pengganti Baja Perkakas 34CrNiMo6 Pada Pena Pembentuk Pupuk Tablet, Tugas Sarjana, Program Studi Teknik Mesin, Bandung,. Institut Teknologi Bandung, 2002.
• 5. Lyta, Peningkatan Kualitas Pahat Kayu Melalui Metode Pack Carburizing Dengan Media Arang Batok, Tugas Sarjana, Program Studi Teknik Material, Institut Teknologi Bandung, 2005.