PENGERASAN PERMUKAAN BAJA KARBON ST 40 DENGAN METODE NITRIDASI DALAM LARUTAN KALIUM NITRAT - Diponegoro University | Institutional Repository (UNDIP-IR)

BAB III

PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA PENELITIAN

3.1 Peralatan yang Digunakan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian dan pengujian ini antara lain: 1. Tabung Nitridasi

Tabung nitridasi merupakan suatu alat yang digunakan untuk memanaskan spesimen uji ST 40 dalam larutan pereaksi kalium nitrat. Tabung nitridasi ini terbuat dari bahan baja berbentuk slinder dengan diameter 23,3 cm dan tinggi 35,0 cm. Dalam penggunaannya alat ini bekerja menggunakan sistem pemanas elektrik yang dipasang pada sisi tabung nitridasi.

Gambar 3.1 Tabung nitridasi

2. Alat Pemanas Band Heater

Band heater merupakan suatu alat pemanas elektrik (heater) berbentuk slinder yang di desain secara khusus untuk digunakan pada temperatur (maksimum 500 °C) yang terbuat dari material stainless steel. Pada pengujian ini band heater yang digunakan menggunakan spesifikasi sebagai berikut:

a. Diameter : 23,3 cm

b. Tinggi : 10 cm

c. Model : Slinder

e. Daya listrik : 2000 W f. Voltase : 220 volt

Gambar 3.2 Band heater

3. Thermostat

Thermostat merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengatur dan mempercepat tercapainya temperatur kerja dan mempertahankan terperatur kerja tersebut. Prinsip kerja dari thermostat ini adalah dengan menekan saklar sesuai dengan temperatur yang diinginkan dimana thermostat akan bekerja secara otomatis untuk menyambung dan memutuskan aliran listrik pada saat mencapai temperatur kerja. Pengaturan thermostat pada pengujian ini akan di atur pada temperatur 400°C, 450°C, dan 500°C . Pada penelitian ini akan menggunakan thermosat digital merk Autonics Sensors & Controller TZN4S Series yang mampu mengatur temperatur pemanasan hingga mencapai 1300°C. Thermostat ini dilengkapi dengan thermocouple tipe K 2M yang mampu beroperasi pada temperatur -100°C hingga 1300°C.

(a) (b)

4. Kontaktor

Kontaktor adalah jenis saklar yang bekerja secara magnetic. Alat ini berfungsi untuk menyambung dan memutuskan aliran arus listrik yang masuk ke alat pemanas (heater).

Gambar 3.4 Kontaktor

5. Mesin Amplas

Mesin amplas digunakan untuk proses grinding spesimen agar mendapatkan permukaan spesimen yang rata dan halus untuk pengujian struktur mikro.

Gambar 3.5 Mesin amplas 6. Alat Uji Kekerasan Rockwell

Alat uji kekerasan Rockwell digunakan untuk mengetahui nilai kekerasan pada spesimen uji. Dalam penelitian ini spesimen uji akan diuji kekerasannya di tiga titik pengujian secara vertikal dengan jarak pengujian dari sisi tepi permukaan spesimen uji 0,3 cm, 0,6 cm dan, 0,9 cm dengan menggunakan alat Rockwell hardness tester model HR-150A.

(a) (b)

Gambar 3.6 (a) Alat uji kekerasan Rockwell, (b) Bentuk identor Rockwell

7. Mikroskop Optik

Microscop Optik digunakan untuk mengamati perubahan struktur mikro dari spesimen uji. Kemudian mengambil foto dari struktur mikro tersebut dengan menggunakan kamera digital dengan perbesaran yang ditentukan.

Gambar 3.7 Mikroskop optik 8. Alat Bantu Lainnya

a. Amplas ukuran grid 200, 400, 600, 800, 1200, dan 2000 b. Kain beludru

c. Vernier caliper d. Gergaji besi

3.2 Spesimen Uji dan Bahan Pereaksi

Pada penelitian ini spesimen uji dan bahan pereaksi yang digunakan adalah 1. Spesimen Uji : Baja ST 40

Baja ST 40 merupakan baja karbon rendah yang memiliki kandungan unsur karbon di dalam baja sebesar 0,16% C. Kata ST berasal dari bahasa Jerman “Sthal” yang artinya baja. Baja ST 40 terbentuk atas beberapa paduan unsur kimia seperti yang ditampilkan pada tabel 3.1 yakni sebagai berikut:

Tabel 3.1 Komposisi Kimia Baja ST 40 [18]

Unsur Simbol Komposisi Kimia (%)

Besi Fe 99,092

Karbon C 0,160

Mangan Mn 0,385

Silikon Si 0,221

Fosfor P 0,028

Kobal Co 0,077

Cuprum Cu 0,036

Wolfram W 0,001

Gambar 3.8 Baja karbon rendah ST 40

Bila dikonversikan kedalam standard ASTM baja ST 40 disebut dengan istilah AISI 420 hal ini dilihat berdasarkan jumlah persentase komposisi kimia yang terdapat dalam baja ST 40 dengan data fisik sebagai berikut:

Densitas : 7,7-8,1 kg/dm3 Titik lebur : 1370-1520 °C

Kekuatan tarik : 520 N/mm2 min Kekuatan luluh : 225 N/mm2 min Pemanjangan : 18 % min Nilai kekerasan HV : 234 max

2. Bahan Pereaksi : Kalium Nitrat

Kalium nitrat merupakan sumber alami penghasil mineral nitrogen dengan rumus kimia (KNO3). Kalium nitrat berbentuk butiran putih yang teroksidasi

dengan senyawa oksigen. Kalium nitrat ini memiliki data fisik sebagai berikut:

Rumus molekul : KNO3

Massa molar : 101,103 g/mol Densitas : 2,109 g/ cm3 (16 °C)

Titik lebur : 334 °C

Dekomposisi temperatur : 400 °C

Kelarutan dalam air : 13,3 g/ 100 mL (0 °C) 36 g/ 100 mL (25 °C) 247 g/ 100 mL (100 °C)

Gambar 3.9 Kalium nitrat

3.3 Proses Nitridasi

Proses nitridasi dilakukan dengan cara memasukkan spesimen baja karbon rendah ST 40 kedalam senyawa kalium nitrat yang telah dipanaskan pada temperatur yang telah ditentukan (400°C, 450°C, 500°C) dengan waktu penahanan spesimen selama 8 jam.

Langkah-langkah proses nitridasi

1. Spesimen uji di preparasi terlebih dahulu

a. Pemotongan spesimen (sectioning) : pemotongan spesimen dilakukan untuk mendapatkan dimensi spesimen uji sesuai dengan ukuran yang diinginkan, dalam hal ini spesimen memiliki diameter 1,9 cm dengan tebal spesimen 1,0 cm, hal ini bertujuan untuk mempermudah proses pengujian.

1,9 cm 1,0 cm

Gambar 3.10 Spesimen benda uji

b. Pengamplasan spesimen (grinding) : pengamplasan dilakukan untuk mendapatkan permukaan spesimen yang halus dan rata hal ini bertujuan untuk mempermudah pada saat dilakukannya proses pengujian struktur mikro. Pengamplasan dilakukan dengan menggunakan kertas amplas ukuran grid 200, 400, 600, 800, 1200, dan 2000.

2. Senyawa kalium nitrat dimasukkan kedalam tabung nitridasi dan dipanaskan hingga mencapai temperatur yang telah ditentukan (400 °C, 450 °C, 500 °C) dengan menggunakan alat pemanas elektrik (heater).

3. Setelah pemanasan kalium nitrat mencapai temperatur yang diinginkan, spesimen uji dimasukkan kedalam larutan kalium nitrat dengan waktu penahanan spesimen selama 8 jam.

4. Setelah spesimen didiamkan selama waktu penahanan yang telah ditentukan, spesimen uji lalu diangkat dan didinginkan menggunakan media pendingin udara.

5. Pemolesan spesimen (polishing) : proses polishing bertujuan untuk menghasilkan permukaan spesimen yang rata dan mengkilap. Pemolesan

dilakukan dengan menggunakan kain beludru halus yang diolesi polisher autosol untuk mengkilapkan permukaan spesimen uji.

6. Kemudian proses selanjutnya, spesimen uji di etsa menggunakan larutan asam klorida (HCL) pada temperatur ruang 27 °C dengan waktu penahanan dalam larutan HCL selama 1 jam , hal ini bertujuan untuk mengkorosikan permukaan spesimen dan memberikan efek warna agar struktur mikro dapat terlihat jelas dengan menggunakan alat microscop optik.

3.4 Pengujian Spesimen

3.4.1 Pengujian Kekerasan Metode Rockwell

Pengujian kekerasan Rockwell dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Jurusan Teknik Mesin, Universitas Diponegoro Semarang. Dalam penelitian ini, pengujian kekerasan dilakukan di tiga titik pengujian yang dipilih secara vertikal dari sisi tepi permukaan spesimen. Alat uji kekerasan Rockwell ini menggunakan penekan/identor berbentuk intan kerucut dengan sudut 120°C, dengan pembebanan yang digunakan dalam pengujian sebesar 60 kg. Dari hasil pengujian data kekerasan Rockwell, diperoleh hasil pengujian kedalam bentuk bentuk HRA.

Langakah- langkah pengujian kekerasan Rockwell

1. Spesimen uji yang telah dinitridasi dibersihkan dengan menggunakan kain beludru dan dietsa dengan HCL untuk menghilangkan kerak yang terbentuk akibat pendekomposisian unsur oksigen pada permukaan spesimen, hal ini dilakukan untuk menghindari reaksi kerak yang bersifat rapuh pada permukaan spesimen dengan identor alat uji kekerasan untuk memperoleh hasil yang terbaik selama proses pengujian kekerasan.

2. Mengkalibrasi alat uji kekerasan Rockwell untuk mendapatkan nilai kekerasan yang optimal.

3. Spesimen uji diletakkan pada dudukan atau landasan yang sesuai yang terdapat pada alat uji kekerasan Rockwell.

4. Meletakkan penekan (Identor) diatas permukaan spesimen uji. 5. Memberikan pembebenan pada spesimen uji sebesar 60 kg.

6. Menunggu saat pembebanan selama ± 30 detik.

7. Mengangkat pembebanan identor dari permukaan spesimen uji. 8. Melihat uji kekerasan yang ditampilkan pada layar monitor.

9. Mengulangi pengujian seperti langkah- langkah diatas sebanyak 3 kali di tempat yang berbeda- beda pada permukaan spesimen dengan jarak titik pengujian dari sisi tepi permukaan, untuk titik uji C = 0,3 cm, titik uji B = 0,6 cm, dan titik uji A = 0,9 cm.

A B C

0,3

0,6

0,9

Gambar 3.11 Titik uji kekerasan

10.Mengkonversi hasil nilai kekerasan Rockwell HRA kedalam bentuk HVN untuk mengetahui angka kekerasan Rockwell jika dianalisa dengan menggunakan hardness Vickers.

3.4.2 Pengujian Mikrogafi

Pengujian struktur mikro dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Universitas Diponegoro, Semarang dan Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta dengan menggunakan alat Mikroskop OLYMPUS BX41M. Pengujian struktur mikro dilakukan setelah spesimen uji mengalami proses polishing dan etching, hingga spesimen uji tampak mengkilap serta tidak ada goresan pada permukaan spesimen uji.

(a) (b)

Gambar 3.6 (a) Alat uji kekerasan Rockwell, (b) Bentuk identor Rockwell

7. Mikroskop Optik

Microscop Optik digunakan untuk mengamati perubahan struktur mikro dari spesimen uji. Kemudian mengambil foto dari struktur mikro tersebut dengan menggunakan kamera digital dengan perbesaran yang ditentukan.

Gambar 3.7 Mikroskop optik 8. Alat Bantu Lainnya

a. Amplas ukuran grid 200, 400, 600, 800, 1200, dan 2000 b. Kain beludru

c. Vernier caliper d. Gergaji besi

3.2 Spesimen Uji dan Bahan Pereaksi

Pada penelitian ini spesimen uji dan bahan pereaksi yang digunakan adalah 1. Spesimen Uji : Baja ST 40

Baja ST 40 merupakan baja karbon rendah yang memiliki kandungan unsur karbon di dalam baja sebesar 0,16% C. Kata ST berasal dari bahasa Jerman “Sthal” yang artinya baja. Baja ST 40 terbentuk atas beberapa paduan unsur kimia seperti yang ditampilkan pada tabel 3.1 yakni sebagai berikut:

Tabel 3.1 Komposisi Kimia Baja ST 40 [18]

Unsur Simbol Komposisi Kimia (%)

Besi Fe 99,092

Karbon C 0,160

Mangan Mn 0,385

Silikon Si 0,221

Fosfor P 0,028

Kobal Co 0,077

Cuprum Cu 0,036

Wolfram W 0,001

Gambar 3.8 Baja karbon rendah ST 40

Bila dikonversikan kedalam standard ASTM baja ST 40 disebut dengan istilah AISI 420 hal ini dilihat berdasarkan jumlah persentase komposisi kimia yang terdapat dalam baja ST 40 dengan data fisik sebagai berikut:

Densitas : 7,7-8,1 kg/dm3 Titik lebur : 1370-1520 °C

Kekuatan tarik : 520 N/mm2 min Kekuatan luluh : 225 N/mm2 min Pemanjangan : 18 % min Nilai kekerasan HV : 234 max

2. Bahan Pereaksi : Kalium Nitrat

Kalium nitrat merupakan sumber alami penghasil mineral nitrogen dengan rumus kimia (KNO3). Kalium nitrat berbentuk butiran putih yang teroksidasi

dengan senyawa oksigen. Kalium nitrat ini memiliki data fisik sebagai berikut: Rumus molekul : KNO3

Massa molar : 101,103 g/mol Densitas : 2,109 g/ cm3 (16 °C)

Titik lebur : 334 °C

Dekomposisi temperatur : 400 °C

Kelarutan dalam air : 13,3 g/ 100 mL (0 °C) 36 g/ 100 mL (25 °C) 247 g/ 100 mL (100 °C)

Gambar 3.9 Kalium nitrat

3.3 Proses Nitridasi

Proses nitridasi dilakukan dengan cara memasukkan spesimen baja karbon rendah ST 40 kedalam senyawa kalium nitrat yang telah dipanaskan pada temperatur yang telah ditentukan (400°C, 450°C, 500°C) dengan waktu penahanan spesimen selama 8 jam.

Langkah-langkah proses nitridasi

1. Spesimen uji di preparasi terlebih dahulu

a. Pemotongan spesimen (sectioning) : pemotongan spesimen dilakukan untuk mendapatkan dimensi spesimen uji sesuai dengan ukuran yang diinginkan, dalam hal ini spesimen memiliki diameter 1,9 cm dengan tebal spesimen 1,0 cm, hal ini bertujuan untuk mempermudah proses pengujian.

1,9 cm 1,0 cm

Gambar 3.10 Spesimen benda uji

b. Pengamplasan spesimen (grinding) : pengamplasan dilakukan untuk mendapatkan permukaan spesimen yang halus dan rata hal ini bertujuan untuk mempermudah pada saat dilakukannya proses pengujian struktur mikro. Pengamplasan dilakukan dengan menggunakan kertas amplas ukuran grid 200, 400, 600, 800, 1200, dan 2000.

2. Senyawa kalium nitrat dimasukkan kedalam tabung nitridasi dan dipanaskan hingga mencapai temperatur yang telah ditentukan (400 °C, 450 °C, 500 °C) dengan menggunakan alat pemanas elektrik (heater).

3. Setelah pemanasan kalium nitrat mencapai temperatur yang diinginkan, spesimen uji dimasukkan kedalam larutan kalium nitrat dengan waktu penahanan spesimen selama 8 jam.

4. Setelah spesimen didiamkan selama waktu penahanan yang telah ditentukan, spesimen uji lalu diangkat dan didinginkan menggunakan media pendingin udara.

5. Pemolesan spesimen (polishing) : proses polishing bertujuan untuk menghasilkan permukaan spesimen yang rata dan mengkilap. Pemolesan

dilakukan dengan menggunakan kain beludru halus yang diolesi polisher autosol untuk mengkilapkan permukaan spesimen uji.

6. Kemudian proses selanjutnya, spesimen uji di etsa menggunakan larutan asam klorida (HCL) pada temperatur ruang 27 °C dengan waktu penahanan dalam larutan HCL selama 1 jam , hal ini bertujuan untuk mengkorosikan permukaan spesimen dan memberikan efek warna agar struktur mikro dapat terlihat jelas dengan menggunakan alat microscop optik.

3.4 Pengujian Spesimen

3.4.1 Pengujian Kekerasan Metode Rockwell

Pengujian kekerasan Rockwell dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Jurusan Teknik Mesin, Universitas Diponegoro Semarang. Dalam penelitian ini, pengujian kekerasan dilakukan di tiga titik pengujian yang dipilih secara vertikal dari sisi tepi permukaan spesimen. Alat uji kekerasan Rockwell ini menggunakan penekan/identor berbentuk intan kerucut dengan sudut 120°C, dengan pembebanan yang digunakan dalam pengujian sebesar 60 kg. Dari hasil pengujian data kekerasan Rockwell, diperoleh hasil pengujian kedalam bentuk bentuk HRA.

Langakah- langkah pengujian kekerasan Rockwell

1. Spesimen uji yang telah dinitridasi dibersihkan dengan menggunakan kain beludru dan dietsa dengan HCL untuk menghilangkan kerak yang terbentuk akibat pendekomposisian unsur oksigen pada permukaan spesimen, hal ini dilakukan untuk menghindari reaksi kerak yang bersifat rapuh pada permukaan spesimen dengan identor alat uji kekerasan untuk memperoleh hasil yang terbaik selama proses pengujian kekerasan.

2. Mengkalibrasi alat uji kekerasan Rockwell untuk mendapatkan nilai kekerasan yang optimal.

3. Spesimen uji diletakkan pada dudukan atau landasan yang sesuai yang terdapat pada alat uji kekerasan Rockwell.

4. Meletakkan penekan (Identor) diatas permukaan spesimen uji. 5. Memberikan pembebenan pada spesimen uji sebesar 60 kg.

6. Menunggu saat pembebanan selama ± 30 detik.

7. Mengangkat pembebanan identor dari permukaan spesimen uji. 8. Melihat uji kekerasan yang ditampilkan pada layar monitor.

9. Mengulangi pengujian seperti langkah- langkah diatas sebanyak 3 kali di tempat yang berbeda- beda pada permukaan spesimen dengan jarak titik pengujian dari sisi tepi permukaan, untuk titik uji C = 0,3 cm, titik uji B = 0,6 cm, dan titik uji A = 0,9 cm.

A B C

0,3

0,6

0,9

Gambar 3.11 Titik uji kekerasan

10.Mengkonversi hasil nilai kekerasan Rockwell HRA kedalam bentuk HVN untuk mengetahui angka kekerasan Rockwell jika dianalisa dengan menggunakan hardness Vickers.

3.4.2 Pengujian Mikrogafi

Pengujian struktur mikro dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Universitas Diponegoro, Semarang dan Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta dengan menggunakan alat Mikroskop OLYMPUS BX41M. Pengujian struktur mikro dilakukan setelah spesimen uji mengalami proses polishing dan etching, hingga spesimen uji tampak mengkilap serta tidak ada goresan pada permukaan spesimen uji.