KETAHANAN AUS BAJA CARBON AISI 1065 DENGAN PENGERASAN PERMUKAAN KONTAK ( QUENCH-HARDENING ) TERHADAP BEBAN GELINDING-LUNCUR.
PROSIDING
SEMINAR NASIONAL MESIN DAN INDUSTRI
(SNMI8) 2013
ISBN: 978-602-98109-2-9
RISET MULTIDISIPLIN UNTUK MENUNJANG
PENGEMBANGAN INDUSTRI NASIONAL
Auditorium Gedung M Lantai 8
Universitas Tarumanagara
Jakarta, 14 November 2013
Diterbitkan oleh:
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Tarumanagara
Jl. Let. Jend. S. Parman No. 1 Jakarta 11440
Telp. (021) 567 2548, 563 8358 Fax. (021) 566 3277, (021) 563 8358
e-mail: mesin@tarumanagara.ac.id, snmi_mesin@yahoo.co.id
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
DAFTAR ISI
Kata Pengantar
Sambutan Dekan Fakultas Teknik
Ucapan Terima Kasih
Daftar Isi
Susunan Panitia
Susunan Acara
1.
2.
Technopreneur and Social-Entrepreneurship: “…based on product…”, Raldi
Artono Koestoer
Supply Chain Management: Tantangan dan Strategi, Nyoman Pujawan
ii
iii
iv
v
x
xi
1
7
Bidang Teknik Mesin
1. Metode Pemilihan Pompa Sebagai Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro, Anak Agung Adhi Suryawan, Made Suarda, I Nengah Suweden
1
2. Pengaruh Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass,
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
7
3. Pengaruh Variasi Diameter dan Sudut Kemiringan Pipa Inlet Terhadap Unjuk
Kerja Pompa Hidram, Sehat Abdi Saragih
14
4. Analisa Kerusakan pada Rotating Element Pompa Injeksi Air David Brown
DB34-D DI PT CPI Minas, Abrar Ridwan, Ridwan Chandra
21
5. Pengaruh Temperatur Pembakaran pada Komposit Lempung/Silika RHA terhadap
Sifat Mekanik (Aplikasi pada Bata Merah), Ade Indra, Nurzal, Hendri Nofrianto 34
6. Rancang Bangun Mesin Pemisah Dan Pencacah Sampah Organik (Daun-daunan)
dan Anorganik (Plastik, Kresek) untuk Menghasilkan Serpihan Sampah Organik
Lebih Kecil sebagai Bahan Kompos, I Gede Putu Agus Suryawan, Cok. Istri P.
Kusuma Kencanawati, I Gst. A. K. Diafari D. Hartawan
42
7. Peningkatan Nilai Kalor Biobriket Campuran Sekam Padi dan Dominansi Kulit
Kacang Mete dengan Metode Pirolisa, Arijanto
49
8. Perilaku Stress Tanki Toroidal Penampang Oval dengan Beban Internal Pressure,
Asnawi Lubis, Shirley Savetlana, and Ahmad Su’udi
60
9. Kekerasan Baja AISI 4118 setelah Proses Pack Karburising dengan Media
Karburasi Arang Tulang Bebek dan Arang Pelepah Kelapa, Dewa Ngakan Ketut
Putra Negara, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
67
10. Quantum States At Juergen Model for Nuclear Reactor Control Rod Blade Based
On Thx Duo2 Nano-Material, Moh. Hardiyanto
73
11. Pengerasan Induksi pada Material AISI 4340 sebagai Material Bahan Baku
Industri HANKAM Nasional, Muhammad Dzulfikar, Rifky Ismail, Dian Indra
Prasetyo, dan Jamari
83
12. Studi Pengaruh Kemiringan Kolektor Surya Tipe Satu Laluan Udara Panas
Terhadap Proses Pengeringan Kerupuk Ubi, Eddy Elfiano, Muhd. Noor Izani
90
13. Pemanfaatan Limbah Tempurung Kelapa Sawit (Elacis Guinesis) sebagai Energi
Biomassa yang Terbarukan, Eko Yohanes, Sibut
96
14. Pengaruh Variasi Volume Serat Resam terhadap Kekuatan Tarik dan Impact
Komposit pada Matriks Polyester sebagai Bahan Pembuatan Dashboard Mobil,
Herwandi, Sugianto, Somawardi, Muhammad Subhan
102
15. Pemanfaatan Arang Kayu Bakar sebagai Media Karburasi pada Proses Pack
Karburising, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
109
|v
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
16. Pengaruh Pemanasan Bahan Bakar dengan Media Radiator pada Mesin Bensin
Bertipe Injeksi Terhadap Unjuk Kerja Mesin, I Gusti Ngurah Putu Tenaya, I
Gusti Ketut Sukadana, dan I Gusti Ngurah Bagus Surya Pratama
17. Strain-Hardening Baja Karbon AISI 1065 Akibat Beban Gelinding-Gesek, I Made
Astika, Tjokorda Gde Tirta Nindhia, I Made Widiyarta, I Gusti Komang
Dwijana dan I Ketut Adhi Sukma Gusmana
18. Pengaruh Temperatur Tuang Paduan Perunggu Terhadap Sifat Kekerasannya Pada
Proses Pembuatan Genta Dengan Metoda Pasir Cetak (Sand Casting), I Made
Gatot Karohika, I Nym Gde Antara
19. Ketahanan Aus Baja Carbon AISI 1065 dengan Pengerasan Permukaan Kontak
(Quench-Hardening) terhadap Beban Gelinding-Luncur, I Made Widiyarta, Tjok
Gde Tirta Nindia, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika dan I Ketut Windu
Segara
20. Pengembangan Kurva P-h dalam Pemodelan Elemen Hingga Vickers Indentasi
untuk Memprediksi Kekerasan Vickers (HV), I Nyoman Budiarsa
21. Studi Profil Temperatur Reaktor Fluidized Bed Pada Gasifikasi Sewage Sludge,
I Nyoman Suprapta Winaya, I Nyoman Adi Subagia, Rukmi Sari Hartati
22. Pengaruh Pemasangan Ring Berpenampang Segiempat dengan Posisi Miring
pada Permukaan Silinder terhadap Koefisien Drag, Si Putu Gede Gunawan Tista,
Ketut Astawa, Ainul Ghurri
23. Pengaruh Perlakuan Diammonium Phosphate (DAP) Terhadap Ketahanan Api
Komposit Plastik Daur Ulang-Serat Alam, I Putu Lokantara, NPG Suardana
24. Analisa Pengaruh Viskositas Pelumas terhadap Permukaan Penampang Material
pada Proses Ekstrusi Pengerjaan Dingin, Jhonni Rahman
25. Simulasi Numerik Aero-Akustik Aliran Udara Yang Melalui Silinder Pada
Bilangan Reynolds 90000 Menggunakan Model Turbulensi Les Dan Model
Akustik FWH, M. Luthfi, Sugianto
26. Pengaruh Konsentrasi Kalium Hidroksida (KOH) pada Elektrolit terhadap
Performa Alkaline Fuel Cell, Made Sucipta, I Made Suardamana, I Ketut Gede
Sugita, Made Suarda
27. Makrostruktur dan Permukaan Patah dalam Uji Tarik terhadap Perlakuan Panas
pada Baja Karbon Rendah, Nofriady H. dan Ismet Eka P.
28. Model Penentuan Koefisien Serap (Absorbsi) dan Kekuatan Tarik Material
Komposit Epoxy dengan Pengisi Serat Rockwool sebagai Knalpot Rendah Bising
Secara Eksperimen, Nurdiana, Zulkifli , Mutya Vonnisa
29. Pengaruh Waktu Tahan dan Laju Pemanasan terhadap Besar Butir Austenit dan
Kekerasan pada Proses Heat Treatment Baja HSLA, Richard A.M. Napitupulu,
Otto H. S, Charles Manurung, Humisar Sibarani
30. Analisa Kualitas Permukaan Baja AISI 4340 terhadap Variasi Arus pada Electrical
Discharge Machining (EDM), Sobron Lubis, Sofyan Djamil, Ivan Dion
31. Rancangan Launcher Roket Air, Suherlan, Dzulfi S Prihartanto, Gede Eka
Lesmana, Yohannes Dewanto
32. Analisa Kerja Roket Air Satu Tingkat, Ahmad Hidayat Furqon, Mochammad
Ilham Attharik, Pirnardi, dan I Gede Eka Lesmana
33. Analisis Penggunaan Differensial Proteksi pada Motor-Motor Listrik, PLTU
Buatan China, Suryo Busono
34. Efektivitas Alat Penukar Kalor Double Pipe Bersirip Helical sebagai Pemanas Air
dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel, Zainuddin, Jufrizal, Eswanto
115
124
133
141
149
158
166
173
180
186
195
203
208
218
224
234
240
247
255
| vi
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
KETAHANAN AUS BAJA CARBON AISI 1065 DENGAN
PENGERASAN PERMUKAAN KONTAK (QUENCH-HARDENING)
TERHADAP BEBAN GELINDING-LUNCUR
I Made Widiyarta, Tjok Gde Tirta Nindia, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika
dan I Ketut Windu Segara
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
e-mail: m_widiyarta@yahoo.com
Abstrak
Sebuah komponen yang menerima beban oleh komponen yang menggelinding-meluncur
diatasnya dapat menimbulkan kegagalan aus pada komponen tersebut. Dalam proses kontak
gelinding-luncur, terjadinya keausan pada material yang ulet umumnya diawali dengan
terjadinya regangan geser plastis di permukaan dan sedikit dibawah permukaan kontak. Bila
beban gelinding-luncur dikenakan berulang-ulang pada komponen tersebut, maka regangan
geser dapat terakumulasi mencapai nilai regangan geser kritis material dan keausan terjadi.
Tingkat keausan material dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah
kekerasan material. Dengan meningkatnya kekerasan material mungkin akan dapat
meningkatkan ketahanan aus material. Pada penelitian ini, permukaan kontak dan dibawah
permukaan kontak material baja karbon AISI 1065 ditingkatkan kekerasannya melalui proses
quench-hardening dengan media air. Dengan perlakuan quench-hardening (pemanasan
sampai sekitar 900°C dan pendinginan cepat di air selama 5 detik) , diporeleh peningkatan
kekerasan material di permukaan dan dibawah permukaan sampai kedalaman sekitar 200 μm
sebesar 160% yaitu dari sekitar 170 menjadi 420 HVn. Melalui uji kontak gelinding – luncur
dengan beban konstan 3.2kN selama 40000 putaran, rata-rata tingkat keausan material
dengan perlakuan quench-hardening mengalami penurunan dari sekitar 0.00 25 μm/cycle
(tanpa perlakuan) menjadi 0.0008 μm/cycle. Rata-rata tingkat keausan material yang di
quench-hardening mendekati sama dengan yang tanpa perlakuan setelah material mengalami
pembebanan lebih dari 30000 putaran.
Kata kunci: baja karbon, quench-hardening, beban gelinding-luncur, aus
1. Pendahuluan
Sebuah komponen yang melintas diatas komponen lain, seperti roda kereta melintas
diatas rel, dapat mengakibatkan kedua komponen tersebut mengalami kegagalan berupa
aus maupun kegagalan patah lelah. Kegagalan aus pada komponen (dari material ulet)
yang menerima beban kontak gelinding-luncur umumnya diawali oleh terjadinya
akumulasi regangan geser plastis dimana regangan geser plastis terjadi bila tegangan geser
oleh beban kontak melebihi ketahanan geser luluh material. Berulang-ulangnya beban
gelinding-luncur selanjutnya dapat mengakibatkan akumulasi regangan geser plastis
semakin besar dan bila akumulasi regangan geser tersebut melampaui regangan geser kritis
material maka kegagalan dapat terjadi berupa aus [1]. Selain aus, akumulasi regangan
geser plastis tersebut juga dapat mengakibatkan terjadinya retakan di permukaan maupun
dibawah permukaan kontak material yang dapat mengakibatkan patah pada komponen.
Besar kecilnya tingkat keausan yang terjadi pada komponen yang menerima beban
kontak gelinding-luncur dapat dipengaruhi oleh beberapa hal, seperti sifat mekanis
material, beban, kekasaran permukaan, pelumasan pada bidang kontak dll. Salah satu sifat
mekanis material yang erat kaitannya dengan keausan material yaitu kekerassan material.
Secara umum dapat dikatakan bahwa semakin besar kekerasan material semakin besar
ketahanan material terhadap aus.
Meningkatkan kekerasan material dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah
satunya yaitu dengan quench-hardening. Quench-hardening adalah metode meningkatkan
kekerasan permukaan logam melalui proses perlakuan panas diikuti dengan laju
TM-20 | 141
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
pendinginan cepat [2]. Logam (baja karbon) dipanaskan pada suhu diatas suhu kritisnya
atau sama dengan suhu austenitisasinya kemudian didinginkan dengan cepat didalam
media pendingin. Ada tiga media pendingin yang umum digunakan dalam proses quenchhardening yaitu air, minyak dan udara. Pemilihan media pendingin tersebut umumnya
sangat tergantung pada jenis material. Kekerasan dan ketebalan dari permukaan material
yang mengalami perubahan kekerasan pada material yang di-quench-hardening tergantung
dari tinggi suhu dan penahanan pemanasan serta lama pendinginan pada media
pendinginnya.
Pada penelitian ini, baja karbon (AISI 1065) dipilih sebagai material uji.
Peningkatan kekerasan material dilakukan dengan proses quench-hardening dengan media
pendingin air. Uji keausan material akibat beban kontak gelinding-luncur dilakukan
dengan metode kontak antara dua disk. Pengamatan dan investigasi dilakukan terhadap
perubahan kekerasan pada material uji dan bagaimana prilaku material serta seberapa besar
perubahan ketahanan aus material yang telah melalui proses quench-hardening akibat
beban gelinding-luncur.
2. Keausan material akibat beban gelinding-luncur
Baban kontak gelinding-luncur yang berulang-ulang antara dua buah komponen
dapat meningkatkan kegagalan material akibat keausan dan patah lelah. Keausan adalah
kegagalan material yang cukup progresif yaitu hilangnya material di permukaan komponen
sebagai akibat gerakan relatif dari satu komponen terhadap komponen lain yang
mengalami kontak [3]. Kegagalan aus yang terjadi pada komponen dari material ulet yang
menerima beban kontak gelinding-luncur umumnya melalui mekanisme akumulasi
regangan geser plastis material di bawah permukaan kontak, regangan geser plastis terjadi
bila tegangan geser yang terjadi oleh beban kontak melebihi ketahanan geser luluh
material. Berulang-ulangnya beban gelinding-luncur selanjutnya dapat mengakibatkan
akumulasi regangan geser plastis semakin besar dan bila akumulasi regangan gesr tersebut
melampaui regangan geser kritis material maka kegagalan dapat terjadi berupa aus [1].
Kategori keausan diklasifikasikan berdasarkan tingkat keausan dan partikel keausan [4].
Secara umum kategori keausan dibedakan kedalam dua kategori yaitu mild dan severe [3].
Transisi dari satu mekanisme keausan ke mekanime keausan yang lain mengacu pada
perubahan struktur dan sifat mekanis pada material karena prilaku yang diterimanya,
seperti jenis dan besar beban, kecepatan, suhu dan beberapa kodisi kerja lainnya. Wang
dan rekan-rekannya [5] telah melakukan investigasi mekanisme dan transisi keausan pada
baja karbon tinggi akibat gesekan permukaan kontak yang kering (tanpa pelumas) dan
mengklasifikasikan mekanisme keausan dalam tiga bagian, yaitu keausan mild, severe dan
melting. Lewis dan rekan-rekannya [4] mengklasifikasikan tingkat keausan menjadi tiga
yaitu keausan mild, severe dan catastrophic. Keausan mild ditunjukkan dengan tingkat
keausan yang rendah dan jenis keausan oksidasi. Transisi keausan dari mild ke severe
disebabkan karena perubahan kondisi kontak dari sebagian slip (partial slip) ke seluruh
kontak slip (full slip). Transisi dari keausan severe ke catastrphic terjadi akibat penurunan
kekuatan material dan perubahan sifat mekanis yang lain karena pengaruh suhu permukaan
kontak yang tinggi.
Selain aus, akumulasi regangan geser plastis tersebut juga dapat mengakibatkan
terjadinya retakan di permukaan maupun dibawah permukaan kontak material yang dapat
mengakibatkan patah pada komponen. Kemunculan awal retak dan perambatan retak pada
material sangat tergantung pada beban yang terjadi di daerah bidang kontak. Bila
perambatan retak mencapai panjang kritisnya, maka retak akan mengalami perambatan
sangat cepat dan tidak terkontrol sehingga kegagalan patah dapat terjadi.
TM-20 | 142
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
3. Quench-hardening
Quench-hardening adalah metode yang digunakan untuk meningkatkan kekerasan
permukaan logam melalui proses pemanasan diikuti dengan laju pendinginan yang cepat
melalui media pendingin [2]. Baja dipanaskan sampai suhu austenitisasi kemudian
didinginkan dengan laju pendinginan yang cepat didalam media pendingin sampai suhu
kamar untuk dapat menghasilkan struktur martensit. Dalam proses pemanasan, penahanan
waktu pemanasan pada suhu austenitisasi dapat dilakukan untuk memperoleh austenit yang
homogin hingga kedalaman tertentu. Pada proses pendinginan, pemilihan media pendingin
tersebut umumnya sangat tergantung pada jenis material. Ada tiga media pendingin yang
umum digunakan dalam proses quencing yaitu air, minyak dan udara. Air adalah media
pendingin yang memiliki laju pendinginan paling cepat dibandingkan dengan minyak dan
udara. Media pendingin air umumnya digunakan untuk baja karbon rendah dan sedang.
Untuk baja karbon tinggi dan baja paduan umumnya digunakan media pendingin minyak
yang memiliki kecepatan pendinginan yang lebih rendah daripada media pendingin air.
Sedangkan untuk media pendingin udara pada proses quenching baja karbon sedang
umumnya digunakan untuk menghasilkan komposisi pearlite pada baja.
4. Metode Penelitian
Material uji
Pada penelitian ini, baja karbon AISI 1065 dipilih sebagai material uji. Gambar 1
menunjukkan struktur mikro baja karbon AISI 1065, terlihat struktur mikro baja karbon
AISI 1065 terbentuk dari struktur ferite (warna terang) yang memiliki sifat mekanis yang
lunak dan struktur cementite (warna gelap) yang memiliki sifat mekanis relatif keras
(britle) [3].
Gambar 1. Struktur mikro baja AISI 1065 dengan pembesaran 400x
Alat Uji Aus dan Prosedur Pengujian
Alat uji keausan yang digunakan adalah alat uji dengan mekanisme kontak antara
dua disk (seperti Gambar 2) yang menagacu pada mekanisme twin-disc mechine SUROS
[1]. Mekanisme kontak mengambil model pada mekanisme kontak yang terjadi antara roda
dan rel kereta api. Disk 1 (posisi atas) dapat direpresentasikan sebagai rel kereta api dan
disk 2 (posisi bawah) dapat direpresentasikan sebagai roda kereta api. Besar beban dapat
diatur sesuai beban uji yang diberikan melalui disk 2 dan bersifat konstan. Besar rasio sliproll dapat diatur dengan mengatur perbedaan kecepatan antara disk 1 dan disk 2.
TM-20 | 143
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Disk 1
ω1
ω2
Disk 2
P
Gambar 2. Kontak dua disk
A
47mm
20mm
41mm
A
10mm
L
Pot. AA
Gambar 3. Dimensi spesimen uji
Meningkatkan kekerasan material di permukaan kontak hingga kedalaman tertentu
dilakukan dengan proses quench-hardening. Material uji dibentuk seperti ditunjukkan
pada Gambar 3. Benda uji dipanaskan hingga mencapai suhu austenitasi sekitar 900°C dan
ditahan sekitar 10 menit untuk memperoleh keseragaman sampai kedalaman tertentu,
selanjutnya dicelupkan kedalam media pendingin air selama 5 detik dan kemudian
didinginkan dalam udara bebas.
Sebelum spesimen uji ditempatkan pada alat uji aus, spesimen uji dibersihkan
dalam bak ultrasonic dan kemudian diukur massa dan diameter dari kedua spesimen
tersebut. Spesimen uji diletakkan pada alat uji sesuai dengan posisinya yaitu spesimen uji
dengan perlakuan quench-hardening (spesimen yang akan kita amati tingkat keausannya)
diletakkan pada posisi atas sebagai disk 1 yang memiliki kecepatan tetap 386 r.p.m., dan
pasangan kontaknya (baja karbon AISI 1040) tanpa perlakuan quench-hardening diletakan
pada posisi bawah sebagai disk 2 yang kecepatannya diatur sebesar 386 r.p.m. untuk
memperoleh rasio slip-roll sekitar 1%. Beban konstan diberikan melalui disk 2 sebesar 3.2
kN, beban ini menghasilkan tekanan kontak maksimum pada disk sebesar P0 = 1000 MPa.
Setiap 2000 putaran, kedua spesimen (disk) dilepaskan dari alat uji dan kemudian
dibersihkan dalam bak ultrasonik dan selanjutnya diukur massa/dimensinya. Pengulangan
uji dilakukan selanjutnya beberapa kali dengan durasi 2000 putaran sampai total jumlah
putaran mencapai 40000 putaran.
5. Hasil dan Pembahasan
Proses quench-hardening dengan penahanan suhu sekitar 900°C pada benda uji
selama 10 menit dan pendinginan dalam media air selama 5 detik menghasilkan perubahan
struktur mikro pada material uji (lihat Gambar 4). Terlihat terjadi perubahan struktur mikro
pada permukaan sampai kedalaman sekitar 200 μm. Terlihat tidak nampak lagi bentuk
butiran pearlite yang tersusun oleh ferite dan cementite, namun struktur mikro telah
berubah menjadi struktur martensite dimana nampak goresan-goresan warna gelap seperti
jarum dengan arah tidak beraturan. Struktur ini memiliki kekerasan yang sangat tinggi,
dimana dari hasil uji vickers-hardness diperoleh kekerasannya mencapai sekitar 400 – 440
TM-20 | 144
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
HVn (Gambar 5b). Kekerasan ini jauh lebih besar dari kekerasan baja karbon AISI 1065
sebelum dikenakan perlakuan quench-hardening yang berkisar 160 – 180 HVn (Gambar
5a).
(a)
(b)
Gambar 4. Struktur mikro baja AISI 1065 setelah proses quench-hardening media air,
(a) dengan pembesaran 100x dan (b) pembesaran 400x
(b)
(a)
Gambar 5. Hasil uji Vickers-Hardness baja AISI 1065, (a) tanpa perlakuan dan (b) dengan
perlakuan quench-hardening media air dengan pembesaran 400x
Hasil uji keausan nampak perbedaan yang sangat besar baik pada tingkat keausan
maupun mekanisme terjadinya keausan akibat beban gelinding-luncur. Pada spesimen
tanpa perlakuan quench-hardening terlihat keausan akibat beban gelinding-luncur terjadi
diawali dengan proses akumulasi regangan geser plastis, lihat gambar 6a [6]. Hal ini
terlihat amat jelas pada prilaku material dibawah permukaan kontak akibat beban
gelinding-luncur, dimana material mengalami deformasi plastis kearah traksi. Material
terlepas dari permukaan (aus) terjadi setelah besar akumulasi regangan geser material
melampaui regangan geser kritis material. Terlihat juga regangan geser plastis terjadi
sampai kedalaman sekitar 400 μm, ini menunjukkan tegangan geser yang terjadi oleh
beban gelinding-luncur pada kedalaman tersebut melebihi ketahanan geser material. Pada
material yang telah mengalami perlakuan quench-hardening, beban gelinding-luncur
sampai putaran 40000 putaran, tidak memperlihatkan adanya regangan geser plastis pada
material dibawah permukaan kontak (ambar 6b). Mekanisme terjadinya keausan tidak lagi
diawali oleh proses akumulasi regangan geser plastis, hal ini akibat sifat mekanis material
(kekerasan) yang sangat besar yang menjadikan material menjadi sangat getas. Namun
demikian, keausan tetap terjadi walaupun material memiliki kekerasan sangat besar. Hal
TM-20 | 145
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
ini mungkin dikarenakan kekasaran permukaan kontak dimana permukaan tersusun oleh
asperity (gerigi) yang memiliki puncak dan besar yang beragam. Pada kontak permukaan
yang kasar, sebenarnya tegangan yang terjadi pada kontak antar asperity jauh lebih besar
dari tegangan yang timbul terhadap luas bidang kontak nominal [7]. Deangan tegangan
yang sangat besar terjadi pada kontak asperity, mengakibatkan tegangan yang timbul
mampu mendeformasi dan bahkan mematahkan asperity pada permukaan kontak dan
terlepas dari permukaan sebagai partikel aus.
(a)
(b)
Gambar 6. Prilaku material dibawah permukaan kontak baja AISI 1065 oleh beban
gelinding- luncur, (a) tanpa perlakuan [6] dan (b) dengan perlakuan quench-hardening
media air dengan pembesaran 100x
Tingkat Keausan (μm/putaran)
0,008
0,007
0,006
Tanpa Q-H
0,005
Dengan Q-H
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000
0
10000
20000
30000
40000
Jumlah Putaran
Gambar 7. Tingkat keausan baja carbon AISI 1065, tanpa quench-hardening (Q-H) [6] dan
dengan perlakuan quench-hardening (Q-H), akibat beban gelinding-luncur (um/putaran),
dengan tekanan maksimum 1000MPa dan rasio slip-roll 1%
Gambar 7 menunjukkan tingkat keausan baja karbon AISI 1065 tanpa dan dengan
perlakuan quench-hardening dengan beban kontak 3,2kN dengan pengamatan uji
dilakukan setiap 2000 putaran dan berakhir sampai pada putaran 40000 putaran. Garis
solid mununjukkan tingkat keausan akibat beban gelinding-luncur pada material tanpa
perlakuan quench-hardening, diambil dari pustaka [6]. Garis putus-putus menunjukkan
tingkat keausan pada material uji dengan perlakuan quench-hardening. Dari grafik terlihat
keausan pada material tanpa perlakuan quench-hardening, keausan sudah mulai terjadi
TM-20 | 146
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
sejak awal dan tingkat keausan mengalami kenaikan cukup drastis hingga mencapai
puncaknya (0.0072 μm/putaran) saat pembebanan mencapai 4000 putaran. Selanjutnya
tingkat keausan mengalami penurunan hingga mencapa kondisi mendekati konstan atau
berfluktuasi disekitar 0.003 μm/putaran dan 0,0015 μm/putaran. Sedangkan material
dengan perlakuan quench-hardening, tidak terdeksi terjadinya keausan pada awal putaran
hingga mencapai 6000 putaran. Selanjutnya, keausan terjadi secara bertahap dan
mengalami peningkatan hingga mencapai tingkat keausan 0.0013 μm/putaran setelah
mencapai 18000 putaran dan selanjutnya keausan berada diantara 0.0009 dan 0.0017
μm/putaran. Setelah putaran mencapai 30000, dengan bertambahnya putaran pembebanan,
keausan yang terjadi pada material dengan perlakuan quench-hardening cenderung
mendekati sama dengan tingkat keausan material tanpa perlakuan quench-hardening. Hal
ini mungkin terjadi karena setelah sekitar 30000 putaran, material dipermukaan dan
dibawah permukaan kontak pada material tanpa perlakuan quench-hardening memiliki
sifat mekanis (kekerasan) yang mendekati sama dengan material dengan perlakuan quenchhardening sebagai akibat proses strain-hardening, sehingga material dengan sifat mekanis
yang mendekati sama dan dengan dikenakan beban yang sama tentunya akan
mengakibatkan keausan yang mendekati sama. Bila kedalaman material yang aus pada
material dengan quench-hardening melampaui kedalaman sekitar 200 μm (peningkatan
kekerasan yang dapat dicapai oleh proses quench-hardening), maka kemungkinan keausan
yang terjadi pada kedua material (tanpa dan dengan perlakuan quench-hardening) akan
sama. Hal ini dapat dikatakan bahwa peningkatan ketahanan aus material dengan perlakuan
quench-hardening memiliki sifat sementara dan dengan perlakuan quench-hardening
keausan yang cukup besar (puncak tingkat keausan) diawal pembebanan dapat dihindari.
Secara umum dengan pembebanan hingga 40000 putaran, material dengan perlakuan
quench-hardening media air selama 5 detik memiliki rata-rata tingkat keausan sekitar
0.0008 μm/putaran. Nilai tingkat keausan ini lebih kecil daripada tingkat keausan material
tanpa perlakuan quench-hardening yaitu sekitar 0.0025 μm/putaran. Dari kondisi diatas,
peningkatan kekerasan permukaan dan hingga kedalaman tertentu dengan proses quenchhardening hanya dapat memberikan peningkatan sifat ketahan terhadap aus hingga jumlah
siklus pembebanan tertentu atau sementara, untuk selanjutnya akan memiliki ketahan aus
yang sama dengan material tanpa perlakuan quench-hardening.
6. Simpulan
Proses quench-hardening dengan pendinginan cepat dalam media air selama 5 detik
pada baja karbon AISI 1065 mampu meningkatkan kekerasan permukaan material hingga
kedalaman sekitar 200 μm dengan nilai kekerasan sekitar 420 HVn atau meningkat 160%
dari nilai kekerasan mula. Meningkatnya kekerasan material dapat meningkatkan ketahanan
aus material, rata-rata tingkat keausan baja karbon 1065 dengan perlakuan quench-hardening
turun dari sekitar 0.0025 μm/putaran menjadi sekitar 0.0008 μm/putaran. Penurunan tingkat
keausan ini bersifat sementara dan akan memiliki tingkat keausan sama dengan baja karbon
tanpa perlakuan quench-hardening setelah kedalaman material aus melampaui batas
kekerasan yang mampu dibentuk melalui perlakuan quench-hardening.
7. Ucapan Terima Kasih
Terima kasih penulis ucapkan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (Dikjen Dikti)
yang telah mendanai penelitian ini melalui Hibah Penelitian Desantralisasi Tahun 2013.
Daftar Pustaka
1. W.R. Tyfour, J.H. Beynon, and A. Kapoor, "Deterioration of rolling contact fatigue life
of pearlitic rail steel due to dry-wet rolling-sliding line contact", Wear, 1996. 197: p.
255 – 265.
TM-20 | 147
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
2. William D. Callister, Jr. “Materials Science and Engineering an Introduction”, 1997,
4th Add., Wiley
3. J. A. Williams, "Engineering tribology", 1994, New York: Oxford University Press
Inc.
4. R. Lewis and R.S. Dwyer-Joyce, "Wear mechanisms and transitions in railway wheel
steels", Proc. Inst Mech. Engrs, 2004. 218(J): p. 467 – 478.
5. Y. Wang, T. Lie, and J. Liu, "Tribo-metallograhic behaviour of high carbon steels in
dry sliding I. Wear mechanism and their transition", Wear, 1999. 231: p. 1 – 11.
6. I Made Widiyarta, Tjok Gde Tirta Nindia dan Herry Mudiastrawan, “Keausan pada
baja karbon AISI 1065 akibat beban kontak gelinding-gesek”, Proceeding SNTTM XI
(& Thermofluid IV, Universitas Gadjah Mada (UGM) Yogyakarta, 16-17 Oktober
2012.
7. A. Kapoor, F.J. Franklin, S.K. Wong, M. Ishida, “Surface roughness and plastic flow in
rail wheel contact”, Wear 253 (2002) 257–264
TM-20 | 148
SEMINAR NASIONAL MESIN DAN INDUSTRI
(SNMI8) 2013
ISBN: 978-602-98109-2-9
RISET MULTIDISIPLIN UNTUK MENUNJANG
PENGEMBANGAN INDUSTRI NASIONAL
Auditorium Gedung M Lantai 8
Universitas Tarumanagara
Jakarta, 14 November 2013
Diterbitkan oleh:
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Tarumanagara
Jl. Let. Jend. S. Parman No. 1 Jakarta 11440
Telp. (021) 567 2548, 563 8358 Fax. (021) 566 3277, (021) 563 8358
e-mail: mesin@tarumanagara.ac.id, snmi_mesin@yahoo.co.id
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
DAFTAR ISI
Kata Pengantar
Sambutan Dekan Fakultas Teknik
Ucapan Terima Kasih
Daftar Isi
Susunan Panitia
Susunan Acara
1.
2.
Technopreneur and Social-Entrepreneurship: “…based on product…”, Raldi
Artono Koestoer
Supply Chain Management: Tantangan dan Strategi, Nyoman Pujawan
ii
iii
iv
v
x
xi
1
7
Bidang Teknik Mesin
1. Metode Pemilihan Pompa Sebagai Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro, Anak Agung Adhi Suryawan, Made Suarda, I Nengah Suweden
1
2. Pengaruh Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass,
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
7
3. Pengaruh Variasi Diameter dan Sudut Kemiringan Pipa Inlet Terhadap Unjuk
Kerja Pompa Hidram, Sehat Abdi Saragih
14
4. Analisa Kerusakan pada Rotating Element Pompa Injeksi Air David Brown
DB34-D DI PT CPI Minas, Abrar Ridwan, Ridwan Chandra
21
5. Pengaruh Temperatur Pembakaran pada Komposit Lempung/Silika RHA terhadap
Sifat Mekanik (Aplikasi pada Bata Merah), Ade Indra, Nurzal, Hendri Nofrianto 34
6. Rancang Bangun Mesin Pemisah Dan Pencacah Sampah Organik (Daun-daunan)
dan Anorganik (Plastik, Kresek) untuk Menghasilkan Serpihan Sampah Organik
Lebih Kecil sebagai Bahan Kompos, I Gede Putu Agus Suryawan, Cok. Istri P.
Kusuma Kencanawati, I Gst. A. K. Diafari D. Hartawan
42
7. Peningkatan Nilai Kalor Biobriket Campuran Sekam Padi dan Dominansi Kulit
Kacang Mete dengan Metode Pirolisa, Arijanto
49
8. Perilaku Stress Tanki Toroidal Penampang Oval dengan Beban Internal Pressure,
Asnawi Lubis, Shirley Savetlana, and Ahmad Su’udi
60
9. Kekerasan Baja AISI 4118 setelah Proses Pack Karburising dengan Media
Karburasi Arang Tulang Bebek dan Arang Pelepah Kelapa, Dewa Ngakan Ketut
Putra Negara, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
67
10. Quantum States At Juergen Model for Nuclear Reactor Control Rod Blade Based
On Thx Duo2 Nano-Material, Moh. Hardiyanto
73
11. Pengerasan Induksi pada Material AISI 4340 sebagai Material Bahan Baku
Industri HANKAM Nasional, Muhammad Dzulfikar, Rifky Ismail, Dian Indra
Prasetyo, dan Jamari
83
12. Studi Pengaruh Kemiringan Kolektor Surya Tipe Satu Laluan Udara Panas
Terhadap Proses Pengeringan Kerupuk Ubi, Eddy Elfiano, Muhd. Noor Izani
90
13. Pemanfaatan Limbah Tempurung Kelapa Sawit (Elacis Guinesis) sebagai Energi
Biomassa yang Terbarukan, Eko Yohanes, Sibut
96
14. Pengaruh Variasi Volume Serat Resam terhadap Kekuatan Tarik dan Impact
Komposit pada Matriks Polyester sebagai Bahan Pembuatan Dashboard Mobil,
Herwandi, Sugianto, Somawardi, Muhammad Subhan
102
15. Pemanfaatan Arang Kayu Bakar sebagai Media Karburasi pada Proses Pack
Karburising, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
109
|v
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
16. Pengaruh Pemanasan Bahan Bakar dengan Media Radiator pada Mesin Bensin
Bertipe Injeksi Terhadap Unjuk Kerja Mesin, I Gusti Ngurah Putu Tenaya, I
Gusti Ketut Sukadana, dan I Gusti Ngurah Bagus Surya Pratama
17. Strain-Hardening Baja Karbon AISI 1065 Akibat Beban Gelinding-Gesek, I Made
Astika, Tjokorda Gde Tirta Nindhia, I Made Widiyarta, I Gusti Komang
Dwijana dan I Ketut Adhi Sukma Gusmana
18. Pengaruh Temperatur Tuang Paduan Perunggu Terhadap Sifat Kekerasannya Pada
Proses Pembuatan Genta Dengan Metoda Pasir Cetak (Sand Casting), I Made
Gatot Karohika, I Nym Gde Antara
19. Ketahanan Aus Baja Carbon AISI 1065 dengan Pengerasan Permukaan Kontak
(Quench-Hardening) terhadap Beban Gelinding-Luncur, I Made Widiyarta, Tjok
Gde Tirta Nindia, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika dan I Ketut Windu
Segara
20. Pengembangan Kurva P-h dalam Pemodelan Elemen Hingga Vickers Indentasi
untuk Memprediksi Kekerasan Vickers (HV), I Nyoman Budiarsa
21. Studi Profil Temperatur Reaktor Fluidized Bed Pada Gasifikasi Sewage Sludge,
I Nyoman Suprapta Winaya, I Nyoman Adi Subagia, Rukmi Sari Hartati
22. Pengaruh Pemasangan Ring Berpenampang Segiempat dengan Posisi Miring
pada Permukaan Silinder terhadap Koefisien Drag, Si Putu Gede Gunawan Tista,
Ketut Astawa, Ainul Ghurri
23. Pengaruh Perlakuan Diammonium Phosphate (DAP) Terhadap Ketahanan Api
Komposit Plastik Daur Ulang-Serat Alam, I Putu Lokantara, NPG Suardana
24. Analisa Pengaruh Viskositas Pelumas terhadap Permukaan Penampang Material
pada Proses Ekstrusi Pengerjaan Dingin, Jhonni Rahman
25. Simulasi Numerik Aero-Akustik Aliran Udara Yang Melalui Silinder Pada
Bilangan Reynolds 90000 Menggunakan Model Turbulensi Les Dan Model
Akustik FWH, M. Luthfi, Sugianto
26. Pengaruh Konsentrasi Kalium Hidroksida (KOH) pada Elektrolit terhadap
Performa Alkaline Fuel Cell, Made Sucipta, I Made Suardamana, I Ketut Gede
Sugita, Made Suarda
27. Makrostruktur dan Permukaan Patah dalam Uji Tarik terhadap Perlakuan Panas
pada Baja Karbon Rendah, Nofriady H. dan Ismet Eka P.
28. Model Penentuan Koefisien Serap (Absorbsi) dan Kekuatan Tarik Material
Komposit Epoxy dengan Pengisi Serat Rockwool sebagai Knalpot Rendah Bising
Secara Eksperimen, Nurdiana, Zulkifli , Mutya Vonnisa
29. Pengaruh Waktu Tahan dan Laju Pemanasan terhadap Besar Butir Austenit dan
Kekerasan pada Proses Heat Treatment Baja HSLA, Richard A.M. Napitupulu,
Otto H. S, Charles Manurung, Humisar Sibarani
30. Analisa Kualitas Permukaan Baja AISI 4340 terhadap Variasi Arus pada Electrical
Discharge Machining (EDM), Sobron Lubis, Sofyan Djamil, Ivan Dion
31. Rancangan Launcher Roket Air, Suherlan, Dzulfi S Prihartanto, Gede Eka
Lesmana, Yohannes Dewanto
32. Analisa Kerja Roket Air Satu Tingkat, Ahmad Hidayat Furqon, Mochammad
Ilham Attharik, Pirnardi, dan I Gede Eka Lesmana
33. Analisis Penggunaan Differensial Proteksi pada Motor-Motor Listrik, PLTU
Buatan China, Suryo Busono
34. Efektivitas Alat Penukar Kalor Double Pipe Bersirip Helical sebagai Pemanas Air
dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel, Zainuddin, Jufrizal, Eswanto
115
124
133
141
149
158
166
173
180
186
195
203
208
218
224
234
240
247
255
| vi
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
KETAHANAN AUS BAJA CARBON AISI 1065 DENGAN
PENGERASAN PERMUKAAN KONTAK (QUENCH-HARDENING)
TERHADAP BEBAN GELINDING-LUNCUR
I Made Widiyarta, Tjok Gde Tirta Nindia, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika
dan I Ketut Windu Segara
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
e-mail: m_widiyarta@yahoo.com
Abstrak
Sebuah komponen yang menerima beban oleh komponen yang menggelinding-meluncur
diatasnya dapat menimbulkan kegagalan aus pada komponen tersebut. Dalam proses kontak
gelinding-luncur, terjadinya keausan pada material yang ulet umumnya diawali dengan
terjadinya regangan geser plastis di permukaan dan sedikit dibawah permukaan kontak. Bila
beban gelinding-luncur dikenakan berulang-ulang pada komponen tersebut, maka regangan
geser dapat terakumulasi mencapai nilai regangan geser kritis material dan keausan terjadi.
Tingkat keausan material dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah
kekerasan material. Dengan meningkatnya kekerasan material mungkin akan dapat
meningkatkan ketahanan aus material. Pada penelitian ini, permukaan kontak dan dibawah
permukaan kontak material baja karbon AISI 1065 ditingkatkan kekerasannya melalui proses
quench-hardening dengan media air. Dengan perlakuan quench-hardening (pemanasan
sampai sekitar 900°C dan pendinginan cepat di air selama 5 detik) , diporeleh peningkatan
kekerasan material di permukaan dan dibawah permukaan sampai kedalaman sekitar 200 μm
sebesar 160% yaitu dari sekitar 170 menjadi 420 HVn. Melalui uji kontak gelinding – luncur
dengan beban konstan 3.2kN selama 40000 putaran, rata-rata tingkat keausan material
dengan perlakuan quench-hardening mengalami penurunan dari sekitar 0.00 25 μm/cycle
(tanpa perlakuan) menjadi 0.0008 μm/cycle. Rata-rata tingkat keausan material yang di
quench-hardening mendekati sama dengan yang tanpa perlakuan setelah material mengalami
pembebanan lebih dari 30000 putaran.
Kata kunci: baja karbon, quench-hardening, beban gelinding-luncur, aus
1. Pendahuluan
Sebuah komponen yang melintas diatas komponen lain, seperti roda kereta melintas
diatas rel, dapat mengakibatkan kedua komponen tersebut mengalami kegagalan berupa
aus maupun kegagalan patah lelah. Kegagalan aus pada komponen (dari material ulet)
yang menerima beban kontak gelinding-luncur umumnya diawali oleh terjadinya
akumulasi regangan geser plastis dimana regangan geser plastis terjadi bila tegangan geser
oleh beban kontak melebihi ketahanan geser luluh material. Berulang-ulangnya beban
gelinding-luncur selanjutnya dapat mengakibatkan akumulasi regangan geser plastis
semakin besar dan bila akumulasi regangan geser tersebut melampaui regangan geser kritis
material maka kegagalan dapat terjadi berupa aus [1]. Selain aus, akumulasi regangan
geser plastis tersebut juga dapat mengakibatkan terjadinya retakan di permukaan maupun
dibawah permukaan kontak material yang dapat mengakibatkan patah pada komponen.
Besar kecilnya tingkat keausan yang terjadi pada komponen yang menerima beban
kontak gelinding-luncur dapat dipengaruhi oleh beberapa hal, seperti sifat mekanis
material, beban, kekasaran permukaan, pelumasan pada bidang kontak dll. Salah satu sifat
mekanis material yang erat kaitannya dengan keausan material yaitu kekerassan material.
Secara umum dapat dikatakan bahwa semakin besar kekerasan material semakin besar
ketahanan material terhadap aus.
Meningkatkan kekerasan material dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah
satunya yaitu dengan quench-hardening. Quench-hardening adalah metode meningkatkan
kekerasan permukaan logam melalui proses perlakuan panas diikuti dengan laju
TM-20 | 141
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
pendinginan cepat [2]. Logam (baja karbon) dipanaskan pada suhu diatas suhu kritisnya
atau sama dengan suhu austenitisasinya kemudian didinginkan dengan cepat didalam
media pendingin. Ada tiga media pendingin yang umum digunakan dalam proses quenchhardening yaitu air, minyak dan udara. Pemilihan media pendingin tersebut umumnya
sangat tergantung pada jenis material. Kekerasan dan ketebalan dari permukaan material
yang mengalami perubahan kekerasan pada material yang di-quench-hardening tergantung
dari tinggi suhu dan penahanan pemanasan serta lama pendinginan pada media
pendinginnya.
Pada penelitian ini, baja karbon (AISI 1065) dipilih sebagai material uji.
Peningkatan kekerasan material dilakukan dengan proses quench-hardening dengan media
pendingin air. Uji keausan material akibat beban kontak gelinding-luncur dilakukan
dengan metode kontak antara dua disk. Pengamatan dan investigasi dilakukan terhadap
perubahan kekerasan pada material uji dan bagaimana prilaku material serta seberapa besar
perubahan ketahanan aus material yang telah melalui proses quench-hardening akibat
beban gelinding-luncur.
2. Keausan material akibat beban gelinding-luncur
Baban kontak gelinding-luncur yang berulang-ulang antara dua buah komponen
dapat meningkatkan kegagalan material akibat keausan dan patah lelah. Keausan adalah
kegagalan material yang cukup progresif yaitu hilangnya material di permukaan komponen
sebagai akibat gerakan relatif dari satu komponen terhadap komponen lain yang
mengalami kontak [3]. Kegagalan aus yang terjadi pada komponen dari material ulet yang
menerima beban kontak gelinding-luncur umumnya melalui mekanisme akumulasi
regangan geser plastis material di bawah permukaan kontak, regangan geser plastis terjadi
bila tegangan geser yang terjadi oleh beban kontak melebihi ketahanan geser luluh
material. Berulang-ulangnya beban gelinding-luncur selanjutnya dapat mengakibatkan
akumulasi regangan geser plastis semakin besar dan bila akumulasi regangan gesr tersebut
melampaui regangan geser kritis material maka kegagalan dapat terjadi berupa aus [1].
Kategori keausan diklasifikasikan berdasarkan tingkat keausan dan partikel keausan [4].
Secara umum kategori keausan dibedakan kedalam dua kategori yaitu mild dan severe [3].
Transisi dari satu mekanisme keausan ke mekanime keausan yang lain mengacu pada
perubahan struktur dan sifat mekanis pada material karena prilaku yang diterimanya,
seperti jenis dan besar beban, kecepatan, suhu dan beberapa kodisi kerja lainnya. Wang
dan rekan-rekannya [5] telah melakukan investigasi mekanisme dan transisi keausan pada
baja karbon tinggi akibat gesekan permukaan kontak yang kering (tanpa pelumas) dan
mengklasifikasikan mekanisme keausan dalam tiga bagian, yaitu keausan mild, severe dan
melting. Lewis dan rekan-rekannya [4] mengklasifikasikan tingkat keausan menjadi tiga
yaitu keausan mild, severe dan catastrophic. Keausan mild ditunjukkan dengan tingkat
keausan yang rendah dan jenis keausan oksidasi. Transisi keausan dari mild ke severe
disebabkan karena perubahan kondisi kontak dari sebagian slip (partial slip) ke seluruh
kontak slip (full slip). Transisi dari keausan severe ke catastrphic terjadi akibat penurunan
kekuatan material dan perubahan sifat mekanis yang lain karena pengaruh suhu permukaan
kontak yang tinggi.
Selain aus, akumulasi regangan geser plastis tersebut juga dapat mengakibatkan
terjadinya retakan di permukaan maupun dibawah permukaan kontak material yang dapat
mengakibatkan patah pada komponen. Kemunculan awal retak dan perambatan retak pada
material sangat tergantung pada beban yang terjadi di daerah bidang kontak. Bila
perambatan retak mencapai panjang kritisnya, maka retak akan mengalami perambatan
sangat cepat dan tidak terkontrol sehingga kegagalan patah dapat terjadi.
TM-20 | 142
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
3. Quench-hardening
Quench-hardening adalah metode yang digunakan untuk meningkatkan kekerasan
permukaan logam melalui proses pemanasan diikuti dengan laju pendinginan yang cepat
melalui media pendingin [2]. Baja dipanaskan sampai suhu austenitisasi kemudian
didinginkan dengan laju pendinginan yang cepat didalam media pendingin sampai suhu
kamar untuk dapat menghasilkan struktur martensit. Dalam proses pemanasan, penahanan
waktu pemanasan pada suhu austenitisasi dapat dilakukan untuk memperoleh austenit yang
homogin hingga kedalaman tertentu. Pada proses pendinginan, pemilihan media pendingin
tersebut umumnya sangat tergantung pada jenis material. Ada tiga media pendingin yang
umum digunakan dalam proses quencing yaitu air, minyak dan udara. Air adalah media
pendingin yang memiliki laju pendinginan paling cepat dibandingkan dengan minyak dan
udara. Media pendingin air umumnya digunakan untuk baja karbon rendah dan sedang.
Untuk baja karbon tinggi dan baja paduan umumnya digunakan media pendingin minyak
yang memiliki kecepatan pendinginan yang lebih rendah daripada media pendingin air.
Sedangkan untuk media pendingin udara pada proses quenching baja karbon sedang
umumnya digunakan untuk menghasilkan komposisi pearlite pada baja.
4. Metode Penelitian
Material uji
Pada penelitian ini, baja karbon AISI 1065 dipilih sebagai material uji. Gambar 1
menunjukkan struktur mikro baja karbon AISI 1065, terlihat struktur mikro baja karbon
AISI 1065 terbentuk dari struktur ferite (warna terang) yang memiliki sifat mekanis yang
lunak dan struktur cementite (warna gelap) yang memiliki sifat mekanis relatif keras
(britle) [3].
Gambar 1. Struktur mikro baja AISI 1065 dengan pembesaran 400x
Alat Uji Aus dan Prosedur Pengujian
Alat uji keausan yang digunakan adalah alat uji dengan mekanisme kontak antara
dua disk (seperti Gambar 2) yang menagacu pada mekanisme twin-disc mechine SUROS
[1]. Mekanisme kontak mengambil model pada mekanisme kontak yang terjadi antara roda
dan rel kereta api. Disk 1 (posisi atas) dapat direpresentasikan sebagai rel kereta api dan
disk 2 (posisi bawah) dapat direpresentasikan sebagai roda kereta api. Besar beban dapat
diatur sesuai beban uji yang diberikan melalui disk 2 dan bersifat konstan. Besar rasio sliproll dapat diatur dengan mengatur perbedaan kecepatan antara disk 1 dan disk 2.
TM-20 | 143
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Disk 1
ω1
ω2
Disk 2
P
Gambar 2. Kontak dua disk
A
47mm
20mm
41mm
A
10mm
L
Pot. AA
Gambar 3. Dimensi spesimen uji
Meningkatkan kekerasan material di permukaan kontak hingga kedalaman tertentu
dilakukan dengan proses quench-hardening. Material uji dibentuk seperti ditunjukkan
pada Gambar 3. Benda uji dipanaskan hingga mencapai suhu austenitasi sekitar 900°C dan
ditahan sekitar 10 menit untuk memperoleh keseragaman sampai kedalaman tertentu,
selanjutnya dicelupkan kedalam media pendingin air selama 5 detik dan kemudian
didinginkan dalam udara bebas.
Sebelum spesimen uji ditempatkan pada alat uji aus, spesimen uji dibersihkan
dalam bak ultrasonic dan kemudian diukur massa dan diameter dari kedua spesimen
tersebut. Spesimen uji diletakkan pada alat uji sesuai dengan posisinya yaitu spesimen uji
dengan perlakuan quench-hardening (spesimen yang akan kita amati tingkat keausannya)
diletakkan pada posisi atas sebagai disk 1 yang memiliki kecepatan tetap 386 r.p.m., dan
pasangan kontaknya (baja karbon AISI 1040) tanpa perlakuan quench-hardening diletakan
pada posisi bawah sebagai disk 2 yang kecepatannya diatur sebesar 386 r.p.m. untuk
memperoleh rasio slip-roll sekitar 1%. Beban konstan diberikan melalui disk 2 sebesar 3.2
kN, beban ini menghasilkan tekanan kontak maksimum pada disk sebesar P0 = 1000 MPa.
Setiap 2000 putaran, kedua spesimen (disk) dilepaskan dari alat uji dan kemudian
dibersihkan dalam bak ultrasonik dan selanjutnya diukur massa/dimensinya. Pengulangan
uji dilakukan selanjutnya beberapa kali dengan durasi 2000 putaran sampai total jumlah
putaran mencapai 40000 putaran.
5. Hasil dan Pembahasan
Proses quench-hardening dengan penahanan suhu sekitar 900°C pada benda uji
selama 10 menit dan pendinginan dalam media air selama 5 detik menghasilkan perubahan
struktur mikro pada material uji (lihat Gambar 4). Terlihat terjadi perubahan struktur mikro
pada permukaan sampai kedalaman sekitar 200 μm. Terlihat tidak nampak lagi bentuk
butiran pearlite yang tersusun oleh ferite dan cementite, namun struktur mikro telah
berubah menjadi struktur martensite dimana nampak goresan-goresan warna gelap seperti
jarum dengan arah tidak beraturan. Struktur ini memiliki kekerasan yang sangat tinggi,
dimana dari hasil uji vickers-hardness diperoleh kekerasannya mencapai sekitar 400 – 440
TM-20 | 144
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
HVn (Gambar 5b). Kekerasan ini jauh lebih besar dari kekerasan baja karbon AISI 1065
sebelum dikenakan perlakuan quench-hardening yang berkisar 160 – 180 HVn (Gambar
5a).
(a)
(b)
Gambar 4. Struktur mikro baja AISI 1065 setelah proses quench-hardening media air,
(a) dengan pembesaran 100x dan (b) pembesaran 400x
(b)
(a)
Gambar 5. Hasil uji Vickers-Hardness baja AISI 1065, (a) tanpa perlakuan dan (b) dengan
perlakuan quench-hardening media air dengan pembesaran 400x
Hasil uji keausan nampak perbedaan yang sangat besar baik pada tingkat keausan
maupun mekanisme terjadinya keausan akibat beban gelinding-luncur. Pada spesimen
tanpa perlakuan quench-hardening terlihat keausan akibat beban gelinding-luncur terjadi
diawali dengan proses akumulasi regangan geser plastis, lihat gambar 6a [6]. Hal ini
terlihat amat jelas pada prilaku material dibawah permukaan kontak akibat beban
gelinding-luncur, dimana material mengalami deformasi plastis kearah traksi. Material
terlepas dari permukaan (aus) terjadi setelah besar akumulasi regangan geser material
melampaui regangan geser kritis material. Terlihat juga regangan geser plastis terjadi
sampai kedalaman sekitar 400 μm, ini menunjukkan tegangan geser yang terjadi oleh
beban gelinding-luncur pada kedalaman tersebut melebihi ketahanan geser material. Pada
material yang telah mengalami perlakuan quench-hardening, beban gelinding-luncur
sampai putaran 40000 putaran, tidak memperlihatkan adanya regangan geser plastis pada
material dibawah permukaan kontak (ambar 6b). Mekanisme terjadinya keausan tidak lagi
diawali oleh proses akumulasi regangan geser plastis, hal ini akibat sifat mekanis material
(kekerasan) yang sangat besar yang menjadikan material menjadi sangat getas. Namun
demikian, keausan tetap terjadi walaupun material memiliki kekerasan sangat besar. Hal
TM-20 | 145
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
ini mungkin dikarenakan kekasaran permukaan kontak dimana permukaan tersusun oleh
asperity (gerigi) yang memiliki puncak dan besar yang beragam. Pada kontak permukaan
yang kasar, sebenarnya tegangan yang terjadi pada kontak antar asperity jauh lebih besar
dari tegangan yang timbul terhadap luas bidang kontak nominal [7]. Deangan tegangan
yang sangat besar terjadi pada kontak asperity, mengakibatkan tegangan yang timbul
mampu mendeformasi dan bahkan mematahkan asperity pada permukaan kontak dan
terlepas dari permukaan sebagai partikel aus.
(a)
(b)
Gambar 6. Prilaku material dibawah permukaan kontak baja AISI 1065 oleh beban
gelinding- luncur, (a) tanpa perlakuan [6] dan (b) dengan perlakuan quench-hardening
media air dengan pembesaran 100x
Tingkat Keausan (μm/putaran)
0,008
0,007
0,006
Tanpa Q-H
0,005
Dengan Q-H
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000
0
10000
20000
30000
40000
Jumlah Putaran
Gambar 7. Tingkat keausan baja carbon AISI 1065, tanpa quench-hardening (Q-H) [6] dan
dengan perlakuan quench-hardening (Q-H), akibat beban gelinding-luncur (um/putaran),
dengan tekanan maksimum 1000MPa dan rasio slip-roll 1%
Gambar 7 menunjukkan tingkat keausan baja karbon AISI 1065 tanpa dan dengan
perlakuan quench-hardening dengan beban kontak 3,2kN dengan pengamatan uji
dilakukan setiap 2000 putaran dan berakhir sampai pada putaran 40000 putaran. Garis
solid mununjukkan tingkat keausan akibat beban gelinding-luncur pada material tanpa
perlakuan quench-hardening, diambil dari pustaka [6]. Garis putus-putus menunjukkan
tingkat keausan pada material uji dengan perlakuan quench-hardening. Dari grafik terlihat
keausan pada material tanpa perlakuan quench-hardening, keausan sudah mulai terjadi
TM-20 | 146
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
sejak awal dan tingkat keausan mengalami kenaikan cukup drastis hingga mencapai
puncaknya (0.0072 μm/putaran) saat pembebanan mencapai 4000 putaran. Selanjutnya
tingkat keausan mengalami penurunan hingga mencapa kondisi mendekati konstan atau
berfluktuasi disekitar 0.003 μm/putaran dan 0,0015 μm/putaran. Sedangkan material
dengan perlakuan quench-hardening, tidak terdeksi terjadinya keausan pada awal putaran
hingga mencapai 6000 putaran. Selanjutnya, keausan terjadi secara bertahap dan
mengalami peningkatan hingga mencapai tingkat keausan 0.0013 μm/putaran setelah
mencapai 18000 putaran dan selanjutnya keausan berada diantara 0.0009 dan 0.0017
μm/putaran. Setelah putaran mencapai 30000, dengan bertambahnya putaran pembebanan,
keausan yang terjadi pada material dengan perlakuan quench-hardening cenderung
mendekati sama dengan tingkat keausan material tanpa perlakuan quench-hardening. Hal
ini mungkin terjadi karena setelah sekitar 30000 putaran, material dipermukaan dan
dibawah permukaan kontak pada material tanpa perlakuan quench-hardening memiliki
sifat mekanis (kekerasan) yang mendekati sama dengan material dengan perlakuan quenchhardening sebagai akibat proses strain-hardening, sehingga material dengan sifat mekanis
yang mendekati sama dan dengan dikenakan beban yang sama tentunya akan
mengakibatkan keausan yang mendekati sama. Bila kedalaman material yang aus pada
material dengan quench-hardening melampaui kedalaman sekitar 200 μm (peningkatan
kekerasan yang dapat dicapai oleh proses quench-hardening), maka kemungkinan keausan
yang terjadi pada kedua material (tanpa dan dengan perlakuan quench-hardening) akan
sama. Hal ini dapat dikatakan bahwa peningkatan ketahanan aus material dengan perlakuan
quench-hardening memiliki sifat sementara dan dengan perlakuan quench-hardening
keausan yang cukup besar (puncak tingkat keausan) diawal pembebanan dapat dihindari.
Secara umum dengan pembebanan hingga 40000 putaran, material dengan perlakuan
quench-hardening media air selama 5 detik memiliki rata-rata tingkat keausan sekitar
0.0008 μm/putaran. Nilai tingkat keausan ini lebih kecil daripada tingkat keausan material
tanpa perlakuan quench-hardening yaitu sekitar 0.0025 μm/putaran. Dari kondisi diatas,
peningkatan kekerasan permukaan dan hingga kedalaman tertentu dengan proses quenchhardening hanya dapat memberikan peningkatan sifat ketahan terhadap aus hingga jumlah
siklus pembebanan tertentu atau sementara, untuk selanjutnya akan memiliki ketahan aus
yang sama dengan material tanpa perlakuan quench-hardening.
6. Simpulan
Proses quench-hardening dengan pendinginan cepat dalam media air selama 5 detik
pada baja karbon AISI 1065 mampu meningkatkan kekerasan permukaan material hingga
kedalaman sekitar 200 μm dengan nilai kekerasan sekitar 420 HVn atau meningkat 160%
dari nilai kekerasan mula. Meningkatnya kekerasan material dapat meningkatkan ketahanan
aus material, rata-rata tingkat keausan baja karbon 1065 dengan perlakuan quench-hardening
turun dari sekitar 0.0025 μm/putaran menjadi sekitar 0.0008 μm/putaran. Penurunan tingkat
keausan ini bersifat sementara dan akan memiliki tingkat keausan sama dengan baja karbon
tanpa perlakuan quench-hardening setelah kedalaman material aus melampaui batas
kekerasan yang mampu dibentuk melalui perlakuan quench-hardening.
7. Ucapan Terima Kasih
Terima kasih penulis ucapkan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (Dikjen Dikti)
yang telah mendanai penelitian ini melalui Hibah Penelitian Desantralisasi Tahun 2013.
Daftar Pustaka
1. W.R. Tyfour, J.H. Beynon, and A. Kapoor, "Deterioration of rolling contact fatigue life
of pearlitic rail steel due to dry-wet rolling-sliding line contact", Wear, 1996. 197: p.
255 – 265.
TM-20 | 147
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
2. William D. Callister, Jr. “Materials Science and Engineering an Introduction”, 1997,
4th Add., Wiley
3. J. A. Williams, "Engineering tribology", 1994, New York: Oxford University Press
Inc.
4. R. Lewis and R.S. Dwyer-Joyce, "Wear mechanisms and transitions in railway wheel
steels", Proc. Inst Mech. Engrs, 2004. 218(J): p. 467 – 478.
5. Y. Wang, T. Lie, and J. Liu, "Tribo-metallograhic behaviour of high carbon steels in
dry sliding I. Wear mechanism and their transition", Wear, 1999. 231: p. 1 – 11.
6. I Made Widiyarta, Tjok Gde Tirta Nindia dan Herry Mudiastrawan, “Keausan pada
baja karbon AISI 1065 akibat beban kontak gelinding-gesek”, Proceeding SNTTM XI
(& Thermofluid IV, Universitas Gadjah Mada (UGM) Yogyakarta, 16-17 Oktober
2012.
7. A. Kapoor, F.J. Franklin, S.K. Wong, M. Ishida, “Surface roughness and plastic flow in
rail wheel contact”, Wear 253 (2002) 257–264
TM-20 | 148