PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT

PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DISUSUN OLEH :

SURYA ANDHIKA 070401037 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pengaruh pengerolan panas dan tingkat deformasi

terhadap sifat mekanis baja karbon sedang untuk mata pisau pemanen sawit.

Tujuan penelitian adalah mengamati pengaruh pengerolan panas dan tingkat

deformasi terhadap sifat mekanis bahan, mengetahui pengaruh ukuran butiran

terhadap sifat mekanis dan melihat apakah baja karbon sedang yang telah diproses

dengan perlakuan pengerolan panas memiliki sifat mekanis lebih baik dari bahan

baku yang biasa digunakan. Perbaikan sifat mekanis baja AISI 1060 untuk bahan

mata pisau pemanen sawit dilakukan dengan metode pengerolan panas. Kajian termomekanikal dilakukan pada temperatur (750

C, 800

C, 850

C, 900 C dan 950 C) dan tingkat deformasi (5%, 10%, 15% dan 20%) berurutan. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa nilai kekerasan optimal yang diperoleh adalah

420 BHN pada suhu 800 C dan deformasi 20%. Hasil pengujian tarik diperoleh

tegangan batas 1.019 MPa dan tegangan luluh 651,31 MPa. Sedangkan hasil

mikrostruktur memeperlihatkan diameter butiran rata- rata 4,95 μm. Dari hasil

penelitian dapat disimpulkan bahwa pengaruh perlakuan pengerolan panas dan

tingkat deformasi terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara

kekerasan dan kekuatan tarik berbanding lurus dimana semakin meningkat nilai

kekerasan maka kekuatan tariknya juga akan meningkat. Korelasi ukuran butir

terhadap sifat mekanis yaitu diperoleh hubungan antara kekerasan dan ukuran

butir berbanding terbalik, dimana semakin kecil ukuran butir maka kekerasan

bahan akan semakin meningkat, sedangkan untuk hubungan antara kekuatan tarik

dan ukuran butir berbanding terbalik juga dimana semakin kecil ukuran butir

maka bahan akan semakin ulet. Sifat mekanis baja karbon sedang setelah

dilakukan proses pengerolan panas memperlihatkan kenaikan sifat mekanis

dibanding bahan baku.

Keywords: Termomekanikal, Baja Karbon Sedang, Pengerolan Panas, Diameter

Butiran, Sifat Mekanis

ABSTRACT

Has done research on the impact of hot rolling and deformation rate on the

mechanical properties of medium carbon steel for the blade palm harvesters. The

research objective was to observe the effect of hot rolling and the degree of

deformation of the mechanical properties of the material, determine the effect of

particle size on the mechanical properties and see if the medium carbon steel that has been processed by hot rolling treatment have better mechanical properties than the raw materials used. Improvement of mechanical properties of AISI 1060 steel

for the blade material made with palm harvesters hot rolling method.

Termomekanikal study performed at a temperature (7500C, 8000C, 8500C,

9000C and 9500C) and the degree of deformation (5%, 10%, 15% and 20%)

respectively. The test results showed that the optimal hardness value obtained is

420 BHN at 8000C temperature and deformation of 20%. Test results obtained

tensile stress limit 1019 MPa and 651.31 MPa yield stress. While the results of

microstructural memeperlihatkan average grain diameter of 4.95 μm. From the

research it can be concluded that the effect of heat treatment and rolling

deformation rate on the mechanical properties of the obtained relationship

between hardness and tensile strength which is proportional increases the hardness

value will also increase the power of attraction. Correlation of grain size on the

mechanical properties of the obtained relationship between hardness and grain

size is inversely proportional, where the smaller the grain size of the material

hardness will increase, while the relationship between tensile strength and

inversely proportional to the grain size is also where the smaller the grain size of

the material will be more tenacious. The mechanical properties of carbon steel

was after hot rolling process showed an increase compared to the mechanical

properties of materials. Keywords: Termomekanikal, Medium Carbon Steel, hot rolling, Diameter Pellets, Mechanical Properties

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulilah saya panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan, dan kesempatan sehingga tugas sarjana ini dapat selesai pada waktunya. Tugas sarjana yang berjudul “Pengaruh Pengerolan Panas dan

Tingkat Deformasi Terhadap Sifat Mekanis Baja Karbon Sedang Untuk Mata Pisau

Pemanen Sawit” ini dimaksudkan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan

pendidikan sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin – Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Tugas sarjana ini berisikan penelitian yang berhubungan dengan pembentukan ukuran butiran pada skala mikro dengan mengabungkan antara perlakuan panas dan proses pengerolan terhadap material baja karbon sedang sehingga diharapkan terjadi perubahan sifat-sifat mekanis pada material tersebut.

Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada : 1.

Kedua orangtua saya, Bapak Darmanto dan Ibu Eny Supiyati yang telah memberikan perhatian, do’a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, dan tidak lupa Reni Ayu Lestari Ginting yang selalu memberikan semangat setiap saat.

2. Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT selaku dosen pembimbing tugas sarjana yang telah banyak membantu menyumbang pikiran dan meluangkan waktunya dalam memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

3. Bapak DR. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, Ibu Ismawati, Kak Sonta, Bapak Syawal, Bang Sarjana, dan Bang Lilik yang telah banyak membantu dan memberikan ilmu selama perkuliahan.

5. Seluruh anggota dalam tim penelitian ini, Fuad Affiz, Arief Murtiono, Darwin R.

Hasibuan dan Ahmad Azhari . Penelitian ini merupakan suatu kesempatan yang sangat berharga bagi saya untuk dapat meningkatkan ilmu, dan kualitas, serta pengalaman yang tidak akan pernah saya lupakan.

6. Seluruh teman – teman stambuk 2007 terutama yang begitu setia menunggu kami untuk tamat bersama-sama, Arifin F. Lubis, Mirsal Lubis, Ricky Miraza, Masniarman, Indra Agustian, Palvis, Ningsih dan lainnya yang namanya tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini.

Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saran dan kritik dari pembaca sekalian sangat diharapkan demi kesempurnaan skrispi ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat dan berguna bagi semua pihak.

Medan, 12 Juli 2012 Surya Andhika

NIM : 070401037

DAFTAR ISI LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING .................................... i SPESIFIKASI TUGAS ........................................................................................ ii KATA PENGANTAR .......................................................................................... iii ABSTRAK ............................................................................................................ v DAFTAR ISI......................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xi DAFTAR TABEL ................................................................................................

xiii

DAFTAR NOTASI ............................................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN .....................................................................................

1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1

1.2 Perumusan Masalah ........................................................................... 3

1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................... 4

1.4 Manfaat Penelitian ............................................................................. 4

1.5 Batasan Masalah ................................................................................ 5

1.6 Sistematika Penulisan ........................................................................ 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .........................................................................

7 2.1 Baja ...................................................................................................

7 2.1.1 Proses Pembuatan Baja ............................................................

8 2.1.1.1 Dapur Baja Oksigen (Proses Bessemer) ......................

9 2.1.1.2 Dapur Baja Terbuka (Siemens Martin) ........................

12 2.1.1.3 Dapur Baja Listrik ........................................................

12 2.1.2 Klasifikasi Baja ........................................................................

13 2.1.2.1 Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel) ...................

13 2.1.2.2 Baja Karbon Sedang (Medium Carbon Steel) ..............

14 2.1.2.3 Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) ....................

14 2.1.3 Sifat-sifat Baja ..........................................................................

15 2.1.3.1 Sifat Kimia ....................................................................

15 2.1.3.2 Sifat Teknologi .............................................................

15 2.1.3.3 Sifat Mekanik ...............................................................

16 2.1.3.3.1 Kekuatan (Strength) ......................................

16 2.1.3.3.2 Kekerasan (Hardness) ...................................

16 2.1.3.3.3 Kekenyalan (Elasticity) .................................

16 2.1.3.3.4 Kekakuan (Stiffness) ......................................

17 2.1.3.3.5 Plastisitas (Plasticity) ....................................

17 2.1.3.3.6 Ketangguhan (Toughness) .............................

17 2.1.3.3.7 Kelelahan (Fatigue) .......................................

18 2.1.3.3.8 Keretakan (Creep) .........................................

2.1.4 Diagram Fasa Fe-C ...................................................................

18 2.1.4.1 Delta Iron (Delta ferrite) .............................................

2.1.4.2 Ferrite (α) .................................................................... 22 2.1.4.3 Cementite (Fe3C) .........................................................

2.1.4.4 Pearlite (α + Fe3C) ...................................................... 23

2.1.4.5 Austenite (γ) ................................................................. 24 2.1.4.6 Eutectic, Hipo-Eutectoid dan Hyper-Eutectoid ............

24 2.2 Proses Pembentukan Logam .............................................................

25 2.2.1 Proses Pengerjaan Panas...........................................................

28 2.2.1.1 Pengerasan (Hardening) ..............................................

32 2.2.1.2 Pelunakan (Annealing) ................................................

32 2.2.1.3 Normalizing ..................................................................

33 2.2.1.4 Full Annealing ..............................................................

34 2.2.1.5 Spheroidzing .................................................................

34 2.2.2 Proses Pengerjaan Dingin .........................................................

42 2.3 Pengujian Sifat Mekanis Logam .......................................................

47 2.3.1 Pengujian Tarik ........................................................................

47 2.3.2 Pengujian Kekerasan ................................................................

50 2.3.3 Analisa Struktur Butir ..............................................................

51 2.3.4 Pertumbuhan Struktur Butir .....................................................

52 2.3.5 Perhitungan Diameter Butir ......................................................

53 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..........................................................

3.1 Waktu dan Tempat ............................................................................

55 3.2 Alat dan Bahan ..................................................................................

55 3.2.1 Alat ..........................................................................................

55 3.2.2 Bahan ........................................................................................

56 3.3 Spesifikasi Spesimen .........................................................................

56 3.4 Perlakuan Termomekanikal ...............................................................

57 3.5 Pengujian ...........................................................................................

60 3.5.1 Pengujian Kekerasan ................................................................

60 3.5.2 Pengujian Tarik ........................................................................

61 3.5.3 Pengujian Metalografi ..............................................................

62 3.6 Diagram Alir Penelitian ....................................................................

64 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................

65 4.1 Hasil ..................................................................................................

65 4.1.1 Hasil Uji Kekerasan ..................................................................

65 4.1.2 Hasil Uji Tarik ..........................................................................

67 4.1.3 Hasil Pengujian Metalografi .....................................................

69 4.2 Pembahasan .......................................................................................

71 4.2.1 Hubungan Antara Kekerasan dengan Kekuatan Tarik .............

4.2.2 Hubungan Diameter Butir dengan Kekerasan dan Kekuatan Tarik .........................................................................

72 4.3 Penguraian Gaya yang Terjadi Saat Pemotongan .............................

73 4.4 Laporan Hasil Simulasi Menggunakan Solidwork ............................

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...............................................................

89 5.1 Kesimpulan........................................................................................

89 5.2 Saran ..................................................................................................

89 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proses Pengerjaan Baja pada Dapur Tinggi .................................

36 Gambar 2.10 Proses Roling dan Hasilnya........................................................

56 Gambar 3.2 Spesimen Uji Tarik.......................................................................

53 Gambar 3.1 Spesimen (a) Uji Kekerasan dan Metalogafi (b) Dimensi Spesimen .....................................................................................

47 Gambar 2.15 Perhitungan Butiran Menggunakan Metode Planimetri (Sumber: ASTM E 112-96, 200) ...............................................................

41 Gambar 2.14 Kurva Tegangan Regangan Baja Karbon Sedang Perlakuan Rolling pada Temperatur 800° C Deformasi 20%..................................

40 Gambar 2.13 Hasil Roling Panas .....................................................................

38 Gambar 2.12 Mesin Roling ..............................................................................

37 Gambar 2.11 Tahapan Perolingan ....................................................................

35 Gambar 2.9 Skema Perolingan .........................................................................

11 Gambar 2.2 Diagram Fasa Fe-C ......................................................................

33 Gambar 2.8 Proses Pengerolan Datar...............................................................

3 C pada Daerah Eutectoid ...........................

24 Gambar 2.7 Diagram Fasa Fe-Fe

23 Gambar 2.6 Mikro Struktur Pearlite ................................................................

22 Gambar 2.5 Mikro Struktur Cementite.............................................................

21 Gambar 2.4 Mikro Struktur Ferrite .................................................................

20 Gambar 2.3 Struktur Mikro Delta Ferrit .........................................................

Gambar 3.3 Pemanasan Spesimen di Dalam Furnace .....................................

70 Gambar 4.5 Hubungan Antara Kekerasan dengan Tegangan Batas (ultimate strength ) .....................................................................................

76 Gambar 4.11 Penguraian Gaya F Terhadap Sudut θ ........................................ 76

75 Gambar 4.10 Penguraian Momen ....................................................................

74 Gambar 4.9 Penguraian Gaya F – N pada Sumbu x dan Sumbu y ..................

73 Gambar 4.8 Skema Penguraian Gaya F - N .....................................................

72 Gambar 4.7 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekuatan Tarik ..........

71 Gambar 4.6 Hubungan Antara Diameter Butir dengan Kekerasan ..................

68 Gambar 4.3 Foto Mikro (a) RAW Material (b) 800° C 20% (c) 800° C 10% (d) 950° C 20% (perbesaran 500x) ...................................................

57 Gambar 3.4 Alat Rol ........................................................................................

67 Gambar 4.2 Grafik Pengujian Tarik .................................................................

64 Gambar 4.1 Hubungan Antara Temperatur dan Deformasi Terhadap Nilai Kekerasan ....................................................................................

63 Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ...............................................................

62 Gambar 3.8 Mikroskop Optic ..........................................................................

61 Gambar 3.7 Alat Uji Tarik Torsee Type AMU-10............................................

59 Gambar 3.6 Alat Uji Brinell .............................................................................

58 Gambar 3.5 Ilustrasi Proses Termomekanik ....................................................

Gambar 4.12 Penguraian Gaya N Terhadap Sudut θ ....................................... 77

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Hubungan antara Perbesaran yang Digunakan dengan Pengali Jeffries .............................................................................................

54 Tabel 3.1 Spesifikasi Furnace..........................................................................

57 Tabel 3.2 Spesifikasi Alat Rol .........................................................................

58 Tabel 3.3 Spesifikasi Alat Uji Brinell ..............................................................

61 Tabel 3.4 Spesifikasi Alat Uji Tarik ................................................................

62 Tabel 4.1 Pengujian Kekerasan Berdasarkan Skala Brinell ............................

65 Tabel 4.2 Hasil Uji Tarik Pada 3 Perlakuan Optimal.......................................

69 Tabel 4.3 Hasil Uji Mikrostruktur RAW Material dan 3 Spesimen Optimal ..

DAFTAR NOTASI

Lambang Keterangan Satuan A luas penampang mm ² d diameter butir

μm D

Diameter mm ² ε

Regangan %

pengali Jeffries butiran/mm ² F gaya tarik N L

Panjang mm σ

Tegangan MPa N jumlah butir - Δ

Perubahan - π

Konstanta 3,14 -

PENGARUH PENGEROLAN PANAS DAN TINGKAT DEFORMASI TERHADAP SIFAT MEKANIS BAJA KARBON SEDANG UNTUK MATA PISAU PEMANEN SAWIT