bab i - sinta.unud.ac.id · pdf filekapal, tangki, maintenance system perpipaan, ... teknik...
TRANSCRIPT
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LatarBelakang
Penggunaan logam dalam perkembangan teknologi dan industri sebagai salah satu
material penunjang sangat besar peranannya, akan tetapi dalam kehidupan sehari-hari
banyak faktor yang menyebabkan daya guna logam ini menurun. Permasalan yang timbul
berupa laju keausan tinggi dan umur pendek karena sering mengalami kegagalan yang
dimulai dari permukaan atau bidang kontak. Kenyataan dilapangan menunjukan bahwa
kehilangan fungsi atau kegagalan komponen mesin disebabkan oleh kerusakan pada
permukaan berupa keausan, retak maupun korosi. Keauan merupakan salah satu masalah
yang sedang dihadapi oleh ahli teknik dan berbagai usaha terhadap pengendalian keausan
yang sekarang gencar dilakukan adalah untuk mengendalikan kerusakan material yang
diakibatkannya, agar laju keausan yang terjadi dapat ditekan serendah mungkin dan dapat
melampaui nilai ekonominya, atau jangan sampai logam mejadi rusak sebelum waktunya.
Penggunaan baja karbon rendah banyak sekali di temukan pada komponen mesin.
Komponen mesin yang terbuat dari baja karbon rendah meliputi roda gigi dan poros roda.
Dalam penelitian ini mengambil contoh keausan pada poros roda mobil dimana pada poros
roda mobil sering terjadi keausan karena terbuat dari baja karbon sedang, dimana baja ini
memiliki kekerasan rendah sehingga cepat aus dan umurnya relatif pendek apabila
mendapatkan beban yang berulang. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Victor, M.
dkk (2008) tentang Karakterisasi Laju Keausan dan Kekerasan dari Pack Carburizing
pada baja karbon aisi 1020 yang menyimpulkan hasil dari pelapisan dengan proses pack
carburizing kekrasan tertinggi terdapat didekat permukaanspesimen dan kekerasan akan
turun perlahan bila semakin jauh dari permukaan menuju kebagian dalam spesimen.
Menurut penelitian yang di lakukan Suryawiranata (2015) tentang Pengaruh variasi sudut
2
nosel terhadap permukaan material coating pada proses pelapisan Ni-Cr dengan metode
powder flame spray coating yang menyimpulkan hasil coating yang terbaik dimana tidak
adanya jarak antara logam induk dengan lapisan coating, permukaan hasil coating yang merata
dan ketebalan hasil coating paling tebal dari ketiga variasi sudut penelitian di peroleh pada
variasi sudut 90° dan jarak 30 mm dengan rata-rata ketebalan coating 349.10 μm.
Dari sumber penelitian yang telah dilakukan dalam penelitian ini mengambil
Pelapisan logam (coating) dengan metode Thermal spray. Pelapisan Thermal Spray yang
digunakan. dalam penelitian ini menggunakan Powder Flame Spray Coating dengan
paduan Ni-Cr.
Dalam penelitian ini bahan di coating menggunakan komersial karbon (St 60)
yang kadar karbon sedang dengan kadar karbon 0,4%, dimana keunggulan karbon baja
sedang yaitu mudah di dapat dipasaran serta bisa di treatment dan kerugian dari baja ini
yaitu cepat aus bila di beri beban berulang. Penelitian ini dilakukan dengan variasi tekanan
oksigen yaitu 3 𝑏𝑎𝑟 ±0,02, 4 𝑏𝑎𝑟 ±0,02, 5 𝑏𝑎𝑟 ±0,02, dan untuk asitilinnya tekanannya
konstan 0,7 𝑏𝑎𝑟 ±0,02 serta hasil pengujian juga dianalisa dengan menggunakan
mikroscop.
.
3
1.2 Rumusan Masalah
Bagaimana pengaruh tekanan gas pembakaran (asetilin & oksigen ) terhadap
karakteristik dan ketebalan lapisan pada poros roda dengan Baja karbon sedang (ST 60 )?
1.3 Tujuan Penelitian
Untuk mengetahui dan Menganalisa ketebalan pelapisan dengan tekanan gas
pembakaran pada baja karbon sedang (ST 60) poros roda.
1.4 Batasan Penelitian
Agar penelitian ini tidak meluas atau menyebar dari masalah yang dirumuskan,
maka perlu adanya pembatasan penelitian dimana batasan-batasannya adalah sebagai
berikut:
1. Temperatur lingkungan kerja yaitu temperatur ruangan
2. Benda uji bebas korosi.
3. Waktu pada saat mengcoating spesimen 120 detik per spesimen
4. Ketebalan coating 50µm ≤ t ≤ 6,5mm
5. Butir powder Ni-Cr diasumsikan sama
6. Hasil spesimen yang dicoating lebih keras dari pada spesime yang belum
dicoating
7. Porositas, unmelt, oksidasi dianalisa melalui gambar.
1.4 Manfaat Penelitian
Memahami pengaruh tekanan gas pembakaran terhadap karakteristik dan ketebalan
coating serta dapat mengaplikasin dalam kehidupan nyata dan memberikan masukan-
masukan terhadap produsen otomotif.
4
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sandblasting
Sandblasting adalah suatu proses pembersihan permukaan dengan cara menembakan
partikel (pasir) ke suatu permukaan material sehingga menimbulkan gesekan/tumbukan
dengan tujuan untuk menghilangkan material-material kontaminasi seperti karat, cat,
garam, oli dll. Selain itu juga bertujuan untuk membuat profile (kekasaran) pada
permukaan metal sehingga cat lebih melekat. Tingkat kekasarannya dapat disesuaikan
dengan ukuran pasirnya serta tekanannya. Blasting dapat dikategorikan sebagai surface
treatment yang banyak diaplikasikan pada dunia keteknikan seperti pada pembuatan
kapal, tangki, maintenance system perpipaan, maintenance peralatan/mesin-mesin fluida
dan lain-lain. (Erik Kurniawan, 2013) Kekasaran permukaan sand blasting dipengaruhi
oleh beberapa hal, antara lain:
a) Tipe dan ukuran abrasive yang digunakan
b) Jarak dari nozzle ke permukaan benda kerja
c) Sudut nozzle
d) Aliran abrasive dari hopper ke selang
2.2 Teknologi Pelapisan
Pelapisan (coating) adalah proses penambahan atau penumpukan suatu material
ke suatu permukaan material lain (atau material yang sama). Pada umumnya pelapisan
diterapkan ke suatu permukaan dengan tujuan untuk :
1. Melindungi permukaan dari lingkungan sekitar yang dapat menyebabkan korosi
atau deterioaratif (merusak)
2. Untuk meningkatkan penampilan permukaan
3. Untuk memberikan bentuk dan memperbaiki suatu komponen .
5
Terdapat berbagai jenis teknik pelapisan , dan pemilihanya pelapisan didasarkan
atas fungsinya , (ukuran, bentuk, dan metalurgi dari substrat), kemampuan adaptasi
material pelapis terhadap teknik yang digunakan, tingkat adhesi (perekatan) yang diminta,
serta ketersediaan dan harga dari peralatanya (Arthana, 2014).
2.3 Thermal spray
Thermal spray coating adalah suatu proses dimana bahan dalam bentuk serbuk
atau kawat logam dideposisikan dalam kondisi cair pada suatu permukaan yang telah
disiapkan sebelumnya untuk membentuk lapisan spray. Teknik ini merupakan salah satu
teknik yang banyak digunakan untuk rekayasa permukaan dan pengembangan bahan
tingkat lanjut Material umpan diumpankan kedalam gun, yang kemudian memanaskan
material tersebut menjadi bentuk plak cair lalu dipercepat dengan adanya tekanan udara
yang disemprotkan menuju substrat. Pada saat partikel cair hasil semprotan tadi mengenai
bagian permukaan substrat, partikel tersebut kemudian mengalami pendinginan yang
membentuk struktur yang berupa lapisan (lamellar), dengan demikian akan membentuk
lapisan atau endapan berupa hasil spray. Variasi-variasi mendasar proses thermal spray
adalah material umpan, metode pemanasan dan metode penyemprotan material
kepermukaan substrat. Material umpan yang digunakan dapat berbentuk serbuk, kawat
dan batangan. (Roesfiansjah.dkk, 2007 )
Energi termal yang digunakan untuk melelehkan material pelapis dapat dibagi menjadi
dua kategori , yaitu electrical dan flame heating. Saat material dipanasi, mereka berubah
menjadi keadaan plastis atau meleleh dikurung serta diberi percepatan oleh aliran gas
bertekanan ke substrat. Partikel-partikel tersebut tersebut menabrak substrat, menempel,
dan membentuk lapisan tipis (splats) yang menyesuaikan dan menempel pada permukaan
tidak rata substrat dan dengan partikel pelapis yang lain. Kemudian setelah dingin akan
terbentuk lapisan yang tidak homogen dan umumnya terdapat derajat porositas dan oksida
logam. Material feed stock dapat berupa apa saja yang dapat dilelehkan termasuk logam,
senyawa logam, cerment oksida, gelas, dan polimer, dapat juga dalam bentuk powder,
wire atau rod.Pengikat antara susbstrat dan pelapis dapat berupa ikatan mekanik, kimia,
metalurgi atau kombinasi ketiganya. Sifat-sifat dari pelapis bergantung pada jenis
6
material, proses thermal spray dan parameter-parameter yang diterapkan, dan perlakuan
setelah proses thermal spray pada pelapis (Arthana, 2014).
2.4 Powder Flame Spray
Flame spray adalah salah satu pelapisan yang menggunakan energi termal yang
dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar gas (sebagian besar acetylene, propane atau
hidrogen) dan oksigen yang dapat mencairkan partikel bahan pelapis (Simunovic K, 2010)
Prinsip kerja dari powder flame spray adalah sebagai berikut : Dalam flame spray
torch, energi kimia hasil pembakaran bahan bakar gas oksigen digunakan untuk
menghasilkan api panas (Gambar 2.2). Inlet gas aksial (1) dan bubuk (2) dapat dimasukan
secara aksial atau tegak lurus dengan torch (3). Batang dan wire dapat digunakan sebagai
pengganti bubuk Partikel menjadi cair dalam api (6) dan dipercepat ke arah benda kerja
(4).
Gambar 2.2 Skematik powder flame spray
Sumber : Arthana (2014)
2.5 Paduan Ni-Cr
Perpaduan antara nikel dan kromium adalah kombinasi yag tepat untuk
meningkatkan kemampuan yang dimiliki oleh baja karbon. Penambahan nikel (Ni)
bertujuan untuk meningkatkan ketahanan korosi dalam media pengkorosi netral atau
lemah. Nikel juga meningkatkan keuletan dan mampu bentuk logam. Penambahan nikel
meningkatkan ketahanan korosi tegangan. Sedangkan penambahan kromium
meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk lapisan oksida (Cr2O3) dan ketahanan
terhadap oksidasi temperatur tinggi
7
Paduan nikel dan kromium merupakan salah satu bahan pilihan untuk hard facing
karena memiliki kekerasan tinggi serta sifat fisik dan mekanik yang baik. Nikel (Ni)
adalah logam perak-putih yang ditemukan pada tahun 1751 dan unsur paduan utama yang
memberikan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan korosi, biasanya digunakan secara
luas pada baja stainless dan paduan berbasis nikel (yang biasa disebut superalloy). Paduan
nikel biasnya digunakan pada aplikasi temperatur tinggi seperti yang terlihat pada
komponen mesin jet, roket, dan pembangkit listrik tenaga nuklir (Arthana, 2014).
8
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode eksperiment dengan melakukan Preheating
terlebih dahulu dan untuk mendapatkan karakterisktik dan ketebalan lapisan yang terbaik
melalui proses Powder Flame Spray Coating dimana bahan pelapis yang digunakan adalah
Ni-Cr dan dilakukan beberapa pengujian yang mendukung penelitian ini antara lain:,
Scanning Electron Microscope (SEM), uji kekerasan.
3.2 Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini dilakukan mengikuti diagram alir sebagai berikut:
Persiapan alat dan bahan
Pembentukan spesimen uji
Sand Blasting
Proses Coating
P1= 3 bar P2= 4 bar P3 = 5 bar
A
Preheat T=4000𝐶
B
START
9
Y
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
Uji Kekerasan
Analisa Data
Uji Metalografi
Pembahasan
Selesai
A
50 µm ≤
t ≤ 6.5
mm
B
10
3.3 Alat dan Bahan Penelitian
Untuk melancarkan penelitian ini maka dibutuhkan peralatan dan bahan, adapun
diantaranya :
Tabel 3.1 Alat Penelitian
Alat Kegunaan
Brander dan dudukan brander
Tabung Oksigen dan Gas Asitilin
Keramik
Image-J
Stopwatch
Scanning Electrin Microscope (SEM)
Fricrion pin-on-disc machine
Surftest SJ-210
Ultrasonic Cleaner
Jangka Ssorong/Micrometer
Kamera
Alat Sandblasting
Alat untuk proses coating
Bahan bakar dalam proses coating
Tempat peletakan spesimen uji
Mengetahui jarak dan ketebalan hasil coating
Menghitung waktu penelitian
Untuk mengetahui fenomena pada material
Sebagai alat uji keausan
Sebagai alat uji kekerasan permukaan
Alat pencuci Spesimen
Untuk mengukur pembuatan spesimen uji
Mendokumentasikan penelitian
Membersihkan permukaan spesimen uji
Tabel 3.2 Bahan Penelitian
Bahan Kegunaan
Serbuk Paduan Ni-Cr
Baja ST 60
Resin
Autosol
Bahan pelapis yang digunakan dalam proses Powder Flame Spray
Coating
Material yang digunakan sebagai spesimen pelapisan dan pengujian
Membantu dalam proses grinding spesimen untuk pengujian
metalografi
Bahan polishing sebelum spesimen di uji metalografi
11
3.4 Variabel Penelitian
Adapun beberapa variabel yang ada pada penelitian ini adalah :
1. Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi munculnya suatu gejala.
Adapaun variabel bebas dalam penelitian ini adalah tekanan gas
2. Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat
karena adanya variabel bebas. Adapun variabel terikat dalam penelitian ini
adalah ketebalan lapisan.
3.5 Prosedur Penelitian
Dalam melakukan penelitian ini terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan
antara lain:
3.5.1 Pembuatan Spesimen Uji
Pembuatan spesimen uji adalah proses awal yang dilakukan sebelum melakukan
penelitian. Pada penelitian menggunakan baja karbon rendah (St-60) dimana pembuatan
spesimen uji yang berbentuk persegi ini dibuat karena keterbatasan alat coating dan untuk
mempermudah proses coating serta untuk bentuk spesimen uji keausan. Proses
pengerjaannya adalah dengan melakukan pemotongan pada baja yang berdiameter 5 cm
menjadi bentuk spesimen yang berbentuk balok persegi panjang dengan ukuran 20 x 15
mm dengan ketebalan 8 mm dengan jumlah yang diperlukan untuk penelitian ini adalah
15 buah specimen. Bentuk spesimen dapat dilihat pada Gambar 3.2 dibawah ini:
12
Gambar 3.2 Ukuran pemotongan spesimen uji
3.5.2 Preparasi Permukaan Spesimen Uji
Pereparasi permukaan spesimen uji ini dilakukan dengan tujuan untuk
mendapatkan substrat yang memiliki kondisi yang maksimal pada proses pelapisan
untuk menghindari resiko kegagalan dalam proses pelapisan nantinya. Proses yang
dilakukan adalah proses grinding dengan kertas amplas dimana grade yang digunakan
untuk kertas amplasnya ialah 220, 400 dan 1000. Selanjutnya untuk mengurangi panas
akibat gesekan maka spesimen harus dialirkan air selama proses grinding berlangsung.
Setelah selesai maka permukaan substrat dibersihkan dengan air dan kain bersih.
13
3.5.3 Proses Sand Blasting
Sand blasting bertujuan proses penyemprotan material dengan bahan abrasif,
biasanya berupa pasir silika atau steel grit dengan tekanan tertentu pada suatu
permukaan dengan tujuan untuk menghilangkan material material seperti karat, cat,
garam,dan oli yang menempel pada material. Adapun paramater yang digunakan
dalam proses sand blasting dapat dilihat pada Tabel 3.3
Tabel 3.3 Parameter Sand Blasting
Parameter Ukuran
Jarak Nosel
Tekanan Udara
Sudut Nosel
Waktu (t)
6 cm
8 Bar
90°
60 detik
Adapun tahapan-tahapan proses sand blasting adalah
1. Siapakan spesimen dan bersihkan permukaan spesimen yang akan di sand blasting
2. Persiapkan alat yang dibutuhkan dalam proses sand blasting
3. Letakkan spesimen pada dudukan alat sand blasting dengan paramenter yang
sudah ditetapkan pada tabel 3.3
4. Cuci spesimen yang telah di sand blasting dengan alkohol selama 480 detik
5. Keringkan spesimen yang telah dicuci sebelum dilakukan uji kekerasan
6. Lakukan pengujian kekasaran permukaan spesimen menggunakan alat Surftest SJ-
210
7. Pengamatan dan pengambilan data kekasaran permukaan
14
3.5.4 Proses Pelapisan Powder Flame Spray
Powder flame spray adalah pelapisan yang menggunakan powder (bubuk)
sebagai bahan pelapis dan gas oksigen dan gas asitilin sebagai bahan bakar yang
dimana api akan meleburkan bahan pelapis atau powder yang nantinya powder yang
sudah melebur dengan api akan di semprotkan ke substrat atau permukaan spesimen
yang akan dilapisi. Untuk memperjelas proses pelapisan powder flame spray dapat
dilihat di skematik pada gambar 3.3
Gambar 3.3 Skema powder flame spray
Sumber : Simunovic K, (2010)
Dalam melakukan proses pelapisan ini langkah pertama yang akan dilakukan adalah
mempersiapkan semua peralatan yang dibutuhkan seperti Alat dudukan brander dan
dudukan spesimen (Gambar 3.4), brander (spray gun), bubuk paduan Ni-Cr dan
spesimen yang akan dilapisi. Kemudian brander (spray gun) dipasang pada dudukan
sliding yang nantinya untuk mengerakkan brander ke arah kiri dan kanan sebagai
proses pelapisan spesimen. Selanjutnya spesimen yang telah dbentuk dengan ukuran
15
2 x 1,5 cm dengan ketebalan 8 mm diletakan diatas dudukan spesimen yang telah
disediakan.
Gambar 3.4 Alat dudukan brander dan dudukan spesimen coating
Dalam menjalankan proses pelapisan maka diperlukan adanya parameter dalam
penelitian yang dapat dilihat pada tabel 3.4
Tabel 3.4 Parameter Pelapisan Powder Flame Spray
Parameter Satuan
Bahan Bakar
Powder Feeder
Sudut Nosel
Tekanan Oksigen
Tekanan Asitilin
Ukuran nozel
Oksigen dan Asitilin
Menyesuaikan tekanan 𝑂2
90°
3bar, 4bar, 5bar
0,7 bar
1,6mm, 1,9mm, 2,2mm
16
3.5.5 Pengujian Metalografi
Pengujian metalografi adalah suatu teknik atau ilmu untuk melihat struktur
mikro dan makro material. Struktur mikro logam dapat diperoleh melalui proses
penyiapan spesimen metalografi. Dengan tujuan untuk menganalisa struktur,
Mengenali fasa-fasa dalam struktur mikro, berdasarkan skala makro maupun skala
mikro. Tahapan melakukan pengujian sebagai berikut :
1. Lapisi spesimen dengan resin agar mudah dalam pengerjaan.
2. Grinding yaitu proses meratakan permukaan benda uji dengan menggunakan
kertas amplas anti air secara berurutan mulai dari kekasaran 220, 300, 400, 1000,
2000, selama proses grinding diberi air untuk mencegah terjadinya oksidasi pada
permukaan benda uji.
3. Polishing, yaitu menghaluskan serta menghilangkan goresan – goresan selama
proses grinding dengan menggunakan kain bludru (polishing cloth) dan autosol ,
sebagai media pendinginan digunakan alcohol 96 %.
4. proses etsa dimana proses ini dilakukan untuk memperoleh hasil mikrostrukur
yang baik. Sampel di etsa dengan dua macam larutan, yaitu 𝐻2𝑂2 dan HNO3,
larutan 𝐻2𝑂2 untuk bagian coating dan HNO3 untuk bagian base metal.
Selanjutnya untuk menghilangkan sisa larutan etsa maka sampel dibilas dengan
air dan alkohol dan dikeringkan dengan dryer kemudian sampel siap diambil
gambar mikrostrukturnya dengan optical microscope.
5. Viewing, Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik
dan mikroskop electron.
17
3.5.6 Pengujian Kekerasan
Uji kekerasan dilakukan untuk mengetahun kekerasan dari hasil pelapisan. Pengujian
dilakukan dengan menggunakan indentor intan berbentuk piramida yang membentuk
sudut 136o (Gambar 3.5). Sebelum melakukan pengujian maka dilakukan pemotongan
spesimen yang telah dilapisi kemudian dilanjukan dengan preparasi permukaan yang akan
diuji yaitu dengan proses polishing dengan dengan melakukan grinding yang
menggunakan kertas amplas silicon carbon dengan tahapan ukuran kekasaran 220, 300,
400, 1000, 2000. Agar mengurangi panas yang terjadi akibat gesekan dalam proses
grinding maka spesimen akan selalu dialiri air. Kemudian spesimen di polishing dengan
aoutosol. Proses polishing menggunakan autosol ini akan berlanjut hingga permukaan
spesimen terbebas dari goresan dan sampai perpermukaan yang tampak mengkilap seperti
cermin, kemudian dilakukan pengujian kekerasan. Menurut Arthana, 2014 nilai yang
diperoleh sebagai hasil microhardness vickers diperoleh dari beban yang dikalikan dengan
luas area indentasi, yaitu :
𝐻𝑉 =(2𝑃 sin 𝛳)
L2 = 1,8544𝑃
L2 ................................................................(3.3)
Dimana,
P : beban yang digunakan (kg)
L : rata-rata lebar diagonal (mm)
θ : sudut antar sisi piramida intan (136o)
HV : nilai hardness vickers kg/mm2
18
Gambar 3.5 Prinsip pengukuran kekerasan Vickers
Sumber : Sofiyyudin (2007)
Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui ketahanan bahan terhadap
deformasi plastis atau perubahan bentuk yang tetap (Arthana, 2014). Metode pengujian
kekerasanyang digunakan pada penelitian ini adalah metode kekerasan Vickers sesuai
dengan standar ASTM E 92 -82 dengan beban 1000 kgf dan waktu pembebanan (loading
time) 15 detik. Kekerasan dari bahan dapat diketahui dengan mengukur luas hasil
penekanan dari indentor alat tersebut (penekan piramida intan) dengan sudut bidang dua
136° dan dasar berbentuk segi empat.Kemudian dihitung harga rata-rata pada kedua
panjang garis diagonal tersebut.