Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja AISI 4340

Laporan Tugas Akhir (MM091381)

Pengaruh Kecepatan Potong Pada Turning Process Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja AISI 4340

Gita Primasari 27 08 1000 76

Dosen Pembimbing: Ir. Muctar Karokaro, M.Sc.

Budi Agung K. , ST. , M.Sc.

JURUSAN TEKNIK MATERIAL FAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2012

Abstrak

Pengerasan permukaan dapat dikatakan sebagai proses laku panas untuk diperolah kekerasan hanya pada permukaannya saja. Dengan model pendekatan baru surface hardening by machining yaitu baja dibubut dengan kondisi pemotongan tertentu agar dihasilkan kekerasan permukaan yang tertentu pula. Peningkatan temperatur pada permukaan baja dapat diperolah akibat terjadinya gesekan antara mata pahat dengan benda kerja. Dari gesekan ini diperoleh sumber panas utama yang memunculkan white layer dengan sebagian struktur mikro metastabil yaitu banit maupun martensit. Suatu penelitian dilakukan untuk mengetahui bagaimana pengaruh kecepatan potong pada turning process terhadap kekerasan dan kedalaman pengerasan baja AISI 4340. Dengan pendinginan udara (normalizing) yang kemudian dilakukan Pengujian mekanik dengan menggunakan microhardness tester untuk melihat sifat mekanik yaitu kekerasan dan kedalaman pengerasan. Dilakukan pula uji karakterisasi menggunakan uji makro, uji mikro, serta uji XRD.

Berdasarkan hasil penelitian, pengerasan permukaan yang optimal dihasilkan dari turning process dengan variasi kecepatan potong 2500 mm/s. Dengan kekerasan pada permukaan 520 HV (50,5 HRC) dengan pengerasan permukaan yang dihasilkan sebesar 33,67% dari daerah bulknya. Dihasilkan pula gradien kedalaman pengerasan yang paling tinggi pada kecepatan potong ini.

Latar Belakang

Banyak komponen presisi yang terbuat dari baja 4340 yang menghendaki kekerasan permukaan yang tinggi agar tahan terhadap deformasi plastis maupun gesekan saat menjalankan fungsinnya. Sehingga dibutuhkan adanya pengerasan hanya pada permukaannya saja.

Maka sebuah pendekatan baru yaitu surface hardening by machining, pengerasan permukaan pada proses permesinan dengan turning process atau pada industri sering dikenal dengan sebutan hard turning. Pada pendekatannya, gesekan yang dilkukan antara mata pahat dan benda kerja mampu menghasilkan sumber panas utama. Sumber panas utama inilah menentukan proses laku panas yang dapat terjadi pada benda kerjanya.

Rumusan Masalah

1

• Bagaimana pengaruh kecepatan potong terhadap kekerasan permukaan AISI 4340.

2 • Bagaimana distribusi kekerasan

akibat kecepatan potong.

Batasan Masalah

• Baja AISI 4340 yang dianggap homogen tanpa perlakuan. 1

• Sudut pemotongan dan kedalaman potong pada mesin bubut dianggap konstan. 2

• Pengaruh kondisi lingkungan diabaikan. 3 • Efek regangan plastik dan laju regangan

diabaikan 4

Tujuan Penelitian

menganalisa pengaruh kecepatan potong terhadap struktur mikro yang dihasilkan, pengaruh terhadap sifat mekanis dengan melihat kekerasan, distribusi kekerasan, dan pengaruh perbedaan kecepatan potong terhadap ketebalan white layer dengan struktur mikro dan struktur makro pada hasil pemotongan AISI 4340

White Layer

Modifikasi permukaan terjadi karena panas lokal dan

kecepatan thermal pada pengerjaan panas yang dihasilkan

dengan transformasi metalurgi dan mungkin interaksi kimia.

Jenis permasalahan menarik upaya substansial yang

disebut “surface integrity”. Istilah ini meliputi semua aspek

pada permukaan seperti surface finishing, perubahan

metalurgi dan tegangan sisa. Penyebutan white layer

dikarekanakan ketahanannya terhadap standard etsa dan

tampak putih dibawah mikroskop optik.

White Layer

Surface profile

Feed Modulation

White layer

Dark layer

Bulk

Gambar 1 Struktur transformasi fasa pada proses permesinan pemukaan baja AISI 4340 (Chou, 2002)

Transformasi austenit Baja AISI 4340

Gambar 2 Kurva Transformasi Austenit

I-T Diagram untuk Shallow Hardening

Gambar 2.3 kurva pendinginan di permukaan dan sumbu bagian suatu benda disuperimpose pada diagram transformasinnya, menggambarkan kondisi pengerasan shallow hardening

Skema produk transformasi Austenit

Model Pengerasan Pemukaan dengan Thermomekanik

Gambar3 menunjukkan model

pemotongan dengan kecepatan (v) pada

sepanjang bidang keausan tepi pahat

(VB). Panas yang ditimbulkan selama

proses pembubutan (pada zona ii) akan

dirambatkan ke dalam benda kerja,

kemudian setelah kontak (zona iii), panas

secara cepat dibuang melalui pendinginan

udara lingkungan.

Gambar 3 beban termomekanis

Gambar 4 Geometri model thermal yang ditunjukkan flank wear sumber panas gesekan dalam persegi pada pengerjaan permukaan (Chou, 1999)

Geometri Model Pengerasan Pemukaan dengan Thermomekanik

Siklus Surface hardening secara Thermomekanik

Gambar 5 Perubahan temperatur pada permukaan mesin (Ac : temperatur austenisasi, Ms: temperatur transformasi martensit) (Chou, 2002)

Gambar 6 Transient suhu dan waktu pada baja AISI 4340 (Chou, 2002)

Gambar 7 Hubungan kecepatan potong dengan kedalaman white layer (Chou, 1999)

Gambar 2.15 Hubungan kekerasan menggunakan Microhardness dengan kedalaman dari permukaan pada baja AISI 4340 (Chou, 2002)

Penelitian Terkait Turning Process

Pada Baja AISI 4340 kekerasan pada white layer meningkat mendekati 525 HK500 (49HRC) dan 300 HK500 (28 HRC) pada daerah bulk. Hasil kekerasan yang didapatkan bukan merupakan hasil kekerasan

maksimum pada lapisan yang dikeraskan, karena strukturmikronya

tidak seluruhnya martensit. (Chou 2002)

Pada percobaan turning process pada Baja AISI 52100 dengan diameter 19,05 mm dan panjang 67,2 mm. Dapat diketahui bahwa kekerasan

white layer dapat lebih keras 30% dari daerah bulk dan daerah dark layer dapat lebih lunak 60% dari daerah bulk. (Guo, 2004)

Pada baja AISI 4337 yang diberi perlakuan turning process dan di quenching dengan air mengalami peningkatan kekerasan dari kekerasan awal raw material 37 HRC menjadi 51,7 HRC. dibandingkan dengan proses konvensional (induksi maupun case hardening) terhadap bahan yang sama kekerasannya bisa mencapai 55 HRC (Bagus, 2007)

Metodologi start

Persiapan spesimen

Pemotongan AISI 4340

V = 1800 mm/dtk d =.2 mm

V = 2000 mm/dtk

d = 0.2 mm

V = 2250 mm/dtk

d = 0.2 mm

V = 2500 m m/dtk

d = 0.2 mm

Pengujian spesimen

MikroHardness

XRD

Makro

Struktur Mikro

Pengumpulan Data

Analisa dan Pembahasan

Kesimpulan

End

Bahan

Gambar 3.1 (a) spesimen baja AISI 4340 (b) dimensi baja AISI 4340

1. Benda kerja yang digunakan ialah 4 buah batang baja AISI 4340 dengan masing-masing penampang ϕ 19 x 200 mm.

(b) (a)

200 mm

19m

m

Tabel 3.2 Komposisi Baja AISI 4340 Komposisi Baja AISI 4340 (V155)(VCN150) Carbon 0,34% Silikon 0,3% Mangan 0,6% Crom 1,5% Molidenum 0,2% Nickel 1,5% (sumber: PT. Bhinneka Bajanas, Bohler High Grade Steel)

2. Serbuk Alumina Alumina ini berfungsi untuk menghilangkan goresan pada spesimen setelah dipoles

3. Larutan Picral Zat kimia yang digunakan adalah Picral yang berfungsi untuk memunculkan struktur pada material yang telah mengalami pengerasan permukaan dengan mengkorosikannya. .

Alat No Nama Mesin/Alat Kegunaan 1 Mesin Turning Proses Turning/Bubut 2 Hardness Tester Alat uji kekerasan 3 Jangka sorong Pengukuran geometri benda kerja 3 Thermokopel Mengukur temperatur 5 Mesin Gerinda pahat Pembentuk bidang 6 Mesin Gerinda potong Pemotong benda kerja objek

mikroskop 7 Mesin Polishing Penghalus permukaan spesimen benda

kerja objek mikroskop 8 Kertas gosok (grade 120

sampai 2000) Penghalus permukaan spersimen setelah proses grinding. Dimana grade 120 memiliki tingkat kekasaran yang tinggi, sedangan grade 2000 mempunyai permukaan yang halus.

9 Kain blundru Berfungsi pada saat memoles spesimen dan digunakan pada saai finishing sebelum spesimen di etsa/

10 Gelas ukur Mengukur zat kimia atau larutan yang digunakan untuk proses etching.

11 Mikroskop Optik Untuk mengamati struktur mikro dan grain size dengan pembesaran tertentu.

12 Kamera digital Untuk uji makro 12 Mesin Uji Difraksi Sinar-

X (XRD) Untuk analisis kualitatif (identifikasi unsur tunggal dan senyawa) dan analisis kuanitatif (penentuan komposisi, ukuran kristal, regangan, tegangan sisa)

Proses Turning

4 Buah Batang

AISI 4340 ( 19

x200 mm)

Dikikir

Dipotong

Penumpulan mata

pahat:

Membuat

Program pada

CNC

Proses Bubut

divariasikan pd

V= 1800;2000;2250;2500

(mm/s)

Pendinginan

Udara

Pengujian Pengujian Makro & Mikro Diampelas (grade 120-2000) – dipolish dengan alumina – di etsa menggunakan picral – dibilas dengan alkohol -- pengambilan gambar Mikro dengan mikroskop optik. Gambar Makro dilakukan dengan kamera biasa.

Gambar 3.5 Jalan Sinar Pada Pengamatan Metallography

Pengujian Mikro Indetation Hardness

HV = 1.8544 P/d2

Gambar 3.7 Jarak minimum untuk indentasi Microhardness Vickers

Sehingga untuk pengujian kekerasan Baja AISI 4340 dengan proses turning adalah sebagai berikut: D = 17 mm = 17000 µm R = 8, 5 mm = 8500 µm d = 47,39 µm

jarak minimum indentasi antar titik = 142,17 µm (dari tepi) atau 189,56 µm (dari perpotongan diagonal).

Gambar Pengujian Hardness

5 4 3 2 1

1 2 3

4

5

Pengujian XRD

Semakin tinggi peak dari hasil pengujian XRD, semakin banyak pula kemungkinan fasa yang terbentuk.

2d sin θ = nλ ; n = 1,2,3

Untuk mengetahuli ukuran kristal dari Ukuran kristal dari Baja 4340 diketahui dari persamaan Scherer.:

D = 0,9 λ

𝐵 cos θ …………………..(4.1)

Dimana λ adalah panjang gelombang radiasi (Ǻ), B adalah Full Width at Half Maximum (rad4.) dan ө adalah sudut Bragg (o).

Gambar 3.11 Difraksi sinar-X dari Kristal

Pengujian

Mikro & Makro

Hardness (Microhardness)

XRD

Hasil dan Analisa Pengujian XRD

kecepatan

(mm/s )

λ(Ǻ) B(rad) Ө(o) Cos ө D

1800 1.54056 0.01 22.2725 0.9255 150,01

2000 1.54056 0.0087 22.2473 0.9255 173,06

2250 1.54056 0.0078 22.0498 0.9268 193,03

2500 1.54056 0.00697 22.293 0.92525 215,9

Ukuran kristal baja AISI 4340 setelah treatment

kekerasan dan ukuran kristal pada titik 5 (6000 µm dari tepi) pada pengujian kekerasan

Grain Size dan Kecepatan potong

Hasil dan Analisa Pengujian Makro

White Layer tidak dapat dilihat secara makro

Hasil dan Analisa Pengujian Mikro

Struktur Mikro Raw Material Baja AISI 4340

(preharden-temper) pada perbesaran 1000x

Austenit sisa

Bainit Atas

Struktur Mikro variasi kecepatan potong 1800

mm/s pada Turning Process pada perbesaran

1000x

Tepi (Permukaan) Tengah (6000 µm dari tepi)

Austenit sisa Bainit Atas Bainit Atas Austenit sisa

Hardness :385 HV Hardness :346 HV

“Pada fenomena ini, menunjukkan bahwa temperatur yang dihasilkan belum mampu melewati temperatur A3”



1000x


Austenit sisa Bainit Atas Austenit sisa Bainit Atas


“peningkatan temperatur dari permukaan hanya mampu sedikit diatas A3”



1000x


Austenit sisa Bainit Bawah Bainit Atas Austenit sisa


“peningkatan temperatur dari permukaan mampu melewati diatas A3”



1000x


Perlit Austenit sisa Bainit Bawah Austenit sisa Martensit


“Hal ini bisa terjadi karena distribusi temperatur pada bagian tengah baja AISI 4340 sudah mampu melewati temperatur A3”

Hasil dan Analisa Pengujian Makro

Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 dari

Tepi sampai Tengah

Grafik Distribusi Kekerasan Baja AISI 4340 pada bagian

Permukaan

Grafik pertambahan persentasi kekerasan pada daerah tepi terhadap daerah bulk

Kesimpulan

1. Dengan kecepatan potong 2500 mm/s pada turning process dan kemudian pendinginan udara (normalizing), dihasilkan pengerasan permukaan yang paling optimal. Hal ini didasarkan dari strukturmikro permukaannya yang berupa martensit dan austenit sisa dengan kekerasan 520 HV (50,5 HRC) pada bagian tepi, Semakin tinggi kecepatan potong pada turning process, semakin mampu bagi mata pahat dan benda kerja untuk menghasilkan temperatur yang lebih tinggi.

2. Distribusi kekerasan yang paling baik terdapat pada baja AISI 4340 dengan kecepatan potong 2500 mm/s. Pada kecepatan potong ini, pengerasan permukaan yang dihasilkan sebasar 33.67% dari daerah bulknya. Dengan gradien kedalaman pengerasan yang paling tinggi.

Saran

1. Untuk penelitian perlu dilakukan pengujian hardness terlebih dahulu sebelum pengambilan gambar mikro, untuk mempermudah dalam memberi hubungan antara kekerasan dengan struktur mikro.

2. Sebaiknya dilakukan pengukuran temperatur untuk mengetahui secara tepat transformasi yang terjadi.

3. Perlu dicoba penelitian tentang distribusi kekerasan pada turning process dengan media pendinginan yang berbeda.

Documents

Terhadap Kekerasan dan Kedalaman Pengerasan Baja AISI 4340