ANALISIS SIFAT KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO

BAJA AISI 4140 HASIL KARBURASI PLASMA

DENGAN VARIASI TEKANAN

TESIS

Disusun sebagai satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata II

pada Program Studi Magister Teknik Mesin Sekolah Pascasarjana

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Oleh :

Yuli Supriyanto

U 100 160 015

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2018

ii

iii

iv

v

vi

vii

ANALISIS SIFAT KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO

BAJA AISI 4140 HASIL KARBURISING PLASMA

DENGAN VARIASI TEKANAN

Abstrak

Proses Karburising terhadap baja AISI 4140 untuk diuji kekerasan dengan metode

pengujian Vikers dan diamati struktur mikronya. Tujuan dari penelitian ini adalah

Mengetahui tingkat kekerasan dari material AISI 4140 yang telah mengalami

proses pelapisan dengan metode karburasi plasma. Sampel berupa baja AISI 4140

dipotong menjadi 30 sampel uji, kemudian dilakukan pemolesan dengan Autosol

menggunakan amplas dengan ukuran 120 sampai dengan 5000 mesh. Kemudian

sampel yang sudah dipoles dikarburising dengan variasi tekanan dari 1,2; 1,4; 1,6;

1,8 dan 2,0 mBar dengan temperatur serta waktu yang tetap. Kekerasan yang

terbesar atau optimum diperoleh pada tekanan 1,4 mbar. Hal ini disebabkan laju

deposisi terlalu besar tetapi laju difusi dan kelarutan secara interstisi atom karbon

pada baja AISI 4140 tidak dapat mengikuti laju deposisi maka akan terjadi

penumpukan atom karbon pada permukaan karena laju deposisi lebih besar dari

laju difusi dan kelarutan secara interstisi. Dengan demikian kekerasan permukaan

tidak naik melainkan menurun sebagai akibat menumpuknya atom karbon pada

permukaan. Pengujian terhadap struktur mikro menghasilkan bahwa lapisan tipis

terlihat di bagian luar permukaan dengan unsur karbon yang teridentifikasi sangat

tipis.

Kata Kunci : Karburising, AISI 4140, Tekanan, Kekerasan Vikers, Struktur

mikro.

Abstract

Carburizing process for AISI 4140 steel to test hardness with the method of

testing and identification of microstructure. The purpose of this study was to

determine the level of hardness from AISI 4140 material that has carried out the

coating process with the plasma carburizing method. Samples in the form of AISI

4140 steel cut into 30 samples, then polishing with Autosol using sandpaper with

sizes 120 until 5000 mesh. Then the sample that has been dipped is carburized

with various pressure 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 and 2,0 mBar and a fixed temperature

and time. The highest highest or obtained optimally at 1.4 mbar. This is due to a

process that is faster and larger than the carbon in AISI 4140 steel can not follow

the deposition rate that will occur at the bottom of the accumulation of carbon

atoms. Thus, nothing is the same as the result of stacking carbon atoms on the

surface. Testing of the microstructure resulted in a thin layer visible on the

outside of the surface with the carbon element identified as very thin.

Keywords: Process Carburizing, AISI 4140, Pressure, Hardness of Vikers , microstructure

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas

segala karunia dan ridho-Nya, sehinga laporan tesis dengan judul “Analisis Sifat

Kekerasan dan Struktur Mikro Baja AISI 4140 Hasil Karburasi Plasma Dengan

Variasi Tekanan” ini dapat diselesaikan. Tesis ini disusun sebagai satu syarat

menyelesaikan Program Studi Strata II pada Program Studi Magister Teknik

Mesin Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan

menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada :

1. Bapak Dr. Sofyan Anif, M.Si., selaku Rektor Universitas Muhammadiyah

Surakarta, atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis

untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan strata II di Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Prof. Dr. Bambang Sumardjoko, selaku Direktur Sekolah

Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta, atas kesempatan dan

fasilitas pada Sekolah Pascasarjana yang diberikan kepada penulis untuk

mengikuti dan menyelesaikan pendidikan strata II di Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Tri Widodo Besar, M.Sc., Ph.D., selaku Ketua Program Studi

Magister Teknik Mesin dan Pembimbing Satu serta Ketua Dewan Penguji

yang telah memberikan masukan dan saran pada saat proses

pembimbingan sampai selesainya laporan tesis ini.

4. Bapak Dr. Joko Sedyono., selaku pembimbing dua dan Anggota Dewan

Penguji, atas saran dan bimbingannya.

5. Bapak Marwan Effendy, S.T.,M.T., Ph.D selaku Anggota Dewan Penguji

atas masukan dan sarannya.

6. Pusat Sains dan Teknologi Akselerator Badan Tenaga Nuklir Nasional

Yogyakarta, yang telah mengijinkan tempatnya untuk penelitian tesis ini.

ix

7. Segenap dosen Magister Teknik Mesin, yang telah memberikan ilmu dan

arahan selama kuliah.

8. Ayahanda Masiyo Redjo Suwarno, Ibunda Djuminah, Adik-adik saya

Muhammad Umaryono, Agus Marwanto dan Betty Wahyuningsih atas

do’a dan semua yang telah diberikan sehingga penulis dapat

menyelesaikan Magister Teknik Mesin di Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

9. Istri saya Emmie Khurriyati Octavia, S.E, S.Pd beserta anak-anakku,

Muhammad Hibban Mikhail dan Maisie Naeva Raudhoh terimakasih atas

segala motivasi, perhatian dan do’a nya serta kesabarannya sehingga

semangat tumbuh untuk segera menyelesaikan Magister Teknik Mesin di

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

10. Temen-teman seperjuangan Magister Teknik Mesin Universitas

Muhammadiyah Surakarta angkatan ke-5, untuk motivasinya.

11. Civitas Akademi SMK Muhammadiyah Bumiayu, yang telah memberikan

dukungan segalanya.

12. Kepada semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis

sebutkan satu persatu.

Dengan keterbatasan pengalaman, ilmu maupun pustaka yang ditinjau, penulis

menyadari bahwa tesis ini masih banyak kekurangan dan pengembangan lanjut

agar benar benar bermanfaat. Oleh sebab itu, penulis sangat mengharapkan kritik

dan saran agar tesis ini lebih sempurna serta sebagai masukan bagi penulis untuk

penelitian dan penulisan karya ilmiah di masa yang akan datang.

Akhir kata, penulis berharap tesis ini memberikan manfaat bagi kita semua

terutama untuk pengembangan ilmu pengetahuan yang ramah lingkungan.

Surakarta, Oktober 2018

Penulis

Yuli Supriyanto

U 100 160 015

x

DAFTAR ISI

NOTA PEMBIMBING I ……………………………………………………… ii

NOTA PEMBIMBING II …………………………………………………….. iii

HALAMAN PERSETUJUAN............................................................................ iv

HALAMAN PENGESAHAN............................................................................. v

PERNYATAAN................................................................................................... vi

ABSTRAK ........................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii

DAFTAR ISI ....................................................................................................... x

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1

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

1.2. Perumusan Masalah .................................................................... 4

1.3. Batasan Masalah ......................................................................... 4

1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................ 4

1.5. Sistematika Penulisan ................................................................. 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 6

2.1. Kajian Pustaka ............................................................................ 6

2.2. Landasan Teori ........................................................................... 9

2.2.1. Konsep Dasar Plasma ..................................................... 9

2.2.2. Plasma Lucutan Pijar …................................................ 10

2.2.3. Karburasi ........................................................................ 11

2.2.4. Karburasi Plama ............................................................. 11

2.2.5. Mesin Karburasilasma ................................................... 13

2.2.6. Uji Kekerasan Vikers ..................................................... 13

2.2.7. Struktur Mikro ................................................................ 15

xi

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 16

3.1. Tempat Penelitian ..................................................................... 16

3.2. Alat dan Bahan ........................................................................... 16

3.2.1. Alat Penelitian ................................................................ 16

3.2.2. Bahan Penelitian ............................................................. 17

3.3. Prosedur Penelitian ..................................................................... 18

3.3.1. Preparasi Sampel Material Baja AISI-4140 ................... 19

3.3.2. Proses Pemolesan Sampel Material AISI 4140 .............. 20

3.3.3. Proses Pencucian Sampel Material Baja AISI 4140 ....... 21

3.3.4. Preparasi Alat Karburasi Plasma .................................... 21

3.3.5. Hasil Proses Pengerasan Permukaan Teknik Plasma ..... 22

3.3.6. Metode Pembentukan Lapisan Tipis ............................. 23

3.3.7. Proses Pengujian Vickers ............................................... 24

3.3.8. Proses Pengujian SEM/EDX .......................................... 24

3.3.9. Analisa Data ................................................................... 24

BAV IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 25

4.1. Pengujian Kekerasan Vickers ..................................................... 25

4.2. Uji SEM/EDX ............................................................................ 30

BAB V KESIMPULAN .................................................................................. 39

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Komposisi kimia material AISI 4140 .................................... 2

Tabel 4.1 Hasil uji kekerasan sebelum karburasi……………………………….. 38

Tabel 4.2 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan

tekanan 1,2 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ….................. 38

Tabel 4.3 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan

1,4 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ................................... 38

Tabel 4.4 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan

1,6 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam .................................. 39

Tabel 4.5 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan

1,8 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam .................................. 39

Tabel 4.6 Hasil uji kekerasan permukaan setelah Karburasi dengan tekanan

2,0 mbar, temperatur 450 ˚C dan waktu 3 jam ................................... 39

Tabel 4.7.Hasil uji kekerasan rata-rata permukaan setelah proses karburasi

dengan tekanan1,2; 1,4; 1,6 ; 1,8 dan 2,0 mbar pada temperatur

450O

C serta waktu 3 jam ………………………………….………… 40

Tabel 4.8Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 1,2 mbar,

pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam, pada bagian

substrat ..................................................................................... 45

Tabel 4.9 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 1,2

mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam pada

permukaan substrat ............................................................................ 46

Tabel 4.10 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX variasi tekanan

2,0 mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi 3 jam, pada

bagian substrat ................................................................................... 47

Tabel 4.11 Tabel unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0

mbar, pada temperatur 450 oC dan waktu karburasi3 jaml pada

bagian substrat …………………………………………….............. 48

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Plasma sebagai keadaan fisis ke empat dari wujud zat…………... 10

Gambar 2.2 Skema plasma lucutan pijar …..………………………………….. 12

Gambar 2.3 Pengujian Vickers dan Bentuk indentor Vickers ............................ 14

Gambar 3.1 Skema Diagram Alir Penelitian ...................................................... 18

Gambar 3.2 Sampel material baja AISI 4140 No. 1 dan No. 2 .......................... 19

Gambar 3.3 Proses pembubutan material baja AISI 4140 ................................. 19

Gambar 3.4 Bentuk sampel material baja AISI 4140 yang sudah dibubut

dengan ukuran diameter 1,4 cm dan tebal 0,4 cm .......................... 20

Gambar 3.5 Proses pemolesan sampel material baja AISI 4140 dengan

ukuran diameter 1,4 cm dan tebal 0,4cm ....................................... 20

Gambar 3.6 Hasil proses pemolesan sampel material baja AISI 4140 ............... 21

Gambar 3.7 Proses pencucian sampel baja tahan karat AISI 4140 dengan

mesin ultrasonic cleaner ................................................................ 21

Gambar 3.8 Sistem Karburasi Plasma ............................................................ 21

Gambar 3.9. Hasil proses pengerasa permukaan teknik plasma Karburizing

dengan variasi tekanan 1,2 mbar – 2,0 mBa .................................. 22

Gambar 4.1 SEM dari tampang lintang substrat baja AISI 4140 setelah

dikarburasi plasma dengan variasi tekanan 1,2 dan 2,0 mbar

pada temperatur 450 oC waktu karburasi 3 jam ........................... 29

Gambar 4.2 SEM-EDX Spot 1 substrat baja AISI 4140 hasil karburasi plasma

untuk variasi tekanan 1,2 mBar …………………………….......... 31

Gambar 4.3.Unsur komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX pada bagian

permukaan substrat tekanan 1,2 mbar,........................................... 31

Gambar 4.4 SEM-EDX spot 5 substrat baja AISI 4140 hasil karburasi plasma

tekanan 1,2 mbar,............................................................................ 32

xiv

Gambar 4.5 Unsur Komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar,

pada bagian substrat ....................................................................... 33

Gambar 4.6, SEM-EDX tekanan 2,0 mBar pada bagian permukaan substrat…... 33

Gambar 4.7. Unsur Komposisi kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar

pada bagian permukaan substrat …………………………………. 34

Gambar 4.8. SEM-EDX tekanan 2,0 mbar, diambil pada bagian substrat……… 34

Gambar 4.9. Unsur Komposisi Kimia Mikrograf SEM-EDX tekanan 2,0 mbar

diambil pada bagian substrat……………………………………… 35