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.