BAB III DASAR TEORI
3.1 Baja Baja adalah logam yang paling banyak digunakan. Pada
dasarnya baja merupakan paduan besi dan karbon dengan unsur
lainnya, yang dinamakan baja karbon (plain carbon steel). Sifat
baja banyak ditentukan oleh kadar karbonnya, di samping juga unsur
paduannya (jenis dan komposisinya). Pada proses pembuatannya,
komposisi kimia yang dibutuhkan diperoleh ketika baja dalam bentuk
fasa cair pada suhu yang tinggi. Pada baja hypoeutectoid,
strukturnya terdiri dari ferrit yang sangat ulet dan lunak, serta
perlit yang lebih kuat, keras, dan sedikit getas. Pada kadar karbon
yang rendah jumlah ferritnya banyak dan perlit lebih sedikit, tentu
mudah dimengerti bahwa kekuatannya rendah. Dengan naiknya kadar
karbon jumlah perlit bertambah maka kekuatan dan kekerasan akan
bertambah pula. Dan akan mencapai maksimum bila strukturnya
keseluruhan perlit (baja eutectoid 0,8%C).
Gambar 3.1
Diagram fase Fe-Fe3C
Dari diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses
pendinginan perubahan-perubahan pada struktur kristal dan struktur
mikro sangat bergantung pada komposisi kimia.
Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro
dinamakan sementit Fe3C (dapat dilihat pada garis vertical paling
kanan). Sifat-sifat cementitte adalah sangat keras dan sangat
getas. Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang
sangat rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit. Pada
baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk
adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik
Eutectoid. Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan
titik eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran
antara ferit dan perlit. Pada baja dengan kandungan titik eutectoid
sampai dengan 6.67%, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran
antara perlit dan sementit. Pada saat pendinginan dari suhu leleh
baja dengan kadar karbon rendah, akan terbentuk struktur mikro
Ferit Delta lalu menjadi struktur mikro Austenit. Pada baja dengan
kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun dengan naiknya
kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh menjadi
Austenit. Penekanan terletak pada kandungan karbon, garis-garis,
dan struktur mikro: a. Kandungan carbon 0,008%C = Batas kelarutan
maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature kamar 0,025%C = Batas
kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature 723 oC
0,83%C = Titik Eutectoid 2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi
Gamma pada temperature 1130oC 4,3%C = Titik Eutectic 0,1%C = Batas
kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature 1493 oC b.
Garis-garis Garis Liquidus ialah garis yang menunjukan awal dari
proses pendinginan (pembekuan). Garis Solidus ialah garis yang
menunjukan akhir dari proses pembekuan (pendinginan). Garis Solvus
ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat denga fasa
padat atau solid solution dengan solid solution. Garis Acm = garis
kelarutan Carbon pada besi Gamma (Austenite) Garis A3 = garis
temperature dimana terjadi perubahan Ferrit menjadi Autenite
(Gamma) pada pemanasan. Garis A1 = garis temperature dimana terjadi
perubahan Austenite (Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan.
Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi
magnetic pada Cementid. Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi
transformasi magnetic pada Ferrite. c. Struktur mikro Ferrite ialah
suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan
Carbon 0,025%C pada temperatur 723oC, struktur kristalnya BCC (Body
Center Cubic) dan pada temperatur kamar mempunyai batas kelarutan
Carbon 0,008%C. Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai
batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperatur 1130oC,
struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic). Cementid ialah suatu
senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan
tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya
Orthohombic. Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma
dengan Cementid yang dibentuk pada temperatur 1130oC dengan
kandungan Carbon 4,3%C. Pearlite ialah campuran Eutectoid antara
Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723oC dengan
kandungan Carbon 0,83%C.
Gambar 3.2
Struktur mikro baja hypoeutectoid
3.2 Heat Treatment Proses laku panas (heat treatment) adalah
kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan
tertentu yang dilakukan terhadap material logam/paduan dalam
keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat
mekanis tertentu. Heat treatment dapat digunakan untuk melakukan
manipulasi sifat mekanik sesuai dengan kebutuhan/keperluan. Proses
laku panas yang sama pada material tertentu dimungkinkan
menghasilkan sifat yang berbeda jika proses pengerjaan
sebelum/sesudah juga berbeda.
Gambar 3.3
Daerah suhu pemanasan baja karbon
Proses heat treatment pada dasarnya terdiri dari beberapa
tahapan, dimulai dengan pemanasan hingga temperatur tertentu dan
diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, kemudian dilakukan
pendinginan dengan laju tertentu. Faktor yang membedakan suatu
proses heat treatment satu dengan yang lain dalam sifat mekanik
yang dihasilkan, diantaranya: - Tingginya temperatur pemanasan -
Lamanya waktu penahan (holding time) - Laju pendinginan. Selama
pemanasan yang dilakukan hingga mencapai daerah austenit, baja akan
mengalami transformasi fase dan terbentuk austenit. Dengan
memberikan holding time yang cukup, atomatom akan berdiffusi
menjadikan austenit homogen yang baru terbentuk. Pada proses
pendinginan, austenit akan bertransformasi kembali dan struktur
mikro yang terbentuk tergantung pada kecepatan pendinginan.
3.2.1 Hardening Proses pengerasan/hardening adalah proses
pengerasan baja dengan cara memberikan perlakuan panas pada kondisi
non-equilibrium untuk membentuk struktur martensit, dan pendinginan
secara cepat. Hardening dilakukan dengan memanaskan baja hingga
mencapai
temperatur austenit dan dipertahankan beberapa saat pada
temperatur tersebut, lalu didinginkan dengan cepat sehingga
diperoleh martensit yang keras. Kekerasan maksimum yang dicapai
dari proses hardening sangat tergantung pada kadar karbon, semakin
tinggi kadarnya maka kekerasan maksimum juga tinggi. Pada baja
dengan kadar karbon rendah, kenaikan kekerasan setelah hardening
hampir tidak berarti. Karena itu, pengerasan hanya dilakukan pada
baja dengan kadar karbon yang memadai (baja hypoeutectoid). Nilai
kekerasan yang diperoleh tidak akan naik apabila baja memiliki
kandungan karbon sebesar 0,4%. Pada suatu kondisi pemanasan, belum
tentu semua karbon dalam baja akan larut di dalam austenit,
tergantung juga pada temperatur pemanasan. Karena itu hasil
kekerasan proses hardening banyak tergantung pada tingginya
temperatur austenitising, homogenity dari austenit, laju
pendinginan/media pendinginan, kondisi permukaan, dan ukuran/berat
benda kerja serta hardenability dari baja tersebut. Temperatur
Austenitising Temperatur austenitising yang dianjurkan adalah 25-50
oC di atas temperatur kritis A3 untuk baja hypoeutectoid. Pemanasan
yang hanya sampai antara temperatur A1 dan A3 memang sudah
menghasilkan autenit, namun masih terdapat ferrit yang apabila
didinginkan baja akan tetap lunak. Apabila temperatur pemanasan
terlalu tinggi, maka kadar karbon di dalam austenit terlalu besar
sehingga banyak tersisa austenit yang tidak bertransformasi
(retained austenit). Hal ini membuat tidak tercapainya kekerasan
maksimum dan kemungkinan terjadinya distorsi/retak lebih besar.
Homogenity Austenit Pada pemanasan secara equilibrium akan
diperoleh struktur yang mempunyai komposisi yang homogen karena
pada pemanasan yang lambat ini atom-atom akan berdifusi secara
sempurna untuk mencapai keadaan homogen. Namun, jika austenit
didinginkan cepat (quenching) maka diperoleh martensit dengan
kekerasan yang berbeda (tergantung dengan kadar karbon). Pada baja
hypoeutectoid, saat pemanasan mencapai suhu kritis bawah maka
perlit mulai bertransformasi menjadi austenit dengan karbon sekitar
0,8%. Pada suhu lebih tinggi, ferrit juga menjadi austenit yang
juga masih terkandung sedikit karbon. Ketika suhu mencapai
temperatur kritis atas tentu masih ada austenit dengan komposisi
berbeda satu sama lain. Apabila
selanjutnya dilakukan quench maka didapatkan martensit dengan
kadar karbon berbeda, bahkan mungkin ada austenit yang tidak
menjadi martensit. Untuk membuat austenit lebih homogen diperlukan
holding time yang cukup saat pemanasan berlangsung. Waktu penahanan
temperatur ini tergantung pada laju pemanasan, semakin tinggi laju
pemanasan maka holding time semakin lama harus diberikan. Laju
Pendinginan Untuk mendapatkan struktur yang sepenuhnya martensitik
maka laju pendinginan harus mencapai laju pendinginan kritis
(Critical Cooling Rate/CCR). Jika laju pendinginan kurang dari CCR
mengakibatkan sebagian austenit tidak bertransformasi menjasi
martensit namun struktur lain, sehingga kekerasan maksimum tidak
didapatkan. Laju pendinginan tergantung pada beberapa faktor,
antara lain: Jenis media pendinginan (kalor jenis, konduktifitas,
dll) Temperatur media pendingin Sirkulasi pada media pendingin
Gambar 3.4
Kurva laju pendinginan spesimen stainless steel (dia. &
panjang 0,5in)
Keterangan : - Brine (air + 10 % garam dapur) - Air - Salt bath
(garam dipanaskan hingga mencair) - Larutan minyak dalam air
- Minyak - Udara
Kondisi Permukaan Apabila baja berhubungan dengan atmosfer yang
oxydising karena adanya uap, air,
ataupun oksigen di dalam dapur pemanas maka dimungkinkan
terbentuk lapisan kulit yang terdiri dari oksid besi, biasa disebut
scale/terak. Terak dengan tebal 0,005in akan menghambat laju
pendinginan sehingga tidak tercapainya CCR. Selain itu, terak
cenderung pecah dan terlepas sehingga laju pendinginan di permukaan
benda kerja tidak merata. Ukuran dan Berat Benda Kerja Permukaan
benda kerja mengalami kontak langsung dengan media pendingin, maka
rasio luas permukaan dengan berat benda kerja menjadi faktor
penting dalam menentukan laju pendinginan. Rasio yang besar
menjadikan laju pendinginan berlangsung cepat. Pada bentuk benda
kerja yang sama, dengan ukuran yang lebih besar akan memperkecil
rasio luas permukaan per berat. Maka, laju pendinginan akan lebih
rendah pada jenis media pendinginan yang sama. Benda kerja yang
lebih kecil lebih mudah dalam pembentukan martensit. Hardenability
Hardenability merupakan sifat kemampuan baja yang menggambarkan
mudah tidaknya suatu baja tersebut dikeraskan dengan membentuk
struktur mikro martensit melalui proses perlakuan panas.
Hardenability biasanya dikaitkan dengan ketebalan lapisan benda
kerja pada penampangnya. Misalnya, baja AISI D2 dengan hardness
penetration yang dalam mempunyai hardenability yang tinggi,
seangkan AISI W1 hardenability rendah. Hardenability ditentukan
oleh letak kurva awal transformasinya pada CCT diagram. Semakin
kurva awal transformasinya ke kanan maka hardenability baja
tersebut semakin tinggi. Jadi, hardenability baja sangat
dipengaruhi oleh komposisi kimia dan austenitic grain size saat
pemanasan. 3.2.2 Quenching Proses quenching adalah suatu proses
pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen.
Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit perlu waktu
pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut
dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan
pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja.
Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak
sempat berubah menjadi ferrit atau perlit karena tidak ada
kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit
untuk mengadakan pergerakan diffusi dan bentuk sementit oleh karena
itu terjadi fase lalu yang mertensit, imi berupa fase yang sangat
keras dan bergantung pada keadaan karbon. 3.2.3 Tempering Tempering
adalah proses laku panas yang dilakukan dengan memanaskan kembali
baja yang telah mengalami pengerasan (hardening) hingga mencapai
temperatur di bawah austenisasi dan menahannya selama 15 menit lalu
didinginkan. Baja yang telah mengalami proses hardening menjadi
martensit umumnya bersifat sangat keras namun juga getas. Dengan
proses tempering maka sifat keuletan baja hasil hardening dapat
diperbaiki meskipun kekerasannya menurun. Selain itu, tempering
mampu menghilangkan/mengurangi tegangan sisa (residual stress) dan
sebagai peningkatan usia pakai dari material. Dengan pemanasan
kembali ini, martensit yang merupakan struktur metastabil yang
berupa larutan padat supersaturated dimana karbon terperangkap
dalam struktur BCT (Body Centered Tetragonal) akan mulai
mengeluarkan karbon yang berpresipitasi sebagai karbida besi dan
BCT berangsur menjadi BCC (Body Centered Cubic/besi alpha ferrit).
Dengan keluarnya karbon maka tegangan di dalam struktur BCT akan
berkurang sehingga kekerasan menurun. Turunnya kekerasan ini
semakin banyak jika temperatur pemanasan semakin tinggi dan atau
holding time yang lama.
Gambar 3.5
Struktur kristal BCT dan BCC
Turunnya kekerasan dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu
temperatur tempering dan holding time. Proses tempering dilakukan
pada temperatur 500-600oC, dengan temperatur tersebut maka akan
memberikan penurunan kekerasan hingga sesuai dengan spesifikasi
produk. Peningkatan temperatur kali ini tanpa diikuti variasi
holding time karena hanya memberikan sedikit pengaruh terhadap
perubahan sifat mekanik. Waktu tempering lebih dari satu jam dirasa
cukup lama dan dapat menimbulkan kerugian apabila material tersebut
berada pada sistem di industri. Hal ini
dikarenakan bahwa dengan temperatur yang tinggi maka atom-atom
logam memiliki energi tinggi, sehingga atom-atom tersebut akan
bergerak bebas dan cenderung menuju pada keadaan yang lebih stabil.
Selain itu, dari distribusi kekerasan yang dihasilkan didapatkan
bahwa distribusi kekerasan lebih homogen dibandingkan dengan
sebelumnya.
3.3 Proses Produksi Proses produksi yang pertama dilakukan
adalah pembuatan pola/matrass berdasarkan material VCL. Material
VCL terkandung komposisi: 0,4-0,5%C; 0,3-0,4%Si; 0,6-0,8%Mn; 0,04%P
max; 0,04%S max; 0,8-1,2%Cr; dan 0,15-0,35% Mo, sehingga material
tersebut dapat diekivalensikan dengan AISI 4140 berdasarkan tabel
12.1. Pola ini nantinya tidak akan menghasilkan benda kerja yang
sama dengan ukuran head shaft sprocket, melainkan akan menyimpang
baik ukuran maupun bentuknya. Hal ini dikarenakan pola memberikan
kompensasi untuk terjadi penyusutan hasil coran sebesar 2%. Pola
dibentuk dari kayu triplek dengan dimensi sesuai dengan gambar pada
OK dan ditambahi lapisan dempul pada permukaan terluar.
Hasil pengecoran nantinya akan terdapat lubang untuk penempatan
poros dan lubang pasak, sehingga diperlukan inti untuk mencegah
pengisian logam cair bagian suatu produk yang diinginkan berongga.
Seperti cetakan, inti harus kuat, permeabilitas baik, tahan panas,
dan tidak mudah hancur (tidak rapuh) sehingga inti dibuat dari
pasir cetakan atau biasa disebut inti pasir
basah. Agar inti tidak mudah bergeser dan terapung saat
penuangan logam cair, diperlukan penahan core/dudukan dan pengikat
yang juga berfungsi sebagai pemberat. Untuk membuat pasir cetak
selain dibutuhkan pasir silica juga pengikat dan air. Ketiga bahan
tersebut diaduk pada mesin sand mixer dengan waktu selama 3 menit
dan siap dipakai sebagai bahan pembuat cetakan. Jenis pasir silica
curah (basah) yang digunakan memiliki ukuran mesh 30-60 dan untuk
pasir silica kering memiliki ukuran mesh 30-40. Antara pasir kering
dan basah dicampur berbanding 50% dan ditambahkan waterglass
berbanding 6-8% dari total kg pasir. Cetakan ini sebelum dituangkan
logam cair, terlebih dahulu permukaan dalam cetakan dipanaskan atau
pengerasan cetakan dengan CO2. Pembuat cetakan head shaft sprocket
menggunakan tangan.
Gambar 3.6
Mesin sand mixer
Proses peleburan baja dilakukan pada mesin induction casting.
Pada dapur induksi ini dibuat tertutup rapat sehingga atmosfer di
atas permukaan cairan dapat diatur dengan mudah, apakah diisi
dengan gas yang netral (gas mulia); oksigen; ataupun vakum,
sehingga gas-gas yang terlarut akan ditarik keluar dari dalam
baja.
Gambar 3.7
Induction casting machine
Pemindahan logam cair dari dapur peleburan ke cetakan dapat
dilakukan dengan krusibel dan ladle (lebih umum digunakan) seperti
dapat dilihat dalam gambar di bawah ini.
Gambar 3.8 Jenis ladle (a) ladle kran ; (b) ladle dua orang
Penuangan dengan memiringkan perlahan-lahan sehingga cairan baja
akan tertuang masuk ke dalam ladle. Di dalam ladle biasanya
dilakukan skimming (slag dikeluarkan secara manual oleh satu batang
besi yang ujungnya diberi kayu memanjang) untuk membersihkan terak
dari permukaan baja cair. Proses pengecoran dilakukan pada cetakan
yang telah terdapat inti beserta pengikatnya. Besi tuang cair
diambil dari dapur induksi menggunakan ladle dengan temperature
tapping 1500-1520C sedangkan temperatur penuangan besi tuang ke
dalam cetakan berkisar 1490-1500C. Hal ini dimaksudkan agar logam
cair yang masih dalam keadaan cair tidak diinginkan menjadi solid
pada saat pemindahan ke dalam cetakan melalui ladle. Proses
pendinginan dalam cetakan diperlukan waktu lebih dari 2-3 hari.
Gambar 3.9 Penuangan logam cair ke cetakan
Gambar 3.10
Cetakan head shaft sprocket
Cetakan yang digunakan pengecoran besi tuang dalam pembuatan
head shaft sprocket merupakan cetakan habis pakai (expendable mold)
yang hanya dapat digunakan untuk sekali pakai, sehingga cetakan ini
harus dirusak untuk mengeluarkan logam hasil pengecoran. Proses ini
dilakukan dengan cara mengoyak / memberi goncangan pada produk
hasil pengecoran. Proses shake out ini dilakukan secara manual,
yaitu dengan menggunakan mesin jig hammer. Untuk proses finishing
dilakukan grinding untuk meratakan dan membersihkan permukaan hasil
coran yang tidak rata serta pemotongan bekas riser serta hasil
coran lainnya yang tidak dibutuhkan. Benda/produk dikirim ke Divisi
Machinery guna proses produksi lebih lanjut. Setelah head shaft
sprocket diproses hingga finishing di Div. Pengecoran, produk
tersebut akan dikirim ke Workshop Head Staff sesuai dengan jumlah
piece pada surat OK. Setiap piece produk tersebut memiliki angka
kekerasan yang berbeda dikarenakan waktu penuangan logam cairan
tidak bersamaan. Selain itu, pembuatan cetakan yang relatif tidak
sama satu sama lain. Sehingga pada proses permesinan terdapat waktu
pengerjaan yang berbeda-beda. Proses awal machinery dimulai dari
pengurangan penampang permukaan head shaft sprocket dengan tebal
5mm menggunakan mesin bubut konvensional. Saat proses ini ada
kalanya ditemukan cavity (cacat yang terjadi akibat adanya
gelembung-gelembung udara saat proses penuangan). Jika masih
terdapat cacat di permukaan yang di-machining maka perlu dilakukan
repair. Proses permesinan selanjutnya adalah pembuatan lubang
spey/pasak sesuai dengan gambar menggunakan mesin stick. Proses
grinding juga dilakukan guna meratakan permukaan tooth dengan
maksud agar proses selanjutnya dapat berlangsung secara sempurna.
Proses surface hardening akan dilakukan pada produk yang telah
sesuai dengan gambar kerja pada OK. Surface hardening diperlakukan
pada seluruh permukaan tooth dengan menggunakan brander las (gas
oksigen dan asetilin) nyala carburazy. Timing treatment ini
dilakukan berdasarkan material dan angka kekerasan yang dibutuhkan
(190-250 HBN). Berdasarkan praktek di lapangan diperlukan waktu
selama 2 3 menit pada temperatur 300 450 oC per tooth. Setelah itu,
tooth yang telah disepuh langsung didinginkan pada media air.
Ketebalan lapisan yang terbentuk sekitar 0,1-0,25 mm pada permukaan
tooth.
Gambar 3.11
Flame hardening
Management kualitas yang dilakukan untuk surface hardening dan
quenching adalah dengan melakukan test hardness. Uji tingkat
kekerasan ini menggunakan metode tekan dengan alat hardness tester.
Apabila nilai kekerasan produk belum sesuai dengan OK maka
dilakukan hardening dan quenching hingga didapatkan 190-250HBN.
Proses ulang ini hanya dapat dilakukan sebanyak dua kali untuk
mengantisipasi terjadinya crack/keretakan pada produk. Jika produk
telah mengalami hardening dan quenching sebanyak dua kali tetapi
angka kekerasan masih belum terpenuhi, maka produk tersebut akan
dilimpahkan ke Div. Pengecoran untuk dilakukan pengecoran kembali.
Proses finishing menggunakan mesin grinding poles dan dilakukan
kontrol kualitas secara keseluruhan pada produk berdasarkan OK.
Gambar 3.12
Head shaft sprocket
Gambar 3.13
Hardness tester
start
produk hasil foundry proses fondry marking
bubut & pembuatan spy untuk pasak
repair
Tidak QC dimensi Sesuai surface harden ability pimpinan
QC/Manager produksi (decision maker) ya solutio Tes HRC?sesuai
Tidak sesuai
bad defect
ya
NCR (non conforming report) by QC
ada
Tidak sesuai
