Pengaruh Temperatur pada Pack Carburizing Menggunakan Campuran Arang Tempurung Kelapa dan Arang Bambu terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro Baja EMS 45
Muhammad Rizki Ramadhan * , Sunyoto Jurusan Teknik mesin, Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran Gunungpati Semarang 50229
* E-mail: rizkiramadhan.pendidikanteknikmesin.08@students.unnes.ac.id
Diajukan: 23-03-2022; Direvisi: 20-12-2022; Dipublikasi: 23-12-2022

## Abstrak
Penggunaan  suku  cadang  imitasi  yang  berakibat  pada  kegagalan  suku  cadang  masih  sering  terjadi  dengan penerapannya  masih  menggunakan  baja  karbon  rendah,  sehingga  dapat  mengakibatkan  terjadinya  keausan  dan penurunan  kualitas  kekerasan  pada  permukaan  baja.  Untuk  mengatasi  permasalahan  tersebut  dapat  melalui  metode pack  carburizing .  Pada  metode pack  carburizing dapat  menggunakan  beberapa  parameter  untuk  mengeraskan permukaan  baja,  salah  satunya  adalah  penggunaan  variasi  temperatur  untuk  mengetahui  proses  terjadinya  karbon terdifusi pada permukaan baja menjadi keras. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui nilai kekerasan dan struktur mikro  yang  dihasilkan  melalui pack  carburizing dengan  variasi  temperatur  pada  perpaduan  Arang  Tempurung Kelapa  dan  Arang  Bambu  sebagai  karbon  aktif  dalam  mengeraskan  permukaan  baja  EMS  45  sebagai  baja  karbon sedang.  Penelitian ini menggunakan metode eksperimental dengan cara memvariasikan temperatur yang digunakan dalam  proses  ini  sebesar  870 0 C,  915 0 C,  dan  960 0 C  dari raw  material selama  120  menit  untuk  diketahui  hasil  nilai kekerasan,  dan  stuktur  mikro.  Hasil  yang  didapatkan  pada  proses  tersebut  menunjukkan  nilai  kekerasan  tertinggi yang diperoleh pada suhu 960 0 C sebesar 249,57 kg/mm 2 dari raw material sebesar 221,70 kg/mm 2 .  Sedangkan pada pengujian struktur  mikro terjadi perubahan struktur ferrite menjadi struktur pearlite yang cukup signifikan, dengan suhu  960 0 C  menghasilkan  struktur pearlite lebih  mendominasi  daripada raw  material yang  menghasilkan  struktur ferrite. Dengan  demikian  semakin  tinggi  temperatur  yang  digunakan  pada  metode pack  carburizing ,  maka  nilai kekerasan  pada  permukaan  baja  semakin  tinggi,  dan  struktur  mikro  yang  dihasilkan  lebih  mendominasi  struktur pearlite sebagai unsur keras daripada ferrite sebagai unsur lunak.
Kata kunci: EMS 45; Kekerasan; Pack Carburizing ; Struktur Mikro.

## Abstract
The  utilization  of  impersonation  spare  parts  which  brings  about  disappointment  of  extra  parts  still  frequently happens with the use of low carbon steel, which can bring about mileage and a lessening in the nature of hardness on the steel surface. To conquer these issues  should be possible through the pack carburizing technique. The pack carburizing  technique  can  utilize  a  few  boundaries  to  solidify  the  steel  surface,  one  of  which  is  the  utilization  of temperature varieties to decide the interaction by which carbon diffuses on the steel surface to solidify. This study plans  to  decide  the  hardness  esteem  and  microstructure  created  through  carburizing  loads  with  temperature varieties in a combination of Coconut Shell Charcoal and Bamboo Charcoal as dynamic carbon in solidifying the outer layer of EMS 45 steel as a medium carbon steel. This study utilized an exploratory strategy by fluctuating the temperature utilized in this cycle by 870 0 C, 915 0 C and 960 0 C from natural substance for 120 minutes to decide the hardness  esteem  and  microstructure  results.  The  outcomes  got  in  this  cycle  show  the  most  noteworthy  hardness esteem  acquired  at  960 0 C  of  249,57  kg/mm 2 from  unrefined  substance  of  221,70  kg/mm 2 .  In  the  mean  time,  in  the microstructure test, there was a tremendous change in the ferrite design to a pearlite structure, with a temperature of 960 0 C bringing about a more ruling pearlite structure than the natural substance which delivers a ferrite structure. In this manner the higher the temperature utilized in the pack carburizing technique, the higher the hardness esteem on the steel surface, and the subsequent microstructure overwhelms the construction of pearlite as a hard component as opposed to ferrite as a delicate component.
Keywords: EMS 45; Hardness; Pack Carburizing; Microstructure.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan  pada  industri  otomotif  yang  tidak  dipisahkan  dalam  menunjang  mobilitas  masyarakat  sehari-hari.    Hal ini akan berimbas pada permintaan suku cadang semakin tinggi dan berpengaruh pada industri otomotif dengan jumlah suku  cadang  yang  dikeluarkan  tidak  terbatas  oleh  pabrikan,  namun  banyaknya  konsumen  lebih  menggunakan  suku
cadang  imitasi  karna  harganya  lebih  murah  dan  terjangkau  [1].  Hal  ini  menyebabkan  kegagalan  suku  cadang  masih sering terjadi dan penerapannya lebih diterapkan pada baja karbon rendah, sehingga tidak cukup kuat menahan beban berat, seperti: erosi, keausan, dan terjadi penurunan kualitas kekerasan pada permukaan baja [2].
Untuk  memenuhi  permintaan  suku  cadang  yang  berkualitas,  dan  memperoleh  material  dengan  sifat  tersebut  dapat dilakukan proses surface hardening melalui proses pack carburizing [3]. Pemilihan pack carburizing dapat dilakukan, karna  merupakan  metode  karburisasi  paling  sederhana  dengan  menggunakan  serbuk  arang  sebagai  penambah  unsur karbon melalui proses perlakuan panas yang mengakibatkan terjadi pelarutan karbon pada permukaan baja antara 0,3% - 0,9% diatas temperatur austenit [4,5]. Faktor yang dapat mempengaruhi hasil pack carburizing adalah temperatur dan waktu  penahanan  [6].  Adapun  penelitian  yang  digunakan  menggunakan  variasi  temperatur,  karna  proses  ini  dapat mengakibatkan  difusi  karbon  melalui  pembentukan austenit pada  permukaan  baja,  sehingga  permukaan  tersebut menjadi  keras  maupun  solid    [7,3].  Oleh  karena  itu,  temperatur carburizing yang  lebih  tinggi  berperan  dalam meningkatkan  permukaan  baja  menjadi  keras  [2].    Hal  ini  didukung  oleh  beberapa  peneliti  terdahulu  yang  sudah melaksanakan penelitian terhadap temperatur dalam pengerasan permukaan baja. Menurut Chowwanonthapunya, et al. tentang Study  on  carburized  steel  used  in  maritime  industry:  The  influences  of  carburizing  temperature ,  kesimpulan yang  didapatkan  adalah  proses carburizing melalui  variasi  temperatur  dapat  meningkatkan  kekerasan  baja  [2]. Kemudian pada penelitian Lee, et al. dengan judul Effects of the surface temperature and cooling rate on the residual stresses in a flame hardening of 12Cr steel dengan hasil yang didapatkan adalah proses temperatur pemrosesan optimal yang  diperlukan  untuk  menghilangkan  tegangan  sisa  dan  mendapatkan  nilai  kekerasan  yang  diinginkan  dapat ditemukan dalam kisaran 870–960 0 C berdasarkan spesifikasi teknik tenaga GE [8].
Salah  satu  jenis  baja  yang  digunakan  dalam  metode pack  carburizing berjenis  baja  karbon  sedang,  karna  baja tersebut  memiliki  sifat  mekanis    yang  memungkinkan  baja  untuk  dapat  dikeraskan  dengan  memberikan  perlakuan panas,  terutama  pada  baja  EMS  ( Engineering  Mild  Steel )  45  karna  bahan  tersebut    lebih  mudah  dikerjakan  dengan menggunakan  mesin  perkakas,  dan  cukup  menahan  keausan  sehingga  lebih  banyak  digunakan  pada  dunia  industri [9,10]. Dengan demikian penggunaan baja EMS 45 dapat digunakan dalam metode pack carburizing .
Pemilihan  arang  sebagai  unsur  karbon  dapat  menggunakan  arang  tempurung  kelapa  dan  arang  bambu  melalui metode pack carburizing karna arang tempurung kelapa  memiliki kelebihan pada ketersediaan bahan baku  yang lebih mudah  didapatkan  namun,  hasil  pembakarannya  lebih  lama  sehingga  belum  memiliki  daya  serap  yang  optimal. Sedangkan  pada  arang  bambu  lebih  mudah  terurai  menjadi  karbon  aktif,  sehingga  mampu  berdifusi  lebih  cepat    ke permukaan baja, yang berakibat pada nilai kekerasan semakin tinggi  [11,12].
Pada  penggunaan  arang  tanpa  mencampurkan activator/energizer/ katalis  berbahan  kimia  dapat  terjadi  karburisasi, karna  temperatur  tinggi  mula-mula  karbon  teroksidasi  oleh  udara  yang  terperangkap  kedalam  kotak  menjadi  CO 2 dengan reaksi karbon [13]. Banyaknya karbon aktif pada arang yang digunakan melalui metode pack carburizing , dapat mengakibatkan nilai kekerasan pada permukaan baja semakin meningkat  [14]. Dengan demikian pengaruh temperatur dalam proses pack carburizing dapat dilakukan tanpa harus mencampurkan arang dengan katalis, dan penelitian dengan menggunakan  campuran  arang  belum  banyak  dilakukan  oleh  peneliti  sebelumnya.  Berdasarkan  pembahasan  diatas, perlu dilakukan penelitian lanjut pada proses pengaruh temperatur menggunakan campuran Arang Tempurung Kelapa dan  Arang  Bambu  baja  EMS  45  yang  berguna  untuk  mengetahui  efek  dari  hasil  nilai  kekerasan  dan  struktur  mikro setelah melalui metode pack carburizing . Hal ini bertujuan untuk mengetahui nilai kekerasan dan struktur mikro yang dihasilkan  melalui pack  carburizing dengan  perpaduan  arang  sebagai  unsur  karbon  aktif  dalam  mengeraskan permukaan baja.
2. Metodologi
2.1. Material
Material  pada  penelitian  ini  menggunakan  baja  karbon  sedang  berjenis  baja  EMS  45  berbentuk silindris dengan diameter  awal  30  mm  dan  panjang  500  mm,  dan  dipotong  untuk  dilakukan  proses  pengujian  komposisi    pada  tabel 1 sebagai berikut:

## Tabel.  1. Komposisi Baja EMS 45
Material /Wire Presentase (%) C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al V EMS 45 0,47 23 0,22
03
0,69 23 0,01 07 0,00 93 0,04 73 0,11 30 0,00 40 0,00 40 0,00 00 0,00 00

## 2.2. Metodologi
Pada  penelitian  ini  menggunakan  metode  eksperimen  yang  bertujuan  untuk  meneliti  hubungan  sebab  akibat dengan  cara  memanipulasikan  satu  atau  lebih  variabel  pada  satu  (atau  lebih)  kelompok  eksperimental,  dan membandingkan hasilnya dengan kelompok kontrol yang tidak mengalami manipulasi  [15]. Proses penelitian ini dapat dijelaskan melalui beberapa tahapan, antara lain:

## A. Pembuatan spesimen
Lakukan  proses  pembuatan  spesimen  dengan  cara  pembubutan  secara silindris dengan  dimensi  pada    diameter sebesar 24 mm, dan panjang sebesar 15 mm menjadi beberapa spesimen benda kerja seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Spesimen benda kerja

## B. Proses pack carburizing
Setelah  pembuatan  spesimen,  tahap  selanjutnya  adalah  melakukan  proses pack  carburizing dengan  cara menggiling  arang  tempurung  kelapa  dan  arang  bambu  menjadi  serbuk  sebesar  100 mesh .  Lakukan  pengisian  arang
terhadap spesimen pada lapisan atas maupun bawah, dan atur jarak spesimen dengan dinding kotak yang ditutup secara rapat.  Kemudian  variasikan  temparatur  870 o C,  915 o C,  dan  960 o C  dengan  waktu  120  menit,  dan  lakukan  pendinginan secara lambat selama 3 hari pada laju pemanas sebesar 5 o C/menit seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Proses pack carburizing .

## C. Pengujian Kekerasan dan Struktur Mikro
Ketika  proses pack  carburizing sudah  selesai,  dapat  dilakukan  pengujian  kekerasan  maupun    pengujian  struktur mikro untuk mengetahui nilai kekerasan dan fasa yang dihasilkan pada baja EMS 45. Pada proses pengujian kekerasan menggunakan ASTM E-384 dengan gaya pembebanan awal sebesar 100 gf, dan di konversi menjadi 0,1 kgf (Kg/mm 2 ) yang dapat ditunjukkan pada persamaan berikut:
Penentuan d rata-rata (µm) dalam persamaan [1] dapat dijelaskan sebagai berikut:
D (1) Penentuan nilai kekerasan vickers (HVN) dalam persamaan [2] dan [3] dapat dijelaskan sebagai berikut:
HVN (2) HVN = 1,854 (3)
Keterangan: HVN sebagai satuan nilai kekerasan vickers/Hardness Vickers Number (Kg/mm 2 ). D sebagai diagonal rata- rata yang didapatkan dari hasil penjumlahan antara d 1 dengan d 2 dibagi 2 dalam satuan (mm).  d 1 sebagai hasil diagonal 1  yang  didapatkan  dari  pengujian  indentasi  secara  horizontal  dalam  satuan  (µm).    d 2 sebagai  hasil  diagonal  2  yang didapatkan  dari  pengujian  indentasi  secara  vertikal  dalam  satuan  (µm).  P  sebagai  beban  indentasi  yang  diterapkan dalam  satuan  (gf  –  Kgf). 𝜃 sebagai  sudut  puncak  indentasi  berbentuk  piramida  sebesar  136 o .  1,854  sebagai  nilai
konstanta  yang  didapatkan  dari  2  kali  beban  indentasi  dan  dikalikan  dengan  sinta  dari  hasil  sudut  puncak  indentasi dibagi 2. Sedangkan, pada pengujian struktur mikro dapat menggunakan perbesaran 200 x untuk mengetahui fasa-fasa pada baja yang meliputi: Austenite, Ferrite, Pearlite, Bainite, Martensite, Sementite.

## 3. Hasil dan pembahasan

## 3.1. Kekerasan
Adapun  pada  hasil  rata-rata  kekerasan pack  carburizing melalui  grafik  yang  dapat  dijelaskan  pada  Gambar  3 sebagai berikut.
Gambar 3 Grafik rata-rata nilai kekerasan vickers (HVN).
Berdasarkan  pada  gambar  3.  menjelaskan  bahwasanya  terjadi  peningkatan  hasil  kekerasan  setelah  melalui  proses pack carburizing dengan per-setiap variasi temperatur antara raw material terhadap variasi temperatur yang diberikan. Hasil  kekerasan vickers yang  didapatkan  pada raw  material sebesar  221,70  kg/mm 2 ,  sedangkan  temperatur  870 0 C mendapatkan    rata-rata  nilai  kekerasan vickers yang  didapatkan  sebesar  231,49  kg/mm 2 ,  kemudian  temperatur  915 0 C mendapatkan  rata-rata  nilai  kekerasan vickers yang  didapatkan  sebesar  244,66  kg/mm 2 ,  lalu  pada  temperatur  960 0 C mendapatkan    rata-rata  nilai  kekerasan vickers yang  didapatkan  sebesar  249,57  kg/mm 2 .  Peningkatan  nilai  kekerasan didukung  teori  yang  menyatakan  bahwa  dengan  meningkatnya  temperatur pack  carburizing maka  atom  karbon  (yang berasal dari carburizer ) akan semakin mudah untuk berdifusi ke permukaan baja, karena pada kondisi tersebut tingkat kelarutan  baja  dalam  bentuk  larutan austenit semakin  tinggi    [6]  .  Dengan  demikian  semakin  tinggi  temperatur  yang diberikan melalui metode pack carburizing , maka nilai kekerasan permukaan pada baja akan semakin keras.
3.2. Struktur Mikro.
Adapun hasil pengujian struktur mikro pada pack carburizing melalui gambar foto dapat dijelaskan pada Gambar 4. Berdasarkan pada Gambar 4, menjelaskan bahwa pada raw material memiliki struktur ferrite (berwarna putih) lebih mendominasi  daripada  struktur pearlite (berwarna  hitam),  temperatur  870 0 C  terdapat  struktur pearlite yang  mulai terbentuk  (berwarna  hitam)  walaupun  struktur ferrite (berwarna  putih)  masih  mendominasi  daripada  struktur pearlite (berwarna  hitam),  temperatur  915 0 C  menghasilkan  struktur pearlite (berwarna  hitam)  yang  sebagian  besar  mulai mendominasi spesimen daripada struktur ferrite (berwarna putih), dan temperatur 960 0 C memperoleh struktur pearlite
(berwarna  hitam)  mendominasi  lebih  banyak  daripada  struktur ferrite (berwarna  putih).  Dengan  demikian  semakin tinggi  temperatur  pada pack  carburizing ,  maka  struktur pearlite mulai  mendominasi  daripada  struktur ferrite .  Hal  ini didukung  oleh  penelitian  sebelumnya  yang  menyatakan  bahwa pearlite mempunyai  sifat  lebih  keras  dibandingkan ferrite yang menempati posisi tidak teratur [16].
raw material Temperatur 870 o C Temperatur 915 o C Temperatur 960 0 C
Gambar 4. Gambar foto struktur mikro

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil dan pembahasan yang telah dilakukan, pada nilai kekerasan terdapat pengaruh temperatur yang dihasilkan  setelah  melalui  metode pack  carburizing dengan  variasi  sebesar  870 0 C,  915 0 C,  dan  960 0 C  serta  dapat disimpulkan  bahwa  kekerasan  tertinggi  diperoleh  pada  suhu pack  carburizing 960 0 C  sebesar  249,57  kg/mm 2 yang disebabkan oleh temperatur berada diatas austenit dapat mengakibatkan terjadinya  difusi karbon kedalam permukaan baja,  sehingga  mampu  dikeraskan.  Sedangkan  pada  pengujian  struktur  mikro  terdapat  pengaruh  temperatur  yang dihasilkan setelah melalui metode pack carburizing berupa gambar foto mikro pada suhu 870 0 C menghasilkan struktur pearlite mulai  terbentuk,  pada  suhu  915 o C  menghasilkan  sebagian  besar  struktur pearlite ,  dan  pada  suhu  960 o C memperoleh  struktur pearlite (berwarna  hitam)  lebih  banyak  terhadap raw  material yang  memiliki  struktur ferrite (berwarna putih). Dengan demikian semakin tinggi temperatur yang digunakan melalui metode pack carburizing , maka terjadi perubahan dari struktur ferrite menjadi struktur pearlite pada permukaan baja.

## Daftar Pustaka
[1] Wibowo,  A.  T.,  Achmad,  K.  S.  Pengaruh  Proses Quenching Dengan  Media  Pendingin  Air  Dan  Oli  Terhadap Kekerasan Baja Dan Struktur Mikro.  Jurnal Tugas Akhir Mahasiswa " ROTARY". 2020, 2(2): p. 137-148.
[2] Chowwanonthapunya,  T.,  Xin,  M.,  Chaiyawat,  P. Study  on  carburized  steel  used  in  maritime  industry:  The influences of carburizing temperature. Maritime Technology and Research. 2020, 2(1): p. 33-39.
[3] Ramlan.,  Amin,  B.  Efek  Variasi  Suhu Pack  Carburizing Baja  St  41  terhadap  Kekerasan  dan  Kekuatan  Impak. Journal of Technical Engineering. 2020, 4(1): p. 34–37.
[4] Panjaitan, A..  Pengaruh Bahan Baku Arang Aktif  Pada Proses Carburizing Terhadap Sifat Mekanis Baja Bohler EMS-45 Untuk Center Dead Mesin Bubut Konvensional. Jurnal Ilmiah "MEKANIK" Teknik Mesin ITM. 2015, 1(2): p. 88–97.
[5] Fahreza,  M.  I..,  Fakhriza.  Hamdani.  Analisa  Pengaruh  Waktu  Penahanan  Terhadap  Nilai  Kekerasan  Baja  AISI 1050 Dengan Metode Pack Carburizing . Jurnal Mesin Sains Terapan. 2017, 1(1): p. 52–56.
[6] Suarsana,  K.  Cok,  I.  P.  K.,  Astika,  I.  M.,  Pengaruh  Perlakuan  Temperatur  dan  Waktu  Penahanan Pack Carburizing Terhadap Umur Lelah Baja St 42. Jurnal Energi dan Manufaktur. 2018,  11(1): p. 21-24.
[7] Gunawan,  E.  Analisa  Pengaruh  Temperatur  Terhadap  Sifat  Mekanis  Dan  Struktur  Mikro  Pada  Baja  Karbon Rendah (St 41) Dengan Metode Pack Carbirizing . Engineering and Sains Journal. 2017, 1(2): p. 117-124.
[8] Chowwanonthapunya,  T.,  Xin,  M.,  Chaiyawat,  P. Study  on  carburized  steel  used  in  maritime  industry:  The influences of carburizing temperature. Maritime Technology and Research. 2020, 2(1): p. 33-39.
[8] Lee,  M.  K.,  G.  H.  Kim.,  K.  H.  Kim.,  W.  W.  Kim. Effects  of  the  surface  temperature  and  cooling  rate  on  the residual stresses in a flame hardening of 12 Cr steel . 2006, 176: p. 140–145.
[9] Nugroho,  E.,  Sulis  .  D.  H.,  Asroni.,  Wahidin.    Pengaruh  Temperatur  Dan  Media  Pendingin  Pada  Proses Heat Treatment Baja  AISI  1045  Terhadap  Kekerasan  Dan  Laju  Korosi.  Jurnal  Program  Studi  Teknik  Mesin  UM Metro. 2019, 8(1):  p. 99–110.
[10] Farokhi,  M.,  Wirawan  S.,  Rusiyato.,  Pengaruh  Kecepatan  Putar Spindle (Rpm)  Dan  Jenis  Sudut  Pahat  Pada Proses Pembubutan Terhadap Tingkat Kekasaran Benda Kerja Baja EMS 45. Sainteknol . 2017, 15(1): p. 85–94.
[11] Tahir, M., A., Pengaruh Variasi Komposisi Dan Ukuran Partikel Terhadap karakteristik Briket Kombinasi Arang Tempurung Kelapa Dengan Arang Bambu. Makassar: Universitas Islam Negeri Alauddin; 2019. P92.
[12] Saputro, D., Setiadi, G., Wibowo, S., Analisis Pengaruh Waktu Tahan ( Holding Time ) Terhadap Kekerasan Baja AISI 4140 Dengan Metode Pack Carburizing Media Arang Bambu. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin. 2019, 7(1):  p.
48–54.
[13] Nurhilal,  M.  Pengaruh Temperatur,  Holding  Time Proses Pack  Carburizing Baja  Karbon  Terhadap  Sifat  Fisik Dan Mekanik. Jurnal Teknologi. 2017, 10(2): p. 153–162.
[14] Sakura, R.. R., Suheni., Iskandar, D. D., Pengaruh Variasi Karbon Aktif  Dan Waktu Tahan Terhadap Kekerasan Material  JIS  G-3123  Menggunakan  Metode Pack  Carburizing ,  Rekayasa  Energi  Manufaktur  (REM)  Jurnal. 2017, 2(1):  p. 31-35.
[15] Payadnya,  I.  P.  A.  A.,  Jayantika,  I.  G.  A.  N.  T.,    Panduan  Penelitian  Eksperimen  Beserta  Analisis  Statistik
Dengan SPSS. Yogyakarta: Grup Penerbitan CV BUDI UTAMA; 2018. p 190.
[16] Kuswanto,  B.  Pengaruh  Perbedaan  Ukuran  Butir  Arang  Tempurung  Kelapa-Barium  Karbonat  Terhadap Peningkatan  Kekerasan  Permukaan  Material  Baja  ST  37  Dengan  Proses Pack  Carburizing .  Semarang: Universitas Diponegoro; 2010. P83.