Optimalisasi Ketangguhan dan Kekerasan Baja AISI 4340 pada Shank Holder Dovetail Cutter paska Proses Hardening dengan Minimasi Biaya Proses
Kristian Ismartaya 1,2 , Gabriel Bagus Karyadi 2 , Baju Bawono 1 , Paulus Wisnu Anggoro 1*
1 Departemen Teknik Industri, Universitas Atma Jaya Yogyakarta, Jalan Babarsari No.44, Yogyakarta 55281, Indonesia
2 Jurusan Rekayasa Teknologi Manufaktur, Politeknik ATMI Surakarta, Jalan Mojo No.1, Surakarta 57174, Indonesia
*E-mail : pauluswisnuanggoro@ymail.com
Diterima: 30-10-2022; Direvisi: 05-12-2022; Dipublikasi: 24-12-2022

## Abstrak
UMKM  bengkel  manufaktur  membuat Shank  Holder  Dovetail  Cutter berbahan  AISI  4340  secara  mandiri.  Nilai kekerasan pada Shank Holder Dovetail Cutter wajib dimiliki agar alat memiliki umur pakai panjang. Proses hardening menimbulkan dilema berupa resiko kerusakan pada area kritis shank holder , yaitu material pecah bila kekerasan terlalu tinggi  namun  ketangguhan  rendah,  atau  material  mengalami  deformasi  bila  kekerasan  rendah.  Diperlukan  analisis parameter proses hardening agar nilai kekerasan dan ketangguhan bahan maksimal, namun meminimalkan biaya proses hardening guna mendukung UMKM bengkel manufaktur. Penelitian bertujuan untuk 1) mengetahui parameter proses hardening yang berkontribusi terhadap nilai kekerasan dan ketangguhan, serta 2) menemukan kombinasi parameter proses  hardening  terbaik  yang  menghasilkan  nilai  kekerasan,  ketangguhan,  dan  biaya  proses  yang  optimal.  Desain eksperimen menggunakan metode Response Surface Method untuk optimalisasi respon dan analisis statistik ANOVA untuk mengidentifikasi kontribusi setiap parameter bagi variabel respon. Parameter suhu austenite, media quench, dan suhu  temper  menjadi  variabel  prediktor.  Hasil  pengujian  kekerasan  Rockwell-C  ASTM  E18  dan  uji  ketangguhan Impact Charpy V-notch E23 diterapkan sebagai variabel respon. Suhu temper merupakan parameter proses hardening yang secara signifikan mempengaruhi nilai kekerasan dan ketangguhan. Suhu temper memberikan kontribusi sebesar 87,44%  terhadap  respon  nilai  kekerasan,  serta  kontribusi  24,77%  dan  43,44%  terhadap  respon  nilai  ketangguhan. Kombinasi  parameter  suhu  austenite  871,76°C,  media quench air,  suhu  temper  200°C  memberikan  respon  optimal terbaik dengan nilai desirability 0,790; biaya proses Rp.42.586,58; nilai kekerasan 51,211 HRC; dan nilai ketangguhan 1,131 J/mm 2 .
Kata kunci: AISI 4340; ANOVA; Optimasi; Response Surface Method; Shank Holder

## Abstract
UMKM industrial manufacture independently makes Shank Holder Dovetail Cutter made of AISI 4340. Hardness value on Shank Holder Dovetail Cutter is mandatory, so that has a long service life. The hardening process poses a dilemma in the form of risk damage to the critical area of the shank holder. Tools will break because of high hardness, but low of toughness, or the material undergoes bad deformation if the hardness is low. It is necessary to analyze the hardening parameters  to  maximize  material  hardness  and  toughness  and  minimizing  cost  of  hardening  process  to  support manufacturing workshops. Research objectives are 1) to determine hardening parameters that contributed to hardness and toughness values and 2) to find the best combination parameters that produced optimal hardness, toughness, and process  cost  values.  The  experimental  design  uses  the  Response  Surface  Method  for  optimization  and  statistical analysis of ANOVA to identify the contribution of each parameter to every response variable. Parameters of austenite temperature, quench media, and tempering temperature became predictor variables. The results of  the  Rockwell-C ASTM E18 hardness test and Impact Charpy V-notch E23 toughness test was applied as response variables. Tempering temperature is a hardening parameter that significantly affects hardness and toughness values. Tempering temperature contributed 87.44% to response value, and contribution of 24.77% and 43.44% to toughness value. The combination of austenite temperature 871.76°C, water quench, and tempering temperature 200°C gave the best optimal response with  0.790  of  desirability  value;  process  cost  Rp.42,586.58;  hardness  value  51,211  HRC;  and  1.131  J/mm 2 of toughness value.
Keywords: AISI 4340; ANOVA; Optimization; Response Surface Method; Shank Holder

## 1. Pendahuluan
Frais merupakan pemesinan manufaktur untuk membentuk berbagai macam permukaan pada benda [1]. Proses frais berupa proses pemesinan dimana mata potong yang berputar melawan benda kerja  [2]. Variasi proses pemesinan frais
didukung  dengan  adanya  variasi  mesin  dan  alat  potong  frais,  salah  satunya cutter  mill  dovetail . Cutter  mill  dovetail digunakan untuk membentuk alur slot dengan kemiringan dinding tertentu, seperti ditunjukkan pada Gambar 1 . Sudut mata  potong  pada cutter  mill  dovetail pada  umumnya  45°,  50°,  55°,  60°,  dan  sudut  lain  tergantung  pada  desain peruntukannya [2]. Desain dengan sudut kemiringan mata potong tertentu menuntut diperlukannya shank holder khusus yang sesuai. Sudut kemiringan shank holder yang bervariasi menuntut UMKM bengkel manufaktur kerap membuat shank holder secara  mandiri  untuk  menekan  biaya  proses  produksi.  Contoh shank  holder khusus  buatan  UMKM  bengkel manufaktur ditampilkan pada Gambar 2 . Shank holder harus mampu menahan beban mekanik yang berasal dari gaya potong pada setiap mata potong saat proses pemesinan berlangsung [1]. Beban mekanik dari gaya potong berupa beban kejut impak yang berkorelasi dengan nilai ketangguhan material. Shank holder dituntut memiliki nilai kekerasan tinggi untuk  meminimalkan  keausan  atau  resiko  deformasi  dalam  masa  pemakaian.  Area  bertanda  merah  pada Gambar  2 menunjukkan  area kritis  berupa  alur slot dimana  beban  mekanik yang  besar  dapat  menyebabkan  kerusakan pada  area tersebut . Bila shank holder terlalu keras maka area tersebut berpotensi pecah, namun bila terlalu lunak maka area tersebut berpotensi mengalami deformasi. Dengan demikian, perancang perlu mendesain shank holder dengan peningkatan sifat mekanik berupa ketangguhan terhadap beban kejut impak serta sifat keras untuk meminimalkan deformasi dan keausan.
Sifat mekanik baja seperti keuletan, ketangguhan, kekuatan, kekerasan, dan kekuatan tarik dapat dimodifikasi dengan memberi proses heat treatment pada medium carbon steel sesuai dengan kebutuhan desain [3, 4, 5]. Hardening adalah metode pemanasan dan pendinginan dengan interval waktu yang berbeda untuk meningkatkan kekuatan mekanik baja [6, 7]. Baja AISI 4340 merupakan baja medium carbon steel yang digunakan sebagai bahan pembuat shank holder. Baja AISI 4340 digunakan di beberapa industri karena karakteristik ketangguhan dan ketahanan lelahnya  [8]. Permasalahan yang  terjadi  ialah  sifat  ketangguhan  bertolakbelakang  dengan  sifat  keras  pada  baja.  Peningkatan  nilai  kekerasan  dan kekuatan  tarik  akan  mengorbankan  nilai  ketangguhan  dan  keuletan  material  [3,  9],  dan  sebaliknya.  Dengan  demikian diperlukan  desain  parameter  proses hardening yang  mengoptimalkan  nilai  ketangguhan  dan  nilai  kekerasan  secara bersamaan.  Parameter  proses hardening yang  tepat  memberikan  kombinasi  kekuatan  mekanik  yang  lebih  baik  dalam aplikasi penggunaannya [9]. Kombinasi kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan baja memenuhi standar kekuatan mekanik yang diperlukan engineer di industri [5, 10].
Gambar 1. Proses kerja cutter mill dovetail [2] Gambar 2. Shank holder khusus buatan UMKM bengkel manufaktur
Penting  untuk  mengevaluasi  semua  parameter hardening seperti: austenite , quench ,  temper,  dll,  untuk  mencapai keseimbangan antara kekerasan dan sifat mekanik lain  [11]. Beberapa penelitian melibatkan parameter suhu austenite sebagai variabel prediktor. Kumar et al., 2019 [10] yang membandingkan metode high temperature thermomechanical treatment (HTMT), bake  hardening (BH),  dan conventionally  hardened  and  tempered (CHT)  dengan  menggunakan variasi suhu austenite serta uji kekerasan dan kekuatan tarik material sebagai variabel respon. Hasilnya metode HTMT
menghasilkan nilai kekerasan tertinggi dan metode CHT menghasilkan nilai ketangguhan tertinggi. Gurumurthy et al., 2018 [6] menerapkan 3 variasi suhu austenite (750°C, 770°C, dan 790°C), dilanjutkan dengan pengujian nilai kekerasan dan  kekuatan  tarik  terbaik.  Hasil  penelitian  menunjukkan  suhu austenite tinggi  menghasilkan  nilai  kekerasan  dan kekuatan  yang  tinggi.  Sedangkan  penelitian  Gurumurthy  et  al.,  2021  [4]  menggunakan  variasi  temperatur yang  sama, pengujian  kekerasan  dan  tarik,  namun  diterapkan  pada  baja  AISI  4340,  AISI  4140,  dan  AISI  1040.  Hasil  pengujian menunjukkan bahwa suhu austenite yang tinggi menghasilkan nilai kekerasan dan kekuatan tarik lebih tinggi. Baja AISI 4340 menunjukkan hasil pengerasan yang paling baik, diikuti dengan AISI 4140 dan kemudian AISI 1040.
Penelitian melibatkan suhu austenite dan media quench dilakukan oleh Gurumurthy et al., 2018 [12] menggunakan variasi  temperatur  780°C  dan  900°C,  dengan variasi  metode  pendinginan  austempering dan  air.  Pengujian kekerasan, ketangguhan,  kekuatan  tarik,  dan  mikro  struktur  dilakukan  untuk  mengevaluasi  hasil.  Hasil  penelitian  menyimpulkan bahwa temperatur 780°C dan 900°C dengan pendinginan austempering memberikan ketangguhan dan kekerasan yang sama. Pendinginan air memberikan nilai kekerasan sangat tinggi, namun nilai ketangguhan yang lebih rendah. Srivastava et al., 2021 [11] meneliti pengaruh variasi suhu austenite 850°C, 900°C, dan 950°C serta media quench air, oli (tertutup), oli (terbuka), dan udara, terhadap nilai kekerasan yang dapat dicapai. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suhu austenite 900°C serta media quench air menghasilkan nilai kekerasan tertinggi.
Penelitian dengan media quench sebagai variabel prediktor dilakukan oleh Bilal et al., 2019 [9] menggunakan variasi temperatur austempering untuk  meneliti  pengaruhnya  terhadap  nilai  kekerasan,  nilai ketangguhan, dan  struktur  mikro baja AISI 4340 dan AISI 4140. Variasi temperatur austempering yang digunakan: 380°C, 340°C, 310°C, 452°C, 412°C, dan 372°C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses austempering meningkatkan nilai kekerasan dan ketangguhan, dan baja AISI 4340 memiliki sifat yang lebih baik dari AISI 4140. MacKenzie, 2016 [13] mengevaluasi pemilihan media quench pada proses hardening. Media quench yang digunakan ialah: brine, air, oli, dan udara, dan masing-masing diberi perlakuan khusus sirkulasi dan agitasi pada 3 level (lemah, menengah, dan kuat). Hasil pengujian menunjukkan bahwa Brine menghasilkan nilai kekerasan tertinggi, diikuti dengan air, oli, dan terakhir udara.
Penelitian melibatkan suhu temper sebagai variabel  prediktor dilakukan oleh Jami et al., 2021  [8] dan Azizi et al., 2019  [14]  yang  menguji  respon  baja  terhadap  variasi  temperatur  temper:  300°C,  350°C,  dan  400°C.  Perbedaannya material yang diuji Jami et al, 2021 [8] adalah AISI 4340, dengan pengujian kekerasan dan kekuatan puntir digunakan sebagai  data  pembanding  sifat  mekanik  material.  Azizi  et  al.,  2019  [14]  meneliti  ASSAB  705  dan  pengujian  yang dilakukan ialah uji kekerasan, uji keausan, dan uji struktur mikro. Kedua penelitian ini menyimpulkan hasil yang serupa bahwa temperatur temper yang rendah memberikan nilai kekerasan dan kekuatan puntir yang tinggi, serta ketahanan aus yang baik. Dewangan et al., 2020 [5] menguji perbedaan kekuatan material dengan proses temper 750°C dan tanpa proses temper paska proses quench . Pengujian yang dilakukan adalah uji tarik, shear, kekerasan, dan impak. Hasil penelitian menunjukkan  bahwa  tanpa  proses  temper  menghasilkan  nilai  kekerasan  yang  tinggi  namun  getas (brittle) terhadap pembebanan, sehingga nilai ketangguhan sangat rendah. Kesimpulannya adalah suhu austenite, media quench, dan suhu temper pada proses hardening berpengaruh terhadap nilai kekerasan dan nilai ketangguhan baja.
Perubahan parameter dalam proses hardening memiliki dampak langsung terhadap terjadinya perubahan biaya proses. Unsur  biaya  proses  merupakan  hal  yang  sensitif  bagi  UMKM  bengkel  manufaktur  karena  berpengaruh  besar  bagi keuntungan yang diperoleh dan kemampuan untuk memberikan harga yang kompetitif kepada konsumen.  Perhitungan biaya proses menggunakan metode Activity-Based Costing (ABC) System yang menggunakan pendekatan kegiatan atau aktivitas  manufaktur  dalam  menghasilkan  produk.  ABC system merupakan  metode  estimasi  biaya  tradisional  dan sederhana  namun  mampu  menghasilkan  estimasi  biaya  yang  akurat  [15].  Teknik  ABC system berbasis  pada  jumlah
sumber daya yang digunakan pada aktivitas pembuatan produk sehingga mampu menghasilkan perhitungan yang akurat dan konsisten [16]. Hingga saat ini belum ditemukan penelitian yang mengevaluasi parameter dalam proses hardening dengan mengoptimalkan biaya proses hardening.
Kebaruan penelitian ini ialah menerapkan 3 faktor proses hardening (suhu austenite, media quench , dan suhu temper) secara bersamaan sebagai variabel prediktor dalam eksperimen. Kebaruan lain ialah penggunaan analisis statistik untuk mengoptimalkan  kombinasi  nilai  kekerasan  dan  ketangguhan  secara  berimbang  paska  proses hardening baja  ASSAB 4340,  serta  meminimalkan  biaya  proses.  Penelitian  menggunakan  metode Design  of  Experiment .  Pengujian  kualitas menggunakan  uji  kekerasan  Rockwell-C  ASTM  E18  dan  uji  ketangguhan  Charpy  V-Notch  ASTM  E23  [17].  Hasil pengujian  dianalisis  secara  statistika  dengan  menggunakan  ANOVA  untuk  menemukan  faktor  yang  secara  signifikan mempengaruhi variabel respon [18], dan metode Response Surface Methodology untuk proses optimalisasi.
Penelitian memiliki tujuan untuk 1) mengetahui faktor yang mempengaruhi nilai kekerasan dan ketangguhan material, dan 2) memperoleh parameter proses hardening yang menghasilkan nilai kekerasan dan ketangguhan baja yang optimal dengan biaya proses hardening yang minimal. Diharapkan dengan parameter proses hardening yang tepat menghasilkan kekuatan mekanik yang seimbang dan optimal pada shank cutter mill dovetail .

## 2. Material dan metodologi
2.1. Baja AISI 4340
Baja AISI 4340 merupakan baja golongan machinery steel yang dikenal sebagai baja paduan dengan kekuatan tarik tinggi serta ketahanan terhadap aus [8, 12]. Komposisi AISI 4340 ditampilkan pada Tabel 1 .
Tabel 1. Komposisi baja AISI 4340 Element Carbon Silicon Manganese Nickel Chromium Molybdenum Kadar (%) 0,40 0,25 0,70 1,85 0,80 0,25
Kadar chromium dan molybdenum merupakan pembentuk karbida yang meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus baja, sedangkan nikel mendukung austenite stabil yang meningkatkan kekuatan dan ketangguhan baja [6]. Material raw AISI  4340  yang  digunakan  berbentuk cylindrical  long-bar diameter  5/8  inch.  Proses  manufaktur  dilakukan  untuk memperoleh spesimen dengan profil dan dimensi yang memenuhi standar pengujian impak Charpy V-Notch ASTM E23. Gambar 3 menunjukkan gambar dan tuntutan spesifikasi spesimen Charpy V-Notch yang harus dipenuhi. Pengukuran dimensi spesimen dilakukan untuk memastikan profil dan dimensi telah sesuai standar yang ditetapkan, serta digunakan dalam perhitungan nilai ketangguhan paska uji impak.

## 2.2. Rancang Desain Eksperimen
Langkah  awal  perancangan  desain  eksperimen  ialah  dengan  mengidentifikasi  variabel  yang  digunakan  dalam penelitian. Variabel respon yang digunakan ialah nilai kekerasan, nilai ketangguhan, dan biaya proses. Variabel prediktor yang digunakan dalam penelitian ialah faktor suhu austenite, faktor media quench, dan faktor suhu temper. Setiap faktor memiliki 3 level perlakuan, seperti ditampilkan pada Tabel 2 .
Tabel 2. Parameter proses hardening Faktor Unit Level 1 2 3 A : Suhu Austenite °C 830 860 900 B : Media Quench - air air-oli oli C : Suhu Temper °C 200 325 450
Selanjutnya,  berdasarkan  pada  variabel  prediktor  yang  telah  ditentukan,  disusun  variasi  proses hardening dengan metode  desain  eksperimen.  Metode  desain  eksperimen  menggunakan Response  Surface  Method dengan  tipe  Box- Behnken Design serta 3  faktor  dan  15 runs .  Pembuatan  desain  eksperimen  menggunakan software Design-Expert  13. Eksperimen  penelitian  dilakukan  dengan  menerapkan  seluruh  kombinasi  parameter  proses hardening yang  telah dirancang, seperti ditampilkan pada Tabel 3 berikut.
Tabel 3. Desain eksperimen menurut Response Surface Method Box-Behnken Faktor Runs (coded value) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A 1 3 1 3 1 3 1 3 2 2 2 2 2 2 2 B 1 1 3 3 2 2 2 2 1 3 1 3 2 2 2 C 2 2 2 2 1 1 3 3 1 1 3 3 2 2 2
2.3. Perhitungan Biaya Proses dan Pengujian Mekanik
Berdasarkan  pada  data  variasi  proses hardening, dilakukan  perhitungan  biaya  proses hardening dengan  metode Activity-Based Costing system. Perhitungan biaya dimulai dengan mengidentifikasi dan mencatat detail proses, sumber daya,  dan  tahapan  aktivitas  yang  ada.  Aktivitas  yang  dicatat  ialah  aktivitas  yang  termasuk  dalam  kategori unit-level activity , yang memiliki keterkaitan langsung dengan proses produksi seperti: material, tenaga kerja langsung, biaya mesin, biaya energi [16]. Biaya proses hardening meliputi: biaya penggunaan listrik oven pemanas (perbedaan tergantung suhu penggunaan, waktu tahan proses, dan jenis oven pemanas yang digunakan), biaya penggunaan media quench (perbedaan tergantung pada jenis media quench ), dan biaya operator (perbedaan tergantung pada aktivitas proses dan waktu proses).
Selanjutnya,  dilakukan  perhitungan  biaya  untuk  setiap  aktivitas  tercatat.  Biaya  untuk  setiap  variasi  proses hardening dicatat dan didokumentasikan sebagai data biaya proses.
Paska  proses hardening, setiap  spesimen  diuji  nilai  kekerasannya  menggunakan  mesin  uji  kekerasan  merk  Albert Gnehm-Horgen. Standar uji kekerasan yang digunakan ASTM E18 dengan mengukur ketahanan baja terhadap penetrasi indentor dalam satuan kekerasan Rockwell-C [8, 17]. Indentor uji berbentuk kerucut dengan sudut 120° dan berbahan intan, serta total pembebanan uji ialah 150 kgf [8]. Hasil pengujian kekerasan didokumentasikan sebagai data.
Pengukuran  nilai  ketangguhan  menggunakan  pengujian  impak  metode  Charpy  V-Notch.  Mesin  pengujian  yang digunakan merk Gotech dengan massa pendulum 14 kg dan panjang lengan ayun pendulum 0,65 meter. Pengujian impak menggunakan standar uji ASTM E23 Charpy Impact Test [12]. Hasil pengujian impak didokumentasikan sebagai data.
2.4. Metodologi Penelitian
Tahapan penelitian yang dilakukan ditampilkan dalam diagram alir pada Gambar 4 .
Gambar 4. Diagram alir penelitian

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1. Hasil Perhitungan dan Pengujian Eksperimen
Hasil  uji  eksperimen  baja  AISI  4340  paska  proses hardening dengan  desain Response  Surface  Method tipe  Box- Behnken menghasilkan data nilai kekerasan dan ketangguhan, seperti ditampilkan pada Tabel 4 . Biaya proses hardening berasal  dari  biaya  operasional  oven  pemanas  per  satuan  waktu,  biaya  media quench per  satuan  proses , serta  biaya operasional operator per satuan proses.
Tabel 4. Hasil pengujian mekanik pada spesimen AISI 4340
Runs Coded Values Actual Un-coded Values Perhitungan Biaya Hardening (Rupiah) Hasil Eksperimen A B C Suhu Austenite Media Quench Suhu Temper Nilai Kekerasan (HRC) Nilai Ketangguhan (J/mm 2 ) 1 1 1 2 830 air 325 68.613,62 46,5 1,01635 2 3 1 2 900 air 325 74.297,83 46,5 0,27680 3 1 3 2 830 oli 325 68.100,20 44,5 0,88705 4 3 3 2 900 oli 325 73.784,41 48,0 0,50145 5 1 2 1 830 air-oli 200 66.907,51 49,0 0,75170 6 3 2 1 900 air-oli 200 72.591,72 52,0 1,07350 7 1 2 3 830 air-oli 450 181.048,18 43,0 1,17490 8 3 2 3 900 air-oli 450 186.732,39 41,0 1,23935
Observasi dan brain storming
Mulai
Masalah: Belum ditemukan kombinasi parameter proses hardening yang mengoptimalkan nilai kekerasan dan nilai ketangguhan secara seimbang pada produk Shank Dovetail Mill Cutter (AISI 4340)
Literature review Pencarian data Desain eksperimen: Response Surface Method , tipe Box-Behnken, dengan 3 faktor: suhu austenite, media quench , dan suhu temper.
Tujuan: menemukan kombinasi suhu austenite , media quench , dan suhu temper yang menghasilkan nilai kekerasan dan ketangguhan yang optimal pada produk
Shank Dovetail Mill Cutter ( AISI 4340), dengan biaya
proses hardening yang minimal Melakukan perhitungan biaya proses hardening , pengujian kekerasan, dan pengujian ketangguhan

## Mendokumentasikan hasil pengujian

## Analisis data dan optimalisasi
Kesimpulan: diperoleh metode hardening yang menghasilkan kombinasi nilai kekerasan dan ketangguhan yang optimal pada produk Shank Dovetail Mill Cutter (AISI 4340), dengan biaya proses yang minimal End Apakah data cukup?
Ya Tidak
Runs Coded Values Actual Un-coded Values Perhitungan Biaya Hardening (Rupiah) Hasil Eksperimen A B C Suhu Austenite Media Quench Suhu Temper Nilai Kekerasan (HRC) Nilai Ketangguhan (J/mm 2 ) 9 2 1 1 860 air 200 65.549,34 51,5 0,97120 10 2 3 1 860 oli 200 65.035,92 51,0 0,96470 11 2 1 3 860 air 450 179.690,01 44,0 1,66130 12 2 3 3 860 oli 450 179.176,59 42,0 1,88475 13 2 2 2 860 air-oli 325 72.813,89 47,0 0,66650 14 2 2 2 860 air-oli 325 72.813,89 47,0 0,73485 15 2 2 2 860 air-oli 325 72.813,89 48,5 0,66715

## 3.2. Analisis Statistik dengan ANOVA
Data  hasil  pengujian  dianalisis  secara  statistik  menggunakan  ANOVA  pada  aplikasi Design-Expert  13 .  Analisis statistik ANOVA dilakukan untuk mengetahui kontribusi setiap faktor terhadap variabel respon. Hasil analisis ANOVA untuk respon uji kekerasan ditampilkan pada Tabel 5 .
Tabel 5. Analysis of Variance untuk respon nilai kekerasan
Kode Faktor DF Sum of Square Coef. Est. F-value p-value Kontribusi (%) Model 3 143,94 46,77 31,99 < 0,0001 A Austenite 1 2,53 0,5625 1,69 0,2204 1,57 B Quench 1 1,13 -0,3750 0,7502 0,4049 0,70 C Temper 1 140,28 -4,19 93,54 < 0,0001 87,44 Residual 11 16,50 Total 14 160,43
Data hasil analisis ANOVA  pada Tabel 5 menunjukkan bahwa suhu temper merupakan faktor yang secara signifikan memberikan pengaruh  terbesar  bagi  respon  nilai  kekerasan dengan nilai  kontribusi  sebesar  87,44%.  Selanjutnya  suhu austenite memberikan kontribusi 1,57% dan media quench berkontribusi 0,70%. Model persamaan linier yang diperoleh berdasarkan analisis ANOVA memiliki nilai R 2 0,8972 dan Adjusted R 2 0,8691. Dengan demikian model persamaan valid untuk menggambarkan prediksi pengaruh perubahan parameter proses hardening terhadap respon nilai kekerasan baja AISI 4340. Model persamaan untuk respon nilai kekerasan (y) ditampilkan pada persamaan [1].
𝑦 = 46,77 + 0,5625 × 𝐴 − 0,375 × 𝐵 − 4,19 × 𝐶
(1)
Hasil analisis ANOVA untuk uji impak dengan respon berupa nilai ketangguhan ditampilkan pada Tabel 6 .
Tabel 6. Analysis of Variance untuk respon nilai ketangguhan Kode Faktor DF Sum of Square Coef. Est. F-value p-value Kontribusi (%) Model 9 2,01 0,6895 2,66 0,1469 A Austenite 1 0,0682 -0,0924 0,8109 0,4091 2,79 B Quench 1 0,0122 0,0390 0,1449 0,7191 0,50 C Temper 1 0,6046 0,2749 7,18 0,0438 24,77 AB Aust-Que 1 0,0313 0,0885 0,3721 0,5685 1,28 AC Aust-Temp 1 0,0166 -0,0643 0,1967 0,6759 2,45 BC Que-Temp 1 0,0132 0,0575 0,1571 0,7082 0,54 A 2 Austenite 2 1 0,1003 -0,1649 1,19 0,3247 4,11 B 2 Quench 2 1 0,0785 0,1458 0,9322 0,3786 3,21 C 2 Temper 2 1 1,06 0,5352 12,57 0,0165 43,44 Residual 5 0,4208 Total 14 2,44
Data hasil analisis ANOVA pada Tabel 6 menunjukkan bahwa suhu temper merupakan faktor yang secara signifikan memberikan pengaruh besar bagi respon nilai ketangguhan baja, dengan nilai kontribusi sebesar 24,77% dan 43,44%. Selanjutnya  suhu  austenite  memberikan  kontribusi  2,79%  dan  media quench berkontribusi  0,50%.  Model  persamaan kuadrat yang diperoleh berdasarkan analisis ANOVA memiliki nilai R 2 0,8272 dan Adjusted R 2 0,5162. Dengan demikian model persamaan valid untuk menggambarkan prediksi pengaruh perubahan parameter proses hardening terhadap respon nilai  ketangguhan  baja  AISI  4340.  Model  persamaan  kuadrat  untuk  respon  nilai  ketangguhan  (y)  ditampilkan  pada persamaan [2].
𝑦 = 0,6895 − 0,0924 × 𝐴 + 0,0390 × 𝐵 + 0,2749 × 𝐶 + 0,0885 ∗ 𝐴𝐵 − 0,0643 × 𝐴𝐶 + 0,0575 × 𝐵𝐶 − 0,1649 × 𝐴 2 + 0,1458 × 𝐵 2 + 0,5352 × 𝐶 2 (2)
3.3. Optimalisasi Respon
Proses  optimalisasi  dilakukan  dengan  menggunakan software Design-Expert  13, melanjutkan  proses  analisis sebelumnya.  Solusi yang optimal terbaik dipilih berdasarkan nilai desirability . Desirability bernilai antara 0 hingga 1.
Desirability 1 diinterpretasikan mampu menghasilkan nilai paling optimal untuk semua variabel respon, dan sebaliknya. Hasil proses optimalisasi dengan memanfaatkan persamaan [1] menampilkan bahwa respon nilai kekerasan mencapai hasil optimal dengan nilai kekerasan 51,892 HRC. Nilai desirability yang dicapai ialah 0,990 dan kombinasi parameter proses hardening A3-B1-C1, atau dalam susunan actual un-coded berupa parameter suhu austenite 900°C, media quench air,  dan  suhu  temper  200°C.  Grafik Response  Surface  Method nilai  kekerasan  optimal  ditampilkan pada Gambar  5a . Hasil proses optimalisasi nilai ketangguhan dengan persamaan [2] menghasilkan nilai ketangguhan  1,749 J/mm 2 . Nilai desirability yang dicapai ialah 0,916 dengan kombinasi parameter proses hardening A1,792-B3-C3. Dalam actual un- coded kombinasi  tersebut  berarti  suhu  austenite  871,81°C  dengan  media quench oli  dan  suhu  temper  450°C.  Grafik Response Surface Method nilai ketangguhan optimal ditampilkan pada Gambar 5b .
(a) (b)
Gambar 5. a) RSM untuk nilai kekerasan optimal pada A3-B1-C1; b) RSM untuk nilai ketangguhan optimal pada A1,792-B3-C3
Untuk proses optimalisasi 3 variabel respon secara bersamaan perlu dilakukan pengaturan awal terkait batasan atau constraint yang digunakan dalam proses optimalisasi. Tingkat kepentingan dan bobot untuk setiap respon diatur sama besar sehingga dapat diperoleh kombinasi parameter hardening yang seimbang antara nilai kekerasan dan nilai ketangguhan, serta biaya proses yang minimal. Tingkat kepentingan untuk setiap respon pada penelitian ini bernilai 3. Pengaturan batasan faktor dan respon ditampilkan dalam
Tabel 7 .

## Tabel 7. Pengaturan batasan dalam proses optimalisasi
Kode Faktor Unit Tujuan Batas Tingkat Kepentingan Bawah Atas A Suhu Austenite °C Is in range 1 3 3 B Media Quench - Is in range 1 3 3 C Suhu Temper °C Is in range 1 3 3 Biaya Hardening Rp. Minimize 65.035,9 186.732,0 3 Nilai Kekerasan HRC Maximize 41 52 3 Nilai Ketangguhan J/mm 2 Maximize 0,2768 1,8847 3
Proses optimalisasi menghasilkan 77 buah solusi berisi kombinasi faktor suhu austenite, media quench , dan suhu temper yang  memberikan  biaya  proses hardening, nilai  kekerasan,  dan  nilai  ketangguhan  yang  optimal. Tabel  8 berikut menampilkan 5 solusi terbaik (dengan kombinasi faktor atau parameter yang berbeda signifikan).
Tabel 8. Kombinasi faktor untuk solusi yang optimal
No Faktor (coded) Faktor (Un-coded value) Solusi Desirability A B C Suhu Austenite (°C) Media Quench Suhu Temper (°C) Biaya proses (Rp.) Nilai Kekerasan (HRC) Nilai Ketangguhan (J/mm 2 ) 1 1,792 1,0 1,0 871,76 air 200 42.586,58 51,211 1,131 0,790 14 2,026 1,0 1,0 877,27 air 200 43.258,32 51,344 1,111 0,787 28 2,325 3,0 1,0 884,25 oli 200 43.593,54 50,762 1,079 0,762 32 1,052 1,0 1,0 854,54 air 200 40.491,55 50,796 1,076 0,762 48 2,605 3,0 1,0 890,78 oli 200 44.390,57 50,919 1,053 0,758
Nilai desirability tertinggi diperoleh pada Solusi 1 dengan nilai 0,790. Solusi 1 menghasilkan biaya hardening terkecil sebesar Rp.42.586,58 dengan nilai kekerasan tertinggi 51,211 HRC dan nilai ketangguhan tertinggi 1,131 J/mm 2 . Hasil optimal ini diperoleh dengan mengkombinasikan parameter suhu austenite (A 1,792) setara 871,76°C, media quench (B 1,0) atau media air; dan suhu temper (C 1,0) setara 200°C.
Grafik pada Gambar 6 menunjukkan desirability pada setiap faktor dan respon untuk Solusi 1. Faktor suhu austenite, media quench ,  dan  suhu  temper  memiliki  nilai desirability 1,  menunjukkan  bahwa  variasi  nilai  pada  setiap  faktor digunakan  secara  optimal  dalam  proses  penyusunan  solusi. Desirability pada  biaya  proses hardening bernilai  1, menunjukkan bahwa biaya proses pada Solusi 1 merupakan biaya paling minimal dalam batas konstrain eksperimen. Nilai kekerasan memiliki desirability 0,9282 yang menunjukkan bahwa Solusi 1 memberikan hasil kekerasan hingga 92,82% dari nilai kekerasan maksimal yang dapat dicapai. Desirability pada nilai ketangguhan sebesar 0,5313 yang berarti Solusi 1 mampu mengoptimalkan nilai ketangguhan hingga 53,13% dari total nilai ketangguhan maksimal yang dapat dicapai. Grafik pada Gambar 7 menunjukkan posisi desirability setiap variabel respon untuk masing-masing faktor parameter hardening. Tanda  merah  pada Gambar  7 menunjukkan  titik desirability pada  setiap  faktor.  Dengan  demikian menegaskan bahwa Solusi 1 memberikan optimalisasi nilai secara seimbang pada respon biaya proses, nilai kekerasan, dan nilai ketangguhan paska proses hardening baja AISI 4340 .
Gambar 6. Bar-chart desirability untuk setiap faktor dan respon dalam penelitian
Gambar 7. Desirability setiap variabel respon untuk setiap parameter proses

## 4. Kesimpulan
Penelitian menghasilkan kesimpulan bahwa nilai kekerasan baja AISI 4340 paska proses hardening dipengaruhi oleh suhu temper dengan kontribusi sebesar 87,44%. Nilai ketangguhan baja AISI 4340 pasca proses hardening dipengaruhi oleh  suhu  temper  dengan  kontribusi  24,77%  dan  43,44%.  Dengan  demikian,  pemilihan  suhu  temper  yang  tepat  pada proses hardening sangat  penting  karena  suhu  temper  berkontribusi  secara  signifikan  terhadap  nilai  kekerasan  dan ketangguhan material AISI 4340.
Kombinasi parameter proses hardening yang mengoptimalkan biaya proses, nilai kekerasan, dan nilai ketangguhan baja AISI 4340 secara seimbang ialah A1,792 - B1 - C1 (suhu austenite 871,76°C, media quench air, suhu temper 200°C). Kombinasi parameter hardening ini menghasilkan nilai kekerasan 51,211 HRC; nilai ketangguhan 1,131 J/mm 2 ; biaya proses hardening Rp.42.586,58; dengan nilai desirability mencapai 0,790.

## Ucapan terima kasih
Penulis berterimakasih kepada Bapak Bagus Karyadi selaku kepala unit produksi Heat Treatment - Politeknik ATMI Surakarta atas dukungan dalam eksperimen, pengujian, dan pengambilan data penelitian.

## Daftar Pustaka
[1]  Beno, J., Mankova, I., Vrabel, M., Karpuschewski, B., Emmer, T., Schmidt, K., Operation Safety Performance of Milling Cutters with Shank Style Holders of Tool Inserts. Procedia Engineering. 2012; 48: p.15. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.09.479.
[2]  Yao, C.W., Zhou, L.Z., Chien, Y.X., Measurement of the contact area of a dovetail milling cutter using an ultrasonic method. Measurement. 2013 November; 46(9): p. 3211. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.04.060.
[3]  Senthilkumar,  T.,  Ajiboye,  T.K.,  Effect  of  Heat  Treatment  Processes  on  the  Mechanical  Properties  of  Medium Carbon Steel. Journals of Minerals & Materials Characterization & Engineering. 2012 January; 11(2): p. 143. DOI: 10.4236/jmmce.2012.112011.
[4]  Gurumurthy,  B.M.,  Kini,  A.U.,  Sharma,  S.,  Hiremath,  P., Gowrishankar,  M.C.,  Effect  of  intercritical  processing temperature  on  mechanical  properties,  microstructure  and  microhardness  of  ferrite-bainite  medium  carbon  dual phase steels. Cogent Engineering. 2021 January; 8(1): 1999062. DOI: 10.1080/23311916.2021.1999062.
[5]  Dewangan,  S.,  Behera,  S.,  Comparative  analysis  into  mechanical  properties  and  microstructural  attributes  of quenched and tempered 0.2%-C steel. World Journal of Engineering. 2020 January; 17(1): 127. DOI 10.1108/WJE- 11-2019-0327.
[6]  Gurumurthy, B.M., Sharma, S., Kini, U.A., Hedge, A., Patil, A., Mechanical characteristics evaluation of dual phase and  related  hardening  techniques  on  AISI  4340  steel.  Journal  of  Mechanical  Engineering  and  Sciences.  2018 December, 12(4): p. 4018. DOI: 10.15282/jmes.12.4.2018.03.0349.
[7]  Rajan, T. V., Sharma, C. P., Sharma, A., Heat Treatment: Principles and Techniques. 2 nd edition. New Delhi: PHI Learning Private Limited; 2011. p. 3.
[8]  Jami, M., Gil, E., Ushiña, E., Cabrera, V. H., Determine hardness and torsional resistance of AISI/SAE 4340 steel, treated by quenching at 860°C and tempering at 300°C, 350°C and 400°C. Materials Today: Proceedings. 2022; 49(1): p. 35. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.07.439.
[9]  Bilal, M.M., Yaqoob, K., Zahid, M.H., Haq, E.U., Tanveer, W.H., Wadood, A., Ahmed, B., Effect of austempering conditions on the microstructure and mechanical properties of AISI 4340 and AISI 4140 steels. Journal of Materials Research and Technology. November-December 2019; 8(6): p. 5194.
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.042.
[10]  Kumar, A., Jayakumar, P., Sharma, V. K., Microstructure and properties of thermomechanically treated and bake hardened AISI 4340 steel. Materials Today: Proceedings. 2019; 18(3): p. 848. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.514.
[11]  Srivastava, K., Sinha, A.A., Sahani, R., Effect of heat treatment on hardness and toughness of EN8 steel. Materials Today: Proceedings. 2021; 42(2): p. 1297. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.1015.
[12]  Gurumurthy, B.M., Sharma, S.S., Kini, A., Ferrite-bainite dual phase structure and mechanical a characterization of AISI 4340 steel. Materials Today: Proceedings. 2018; 5(11): p. 24907.
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.10.290.
[13]  MacKenzie, D.S., Selection of oil quenchants for heat treating processes. International Heat Treatment and Surface Engineering. 2014 March; 8(1): p. 8. DOI: 10.1179/1749514813Z.00000000089.
[14]  Azizi, M.J., Jatimurti, W., Rochiem, R., Analisis pengaruh variasi temperatur dan waktu tahan tempering terhadap kekerasan  baja  ASSAB  705  yang  di-hardening  untuk  aplikasi  poros  pompa  multistage.  Jurnal  Teknik  ITS. 2019 June; 8(1): ISSN: 2337. DOI: 10.12962/j23373539.v8i1.38059.
[15]  Niazi,  A.,  Dai,  J.S.,  Balabani,  S.,  Seneviratne,  L.,  Product  Cost  Estimation:  Technique  Classification  and Methodology Review. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2006 May; 128(2): p. 563. DOI: 10.1115/1.2137750.
[16]  Andrade, M.C., Filho, R.C.P., Espozel, A.M., Maia, L.O.A., Qassim, R.Y.,  Activity-based costing for production learning. International Journal of Production Economics. September 1999; 62(3): p. 175. https://doi.org/10.1016/S0925-5273(97)00136-9.
[17]  Kuhn, H., Medlin, D. 2000. ASM Handbook Volume 8 Mechanical Testing and Evaluation. 1 st edition. Ohio: ASM International; 2000. p. 416, 1270.
[18]  Bawono,  B.,  Anggoro,  P.W.,  Tauviqirrahman,  M.,  Jamari,  J.,  Bayuseno,  A.P.,  Antony,  A.A.,  Optimization Parameters Tooling Design to Increase the Surface Quality of Orthotic Insole Shoes using the Taguchi Approach and Surface Response Methods. Materials Today: Proceedings. 2019; 13(1): p. 47.
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.03.185.