Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah Melalui Proses Pack Carburizing Dengan Menggunakan Arang Cangkang Kemiri
Richard A.M. Napitupulu *) , Maruba Manurung, Charles S.P. Manurung, Siwan Peranginangin
Prodi Teknik Mesin Universitas HKBP Nommensen, Jln. Sutomo No. 4a Medan
*) email: richard_alf@yahoo.com

## Abstract
The easiest and most frequently used way to increase the surface hardness of the steel while maintaining its inner ductility is the Pack Carburizing process. By using  a  carburizer  from  candlenut  shell  charcoal  as  a  carbon  source,  sodium carbonate  as  a  catalyst  and  SAE  20  oil  as  a  cooling  medium.  The  research variables were T 1 = 850 o C, T 2 = 900 o C, T 3 = 950 o C, T 4 = 1000 o C while the holding  time  used  was  120  minutes.  The  highest  hardness  from  the  research results was found at T 3 900 o C = 543.8 HV followed by T 2 950 o C = 542.8 HV, T 1 850 o C = 529.2 HV, and T 4 1000 o C = 527.4 HV
Keywords: candlenut shell; carburizing pack; heat treatment; carbon steel.

## 1. PENDAHULUAN
Baja  merupakan  paduan  yang  terdiri  dari  besi,  karbon  dan  unsur  yang  lainnya, seperti: Silicon (Si), Fospor (S), Tembaga (Cu). Karbon merupakan suatu unsur terpenting karena dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja [1]. Baja merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam dunia teknik berupa: bentuk pelat, lembaran, pipa batang, profil dan sebagainya. Baja terdiri dari baja paduan rendah (low alloy steel), baja paduan sedang dan baja paduan tinggi (high alloy steel [2].
Baja paduan rendah biasanya digunakan untuk mendapatkan hardenability lebih baik yang  akan  meningkatkan  sifat  mekanis  lainnya,  juga  digunakan  untuk  meningkatkan ketahanan korosi dalam kondisi lingkungan tertentu. Dengan unsur karbon menengah ke tingkat  karbon  tinggi,  baja  paduan  rendah  sulit  untuk  dilas.  Menurunkan  kandungan karbon  pada  kisaran  0,10%  C  menjadi  0,30%  C  [3],  bersama  dengan  beberapa pengurangan  elemen  paduan,  meningkatkan weldability dan  sifat  mampu  bentuk  baja dengan  tetap  menjaga kekuatannya. Untuk  meningkatkan  sifat  atau  memperbaiki  sifat fisik dan mekanis dari baja karbon rendah umunya digunakan metode carburizing . Carburizing umumnya diterapkan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus dan sobek  [4],  ketahanan  lelah  [5,6]  dan  sifat  mekanik  lainnya  [7]  dari  logam  besi  dan nonferrous.  Adsorpsi  karbon  dapat  menghasilkan  penguatan larutan  padat,  pengerasan presipitasi,  transformasi  fasa  atau  perubahan  struktur  mikro  substrat  logam,  yang mengarah pada modifikasi sifat permukaan atau curahnya. Tingkat penyerapan karbon dapat sangat berbeda tergantung  pada proses karburasi  yang digunakan.  Ada berbagai teknik yang tersedia untuk karburasi logam, seperti gas carburizing, pack carburizing, liquid  carburizing, dan vacuum  carburizing .  Metode pack  carburizing umum  banyak digunakan.  Proses  carburizing  menggunakan  media  padat  umumnya  dilakukan  pada temperatur 850 0 C  - 1000 0 C  selama  waktu tertentu  [8-10], sehingga atom-atom karbon dari  karburiser  akan  berdifusi  ke  permukaan  baja karbon rendah. Proses difusi atom- atom karbon ini terjadi  secara  interstisi, dimana atom-atom  yang berukuran  lebih  kecil
akan  menyisip  pada rongga-rongga  kosong  di  antara  atom-atom  logam  yang memiliki ukuran  yang  lebih  besar
Salah  satu  media  padat  yang  umum  digunakan  adalah  arang  cangkang  kemiri. Cangkang kemiri memiliki nilai   presentasi  karbon  sebesar  76,31%[11]. Media  ini menjadi    salah    satu    bahan    yang  cocok  sebagai  media pack carburizing ,  mengingat ketersedian  yang  cukup  banyak  dan     memiliki presentasi karbon yang  cukup   tinggi. Untuk  menjadikan  arang  cangkang  kemiri  sebagai  sumber  karbon,  cangkang  kemiri terlebih  dahulu diubah menjadi bentuk  butiran. Butiran Kemiri akan membantu proses perubahan karbon padat menjadi gas melalui pemanasan.
Dengan  metode pack carburizing dengan  media  padat  kemiri  penelitian  ini diharapkan mendapatkan hasil peningkatan sifat baja karbon rendah dengan persentasi karbon yang lebih baik
2. METODOLOGI PENELITIAN
a. Proses Carburizing
Proses  pengkarbonan  dilakukan  dengan  menggunakan  media  karburizer  arang cangkang kemiri yang ditumbuk dan diayak hingga lembut. Tahapan proses carburizing meliputi  Mempersiapkan  spesimen  yang  akan  di carburizing yaitu  spesimen  pada temperatur 850 0 C, 900 0 C, 950 0 C, 1000 0 C dan holding time 120 menit.
Gambar 1. Spesimen dalam kotak karburisasi
Mempersiapkan media karbon dari arang cangkang kemiri dan bahan tambah berupa Natrium  Karbonat (N a2 CO3),  Mencampur  karburizerarang  cangkang  kemiri  dengan bahan tambah dengan kombinasi 60% karburizer, arang cangkang kemiri 40% Natrium Karbonat (N a2 CO3).
Gambar 2. (a) Kotak karburisasi dalam tungku pemanas, (b) spesimen dari dalam tungku

## b. Pengujian Kekerasan
Pengujian  kekerasan  ini  dilakukan  dengan  alat  uji  kekerasan  mikroVickers, pengujian ini dengan cara: permukaan material dihaluskan dengan cara diampelas dengan urutan kertas amplas Setelah diamplas pada bagian permukaan spesimen diautosol sampai mengkilap dilanjutkan dengan menentukan besar pembebanan yaitu 1 kgf.

## c. Pengujian Metalografi
Pengujian metalografi dilakukan dengan cara meratakan bagian permukaan hingga benar-benar tidak terlihat goresan dan dietsa pada larutan nital (10% HNO3 dan 90 % Alkohol)  selama  15  detik  kemudian  dikeringkan  setelah  itu  dilakukan  pengamatan struktur  mikro  pada  permukaan  material  dengan  menggunakan  mikroskop  optik. Pengambilan foto dilakukan sepanjang penampang diameter spesimen untuk mengamati perubahan  struktur  mikro  akibat  penambahan  unsur  karbon  dan  proses  quench (pendinginan cepat).

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Hasil Pengujian

## Pengujian Kekerasan
Hasil  pengujian  kekerasan  terhadap  seluruh  spesimen  dapat  dilihat  pada  gambar berikut ini
Gambar 3. Grafik  uji keras untuk spesimen awal sebelum perlakuan panas
Gambar 4. Grafik uji keras untuk spesimen I T 1 = 850 o C; II T 2 =  900 o C, III T 3 = 950 o C,  IV T 4 = 1000 o C dengan waktu penahanan t 1,2,3,4 =120 menit
262,8 235,8 220,5 220,1 223,0 224,3 200 220 240 260 280 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 K ek er as an ( H V ) Jarak Penekanan (Dc) mm Grafik Uji Kekerasan Spesimen Awal HV(kgf) 262,8 529,2 543,8 543,8 527,4 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2 4 6 8 10 12 K ek er as an ( H V ) Jarak Penekanan (Dc) mm Grafik Uji Kekerasan Potongan Spesimen Awal T₁= 850° C T₂ = 900° C T₃ = 950° C
T₄ = 1000° C
Dari hasil penelitian dapat dilihat pada gambar 3 diatas menunjukkan kekerasan baja karbon pada spesimen awal lebih rendah dibandingkan setelah diproses pack carburizing dengan temperatur yang bervariasi yaitu 850 o C, 900 o C, 950 o C, dan 1000 o C seperti pada gambar 4.  Holding Time yang tetap yaitu 120 menit. dengan proses quencing oli  SAE 20. Hal ini disebabkan adanya difusi atom C yang berasal dari arang cangkang kemiri yang masuk melalui permukaan spesimen.

## b. Struktur Mikro
Pengujian struktur mikro yang dilakukan pada seluruh spesimen baik kondisi awal dan  setelah  proses carburizing menunjukkan  hubungan  yang  signifikan  dengan  data kekerasan.  Perubahan  struktur  mikro  terjadi  akibat  adanya  proses  pengerasan  dengan bertambahnya  kadar  C  di  permukaan  dan  akibat  pendinginan  cepat  menyebabkan terbentuknya fasa keras di daerah permukaan.
Tabel 1. Rangkuman Foto Struktur Mikro pada setiap spesimen. No  Carburizer Temperatur  VHN Carburizer VHN Potongan Carburizer Stuktur Mikro 1 Spesimen Awal 262,8 2 Arang Cangkang Kemiri 850 0 C 529,2 607, 9 3 Arang Cangkang Kemiri 900 0 C 543,8 610,5
Alpa Fe 3 C Martensit Ferit Perlit halus Ferit Martensit Perlit halus
4 Arang Cangkang Kemiri 950 0 C 543,5 594,6 5 Arang Cangkang Kemiri 1000 0 C 527,4 579,0
Pengujian struktur mikro yang dilakukan pada seluruh spesimen baik kondisi awal dan  setelah  proses  carburizing  menunjukkan  hubungan  yang  signifikan  dengan  data kekerasan.  Perubahan  struktur  mikro  terjadi  akibat  adanya  proses  pengerasan  dengan bertambahnya kadar karbon di permukaan dan akibat pendinginan cepat menyebabkan terbentuknya fasa keras di daerah permukaan.

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil penelitin  ini  spesimen  II  pada  temperatur  900 o C  waktu  penahanan  120 menit  dengan  quencing  oli  SAE  20  yang  lebih  tingi  karena  untuk  spesimen  II  pada permukaan spesimen kekerasannya adalah 543,8 HV dengan rata-rata kekerasan untuk bagian dalam spesimen adalah 255,11 HV.
Kenaikan angka kekerasan disebabkan adanya struktur martensit pada permukaan. Hal ini berawal dari jumlah austenit pada bagian dalam spesimen II lebih besar dari pada spesimen  I,  sehingga  persentase  struktur  martensit  yang  terjadi  akibat  transformasi austenit pada pendingin spesimen II lebih besar dari pada spesimen I.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
[1] William  D.  Calister  Jr,  Terwort,  “  Material  Sciences  and  Enginering”  Fourth Edition, Jhon Wiley & Son, Inc
[2] K E Telning, Butterwoths “ Steel and Heat Treatmen “ Bopors Handbook
[3] Suratman,  Rochim.  1994.  “Panduan  Proses  Perlakuan  Panas  “.  Bandung: Lembaga Penelitian Institut Teknologi Bandung.
Perlit
halus ferit  Martensit Martensit Ferit Perlit halus
[4] B.  Selcuk,  R.  Ipek,  M.B.  Karamis,  A  study  on  friction  and  wear  behaviour  of carburized,  carbonitrided  and  borided  AISI  1020  and  5115  steels,  J.  Mater. Process. Technol. 141 (2003) 189–196.
[5] N. Agarwal, H. Kahn, A. Avishai,  G. Michal, F.  Ernst,  A.H. Heuer, Enhanced fatigue  resistance  in  316L  austenitic  stainless  steel  due  to  low-temperature paraequilibrium carburization, Acta Mater. 55 (2007) 5572–5580.
[6] T.M.  Loganathan,  J.  Purbolaksono,  J.I.  Inayat-Hussain,  N.Wahab,  Effects  of carburization on expected fatigue life of alloys steel shafts,Mater. Des. 32 (2011) 3544–3547.
[7] G. Krauss, Martensite in steel strength and structure, Mater. Sci. Eng. A 273–275 (1999) 40–57.
[8] Amanto, H. & Daryanto, 1999. Ilmu Bahan, Bumi Aksara, Jakarta Arifin, 1977. Ilmu Logam, Ghalia Indonesia, Jakarta
[9] Fata  O.  A.,  Simeon  A.  I.,  Isiaka.,  Oluwole  O.,  and  Joseph  O.  B.,  2010.  Pack Carburization  of  Mild  Steel,  using  Pulverized  Bone  as  Carburizer:  Optimizing Process Parameters, Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, ISSN 1583-1078, issue 16, p. 1-12
[10] Mohammad  Nurhilal,  Pengaruh  temperature,  holding  time  proses  peck carburizing  baja  karbon  terhadap  sifat  fisik  dan  mekanik,  Jurnal  Teknologi, Volume 10 Nomor 2, Desember 2017, pp. 153-162.
[11] G. Krauss, Case hardening of steel, in: R.B. Shingledecker (Ed.), 28 Heat treating, Metals Handbook Desk Edition, American Society of Metals, Metals Park, Ohio, USA, 1985, pp. 28.21–28.32.