Bayuseno, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 195-201
Peningkatan Nilai Kekerasan pada Bucket Teeth Excavator dengan Metode Pack Carburizing dan Media Quenching Oli SAE 20W-50 Serta Cangkang Kerang sebagai Energizer
Athanasius Priharyoto Bayuseno a , Dipo Adi Negoro b, *
a Dosen Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
b Mahasiswa Program Studi S1, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: adi.dipo.negoro@gmail.com

## Abstract
In an excavator, the end of the bucket that acts like claws is called bucket teeth. Bucket teeth are one of the most likely parts to be fail when the excavator is being used. To combat the failure, an increase in mechanical  properties  was  performed  especially  for  the  surface  hardness  by  pack  carburizing. Carburizing  pack  is  a  type  of  carburizing  in  which  a  surface  hardening  process  by  adding  carbon elements  was  performed  by  diffusion  at  temperature  of  950 o C  with  variations  in  holding  time  of  2.4 and  6  hours.  Additionally  variations  in  shellfish  powder,  which  acts  as  an  energizer,  of  30,  40  and 50wt  %  were  selected. After pack carburizing,  the  bucket teeth  were  quenched  with SAE 20W-50  oil media  to  increase  the  hardness  value.  After  that,  testing  of  hardness,  microstructure,  and  chemical composition  of  the  samples  were  carried  out  to  compare  the  properties  before  and  after  the carburizing pack process. The results showed that there was an increase in the value of hardness along with the amount of  carbon content, where the highest  hardness occurred in  the variation  of 70% C  - 30% shellfish powder  with a 4 hour holding time of 84.9 HRA. The carbon element diffusing into the material increased with the longer duration of detention where the deepest carbon diffusion occurs at 6-hour containment with variations of 70% C - 30% shellfish powder.
Keywords: Pack Carburizing; Catalisator; Bucket teeth; Hardness; Shellfish

## Abstrak
Pada  ekskavator,  bagian  ujung  dari  bucket  yang  berperan  seperti  cakar-cakar  disebut bucket  teeth . Bucket  teeth merupakan  salah  satu  bagian  yang  paling  mungkin  terjadi  kegagalan  ketika  excavator digunakan. Untuk mengatasi kegagalan, dilakukan peningkatan sifat mekanis terutama nilai kekerasan dengan  cara pack  carburizing . Pack  carburizing merupakan  salah  satu  jenis  dari carburizing dimana proses  ini  merupakan  proses  pengerasan  pada  permukaan  ( surface  hardening )  dengan  cara menambahkan unsur karbon dengan cara difusi yang dilakukan pada suhu 950 o C dengan variasi waktu penahanan  2,4  dan  6  jam  ditambah  dengan  variasi  serbuk  cangkang  kerang yang  berperan  sebagai energizer sebesar  30%,  40%  dan  50%.  Setelah  dilakukan pack  carburizing , bucket  teeth dilakukan proses quenching dengan  media  oli  SAE  20W-50  untuk  meningkatkan  nilai  kekerasan.  Setelah  itu dilakukan  proses  pengujian  kekerasan,  mikrografi,  dan  uji  komposisi  kimia  untuk  membandingkan material setelah dan sebelum proses pack carburizing . Hasil menunjukkan bahwa terjadi kenaikan nilai kekerasan seiring dengan banyaknya karbon dan waktu tahan, dimana kekerasan tertinggi terjadi pada variasi  70%  Charcoal  –  30%  serbuk  cangkang  kerang dengan  waktu  penahanan  4  jam  sebesar  84.9 HRA. Unsur karbon  yang terdifusi ke dalam  material akan  meningkat seiring penahanan waktu yang semakin lama dimana difusi karbon paling dalam terjadi pada penahanan 6 jam dengan variasi 70% C – 30% serbuk cangkang kerang.
Kata kunci: Pack Carburizing , Katalisator, Bucket teeth.

## 1. Pendahuluan
Dengan  semakin  meningkatnya  pembangunan  yang  ada  di  Indonesia  saat  ini,  dibutuhkan  alat-alat  berat  ( heavy equipment ) yang memadai guna menyokong pembangunan yang ada. Salah satu contoh alat berat yang dipakai adalah excavator .  Alat  berat  ini  sering  digunakan  untuk  melakukan  berbagai  pekerjaan  berat,  seperti  membongkar  aspal, menggali tanah dan juga digunakan di dunia pertambangan sebagai alat utama untuk menggali pit.
Pada ekskavator , bagian  yang digunakan sebagai  alat penggali dan pengangkat  material disebut sebagai excavator bucket .  Bagian  ujung  dari bucket ini  yang  berperan  seperti  cakar-cakar  disebut bucket  teeth ,  merupakan  bagian  yang paling  mungkin  mengalami  gagal  (aus  maupun  patah)  ketika ekskavator dioperasikan.  Hal  ini  bisa  terjadi  karena karakteristik  material  yang  dipakai  kurang  baik  sehingga  kurang  mendukung  kerja  dari ekskavator. Material bucket teeth yang  biasa  digunakan  adalah mild  carbon  steel dengan  kandungan  C  sekitar  0.33%-0.50%  sehingga  dirasa material  tersebut  kurang  mampu  untuk  menahan  pembebanan  dan  kerasnya  material  yang  dibebankan  pada  gigi
excavator tersebut  sehingga  menyebabkan  kegagalan  pada  material  [1].  Untuk  mengatasi  masalah  tersebut  dilakukan proses pack carburizing untuk  meningkatkan nilai kekerasannya dengan ditambahkan  variasi serbuk cangkang kerang yang  berfungsi  sebagai energizer .  Penggunaan  cangkang  kerang  sebagai energizer sendiri  dilakukan  untuk  mencari alternatif energizer lain yang sudah banyak digunakan seperti tulang sapi,arang kayu jati dan lainnya.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mengetahui  pengaruh  temperatur  dan  waktu  terhadap  peningkatan  sifat  mekanis terutama nilai kekerasan pada bucket teeth excavator selain itu didapatkan data hasil kekerasan, struktur mikro dan uji komposisi  setelah dilakukan proses pack carburizing dalam rangka  meningkatkan sifat  mekanis bucket  teeth tersebut. Dan  setelah  didapatkan  hasil  pengujian  ,  akan  dilakukan  perbandingan  sifat  fisis  dan  sifat  mekanis  dari bucket  teeth excavator hasil proses heat treatment pack carburizing dan yang belum dilakukan proses heat treatment.

## 2. Material dan Metodologi
2.1. Metodologi
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  metode  eksperimen.  Metode  eksperimen  ini  meliputi pengambilan  data  dengan  cara  pengujian,  dilakukan  analisa  data  setelah  dilakukan  pengujian  dimana  pengujian  yang dilakukan adalah pack carburizing yang kemudian dilakukan pengujian kekerasan,mikrografi dan pengujian komposisi kimia. Pengujian sendiri dilakukan di 2 tempat yaitu di laboratorium metalurgi fisik teknik mesin Undip dan pengujian komposisi kimia di CV. Prima Logam, Tegal.  Diagram alir penelitian dapat dilihat di Gambar 1.
Mulai Mempersiapkan spesimen dan cup Mempersiapkan powder untuk pack carburizing
50% Charcoal 50% Kulit Kerang 60% Charcoal 40% Kulit Kerang 70% Charcoal 30% Kulit Kerang Proses carburizing pada temperatur 950 0 C
Penahanan pada temperatur 950 0 C 6 jam 4 jam Jam 2 jam Quenching dengan media pendinginan oli Pengujian kekerasan dan struktur mikro sesuai teori Pengujian komposisi Pengolahan data, analisa dan pembahasan Kesimpulan dan Saran Selesai Tidak Ya

## 2.2. Material
Penelitian ini menggunakan  material jenis baja karbon rendah dimana kandungan karbon yang ada sebesar 0.33%. Baja sendiri dikelompok kan menjadi 3 jenis berdasarkan kandungan karbonnya, yaitu baja karbon rendah ( low carbon steel ) yang memiliki kandungan karbon kurang dari 0.30% dan memiliki sifat kekerasan yang rendah namun memiliki keuletan  yang  tinggi.  Kemudian  baja  karbon  menengah  ( medium  carbon  steel )  yang  memiliki  kandungan  karbon sebesar 0.31-0.59 % memiliki sifat mekanis yang lebih tinggi dibandingan dengan baja karbon rendah, penggunaan baja karbon  menengah  biasa  digunakan  untuk  pembuatan  poros,  roda  gigi  dan  komponen  mesin  lainnya  dan  baja  karbon tinggi  ( high  carbon  steel) yang  memiliki  kandungan  karbon  sebesar  0.60%-1.40%  serta  nilai  kekerasan  yang  tinggi namun tidak ulet. Pada Gambar 2 ditunjukkan material yang digunakan dalam proses pengujian.

## Gambar 2. Bucket Teeth Excavator
Proses  pemanasan  ( Heat  Treatment) yang  digunakan  menggunakan  metode carburizig dengan  jenis pack carburizing .  Dimana Carburizing adalah  salah  satu case  hardening yang  dilakukan  dengan  menambahkan  karbon  ke permukaan  material  (baja  karbon  rendah,  baik  dengan  atau  tanpa  unsur-unsur  paduan.  Material  dipanaskan  sambil berkontak dengan karbon (dalam wujud padat, gas atau cair) hingga temperatur di atas A 3 (pada Gambar 3), lalu ditahan pada temperatur tersebut, kemudian didinginkan [2].
Gambar 3. Temperature Ranges untuk pemanasan baja karbon [2]
Pack  carburizing adalah  proses  dimana  karbon  monoksida  didapatkan  dari  penguraian  campuran  bubuk pack carburizing yang  terjadi  pada  permukaan  logam.  Karbon  yang  baru  terurai  dan  karbon  dioksida  langsung  bereaksi dengan material yang disertakan pada pack carburizing untuk mendapatkan karbon monoksida yang baru. Reaksi yang terjadi pada proses carburizing adalah reaksi karbon dengan udara menjadi karbon dioksida (Pers. 1)
𝐶 + 𝑂 2 → 𝐶𝑂 2 ………………………………………………............................................................(1)
dan dilanjutkan dengan reaksi kembali menjadi karbon monoksida (Pers. 2).
𝐶𝑂 2 + 𝐶 → 2𝐶𝑂 ………………………………………………...........................................................(2)
Karbon monoksida kemudian berkontak dengan permukaan dari baja dan terjadi proses difusi karbon pada material tersebut (Pers. 3).
2𝐶𝑂 → [𝐶] + 𝐶𝑂 2 ………………………..........................…………………..................................….(3)
Pembentukan  karbon  monoksida  dibantu  oleh energizer atau  katalisator,  seperti barium  carbonate (BaCO3), calcium carbonate (CaCO3), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), dan sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), yang ditambahkan pada
campuran  bubuk pack  carburizing .  Untuk  gambar  skematik  tentang  sistem pack  carburizing yang  dilakukan  pada penelitian adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Skema sistem pack carburizing [3]
Pada pack carburizing salah satu bahan yang penting adalah serbuk charcoal atau arang. Serbuk charcoal didapatkan dari  arang  yang  telah  ditumbuk  dan  kemudian  di  saring  menggunakan  mesh  100, Charcoal ini  digunakan  sebagai sumber utama dari carbon saat proses carburizing . Charcoal yang digunakan adalah seperti pada Gambar 5 dibawah.
Gambar 5. Serbuk charcoal.
Selain  itu energizer yang  digunakan  adalah  serbuk  cangkang  kerang  yang  didapatkan  dari  tumbukan  kulit  kerang yang sudah dikeringkan sebelumnya. Fungsi dari kulit kerang ini adalah sebagai katalisator untuk mempercepat proses difusi  karbon,  selain  c alcium carbonate ,  juga  bisa  digunakan  katalisator  jenis  lain  yaitu barium  carbonate (BaCO3), potassium  carbonate (K2CO3),  dan sodium  carbonate (Na2CO3)  [4].  Serbuk  kerang  yang  di  gunakan  sebagai katalisator ditunjukkan pada Gambar 6 dibawah ini.
Gambar 6. Serbuk Kulit Kerang
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Pengujian Kekerasan
Pengujian  kekerasan  pada  penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  alat  uji  kekerasan Rockwell  Hardness Tester  Model  HR-150A dengan  menggunakan  skala  A  (HRA).  Dengan  pembebanan  60  kgf  dan  menggunakan penentrator intan. Mengikuti standar ASTM E-18.
Pada Tabel 1 dapat dilihat nilai kekerasan awal dari material bucket teeth yang jauh dari nilai SNI yang diinginkan. Nilai  rata-rata  dari  spesimen  awal  sebesar  62  HRA  masih  jauh  dari  nilai  SNI  sebesar  70.4  HRA  oleh  karena  itu dilakukan proses carburizing untuk meningkatkan kekerasannya kemudian dilakukan quenching dengan media oli SAE 20W-50 dimana hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 2 dan grafik dari hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 7.
Bayuseno, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 195-201
Tabel 1. Perbandingan Spesimen awal dengan standar SNI
No SPESIMEN AWAL SNI (HRC) (HRA) (HRC) (HRA) 1 23 62 40 70.4 2
21 61
3
23 62 4 25 63 5 23 62 Rata-rata 23 62 40 70.4
Hasil  nilai  kekerasan  dengan  memvariasikan  konsentrasi  charcoal  dengan  serbuk  cangkang  kerang  dan  variasi penahanan  temperatur  menunjukkan  bahwa  terjadi  peningkatan  yang  signifikan  dari  material  awal  yaitu  62.0  HRA menjadi sekitar 84 HRA dimana nilai kekerasan tertinggi terdapat pada variasi 70% charcoal – 30% serbuk cangkang kerang sebesar 84.9 HRA.
Tabel 2. Hasil Pengujian Kekerasan bucket teeth specimen (Skala HRA) setelah di carburizing
Oli Raw Material 2 jam 4 Jam 6 jam 100-0 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 62 84.5 84 84 84 84 86 82.5 84 81.5 61 85 84 84.5 83.5 84 84.5 83 83 82 63 83 84.5 84.5 84.5 84.5 85 83.5 84 83 62 83.5 84 84.5 84 84.5 85 82 83 81 62 83 84.5 84.5 84 84 84 83 83 82 Rata-rata 62 83.8 84.2 84.4 84 84.2 84.9 82.8 83.4 81.9
Gambar 7. Nilai kekerasan hasil carburizing dengan variasi konsentrasi charcoal dan variasi penahanan temperatur.

## 3.2 Pengujian Struktur Mikro
Berikut  ini  pada  Gambar  8(a)  dan  8(b)  adalah  struktur  mikro  material  awal  sebelum carburizing .  Pada  pengujian struktur mikro ini dilakukan menggunakan mikroskop optik.
(a)
(b)
Gambar 8. (a) Struktur mikro material awal sebelum proses carburizing , (b) Struktur material awal pada bagian pinggir ( case ). 62 84,4 84,2 83,8 84,9 84,2 84 81,9 83,4 82,8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Raw Material 70-30
60-40 50-50 70-30 60-40 50-50 70-30 60-40 50-50 2 Jam 4 Jam 6 Jam
N il a i ke ke ra sa n ( H R A )
Bayuseno, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 195-201
Pada suatu struktur mikro material awal memiliki  fasa pembentuk ferrite dan pearlite [5] seperti yang ditunjukkan pada  Gambar  10.  Setelah  proses carburizing ,  terdapat  perbedaan  struktur  mikro  pada  material.  Dimana  struktur  yang terbentuk  merupakan  martensit.  Struktur  mikro  berubah  dikarenakan  terjadinya  peningkatan  kadar  karbon  yang berpengaruh terhadap kekerasan pada material. Dapat dilihat pada  Gambar 11 , terlihat perbedaan warna dari material hasil carburzing. Warna  yang  lebih  gelap  menandakan  kadar  karbon  yang  ada  pada  pinggir  material  lebih  banyak dibandingkan di bagian tengah yang tidak terkena difusi dari proses carburizing.
Gambar 10. Struktur mikro material awal sebelum proses carburizing
Gambar 11. Struktur mikro martensit terbentuk pada  tepi material bucket teeth .
Dengan mengkarakteriasasi perbedaan high carbon martensite dengan low carbon martensite kita dapat mengetahui kedalaman penetrasi karbon yang terjadi sebagai hasil dari proses carburizing . Pada Gambar 12 dapat dilihat kedalaman difusi  karbon  pada  material  dengan  berbagai  variasi  yang  ada.  Kedalaman  difusi  paling  panjang  terjadi  pada  variasi penahanan waktu 6 jam dengan konsentrasi charcoal sebanyak 70%
Gambar 12. Difusi karbon material baja setelah carburizing 94,3 101,5 137,4 155,3 171,1 196,8 237 250,1 283,8 0 50 100 150 200 250 300 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 2 jam 4 Jam 6 jam K eda la m an Di fus i (ɥM ) Variasi Waktu Ferrite ( α) Pearlite (α+Fe3C ) High Carbon Martensite Low Carbon Martensite

## 3.3 Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian komposisi kimia bertujuan untuk mengetahui komposisi kimia yang menyusun material tersebut, terutama kadar  karbon  dari  spesimen  setelah carburizing .  Dapat  dilihat  pada  Tabel  3  kadar carbon yang  terdifusi  berdasarkan pengujian komposisi kimia menggunakan ARL Optic Emission Spectrometer Switzerland QTD – 127.
Tabel 3. Data hasil uji komposisi material.
Unsur Raw Material 2 jam (%) 4 Jam (%) 6 jam (%) 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 C 0.329 0.475 0.485 0.495 0.518 0.584 0.595 0.624 0.545 0.665 Si 0.308 1.052 1.077 1.097 1.100 1.039 1.097 1.098 1.077 1.060 Mn 0.727 0.469 0.493 0.503 0.486 0.465 0.483 0.489 0.473 0.482 P 0.007 0.160 0.150 0.153 0.134 0.135 0.147 0.135 0.127 0.111 S 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Dari tabel dapat dilihat bahwa terjadi peningkatan kadar karbon setelah dilakukan proses carburizing. Kadar karbon tertinggi di dapat ketika  variasi penahanan 6  jam  dengan  variasi 70% charcoal  – 30% serbuk cangkang kerang. Pada Gambar 13 di tampilkan dalam bentuk grafik hasil pengujian kadar karbon hasil carburizing.
Gambar 13. Persen komposisi karbon pada permukaan material setelah carburizing .

## 4. Kesimpulan
Perlakuan carburizing yang  telah  dilakukan  pada  baja bucket  teeth  excavator telah  berhasil.  Percobaan  ini  dapat meningkatkan  sifat  mekanis dari  material  baja tersebut, terutama untuk nilai kekerasan  yang  awalnya  hanya 62 HRA menjadi sekitar 84.9 HRA pada variasi 70% charcoal- 30% serbuk cangkang kerang pada penahanan 4 jam. Selain itu terjadi peningkatan  nilai kekerasan  seiring dengan komposisi karbon  yang  bertambah di  setiap  variasinya.  Komposisi yang  paling  optimal  untuk  mendapatkan  kekerasan  yang  paling  tinggi  adalah  komposisi  70% Charcoal dengan  30% serbuk cangkang kerang.  Dari  struktur mikro sendiri terjadi perubahan  fasa, dimana  fasa awal  adalah  fasa ferrite dan pearlite setelah  mengalami  proses heat  treatment, fasa  menjadi martensite. Pada  permukaan  benda  uji  yang  telah mengalami  proses carburizing, terdapat  perbedaan  warna  dari  bagian  luar  dengan  bagian  dalam  dimana  pada  bagian luar  lebih  gelap  warnanya.  Hal  ini  disebabkan  karena  terjadinya  difusi  karbon  dan  akan  meningkatkan  komposisi karbon pada permukaan bagian luar benda uji.

## Referensi
[1]  Callister, W., Rethwisch, D., 2007, " Materials science and engineering: An introduction" , 7 th Edition, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc
[2]  Edenhofer, B., dkk, 2015, " Carburizing of steels" , Woodhead Publishing Limited
[3]  Bailey,  R.,  Sun,Y.,  2015,  “ Pack  carburisation  of  commercially  pure  titanium  with  limited  oxygen  diffusion  for improved tribological properties ,” Surf. Coatings Technol . , vol. 261, pp. 28–34.
[4]  Foreman, R., 2001,  “ Heat Treating ,” ASM Int, vol. 4, p. 749.
[5]  Voort, V., Baldwin, W., 2004,  “ Metallography and Microstructures Handbook ,” ASM Int . , vol. 9, p. 2733.
0,475 0,485 0,495 0,518 0,584 0,595 0,624 0,545 0,665 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 50-50 60-40 70-30 2 jam 4 Jam 6 jam K an dun ga n K ar b o n ( % ) Variasi Waktu