## PENGARUH VARIASI PENDINGINAN SETELAH PROSES CARBURIZING TERHADAP KEKERASAN BAJA
Reny Afriany*, Asmadi** *Program Studi Teknik Mesin Universitas IBA Palembang **Program Studi Teknik Mesin Universitas IBA Palembang e-mail : reny.afriany@yahoo.com

## ABSTRAK
Komponen mesin yang saling bersinggungan dalam pengoperasiannya secara terus menerus akan menyebabkan  keausan.  Komponen  mesin  seperti  poros, crankshaft dan  roda  gigi  selain  memerlukan kekuatan  dan  keuletan  yang  tinggi  juga  memerlukan  kekerasan  yang  tinggi.  Untuk  memperlambat keausan  yang  timbul  di  permukaan,  dibutuhkan  kekerasan  permukaan  yang  tinggi.  Proses  karburasi (carburizing) adalah salah satu  metode untuk  meningkatkan kekerasan permukaan. Dalam penelitian ini baja  dikarburasi,  yaitu  baja  dipanaskan  diatas  suhu  austenisasi  dalam  lingkungan  karbon.  Karburasi menggunakan  arang  tempurung  kelapa  dan  Na 2 CO 3 sebagai  katalisnya  dengan  waktu  penahanan  5  jam pada  temperatur  950°C  dan  dilanjutkan  dengan  proses  pendinginan.  Pendinginan  dilakukan  dengan  tiga variasi  cara  pendinginan,  yaitu ,  direct  quenching,  single  quenching, dan double  quenching. Pengujian yang  dilakukan  adalah  pengujian  kekerasan  mikro Vickers dan  pengamatan  struktur  mikro.  Hasil pengujian  menunjukkan  kekerasan pada raw  material sebesar  374,1  HV.  Pendinginan  dengan metode single  quenching setelah carburizing menunjukkan  nilai  kekerasan  yang  paling  tinggi yaitu  860,7  HV, naik  sebesar  130%  dari raw  material, kekerasan  dengan  metode single quenching 704,9  HVdan double  quenching 514,4  HV.  Walaupun  nilai  kenaikan  kekerasan double quenching paling  rendah  dibanding direct dan single  quenching, namun  butiran-butiran  yang dihasilkan oleh metode ini lebih halus karena proses berganda yang memungkinkan perbaikan struktur.  Penggunaan jenis  metode  pendinginan      dalam carburizing ini  kita  sesuaikan  dengan sifat akhir material yang kita inginkan.
Kata kunci : carburizing, direct quenching, single quenching, double quenching, kekerasan

## 1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Baja  karbon  medium  sudah  termasuk  baja  yang  memiliki  kekuatan  tinggi  dan ketangguhan  yang  baik  sehingga heat  treatment lanjutan  terkadang  tidak  dibutuhkan  lagi. Namun  jika  diperlukan  sifat  mekanik  yang  lebih  tinggi,  suatu  perlakuan  lanjutan  dapat diberikan. Baja karbon medium banyak digunakan untuk komponen mesin seperti roda gigi dan poros.  Penggunaan  poros  selain  membutuhkan  kekuatan  dan  ketangguhan  yang  baik,  juga dibutuhkan  kekerasan  yang  tinggi  di  permukaan  poros,  hal  ini  untuk  meminimalisir  keausan permukaan  poros.  Untuk  memenuhi  kebutuhan  tersebut,  peningkatan  kekerasan  dapat dilakukan.  Macam  proses  untuk  peningkatan  kekerasan  permukaan  secara  termokimia  antara lain karburasi, nitridasi, dan karbonitridasi.
Istiqlaliyah  (2016)  melakukan  penelitian  variasi  media  karburasi  pada  metode pack carburizing ,  yaitu  arang  kayu  jati,  arang  tempurung  kelapa  dan  grafit.  Kekerasan  permukaan tertinggi  dengan  rata-rata  kedalaman  karburasi  terbesar  didapat  dengan  penggunaan  media arang tempurung kelapa, yaitu kedalaman sebesar 0,0133µ.
Bahtiar  (2017)  melakukan  penelitian  perbandingan  kekerasan  baja  komersil  yang di carburizing dengan  membedakan  media quenching nya,  yaitu  karburasi quenching air, karburasi quenching oli,  karburasi quenching air tempering dan  karburasi quenching oli tempering. Hasil  pengujian  menunjukkan  spesimen  yang  dikarburasi  semuanya  mengalami
kenaikan  kekerasan  yang  sangat  signifikan.  Kenaikan  kekerasan  paling  tinggi  diperoleh  pada karburasi quenching air, yaitu naik sekitar 136%.
Berdasarkan hal-hal diatas, pada penelitian ini peningkatan kekerasan permukaan dipilih dengan  metode pack  carburizing media  arang  tempurung  kelapa  dengan  oli  sebagai  media pendingin.  Untuk  mendapatkan  perbandingan  peningkatan  kekerasan,  variasi  pendinginan dilakukan setelah proses karburasi, yaitu dengan direct quenching, single quenching dan double quenching .

## 1.2. Tujuan Penelitian
Penelitian ini  bertujuan  untuk  melihat  perbandingan  kekerasan  dengan  memvariasikan pendinginan setelah proses karburasi.
1.3. Batasan Masalah
Penelitian  ini  tidak  meninjau  perubahan  sifat  mekanik  yang  lain  setelah  pendinginan. Pendinginan dilakukan hanya bertujuan mendapatkan kekerasan yang tinggi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Baja Karbon Medium
Baja karbon sedang memiliki komposisi karbon antara 0,25 – 0,6 % dan dapat dikeraskan dengan perlakuan panas. Baja ini terdiri dari baja karbon medium biasa dan baja mampu keras. Penambahan  unsur  lain  seperti  Cr,  Ni  dan  Mo  lebih  meningkatkan  mampu  kerasnya.  Baja  ini lebih  kuat  dari  baja  karbon  rendah  dan  cocok  untuk  komponen  mesin,  roda  kereta  api, gear, crankshaft serta  komponen  struktur  yang  memerlukan  kekuatan,  ketahanan  aus  dan ketangguhan yang tinggi.
2.2. Carburizing
Carburizing adalah  salah  satu  proses  untuk  meningkatkan  kekerasan  pada  permukaan logam  (surface  treatment).  Baja  dipanaskan  diatas  suhu  A1  (>723°C)  dalam  suasana lingkungan karbon (gas CO), sehingga terjadi reaksi (Anrinal, 2013):
Fe + 2CO → Fe (c) + CO 2 dimana  Fe (c) merupakan  karbon  yang  terlarut  dalam  austenit  di  permukaan  baja.  Peningkatan kadar karbon disebabkan oleh pemanasan yang mengakibatkan terjadinya difusi karbon sampai kedalaman  tertentu  sesuai  dengan  keinginan  dan  selanjutnya  didinginkan  dengan  cepat  ke dalam  air.  Cara  ini  dapat  meningkatkan  komposisi  karbon  padsa  baja  berkisar  antara  0,3  – 0,9% (Beumer, 1980).
2.3.   Pengujian Kekerasan
Kekerasan  adalah  ketahanan  suatu  material  terhadap  deformasi  pada  daerah  lokal  dan permukaan  material  (Schonmetz  1985).  Penelitian  ini  menggunakan  pengujian  kekerasan Vickers .  Uji  kekerasan Vickers menggunakan  indentor  piramida  intan  yang  pada  dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besar sudut antara permukaan piramida intan yang saling berhadapan adalah  136°  dan  beban  yang  diberikan  1-120  kg  (Suherman  1987).  Proses  penekanan  yang diakibatkan gaya tertentu, pada benda uji akan meninggalkan bekas injakan dari intan tersebut. Perhitungan  uji  kekerasan  didasarkan  pada  panjang  diagonal  dari  bekas  injakan  intan  dan beban yang diberikan.
𝐻𝑉 = 𝑃.2𝑠𝑖𝑛 136° 2 𝑑 2
dimana : P = beban tekanan yang diberikan d = panjang diagonal bekas injakan (µm)

## 3. METODE PENELITIAN
3.1. Material dan Bahan Penunjang
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
- Baja AISI 4340
- Natrium carbonat (Na 2 CO 3 ) sebagai katalis
- Arang tempurung kelapa sebagai sumber unsur penambah karbon
- Oli SAE 20 sebagai media pendingin
3.2. Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian
3.3. Persiapan Spesimen
Baja  silinder  dibentuk  menjadi  spesimen  dengan  ukuran  diameter  20  mm  dan  tebal  10 mm.  Spesimen  disiapkan  sebanyak  10  buah,  dengan  rincian  1  spesimen  tanpa  perlakuan,  3 spesimen  untuk carburizing dengan direct  quenching, 3  spesimen  untuk carburizing dengan single quenching dan 3 spesimen untuk carburizing dengan double quenching . Komposisi kimia baja AISI 4340 ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Komposisi Kimia Baja Karbon Medium AISI 4340
AISI 4340 Komposisi Kimia (%) C Cr Ni Mo 0,30-0,38 1,30-1,70 1,30-1,70 0,15-0,30

## Pembentukan Spesimen
Carburizing, T=950°C Holding time : 5 jam
Direct Quenching Double Quenching
Single Quenching
Uji Kekerasan Uji Struktur Mikro Pengolahan Data & Analisa Kesimpulan Raw Material

## 3.4. Proses Carburizing
Tahapan untuk proses carburizing yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1. Mempersiapkan bubuk arang batok kelapa sebagai bahan karbon.
2. Media  karbon  sebagai  unsur  katalisator  dicampur  dengan  natrium  karbonat (Na 2 CO 3 ) dengan perbandingan 7:3.
3. Persiapkan  kotak  sementasi  yang  sudah  ditaburi  campuran  media  karbon  dan katalisator  lalu  letakan  spesimen  didalam  kotak  sementasi,  atur  jarak  antara spesimen dan taburi lagi media campuran karbon dan katalisator sampai menutupi seluruh spesimen yang akan di carburizing.
4. Tutup  kotak  sementasi  dan  pastikan  tidak  ada  celah  karena  untuk  mencegah kebocoran gas yang akan terbentuk pada saat proses pemanasan.
5. Masukkan kotak sementasi kedalam tungku pemanas (oven).
6. Hidupkan  tungku  pemanas  dan  atur  suhu  pemanasan  pada  temperature  950°C dengan waktu penahanan 5 jam.
7. Setelah  waktu  penahanan  telah  tercapai,  keluarkan  spesimen  dari  tungku  pemanas dan selanjutnya ke proses quenching .

## 3.5. Proses Quenching
Ada tiga jenis proses quenching yang dilakukan pada penelitian ini, yaitu : 1. Pendinginan langsung ( Direct Quenching )
Pendinginan cepat dengan mencelupkan langsung spesimen dalam media pendingin Oli SAE 20.
2. Pendinginan tunggal ( Single Quenching )
a. Dinginkan spesimen dengan perlahan pada suhu kamar
b. Masukan kembali spesimen kedalam tungku pemanas (oven) tanpa menggunakan kotak  semintasi  lalu  panas  kan  kembali  pada  suhu  775°C  dengan  waktu penahanan ±15 menit
c. Setelah  waktu  pemanasan  telah  tercapai  keluarkan  spesimen  dari  oven  dan lakukan pendinginan cepat dengan Oli SAE 20
3. Pendinginan ganda ( Double Quenching )
a. Dinginkan spesimen secara perlahan-lahan pada suhu kamar
b. Panaskan  kembali  spesimen  kedalam  oven  pada  suhu  925°C  dengan  waktu penahanan ±15 menit
c. Dinginkan benda uji secara cepat dengan Oli SAE 20
d. Panaskan lagi benda uji pada suhu 775°C dengan waktu penahanan ±15 menit
e. Dinginkan kembali benda uji pada suhu kamar

## 4. DATA & PEMBAHASAN
Pengujian  kekerasan  dengan  metode Vickers berdasarkan  standar  ASTM  E  384.  Beban yang  diberikan  F  =  1kgf  dengan  indentasi  selama  5  detik.  Indentasi  dilakukan  pada  3  titik  di permukaan  setiap  spesimen.  Data  hasil  pengujian  kekerasan  ditunjukkan  pada  Tabel  4.1  dan Gambar 4.1.
Tabel 4.1. Nilai Kekerasan Vickers (VHN)
Spesimen Rata-rata Kenaikan Kekerasan (%) 1 2 3 Non perlakuan ( Raw ) 376,2 372,7 373,3 - Direct Quenching 708,1 624,8 782,0 88,4 Single Quenching 863,9 908,3 810,0 130 Double Quenching 438,5 572,4 532,4 37
Gambar 4.1. Nilai Rata-rata Kekerasan Permukaan Spesimen
Pengamatan  struktur  mikro  bertujuan  untuk  mengetahui  perubahan  struktur  atau  fasa yang  terjadi  setelah  spesimen  mendapat  perlakuan.  Hasil  foto  memang  tidak  menunjukkan bentuk  struktur  yang  jelas  apabila  pembesaran  yang  kurang  tinggi,  namun  perubahan  struktur dalam pengamatan ini dapat diprediksi berdasarkan hasil foto pada Gambar 4.2.
(a) (b)                                 (c)                                 (d)
Gambar 4.2. Struktur mikro pada (a) raw material, (b) carburizing dengan direct quenching,
(c) carburizing dengan single quenching, (d) carburizing dengan double quenching
Struktur  mikro  pada raw  material memperlihatkan  adanya  ferit  dan  perlit.  Pada  proses karburasi,  fasa  tersebut  berubah  menjadi  fasa  austenit  ketika  mencapai  temperatur  >723°C. Setelah dikarburasi, spesimen didinginkan secara langsung ke dalam oli. Hal ini mengakibatkan struktur permukaan baja membentuk sementit dan perlit.
Pada  proses  karburasi  dengan single  quenching ,  fasa  martensit  pada raw  material juga terurai  menjadi  fasa  ferit  dan  perlit.  Setelah  perlakuan single  quenching ,  ferit  bertransformasi menjadi  perlit  dan  juga  terbentuk  sementit  karena  atom  besi  (Fe)  mengikat  zat  arang  C.  Foto struktur  mikro  menunjukkan,  struktur  sementit  yang  terbentuk  lebih  besar,  menyebabkan kekerasan  material  makin  tinggi,  hal  ini  juga  menunjukkan  nilai  kekerasan  pada  metode pendinginan single quenching paling tinggi mengalami kenaikan, yaitu 130%. Nilai  kenaikan  kekerasan double  quenching paling  rendah  dibanding direct dan single quenching, namun  butiran-butiran  yang  dihasilkan  oleh  metode  ini  lebih  halus  karena  proses berganda yang memungkinkan perbaikan struktur.
Struktur  akhir  yang  terbentuk  ferit  dan  perlit,  dimana  ferit  ini  terbentuk  pada  saat pendinginan  akhir  di  udara  dari  fasa  austenit  ke  perlit.  Ferit  memiliki  sifat  yg  ulet,  spesimen yang  di double  quenching ini  dapat  disimpulkan  memiliki  nilai  kekerasan  uji  dengan  nilai
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 raw material carburizing
dengan    direct quenching carburizing dengan   single quenching carburizing dengan double quenching
keuletan  yg  baik.  Struktur martensit juga  terbentuk  walaupun  pada  foto  tidak  terlihat  karena kurangnya  pembesaran,  struktur martensit ini  didapat  pada  proses  pendinginan  dengan  media oli,  pertambahan  struktur martensit tersebut  tidak  dapat  dilihat  pada  diagram  kesetimbangan (Fe-Fe3C) melainkan dapat dilihat dari diagram non kesetimbangan yaitu diagram TTT.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1. Kesimpulan
Baja  karbon  medium  yang  di carburizing akan  mengalami  penambahan  karbon  karena adanya proses difusi. Nilai kekerasan pada raw material sebesar 374,1 HV. Pendinginan dengan metode single  quenching setelah carburizing menunjukkan  nilai  kekerasan  yang  paling  tinggi yaitu 860,7 HV, direct quenching 704,9 HVdan double quenching 514,4 HV.

## 5.2. Saran
Pengujian  impact  pada  penelitian  selanjutnya  dapat  ditambahkan  untuk  melihat perbandingan nilai ketangguhan pada baja yang telah mengalami peningkatan kekerasan.

## DAFTAR PUSTAKA
Anrinal, 2013, Metalurgi Fisik, Penerbit ANDI, Yogyakarta
Bahtiar  dkk,  2017, Analisa  Kekerasan  dan  Struktur  Mikro  pada  Baja  Komersil  yang Mendapatkan  Proses  Pack  Carburizing  dengan  Cangkang  Kelapa  Sawit, Jurnal Mekanikal, Vol.8 No.1, hal. 686-696
Beumer, B.J.M, 1980, Pengetahuan Bahan, Bhatara Karya Aksara, Jilid 3, Jakarta
Istiqlaliyah dkk, 2016, Pengaruh Variasi Media Karburasi terhadap Kekerasan dan Kedalaman Difusi  Karbon  pada  baja  ST  42, Seminar  Nasional  Inovasi  &  Aplikasi  Teknologi  di Industri (SENIATI), Malang, hal. A138-A142
Noernan,  S,  2018, Perbandingan  Nilai  Kekerasan  Baja  AISI  4340  terhadap  Variasi Pendinginan pada Proses Carburizing, Skripsi, Universitas IBA Palembang
Schonmetz & Gruber, 1985, Pengetahuan Bahan dalam Pengerjaan Logam, Penerbit Angkasa, Bandung
Suherman, Wahid, 1987, Pengetahuan Bahan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya