Herriza, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 109-114
Pengerasan Permukaan Pisau Hammer Mill AISI 1022 dengan Metode Nitridasi dalam Larutan Campuran Kalium Nitrat dan Sodium Nitrit
*Yusuf Umardani, Rigo Muhammad Herriza Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto, SH, Kampus Undip Tembalang, Semarang, Indonesia 50275 *E-mail: umardaniyusuf70@gmail.com

## Abstract
Hammer mill machines require a hammer mill blade that has a hard surface and wear resistance with a  minimum  hardness  value  of  55-60HRC  or  equivalent  to  600-700HV.  Based  on  the  results  of  the hardness  test  on  PT.  Charoen  Pokphand  Indonesia  Semarang  branch  office,  obtained  the  value  of blade  surface  hardness  of  727  HV.  Basic  materials  for  making  hammer  mill  blades  use  high  carbon steel which is relatively expensive and difficult to machining. In this research, hammer mill blades are made  with  low  carbon  steel  which  is  relatively  inexpensive  and  easy  to  machining  with  surface hardening  treatment  so that the hardness  value can match hammer mill blades  made of high  carbon steel. In this research, the surface hardening used on hammer mill blades that made of AISI 1022 steel. The  method  used  is  liquid  nitriding.  The  parameters  used  as  variation  is  holding  time  in  nitriding. Nitriding was carried out using a KNO3+NaNO2 with a ratio of 50:50 at a temperature of 310 o C. The steps  of  nitriding  testing  begin  with  liquefying  KNO3  with  NaNO2  in  the  nitriding  vessel,  heating specimens  in  the  furnace  to  austenite  to  accelerate  the  diffusion  process,  and  then  the  material  is quenched  into  a  salt  bath  with  3  variations  of  holding  time,  4  hours,  8  hours,  12  hours.  From  these tests it is known that the nitriding method can increase the value of material hardness from 213.3HV to 627HV. Micrography testing revealed that the formation of a nitrid layer with a thickness of 554μm in a holding time of 4 hours, 704μm in an 8 hour holding time, and 977μm at 12 hours of holding time. These  results  indicate  that  the  holding  time  is  directly  proportional  to  the  diffusion  rate  and  the hardness value and nitrid layer can still increase with the length of time of detention.
Keywords: nitriding, surface hardening, hammer mill blade.

## Abstrak
Mesin hammer  mill memerlukan  pisau hammer  mill yang  memiliki  permukaan  keras  dan  tahan  aus dengan  minimal  nilai  kekerasannya  55-60  HRC  atau  setara  dengan  600-700  HV  [8].  Dari  hasil  uji kekerasan pada pisau hammer mill PT. Charoen Pokphand Indonesia cabang Semarang diperoleh nilai kekerasan  permukaan  pisau  sebesar  727  HV.  Material  dasar  untuk  membuat  pisau hammer  mill menggunakan  baja  karbon  tinggi  yang  relatif  mahal  dan  sulit  untuk  dilakukan machining .  Dalam penelitian  ini  pisau hammer  mill dibuat  dengan  baja  karbon  rendah  yang  relatif  murah  dan  mudah dalam machining dengan  diberikan  perlakuan  pengerasan  permukaan  agar  nilai  kekerasan  bisa menyamai pisau hammer mill yang dibuat dari baja karbon tinggi. Baja karbon rendah yang digunakan merupakan  baja  AISI  1022.  Metode  yang  digunakan  adalah  metode  nitridasi  cair.  Parameter  yang digunakan sebagai variasi waktu penahanan. Nitridasi dilakukan menggunakan larutan garam KNO 3 + NaNO 2 dengan  perbandingan  50:50  di  temperatur  310 o C.  Langkah  –  langkah  pengujian  nitridasi diawali  dengan  mencairkan  KNO 3 dengan  NaNO 2 pada  bejana  nitridasi,  memanaskan  spesimen didalam furnace hingga austenite guna  membantu  dan  mempercepat  proses  difusi,  dan  material tersebut di quenching kedalam larutan garam dengan 3 variasi waktu penahanan yaitu 4 jam, 8 jam, 12 jam.  Dari  pengujian  tersebut  diketahui  bahwa  metode  nitridasi  mampu  menaikan  nilai  kekerasan material  dari  semula  213,3  HV  menjadi  627  HV.  Dari  pengujian  mikrografi  diketahui  bahwa terbentuknya  lapisan  nitrid  dengan  ketebalan  554μm  di  waktu  penahanan  4  jam,  704μm  di  waktu penahanan 8  jam, dan 977μm di waktu penahanan 12  jam. Hasil tersebut  menunjukan  bahwa waktu penahanan  berbanding  lurus  dengan  laju  difusi  dan  nilai  kekerasan  serta  lapisan  nitrid  masih  dapat meningkat seiring dengan lamanya waktu penahanan
Kata kunci: nitridasi, kekerasan permukaan , pisau hammer mill.

## 1. Pendahuluan
Industri  pakan  ternak  di  Indonesia  terus  bertumbuh  10%  dari  tahun  2014.  Hal  tersebut  diakibatkan  meningkatnya konsumsi  pakan  hingga  mencapai  14,7  juta  ton  dan  akan  terus  meningkat  [1].  Industri  pakan  ternak  pakan  ternak umumnya  menggunakan  mesin hammer  mill untuk  mengolah  bahan  baku  pakan  ternak  yang  bentuk  dan  ukuran
bermacam-macam  menjadi pakan ternak siap kemas dengan ukuran yang sudah seragam.  Mesin ini mempunyai suatu bagian yang berfungsi sebagai penghancur bahan baku tersebut, yaitu pisau hammer mill . Pisau ini bergesekan langsung dengan  bahan  baku  yang  menyebabkan  sering  terjadinya  keausan.  Pisau hammer  mill umumnya  dibuat  dengan  baja karbon  tinggi  yang  relatif  mahal  khususnya  bagi  industri  penyedia  pakan  ternak  berskala  kecil.  Tujuan  penelitian  ini adalah  mengidentifikasi  dan  merekayasa  nilai  kekerasan  permukaan  pisau hammer  mill dengan  material  dasar  baja karbon rendah yang mudah diperoleh dipasaran dan relatif lebih murah agar dapat bersaing dengan pisau hammer mill yang berbahan dasar baja karbon tinggi . Untuk mendapat pisau hammer mill yang tidak mudah aus, keras, dan ulet dari baja  karbon  rendah,  perlu  dilakukan  peningkatan  kualitas  baja  khususnya  dibagian  permukaannya.  Dalam  bidang rekayasa  material,  teknik  pengerasan  permukaan  sering  dikenal  dengan  istilah  “perlakuan  permukaan”  ( surface treatment ) [5].
Salah satu penelitian mengenai  nitridasi dengan variasi waktu penahanan pernah dilakukan oleh Muhamad khoirul Amin, Universitas Diponegoro Semarang. Pada penelitian tersebut, material yang digunakan adalah baja karbon rendah dengan variasi waktu penahanan 1 jam, 2 jam, dan 3 jam pada temperatur 550 o C dan diperoleh hasil kekerasan dan tebal lapisan nitrid yang terbentuk berbanding lurus dengan waktu penahanan  [6]. Pada penelitian tersebut diketahui bahwa faktor  utama  yang  mempengaruhi  peningkatan  nilai  kekerasan  pada  metode  nitridasi  adalah  temperatur  nitridasi  dan waktu  penahanannya.  Pada  penelitian  ini,  analisa  dilakukan  untuk  mengetahui  peningkatan  nilai  kekerasan  dan perubahan struktur mikro yang terjadi akibat nitridasi cair pada variasi waktu penahanan 4 jam, 8 jam, dan 12 jam.

## 2. Material dan metode penelitian
Pada  Gambar  1  merupakan  diagram  alir  penelitian  nitridasi  dengan  menggunakan  campuran  kalium  nitrat  dan sodium  nitrit  yang  memberikan  efek  pada  nilai  kekerasan  permukaan  dan  struktur  mikro  baja  AISI  1022.  Penelitian dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisis Teknik Mesin Undip.
Studi  literatur dilakukan  untuk  mencari teori dan  materi  yang  berhubungan dengan penelitian  yang dilakukan dan Pemilihan  material  dilakukan  untuk  menentukan  jenis  material  yang  akan  digunakan  dalam  penelitian.  Pengujian komposisi  kimia  dilakukan  di  Laboratorium  Logam  Bahan  PT  Itokoh  Ceperindo,  Klaten  dengan  menggunakan Spektrometer.  Pengujian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  komposisi  kimia  yang  terkandung  dalam  spesimen hammer mill . Hasil pengujian komposisi spesimen hammer mill dapat dilihat pada Tabel 1. Berdasarkan Tabel 1 dapat diketahui material  spesimen  hammer  mill  memiliki kandungan Fe  sebesar 97,52% dan kandungan C sebesar 0,2307%. Dengan diketahuinya  kedua  unsur  tersebut,  maka  dapat  diklasifikasikan  sebagai  baja  karbon  rendah  karena  memiliki  kadar karbon dibawah 0,25% [2]. Dengan terdapatnya unsur C, Mn, P, Si, Ni, Cr dan Mo maka material hammer mill dapat diklasifikasikan sebagai baja AISI 1022.
Mulai Studi Literatur Uji Komposisi Kimia (apakah kadar karbon <0,25%?) Pemilihan Material Heat Treatment Spesimen Dengan furnace 15 menit
A Tidak Ya
Gambar 1. Diagram Alir Metode Penelitian (Lanjutan)
Tabel 1. komposisi kimia pada material hammer mill
Unsur Fe C Si Mn Cr P Mo Ni Al Co Cu Nb Ti V W Persentase 97,52 0,2307 0,901 0,928 0,080 <0,1 0,004 0,026 <0,005 0,005 0,132 0,0019 0,0017 <0,1 <0,1
Pada  penelitian  ini  dilakukan  nitridasi  menggunakan  KNO 3 +NaNO 2 pada  temperatur  310 o C  dengan  variasi  waktu penahanan 4 jam, 8 jam, dan 12 jam. Kemudian dilakukan uji keras dan mikrografi untuk mengetahui pengaruh nitridasi terhadap kekerasan permukaan dan struktur mikro material pisau hammer mill .
3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Hasil pengujian kekerasan
Dari  hasil  sebelum  ( raw  material )  dan  sesudah  pengerasan  permukaan  menggunakan  metode  nitridasi  dilakukan pengujian kekerasan menggunakan alat uji mikro hardness Vickers HM-200 Mitutoyo di laboratorium terpadu UNDIP dengan  melakukan  pembebanan  sebesar  0,3  kgf  terhadap  spesimen hammer  mill .  Gambar  2  menunjukkan  titik penyebaran  pengujian  kekerasan  dimana  setiap  titik  uji  berada  1  mm  dari  tepi.  Hasil  nilai  kekerasan  permukaan ditunjukkan pada Tabel 2.
Pengujian Nitridasi Perlakuan Nitridasi Spesimen 2 HT = 8 Jam Penyusunan Laporan A Perlakuan Nitridasi Spesimen 3 HT = 12 Jam Perlakuan Nitridasi Spesimen 1 HT = 4 Jam Uji Kekerasan dan Struktur Mikro Pengolahan Data, Analisis dan Pembahasan Selesai 1 2 3 4
5
6
Tabel 2. Hasil  pengujian kekerasan permukaaan spesimen hammer mill
No Kekerasan permukaan  (HV) Spesimen sebelum hardening Nitridasi 4 jam Nitridasi 8 jam Nitridasi 12 jam 1 Titik 1 213,4 529,0 552,2 627,0 2 Titik 2 204,8 516,7 546,5 579,4 3 Titik 3 223,9 502,0 508,6 563,1 4 Titik 4 212,3 493,8 521,4 541,3 5 Titik 5 218,7 497,8 492,0 533,7 6 Titik 6 218,0 475,3 477,0 503,0 Rata-rata 211,6 502,4 516,28 557,9
Dari  hasil  pengujian  kekerasan  pada  spesimen  uji  diketahui  bahwa  perlakuan  pengerasan  dengan  menggunakan metode nitridasi dapat meningkatkan nilai kekerasan baja AISI 1022 yang merupakan baja karbon rendah. Pada Gambar 3 terlihat bahwa kekerasan paling tinggi pada  baja  yang telah  mengalami proses nitridasi di  masing-masing spesimen terdapat pada titik satu yaitu titik yang terletak pada bagian tepi ujung spesimen yakni pada 4 jam nitridasi = 529,0 HV, 8 jam nitridasi = 552,2 HV, dan 12 jam nitridasi 627,0 HV. Hal ini terjadi karena pada daerah yang dekat dengan sisi- sisi  permukaan,  konsentrasi  atom-atom  nitrogen  yang  terdifusi  kedalam  atom  baja  akan  jauh  lebih  besar  bila dibandingkan dengan daerah pada pusat permukaan. Dengan turunnya konsentrasi atom nitrogen yang terdifusi secara intersiti  kedalam  atom-atom  baja,  maka  dengan  sendirinya  akan  menurunkan  nilai  kekerasan  pada  permukaan  pada baja.

## Gambar 3. Grafik Analisis kekerasan sebelum dan setelah hardening bagian permukaan

## 3.2 Hasil pengujian mikrografi
Pengujian  mikrografi  dilakuan  untuk  mengetahui  struktur  mikro  dari  spesimen  pisau hammer  mill sebelum  dan setelah  mengalami  perlakuan  plasma,  sehingga  dapat  diketahui  perubahan  struktur  mikro  yang  terjadi.  Pengujian mikrografi  menggunakan  mikroskop  optik  yang  dilengkapi  dengan  optilab  untuk  mengambil  gambar  dengan  resolusi tertentu.  Pengujian  mikrografi  ini  dilakukan  di  Laboratorium  Metalurgi  Fisik  Departemen  Teknik  Mesin  Universitas Diponegoro.  Pengambilan  gambar  struktur  mikro  spesimen  awal  dilakukan  bertujuan  untuk  sebagai  pembanding  ada tidaknya  perubahan  yang  terjadi  sebelum  dan  sesudah  proses  perlakuan  menggunakan  plasma.  Gambar  4  ini menunjukkan  struktur  mikro  dari  material  awal  yaitu  baja  AISI  1022  yang  merupakan  baja  karbon  rendah  dan didominasi struktur ferit (putih) dibandingkan dengan perlit (hitam).
Pengujian struktur mikro pada spesimen yang telah melalui proses nitridasi dilakukan untuk mengetahui pengaruh waktu penahanan terhadap  struktur mikro  specimen  [7]. Gambar  4  diatas  merupakan perbandingan antara permukaan spesimen  tanpa perlakuan dengan  yang  mengalami perlakuan nitridasi dengan  variasi waktu penahanan.  Pertumbuhan butir  perlit  ini  terbentuk  akibat  pendifusian  unsur  nitrogen  yang  terlarut  padat  pada  permukaan  spesimen  uji  yang menyebabkan  tumbuhnya  butiran  austenit.  Butiran  austenit  yang  mengalami  proses  pendinginan  yang  lambat  akan bertransformasi  menjadi  butiran  perlit,  sehingga  hal  ini  dapat  membuktikan  serta  mendukung  analisa  kenaikan  nilai kekerasan  pada  permukaan  spesimen  uji.  Butiran  fasa  perlit  yang  terbentuk  memiliki  sifat  kekerasan  yang  lebih  baik bila  dibandingkan  dengan  fasa  ferit,  butiran  perlit  memiliki  sifat  kekerasan,  dan  ketangguhan  serta  ketahanan  yang tinggi terhadap faktor korosi. Selain fasa ferit dan perlit, terdapat struktur lain yang terbentuk pada bagian permukaan material.  Gambar  5  ini  menunjukan  perbandingan  struktur  bainit  yang  terdapat  pada  literatur  dengan  struktur  yang diperoleh dari pengujian nitridasi.
(a)
(b)
Gambar 4. Struktur mikro perbesaran 100x. (a) raw material, (b) setelah nitridasi dengan penahanan 12 jam
(a) (b)
Gambar 5. S truktur bainit yang terbentuk pada permukaan material (a)  lower bainit dari literatur [4] (b) lower bainit dari pengujian nitridasi dengan penahanan 12 jam.
Gambar 6. Ketebalan lapisan nitrida pada spesimen 3 (12 jam nitridasi)
Ferit perlit
Herriza, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 109-114
Pengujian struktur pada mikro penampang melintang spesimen yang telah melalui proses nitridasi dilakukan untuk mengetahui  kedalaman  pengerasan  yang  dihasilkan.  Berikut  ini  adalah  Gambar  6  ketebalan  lapisan  nitridasi  pada spesimen ketiga 12 jam nitridasi. Pada Gambar 6 terlihat bahwa diffusion layer yang terbentuk pada waktu penahanan 12 jam adalah sebesar 977 μm. Tebal lapisan tersebut adalah yang paling besar dibandingkan spesimen dengan waktu penahanan 4 jam sebesar 554 μm, dan 8 jam sebesar 704 μm.

## 4. Kesimpulan
Dari hasil analisis hasil uji kekerasan dan mikrografi pada pisau hammer mill diketahui bahwa pisau hammer mill mengalami  peningkatan  kekerasan  setelah  mengalami  pengerasan  permukaan  dengan  menggunakan  metode  nitridasi. Peningkatan  kekerasan  yang  terjadi  berbanding  lurus  dengan  waktu  penahanan  nitridasi.  Nilai  kekerasan  maksimum yang diperoleh pada masing-masing spesimen yaitu : 4 jam = 529,0 HV, 8 jam = 552,2 HV, dan 12 jam = 627,0 HV. 3. Proses  nitridasi  berpengaruh  terhadap  perubahan  struktur  mikro  Baja  AISI  1022,  perubahan  ini  terlihat  berdasarkan hasil  foto  struktur  mikro  dengan  perbesaran  50x  dan  100x  dimana  terlihat  bertambahnya  ketebalan  lapisan  seiring dengan lamanya waktu penahanan nitridasi.

## Daftar Pustaka
[1]  Aminata, R.N., Muhaimin, A.W., Primingtyas, D.N., (2015), Analisis Kinerja Pemasok Bahan Baku Utama Pakan Ternak Kasus di Perusahaan Agroindustri Pakan Ternak PT. Japfa Comfeed Indonesia Unit Gendangan,  Habitat, vol. 26, hal. 80-88.
[2]  ASM,  (1993)  ASM  Handbook  Volume  1  Properties  and  Selection:  Irons  Steels  and  High  Perfomance  Alloys, ASM International, USA
[3]  ASM Team, (1991), ASM Handbook Volume 4 Heat Treating, ASM International, USA
[4]  ASM, (2004), ASM Handbook Volume 9 Metallography and Microstructures, ASM International, USA
[5]  Callister, W. D., Rethwisch, D. G., (2010), Materials Science and Engineering an Introduction Eight Edition, John Wiley & Sons, Inc, USA.
[6]  Amin  K.,  (2014),  Pengerasan  Permukaan  Hammer  Mill  Menggunakan  Metode  Nitriding,  Laporan  tugas  akhir, Universitas Diponegoro Semarang.
[7]  Benlahreche,  F.B.,  Nouicer,  E.,  (2017),  Improvement  of  Surface  Properties  of  Low  Carbon  Steel  by  Nitriding Treatment, Acta physica polonica, vol.131, hal. 20-23.
[8]  McEllhiney, R.R., (2005), Feed Manufacturing Tecnology V, Texas: American feed industry association.
[9]  Pratama D.D., ( 2011 ), Diffusion in Solid, Makalah Material Teknik, Universitas Sultan Agung Tirtayasa, Cilegon [10]  Shen,Y.Z.,  Oh,  K.H.,  Lee,  D.N.,  (2005),  Nitriding  of  Steel  in  Potassium  Nitrate  salt  bath,  Seripta  materialia, vol.53, hal.1345-1349.