## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:

## ANALISA KEKERASAN, STRUKTUR MIKRO DAN KESESUAIAN KOMPOSISI PADA MATERIAL DISC OVERLAY GATE VALVE SS410

## Toni Sanjaya*, Djuhana, Edi Tri Astuti
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No.1, Tangerang Selatan, Indonesia E-mail : tonisanjaya0307@gmail.com 1
a eka.febriyanti@bppt.go.id,
Masuk : 8 Agustus 2021 Direvisi :  19 September 2021 Disetujui : 2 September 2021
Abstrak : Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  sifat  fisis  dan  mekanis  logam  SS410  menggunakan  proses pengelasan SMAW dan elektroda kandungan Cr 13% untuk pembuatan produk disc gate valve. Dalam penelitian ini akan  diperlihatkan  pengaruh  variasi  cetakan  terhadap  porositas,  nilai  kekerasan,  komposisi  kimia  (PMI  test),  dan struktur  mikro  terhadap  material.  Hasil  analisis  pengujian  komposisi  kimia  menunjukkan  ada  8  unsur,  tetapi mengacu pada ASTM A276 TP 410 hanya 5 unsur yang dominan yaitu (C) 0,08-0.15%, (Mn) 1,00%, (P) 0.040%, (S)  0.030%,  (Si)  1.00%,  dan  (Cr)  11.5-13.5%.  Dilihat  dari  unsur  yang  ada  didalam  material  ini  maka  dapat digolongkan  sebagai  logam  Stainless  steel.  Dan  jika  dilihat  dari  hasil  pengujian  struktur  mikro,  maka  pada  disc Overlay terlihat memiliki diameter butiran lebih besar, padat sehingga  nilai kekerasannya  lebih kuat. Namun pada saat  pengelasan  sering  terjadi  crack  pada  daerah  pengelasan  yang  bersifat  porus.  Dari  ASTM  A276  TP  410 dinyatakan bahwa nilai kekerasan material ini minimum 35 HRC atau sama dengan 323 HB.
Kata Kunci : Pengelasan,  PMI test, portable hardness brinell, tiga spsimen, porosity,crack struktur mikro.
Abstract: The  study  aims  to  analyze  the  physical  and  mechanical  properties  of  the  SS410  metal  using  SMAW welding process and Cr 13% content electrode for the manufacture of discgate valve products. In this study will be shown  the  effect  of  mold  variations  on  porosity,  hardness  values,  chemical  composition  (PMI  test),  and microstructure on materials. Results analisis testing chemical composition show there are 8 elements, but referring to ASTM A276 TP 410 only 5 dominant elements namely (C) 0.08-0.15%, (Mn) 1.00%, (P) 0.040%, (S) 0.030%, (Si) 1.00%,  and  (Cr) 11.5-13.5%. Judging  from  the  elements  contained  inthis  material  it  can  be  classified  as  stainlees steel metal. And if viewed from the results of microstructure testing, then on the overlay disc looks to have a larger grain diameter, solid so that the hardness value is stronger. But at the time of welding often occurs cracks in welding areas that are porus. From ASTM A276 TP 410 stated that the material hardness value is minimum 35 HRC or equal to 323 HB
Keywords: Welding, PMI test, portable hardness Brinell, three - specimens - porosity, microstructure, crack.

## PENDAHULUAN
Dewasa  ini  perkembangan  ilmu  pengetahuan  dan  teknologi  yang  semakin  pesat  membawa  manusia  kepada peradaban  yang  baru,  dimana  manusia  memerlukan  bantuan  peralatan-peralatan  yang  canggih.  Beberapa  industri
menggunakan bahan berbasis logam terutama untuk alat-alat perkakas dan komponen-komponen otomotif. Stainless steel  banyak  digunakan  dalam  komponen  mesin  seperti  roda  gigi, poros dan  komponen  lainnya  yang  memerlukan sifat  kekerasan,  keuletan,  dan  ketahanan  korosi.  Permasalahan  yang  sering  muncul  yaitu  aspek  kelelahan  yang disebabkan  keausan  karena  terkena  pengaruh  gaya  luar  sehingga  terjadi  deformasi  atau  perubahan  bentuk. Terjadinya  hal  ini  disebabkan  karena  adanya  ketidaksesuaian  pemilihan  bahan  dan  fungsi  material.  Contohnya ketidaksesuaian  nilai  kekerasan  material  yang  mengakibatkan  lemahnya  material  atau  mudah  terjadi  deformasi. Ketidaksesuaian nilai komposisi material dapat mengakibatkan penurunan kualitas  material seperti rendahnya nilai Cr,  dan  Ni  yang  dapat  mengakibatkan  terjadi  korosi  atau  karat. Terdapat  ketidakseimbangan  struktur  mikro  antara pearlit,  ferrit,  austenit,  dan  cementite,  sehinga  mempengaruhi  nilai  kekerasan  dan  nilai  komposisi  pada  struktur penyusun  material.  Hal  ini dapat  dicegah dengan  pengujian  tak  merusak  NDT  (Non  Destructive Testing)  terhadap produk  baik  sebelum  melakukan  perancangan  atau  pada  saat  perancangan.  Hal  ini  bertujuan  untuk  mengantisipasi terjadinya kegagalan akibat kesalahan atau cacat material [1, 2].
Sifat baja sangat tergantung pada unsur-unsur yang terkandung didalamnya. Baja karbon biasanya mempunyai kekurangan  diantaranya  kekerasan  baja  tidak  merata,  sifat  mekanis  yang  rendah,  kurang  tahan  terhadap  tekanan, kekerasan, korosi dan lain sebagainya. Penambahan unsur campuran digunakan untuk memperbaiki sifat pada baja (Amanto & Daryanto, 2003: 114).
Salah satu pengujian yang dapat digunakan untuk menganalisis kandungan unsur didalam logam adalah Teknik X-Ray  Fluorescence  (XRF).  XRF  merupakan  alat  uji  yang  digunakan  untuk  mengetahui  kandungan  unsur  dan persentasenya  dalam  suatu  material.  Penggunaan  X-Ray  Fluorescence  dalam  penelitian  ini  berdasarkan pertimbangan  bahwa  teknik  ini  mempunyai  batas  deteksi  hingga  satuan  ppm  (part  per  million)  (Fitri,  2016:  3). Teknik  XRF  mempunyai  beberapa  kelebihan  diantaranya  biaya  relatif  murah,  multielemental  (dapat  mendeteksi berbagai  macam  material),  analisisnya  cepat  dan  hasil  analisisnya  bersifat  kualitatif  dan  kuantitatif.  Disisi  lain, penggunaan XRF juga memiliki kekurangan yakni tidak dapat mendeteksi unsur karbon dalam logam. Kandungan karbon (C) dalam baja sangat mempengaruhi sifat fisik pada baja, sehingga untuk melengkapi pengujian komposisi unsur dalam logam, (Masrukan dkk, 2007: 5) [3, 4].
Baja SS 410 merupakan baja yang paling banyak diproduksi di beberapa negara. Baja spesimen ini merupakan baja  yang  paling  banyak  digunakan  sebagai  bahan dasar  dalam  pembuatan perkakas  sehari-hari.  Berdasarkan  latar belakang tersebut maka penulis tertarik untuk meneliti berapa perbandingan nilai kekerasan pada logam baja karbon SS  410  dengan  menggunakan  metode  Hard  Brinell  akibat  adanya  variasi  kandungan  unsur-unsur  material pembentuk. Unsur-unsur pembentuknya tersebut diuji  menggunakan  X-Ray Fluorescence  (XRF), sehingga penulis mengambil  judul  penelitian  “Identifikasi  Kandungan  Unsur  Logam  Menggunakan  XRF  Sebagai  Penentu  Tingkat Kekerasan Baja Paduan”.
Dilihat dari ASTM Book of Standards Volume 11.06 : 2017 memperlihatkan bahwa nilai yang diizinkan untuk komposisi  kimia  terdapat  8  unsur,  tetapi  hanya  5  unsur  yang  dominan  pada ASTM A276  TP  410  yaitu  (C)  0,08- 0.15%, (Mn) 1,00%, (P) 0.040%, (S) 0.030%, (Si) 1.00%, dan (Cr) 11.5-13.5%. Dan nilai kekerasan untuk material ASTM A276  TP  410  sebesar  35  HRC  dan  dikonversikan  ke  nilai  Hard  Brinell  sebesar  323  Hb.  (ASTM  Book  of Standards Volume 11.06 : 2017:73) [1].

## Tabel 1. Standar nilai kekerasan terhadap perlakuan panas
Type A Heat Tretment Tempratur B °F [°C], min Quenchant Hardness HRC, min 403 1750 [955] Air 35 410 1750 [955] Air 35 414 1750 [955] Oil 42 420 1825 [995] Air 50 Sumber : ASTM Book of Standards Volume 11.06 : 2017
Gambar 1. Spesimen Uji disc overlay gate valve
Pengujian  PMI    meliputi  uji  kandungan  komposisi,    uji  kekerasan  dan    uji  struktur  mikro.  Uji  kandungan komposisi  material    dilakukan  menggunakan    portable  PMI    analyzer    yang    ditembakkan    langsung    terhadap material  uji  dengan  menggunakan    X  Ray  .  Uji  kekerasan  material  dilakukan  menggunakan    Hardness  tester    dan untuk  uji  Stuktur  Mikro  (metalografi)  dengan  kondisi  material  yang  sebelumnya  dilaping  lalu  diproses  Etsa kemudian dilakukan pembesaran menggunakan mikroskop.

## METODOLOGI
Pada  penelitian  ini  metode  yang  digunakan  adalah  pengujian  dengan  metode  PMI  (Positive  material Identification),  Hardness  test,  dan  Stuktur  mikro  membandingkan  hasil  dari  pengujian  dengan  standar  material. Tahap persiapan penelitian dilakukan dengan menyiapkan semua alat dan bahan yang dibutuhkan. Alat-alat yang di gunakan dalam pengujian ini adalah portable XRF analyser, portable hardness test, mikroskop dan alat pendukung yang  lainnya.  Bahan  yang  digunakan  yaitu  material  disc  gate  valve  dengan  grade  material ASTM A216  Gr WCB yang  dilakukan  proses  welding  overlay  dengan  material  kawat  las  ASTM  A276  Tp  410.  Berikut  diagram  alir penelitian ini.

## Diagram 2. Diagram Alir Penelitian
Tahapan perencanaan  pengujian  kandungan  komposisi  material,  kekerasan  suatu  material,  dan  struktur  mikro material.  Tahap  pelaksanaan  berupa  persiapan  material  yang  akan  diuji  yaitu  material  disc  yang  telah  di  proses pelapisan dengan lasan. Pemeriksaan nilai standar material, pengujian dan analisis data pengujian.
Persiapan Bahan Metode Uji Kekerasan dengan alat Hardness test Metode Uji Komposisi dengan PMI XRF
Metode Uji Struktur Mukro dengan Mikroskop Optik
Analisis dan Pembahasan Kesimpulan dan Saran
ASTM A276 TP 410

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  material ASTM A276  Tp.410    meliputi  uji  kandungan    komposisi,  uji  kekerasan  dan    uji  struktur mikro. Pada pengujian komposisi material diperoleh hasil sebagai berikut.
Tabel 2. Data Uji Komposisi Unsur Logam SS410 menggunakan XRF
SPESIMEN NO LOGAM ASTM A276 Tp 410 JENIS UNSUR PERSENTASE UNSUR DALAM % Cr Mn Fe Ni Cu Mo SPESIMEN 1 11.72 0.439 87.37 0.236 0.114 0.051 SPESIMEN 2 11.81 0.402 87.22 0.276 0.121 0.135 SPESIMEN 3 11.92 0.295 87.16 0.265 0.058 0.143
Ukuran diameter butir paduan Cu-Zn akan berubah setelah dilakukan pengerjaan rolling pada suhu 300°C. Hal ini  ditunjukkan  oleh  hasil  perhitungan  butir  paduan  Cu-Zn  70/30  dengan  menggunakan  metode Intercept  Heyn sesuai dengan standar ASTM E112[14] yang hasilnya dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 3. Pengujian PMI (Positive Material Identification)

## 1. Pengujian PMI (Positife Material Identification)
Dari  Tabel  1  dapat  kita  lihat  bahwa  baja  SS410  Spesimen  1  mempunyai  6  unsur  dengan  nilai  persentase kandungan yang dapat dideteksi oleh alat uji. Enam unsur tersebut adalah: nikel (Ni, 0.236% ), besi (Fe, 87.37%,), mangan (Mn, 0.439%), krom (Cr, 11.72)% dan molibdenum (Mo, 0.051%). Spesimen 2 mempunyai 6 unsur dengan nilai persentase kandungan yang dapat dideteksi oleh alat uji. Enam unsur tersebut adalah: nikel (Ni, 0.276%), besi (Fe, 87.37%), mangan (Mn, 0.402%), krom (Cr, 11.81%) dan molibdenum (Mo, 0.135%). Sama halnya dengan dua specimen sebelumnya, spesimen 3 mempunyai 6 unsur dengan nilai persentase kandungan yang dapat dideteksi oleh alat  uji.  Enam  unsur  tersebut  adalah:  nikel  (Ni,  0.265%),    besi  (Fe,  87.37%),  mangan  (Mn,  0.295%),  krom  (Cr, 11.92%)  dan  molibdenum  (Mo,  0.143%.).  Dari  hasil  pengujian  di  atas  dapat  disimpulkan  bahwa  nilai  unsur  yang terbaca  oleh  alat  sesuai  dengan  nilai  batasan  pada  standar  ASTM  A276  Tp.  410  dan  memiliki  sifat  ketahanan terhadap korosi yang cukup baik.
2. Pengujian Kekerasan  Material (Hardnes Test )
Pada pengujian hardness diperoleh hasil  sebagai berikut.
Tabel 3. Hasil Pengujian Logam Menggunakan satuan Hardness Leeb
Pengujian logam Hasil pengujian logam menggunakan Hardness leeb SPESIMEN 1 SPESIMEN 2 SPESIMEN 3 UJI 1 624 HL 654 HL 636 HL UJI 2 635 HL 622 HL 649 HL UJI 3 651 HL 624 HL 620 HL RATA-RATA 637 HL 633 HL 635 HL
Penyetaraan skala dengan menggunakan satuan Hardness leeb kemudian disajikan dalam bentuk tabel. sebagai perbandingan  nilai  kekerasan  pada  logam  sampel.  Tabel  4  menunjukkan  bahwa  nilai  rata-rata  kekerasan  logam SS410 Spesimen 1  adalah 637 HL satuan Hardness leeb, SS410 Spesimen 2 adalah 633 HL satuan Hardness leeb, dan SS410 Spesimen 3adalah memiliki nilai kekerasan 635 HL satuan Hardness leeb. Tingkat kekerasan logam pada setiap  sampel  menghasilkan  nilai  yang  berbeda-beda  [5].  Data  pengujian  yang  telah  disetarakan  skala  satuannya kemudian diidentifikasi dan dibandingkan dengan nilai yang diizinkan standar, dengan demikian material yang diuji dapat dipastikan diterima atau tidaknya dengan nilai standard dan toleransi.
Hubungan antara nilai kekerasan yang dihasilkan pada Tabel 3 dari 3 spesimen uji yang dilakukan. Kekerasan material bisa terjadi akibat pengaruh proses hardening, heat treatment, komposisi material. Kandungan unsur kimia yang  berpengaruh  terhadap  nilai  kekerasan  material  yaitu  unsur  C,  Ni,  Cr,  Mn  dan  unsur  yang  terkandung  dalam material ASTM A276 Tp. 410 yaitu (C) 0,08-0.15%, (Mn) 1,00%, dan (Cr) 11.5-13.5%. (ASTM Book of Standards Volume 11.06 : 2017:73)

## 3. Pengujian Struktur Mikro (Metalografi)
Pada pengujian struktur mikro diperoleh hasil sebagai berikut.
Gambar 4. Proses Pengujian Metalografi

## a. Hasil Uji Metalografi Spesimen 1
Gambar 5. Hasil Pembesaran x1000
Gambar 5 menunjukkan hasil uji struktur mikro pada daerah base metal (logam induk) stainless steel 410. Pada daerah  ini  terdapat  jenis  struktur  mikro  austenite  dan  karbida.  Jumlah  struktur  mikro  austenite  lebih  banyak dibandingkan  karbida,  hal  ini  dikarenakan stainless  steel 410  merupakan  logam  induk  jenis  baja  tahan  karat austenite.  Austenit  terbentuk  karena  adanya  proses  pemanasan  pengelasan  dengan  suhu  350°  C  -  800°  C  dan dilakukan pendinginan dengan udara secara bertahap sehingga berpengaruh  pada nilai kekerasan material. Karbida terbentuk akibat kandungan unsur C melebihi 0.2 % proses pengelasan dapat mempengaruhi tinggi rendahnya unsur C [6, 7, 8, 9].

## b. Hasil Uji Metalografi Spesimen 2

## Gambar 6. Hasil Pembesaran x1000
Gambar 6 memperlihatkan struktur mikro dari material disc gate valve yang diuji. Penurunan suhu yang terjadi sangat lambat maka fasa yang terbentuk adalah austenit dan perlit. Pertumbuhan perlit meliputi pertumbuhan ferrit dan  sementit  sekaligus  secara  bersamaan.  Pertumbuhan  dimulai  dengan  terjadinya  sementit  pada  batas  butir austenite.  Sementit  tumbuh  dengan  didahului  oleh  difusi  atom-atom  karbon,  sehingga  akhirnya  berubah  menjadi perlit.  Austenit  terbentuk  karena  proses  pemanasan  pengelasan  dengan  suhu  350°  C  -  800°  C  dan  dilakukan pendinginan dengan udara secara bertadap sehingga berpengaruh terhadap nilai kekerasan material [10, 11].

## c. Hasil Uji Metalografi Spesimen 3

## Gambar 7. Hasil Pembesaran x1000
Gambar 7 memperlihatkan  struktur mikro dari material disc gate valve yang diuji. Pada gambar tersebut fasa yang terbentuk adalah martensite yang berwarna lebih gelap. Terbentuknya fasa bainit karena merupakan campuran fasa perlit dan sementit. Pada waktu pendinginan yang cepat pada fasa austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit untuk mengadakan pergerakan  difusi  dan  bentuk  sementit  oleh  karena  itu  terjadi  fase  mertensit.  Martensit  dan  Bainit  akan  terbentuk pada suhu pengelasan 800°C ke suhu pendinginan udara sampai dengan 35°C [12, 13].

## KESIMPULAN
Hasil penelitian tentang identifikasi kandungan unsur logam menggunakan XRF dan Hardness test dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Hasil  tingkat  kekerasan  sampel  baja  ASTM  A276  Tp.  410  pada  specimen  1,  2  dan  3  sesuai  dengan  nilai kekerasan yang diijinkan oleh Standar ASTM A276 Tp. 410.
2. Hasil identifikasi unsur menggunakan uji XRF menunjukkan bahwa unsur pada logam A276 Tp. 410 pada specimen 1, 2 dan 3 memenuhi nilai kandungan berdasarkan Standar ASTM A276 Tp. 410.
3. Hasil identifikasi unsur menggunakan uji Metalografi menunjukkan bahwa dalam setiap proses pengelasan atau  perlakuan  panas  dan  didinginkan  logam  tersebut  akan  mengalami  perubahan  struktur  fasa  dan  nilai kekerasannya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]       Annual Book of ASTM Standard Section 11, 2017, Water and Environmental Tecnology volume 11.06 ASTM International, West Conshohocken, PA
[2] Tri Hardi, dkk, 2016, Effects of the Preheating Temperature on the Crystal Structure and Texture of Martensitic Stainless Steel.
[3] Bombac D., Brojan M., Krkovic M., Turk R., Zalar A., Characterization oftitanium and stainlees steel medical implants surfaces. Material andGeoenviroment. RMZ, Vol. 54, No 2, pp. 151-164, 2007 cullity,1976, Elements of X-ray diffraction
[4] Brokmeier,1999 , (Technische Univ. Clausthal (Germany). Inst. Fuer Werkstoffkunde and Werkstofftechnik)
[5] Raharjo, 2015, Tingkat Kekasaran Permukaan Stainless Steel 316L Akibat Tekanan Steel ball peening. In: Seminar Nasional Tahunan TeknikMesin Indonesia XIV, 7-8 Oktober 2015, Banjarmasin.
[6] INC0,1963. The Thermal Expansion Of Thirteen Tungsten Carbide Cerments From 68 TO 1800 F. United States: N. p., 1963. Web. doi:10.2172/4013220.
[7] Azar, V., Hashemi,2010, The effect of shot peening on fatigue and corrosion behavior of 316L stainless steel in Ringer's solution.
[8] Seitovirta M. 2013 Handbook of Stainless Steel (Outokumpu) 11-20
[9] L.Mott, Robert. Elemen Mesin Dalam Perancangan Mekanis, Buku Ke Satu, Andi, Yogyakarta, 2009.
[10] PANalytical, B. V. (2009). X-ray Fluorescence Spectrometry.
[11] Viklund, A. 2008. Teknik Pemeriksaan Material Menggunakan XRF, XRD dan SEM-EDS.
[12] Suratman, Rochim. Panduan Proses Perlakuan Panas. Lembaga Penelitian ITB. Bandung, 1994.
[13]   Surdia, T., & Shinroku, S. (1992). Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: Pradnya Paramita