Fitriyana, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 1  (Januari 2021) Hal. 59-63
Pengaruh Tekanan Udara Pada Proses Pelapisan 95MXC Dengan Metode Twin Wire Arc Spray Terhadap Kekerasan dan Ketahanan Aus Pada Stainless Steel 304
Deni Fajar Fitriyana 1* , Sri Nugroho 2 , Maulana Rizal Barutama 3
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang
2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
3 PT PLN (Persero), ULPL Indralaya, UPDK Keramasan, UIK Sumbagsel
* E-mail: deniifa89@mail.unnes.ac.id

## Abstract
The  effect  of  compressed  air  pressure  during  the  coating  process  of  95  MXC  material  on  the  pump impeller made of 304 stainless steel with the Twin  Wire Arc Spray (TWAS) coating method has been investigated. This study aims to determine the effect of compressed air pressure on the hardness and wear rate of the formed coating. The TWAS coating process is carried out with variations in compressed air pressure of 3 bar, 4 bar and 5 bar with a stand of distance of 100 mm. The hardness and wear rate of 304 stainless steel before coating were 374 HV and 2.0x10 -2 mm 3 /s. The best results from this study were obtained at 3 bar compressed air pressure variations with hardness and wear rate of 1315 HV and 3.7x10 -4 mm 3 /s, respectively. Analysis of SEM results using imageJ software shows that the percentage of porosity and unmelt after coating at 3 bar compressed air pressure variations has the smallest value compared to other variations, namely 8.21%.
Keywords: hardness, wear, twin wire arc spray, 95MXC

## Abstrak
Telah  dilakukan  penelitian  terhadap  pengaruh  tekanan  udara  saat  proses  pelapisan  material  95  MXC pada impeler pompa berbahan stainless steel 304 dengan metode Twin Wire Arc Spray (TWAS) coating. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh tekanan udara terhadap kekerasan dan laju keausan pada  lapisan coating yang  terbentuk.  Proses  TWAS coating dilakukan  dengan  variasi  tekanan  udara sebesar  3  bar,  4  bar  dan  5  bar  dengan  jarak  penembakan  100  mm.  Nilai  kekerasan  dan  laju  keausan material stainless  steel 304  sebelum  pelapisan  adalah  374  HV  dan  2,0x10 -2 mm 3 /s.  Hasil  terbaik penelitian  ini  di  dapatkan  pada  variasi  tekanan  udara  3  bar  dengan  kekerasan  dan  laju  keausan  yang dihasilkan sebesar 1315 HV dan 3,7x10 -4 mm 3 /s. Analisa hasil uji SEM menggunakan software imageJ menunjukan presentase porositas dan unmelt setelah pelapisan pada variasi tekanan udara 3 bar memiliki nilai yang paling kecil yaitu sebesar 8,21%.
Kata kunci: kekerasan, keausan, twin wire arc spray, 95MXC

## 1. Pendahuluan
Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tekanan rendah ke tekanan tinggi atau posisi yang rendah ke posisi yang tinggi. Salah satu komponen pompa adalah impeller yang berfungsi mengubah energi mekanis  dari  pompa  menjadi  energi  kecepatan  pada  fluida  yang  dipompakan  secara continue (terus  menerus).  Jenis kegagalan pada impeller dapat berupa patahan, korosi, retakan, dan keausan [1]. Cara untuk mengurangi jenis kegagalan antara lain dengan melakukan pemilihan material, desain komponen, pemberian pelumas dan hardfacing. Pada penelitian ini menggunakan metode hardfacing dengan melapisi permukaan logam menggunakan metode thermal spray coating. Twin wire arc spray merupakan merupakan salah satu teknik pelapisan logam (coating) dalam bentuk kawat. Busur antara dua kawat dalam proses twin wire arc spray coating ini digunakan untuk mencairkan bahan pelapis. Dalam twin wire arc spray coating tekanan gas sangat berpengaruh terhadap kualitas dari hasil coating. Proses ini akan menentukan karakteristik  permukaan  akhir  material  substrat  [2].  Dalam  penelitian  ini  dilakukan  variasi  tekanan  gas  ketika  proses pelapisan 95MXC untuk memperoleh parameter yang paling optimal terhadap sifat kekerasan dan keausan pada stainless steel 304.

## 2. Material dan Metodologi
Material  yang  digunakan  sebagai  substrat  yaitu  material  untuk  bahan  baku  pembuatan impeller pompa.  Masing- masing material dibuat menjadi 2 spesimen, spesimen pertama dengan bentuk silinder pejal untuk pengujian kekerasan dan  pengujian  aus  sebelum  dan  setelah  pelapisan.  Spesimen  kedua  berbentuk  plat  digunakan  untuk  pengujian mikrostruktur  dan  kekerasan  pada  tiap  lapisan.  Alat  yang  digunakan  untuk  memotong  spesimen  adalah band  saw Everising S-12H .

## 2.1 Proses Twin Wire Arc Spray
Sebelum proses coating, material subtrat dilakukan sandblasting terlebih dahulu untuk membersihkan kotoran, debu, dan partikel  yang  melekat serta  mengasarkan permukaan. Setelah sandblasting, dilakukan spraying bond coat dengan material 75B (NiAl). Bond coat ini berfungsi sebagai lapisan perekat antara substrat dengan lapisan top coat . Selanjutnya melakukan spraying 95MXC wire dengan sudut 90 o , jarak penembakan 100 mm dan variasi tekanan gas yang digunakan adalah 3 bar, 4 bar, dan 5 bar.

## 2.2 Proses Pengujian Aus
Proses ini dilakukan dengan menggunakan alat pin on disc . Pada proses ini spesimen silinder menjadi pin. Dan yang menjadi disc yaitu silika karbida (SiC) dengan grit 100. Pengujian ini menggunakan 4 spesimen pada setiap tekanan dan 10.000 siklus untuk putarannya. Standar pengujian menggunakan ASTM G99-95A tahun 2000.

## 2.3 Proses Pengujian Microhardness Vickers
Spesimen dicekam pada ragum, lalu dipilih bagian struktur yang akan diuji. Bagian  yang diuji kekerasannya  yaitu penampang melintang masing-masing spesimen dan tiga lapisan pelapisan yaitu top coat, bond coat dan substrat secara melintang.  Standar  pengujian  menggunakan  ASTM  92-82  tahun  2003.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui distribusi kekerasan pada lapisan.

## 2.4 Proses Pengujian Mikrostruktur dengan Light Optical Microscope (LOM)
Proses ini hanya untuk melihat hasil pelapisan yang ditunjukan pada tiga lapisan yaitu top coat, bond coat dan substrat. Standar pengujian menggunakan ASTM E3 tahun 2007.

## 2.5 Proses Pengujian Scanning Electron Microscope (SEM)
Proses ini dilakukan untuk melihat hasil pelapisan yang ditunjukan pada penampang melintang. Spesimen dimasukan ke wadah uji, lalu dipilih bagian penampang yang akan diuji. Lalu dilakukan pengaturan parameter elektron seperti high voltage,  spot  size ,  bias  dan beam  current juga  parameter optic seperti  kontras, focus dan  astigmatismus  yang  tepat sehingga diperoleh hasil gambar yang optimal. Standar pengujian mengikuti standar Phenom Pro X desktop .
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Analisa Pengujian Mikrografi
Gambar 1. Mikrografi setelah pelapisan dengan variasi compressed air pressure [a] 3 Bar, [b] 4 Bar, dan [c] 5 Bar
Gambar 1. menunjukkan mikrografi Stainless Steel 304 setelah proses pelapisan dengan variasi tekanan udara sebesar 3 bar, 4 bar, dan 5 bar pada jarak 100 mm. Pada pengujian ini menggnakan perbesaran 100x yang menunjukan adanya lapisan  substrat, bond  coat, dan top  coat. Adapun  nilai  kekerasan  penampang  melintang  yang  dihasilkan  setelah  uji mikrografi 3 lapisan pada top coat nilai kekerasan terbaik adalah 1295 HV  yang dihasilkan pada tekanan  udara 3 bar. Nilai  kekerasan bond  coat berkisar  160-200  HV  pada  semua  variasi.  Sedangkan  proses  pelapisan  tidak  berbengaruh terhadap nilai kekeresan substrat karena hasil pengujian menunjukan kekerasan sebesar 374 HV.

## 3.2 Analisa Pengujian SEM dan ImageJ
Pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dilakukan untuk mengetahui porositas dan unmelt cross section yang terbentuk diantara substrat dan lapisan coating . Selain itu juga untuk mengamati dan menganalisis porositas dan unmelt yang terbentuk pada bagian hasil coating . Untuk mencari porositas dan unmelt pada bagian cross section menggunakan Software ImageJ . Hal ini bertujuan untuk mengetahui nilai persentase setelah mengalami pelapisan menggunakan Twin
Wire Arc Spray (TWAS). Hasil SEM setelah dilakukan pelapisan menggunakan 95MXC pada tekanan udara 3 bar, 4 bar dan 5 bar dengan jarak penembakan 100 mm pada Gambar 2.
Gambar 2. SEM setelah pelapisan dengan variasi compressed air pressure [a] 3 bar [b] 4 bar dan [c] 5 bar
Gambar 2. menunjukan terbentuknya porositas, unmelt dan oksida pada permukaan lapisan coating . Hal ini terjadi karena adanya partikel material coating yang tidak meleleh secara sempurna saat menempel kepermukaan substrat [3] [4]. Gambar 3.3 menunjukan contoh penggunaan software image analysis (imageJ) yang digunakan untuk menentukan porosity dan unmelt material (%) pada penelitian ini. Pengaruh compressed air pressure terhadap terbentuknya porosity dan unmelt dapat dilihat pada Gambar  4. Porosity dan unmelt (%) pada variasi 3 bar, 4 bar dan 5 bar masing-masing sebesar 8,2%; 9,7%; dan 10,0%. Porosity dan unmelt (%) yang rendah ditemukan pada variasi compressed air pressure sebesar 3 Bar. Semakin besar compressed air pressure yang digunakan mengakibatkan banyak terbentuk porosity dan unmelt (%).  Hal  ini  terjadi  karena  semakin  besar compressed  air  pressure yang  digunakan  mengakibatkan  semakin banyak material coating yang disemprotkan oleh gun sehingga menyebabkan material tidak meleleh secara sempurna saat menempel pada substrat. Hal inilah yang menyebabkan porosity dan unmelt meningkat pada lapisan coating [5] [6].
Gambar 3. Analisa menggunakan software ImageJ untuk menentukan banyaknya porosity dan unmelt (%) pada lapisan coating .

## 3.3 Analisa Microhardness Vickers
Peningkatan porosity dan unmelt  material (%)  akan  meningkatkan  ketebalan  lapisan coating karena  densitas  yang dihasilkan  pada  lapisan coating semakin  rendah  [5]  [7].  Ketebalan  lapisan coating yang  terbentuk  akan  sangat berpengaruh  terhadap  kekerasan  lapisan coating. Semakin  kecil porosity dan unmelt  material (%)  akan  menghasilkan ketebalan lapisan coating yang semakin tipis sehingga akan meningkatkan kekerasan permukaan lapisan coating [5] [7]
[8].  Pada  pengujian  kekerasan  lapisan coating menggunakan microhardness  vickers  tester (Model  Mitutoyo  HM-21). Nilai  kekerasan stainless  steel 304  sebelum  dilakukan  pelapisan  memiliki  nilai  kekerasan  374  HV.  Setelah  dilakukan pelapisan menggunakan 95MXC, dihasilkan nilai kekerasan pada variasi compressed air pressure 3 bar, 4 bar dan 5 bar masing-masing 1315 HV, 1227 HV dan 1189 HV seperti yang ditunjukan pada Gambar 5. Nilai kekerasan lapisan coating yang  dihasilkan  pada  penelitian  ini  sudah  sesuai  dengan  kriteria  standar  kekerasan  impeler  pompa  setelah  dilakukan coating, yaitu  sebesar  60  Rockwell  atau  700  HV  [9].  Pada  penelitian  ini,  penurunan  nilai  kekerasan  yang  disebutkan diatas berkorelasi dengan banyaknya nilai persentase porosity dan unmelt yang terbentuk pada lapisan coating.
Fitriyana, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 1  (Januari 2021) Hal. 59-63
Gambar 4. Grafik presentase porositas dan unmelt (%) pada permukaan lapisan coating.
Peningkatan compressed  air  pressure akan  meningkatkan  kecepatan  dan  jumlah  partikel  yang  disemprotkan  ke substrat dan mengakibatkan terbentuknya imperfect melting particle sehingga menghasilkan banyak porosity dan unmelt material (%) yang akan menurunkan kekerasan lapisan coating [5]. Pada penelitian ini, lapisan coating dengan kekerasan tertinggi sebesar 1315 HV dihasilkan pada variasi compressed air pressure 3 bar, karena pada variasi tersebut memiliki porosity dan unmelt (%) yang paling kecil, yaitu sebesar 8,2%.
Gambar 5. Pengaruh compressed air pressure terhadap Kekerasan lapisan coating.

## 3.4 Analisa Hasil Pengujian Aus
Uji  keausan  dilakukan  dengan  metode pin  on  disc pada  material  sebelum  dan  sesudah  dilakukan  pelapisan.  Laju keausan sebelum dilakukan pelapisan adalah 2,0x10 -2 mm 3 /s dan setelah pelapisan diperoleh hasil terbaik adalah 3,7x10 - 4 mm 3 /s pada variasai compressed air pressure 3 bar dengan jarak 100 mm.
Gambar 6. Total Laju Keausan Setelah 10.000 putaran.
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 3 Bar 4 Bar 5 Bar Po ro sita s d a n Unm elt (% ) Compressed air pressure 1100 1150 1200 1250 1300 1350 3 Bar 4 Bar 5 Bar K ek er a sa n (H V) Compressed air pressure 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1 4,2 4,3 3 Bar 4 Bar 5 Bar T o ta l La ju K ea us a n ( x 1 0 -4 mm 3 /s ) Compressed air pressure
Fitriyana, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 1  (Januari 2021) Hal. 59-63
Gambar  6.  menunjukkan  semakin  meningkatnya  tekanan  udara  ( compressed  air  pressure )  yang  digunakan  selama proses coating , laju keausannya semakin meningkat. Hal ini terjadi karena semakin meningkatnya tekanan udara nilai kekerasan yang dihasilkan menurun sehingga total laju keausan meningkat atau menurukan wear resistance [10] [11] [12] [13].

## 4. Kesimpulan
Nilai kekerasan s tainless steel 304 sebelum dilakukan coating sebesar 374 HV. Setelah dilakukan coating , kekerasan yang paling maksimum sebesar 1315 HV yang didapatkan pada variasi compressed air pressure 3 bar. Total laju keausan pada material s tainless steel 304 sebelum dilakukan coating sebesar 2×10 −2 mm 3 /s. Setelah dilakukan coating , total laju keausan  yang paling  maksimum sebesar 3,8×10 −4 mm 3 /s  yang didapatkan pada variasi compressed air pressure 3 bar. Pada  penelitian  ini,  semakin  kecil compressed  air  pressure yang  digunakan  pada  proses coating akan  menurunkan presentase poristas dan unmelt material pada permukaan lapisan coating, sehingga kekerasan yang dihasilkan meningkat. Selain itu, semakin  kecil compressed air pressure yang digunakan pada proses coating akan  meningkatkan  kekerasan lapisan coating sehingga total laju keausan pada lapisan coating menurun dan wear resistance meningkat.

## Daftar Pustaka
[1] Bennekom,  A.V.,  Berndt,  F.,  Rassool,  M.N.,  2001,  “ Pump impeller  failures  –  a  compendium  of  case  studies ,” Engineering Failure Analysis, 8: 145−156.
[2] Suchaimi,  Muhammad,  2017,  “ Pengaruh  Jarak  Nozzle  dan  Tekanan  Gas  pada  Proses  Pelapisan  FeCrBMnSi dengan Metode Wire Arc Spray terhadap Ketahanan Thermal,” Jurnal Teknik ITS, 6(1).
[3] Cheng, J., Hong, S., Lin, J., Lin, P., Wang, Z.,  Zhang, X.,  2015, “ Effects of post annealing on the microstructure, mechanical  properties  and  cavitation  erosion  behavior  of  arc-sprayed  FeNiCrBSiNbW  coatings ,”  Material  & Design, 65: 1035–1040.
[4] Cheng, J., Hong, S., Lin, J., Lin, P., Wang, Z.,  Zhang, X.,  2015, “ Effects of post annealing on the microstructure, mechanical  properties  and  cavitation  erosion  behavior  of  arc-sprayed  FeNiCrBSiNbW  coatings ,”  Material  & Design, 65: 1035–1040.
[5] Tan,  J.C.,  1997,  “ Optimisation  of  the  HVOF  thermal  spray  process  for  coating,  forming  and  repair  of components ,”  School  of  Mechanical  and  Manufacturing  Engineering,  Dublin  City  University,  Doctor  of Philosophy Thesis.
[6] Daengmool, R., Jiansirisomboon, S., Sopadang, A., Wirojanupatump, S., 2016, “ Effect of spray parameters on stainless steel Arc sprayed coating, ” Chiang Mai University.
[7] Sarikaya, O., 2005, “ Effect of some parameters on microstructure and hardness of alumina coatings prepared by the air plasma spraying proces,” Surface & Coatings Technology, 190(2–3): 388–393.
[8] Kucukrendeci,  I.,.  Yetgin,  S.H.,  2013,  “ Coating  parameters  influences  on  mechanical  properties  of  coating ,” Jurnal of Applied Science, 13: 645–649.
[9] Lobanoff,  V.S.,  Ross,  R.R.,  1992,  “ Centrifugal  Pumps  Design  and  Application,  2nd  edn ,”  Gulf  Publishing Company, United States of America,.
[10] Buchanan, V., Cooke, K., Oliver, G., Palmer, N., 2007, “ Optimisation of the electric wire Arc-sprayingprocess for improved  wear  resistance  of  sugarmill  roller  shells,  surface  and  coating ,”  Surface  &  Coatings  Technology, 202(1): 185–188.
[11] Fitriyana, D., Haryadi, G., Karomi, D., 2018, "Pengaruh Sudut Penembakan pada Pelapisan WC12Co Terhadap Sifat  Kekerasan  dan  Keausan  Material  untuk  Bahan  Baku  Pembuatan  Impeller  Pompa  dengan  Metode  High Velocity Oxy-Fuel (HVOF)," ROTASI, 20(3): 165−171.
[12] Amrizal A., Fitriyana, D., Haryadi, G., Iskandar, N., Sulardjaka, S., 2019, "Pengaruh Jarak Penembakan pada Pelapisan 95MXC Terhadap Sifat Kekerasan dan Keausan Material SS 304 dengan metode Twin Wire Arc Spray (TWAS)," ROTASI, 20(4): 202−206.
[13] Fitriyana D.F. et al., 2020, “ The Effect of Compressed Air Pressure and Stand-off Distance on the Twin Wire Arc Spray (TWAS)  Coating for Pump Impeller from AISI 304 Stainless Steel,” NAC 2019 Springer Proceedings  in Physics, 242: 119−130.