AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## ANALISIS KEGAGALAN SPRING WASHER MATERIAL SK-5 LAPISAN ELECTROPLATING ZINC
Muhammad Tegar 1) , Edi Sutoyo 2)
1 Program StudiTeknik Mesin, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: muhammadtegar@gmail.com
2 Program StudiTeknik Mesin, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: edi.sutoyo@ft.uika-bogor.ac.id

## ABSTRAK
Spring washer merupakan salah satu komponen  yang  digunakan pada industri otomotif berfungsi sebagai sistem  penggerak  atau  penahan  pada  suatu  unit assembly.  Spring  washer juga  dapat  berfungsi  sebagai pegas  pada  mekanisme  beban  berat. Spring  washer harus  memiliki  spesifikasi  tinggi  untuk  menghindari kegagalan  fungsi.  Dalam  penelitian  ini  dilakukan  investigasi  terhadap  kegagalan  fungsi  (patah) spring washer setelah  dilakukan assembly unit. Investigasi dilakukan untuk  mengetahui penyebab terjadinya  dan jenis  patahan  pada spring  washer .  Analisa  dilakukan  terhadap  aktual  proses  manufaktur,  serta  beberapa pengujian  diantaranya  uji  komposisi  kimia  material  SK-5,  uji  kekerasan,  SEM  serta  foto  mikro.  Hasil pengujian dan observasi jenis patahan termasuk jenis moderate ductile-brittle , penyebabnya adalah adanya inisial crack membentuk flow  mark ,    proses  tempering  rendah  di  temperatur  240°C,  proses acid  pickling tidak  sempurna,  tidak  dilakukan  proses baking  out selama  4  jam  pada  temperatur  200°C,  patahan  terjadi setelah spring  washer menerima  beban  sebesar  1928  N  (192,8  kgf),  patahan  memiliki  kekerasan  62-65 HRC  serta  distribusi  kekerasan  tidak  merata  720-780  HV  kedalaman  0,5  mm.  Hasil  SEM  adanya pembentukan  avoid  menandakan  100%  retakan  intragranular  dan  foto  mikro  menunjukan  adanya  inisial tidak  homogen  yang  terbentuk  pada  fase  martensit  pada  perbesaran  100x.  Dari  hasil  pengujian  dan observasi  dapat  disimpulkan  bahwa  fenomena  patahan  pada spring  washer terjadi  karena hydrogen embrittlement yang  terjebak  di  dalam  lapisan electroplating  zinc membentuk pitting  corrosion sepanjang area flow  mark sehingga  terbentuk  butiran  retakan  intragranular  serta  tidak  tercapainya  temperatur tempering  di  angka  550°C  sehingga  menimbulkan  kerapuhan  pada spring  washer saat  menerima  beban berat.
Kata kunci : Assembly, Flow Mark, Hydrogen Embrittlement, Patahan, Spring Washer.

## ABSTRACT
Spring washer is one of the components used in the automotive industry to function as a drive system in an assembly unit that is able to hold or function as a spring in a heavy load mechanism, so this component must have high specifications to avoid damage to the assembly unit. This study aims to investigate spring washers that do not function on the two-wheeled components after the assembly unit. To find out the cause of  disruption  to  the  spring  washer  it  is  necessary  to  investigate  the  type  of  damage,  the  actual manufacturing  process  of  the  spring  washer,  the  SK-5  material  spectrometer  test,  the  hardness  of  the spring washer, SEM and micro photographs. Test and Observation Results: fracture including the type of moderate brittle, the presence of initial cracks that form flow marks, the process of low temper at 240 ° C, acid  preservation  process  is  not  perfect,  there  is  no  manufacturing  process  for  4  hours  at  200  °  C,  the fracture occurs after the spring washer receives a load of 1928 N (192.8 kgf), the fault has a hardness of 62-65 HRC and an uneven distribution of hardness from a depth of 720-780 HV 0.5 mm. SEM results from avoid formations show 100% intragranular cracks and microstructure shows that no homogeneous initials are formed in the martensite phase at 100x magnification. From the results of tests and observations it can be concluded that the phenomenon of fracture in the spring washer occurs due to hydrogen embrittlement trapped  in  a  zinc  electroplating  layer  forming  pitting  corrosion  along  the  flow  marking  area  so  that intragranular cracks are formed and tempering temperatures are not reached. at 550 ° C. spring washer when receiving heavy loads.
Keywords : Assembly, Flow Mark, Hydrogen Embrittlement, Fracture, Spring Washer. .
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979

## 1. PENDAHULUAN
Industri Otomotif  merupakan  industri terbesar di  Indonesia.  Berbagai  produk  baik  produk eksterior  maupun  interior  dan  produk  metal  baja serta  produk  karet  sudah  menjadi  produk-produk unggulan di beberapa perusahan besar di Indonesia. Jaminan kualitas produk sudah menjadi persyaratan utama sehingga perlu adanya tindakan pengawasan terhadap  proses  manufaktur  dari raw  material hingga barang jadi,
Kegagalan  produk  seperti  patahan  pada produk metal baja karbon tinggi diperlukan analisa khusus  dalam  menanggulangi  penyebab  dari kegagalan atau kondisi abnormal tersebut. Menurut Knott  (1973)  ;  Broek  (1982),  patahan  pada  metal baja  karbon  tinggi  seperti  patahan ductile,  brittle, dan moderate ductile. Diawali adanya strecth mark atau initial  crack pada  produk,  hal  ini  disebabkan adanya  proses  abnormal  pada  penggunaan  disertai beban  berat  melebihi  kapasitas  produk  ataupun pada  proses  pembuatan  produk  seperti  kegagalan dalam  proses heat  treatment (Ashby  dan  Jones, 1980).  Menurut  Newman  dan  Procter  (1990), penyebab  lain  patahan  pada  baja  karbon  yang terjadi  adanya  korosi  membentuk  pitting  korosi /sumuran korosi yang menyebabkan Stress Corrosion Cracking.
Menurut  Ashadi  et  al.  (2002),  terjadinya karat merupakan  hasil  korosi,  yaitu  oksidasi  suatu logam. Besi yang  mengalami  korosi  membentuk karat  dengan  rumus  Fe 2 O 3 .xH 2 O.  Korosi  atau proses pengaratan merupakan proses elektro kimia. Pada proses pengaratan, besi (Fe) bertindak sebagai pereduksi dan oksigen (O2) yang terlarut dalam air bertindak  sebagai  pengoksidasi.  Karat  yang terbentuk  pada  logam  akan  mempercepat  proses pengaratan  berikutnya.  Oleh  sebab  itu,  karat disebut  juga  dengan autokatalis (Trethewey  dan Chamberlain, 1991).
Mekanisme  terjadinya  korosi  adalah  logam besi  yang  letaknya  jauh  dari  permukaan  kontak dengan udara akan dioksidasi oleh ion Fe 2+ . Ion ini larut  dalam  tetesan air.  Tempat  terjadinya  reaksi oksidasi  di  salah  satu  ujung  tetesan  air  ini  disebut anode . Ion Fe 2+ yang terbentuk bergerak dari anode ke
katode melalui logam. Elektron iniselanjutnya  mereduksi  oksigen dari udara dan  menghasilkan air. Ujung tetesan air tempat terjadinya reaksi reduksi ini disebut katode . Sebagian oksigen dari udara larut dalam tetesan air dan mengoksidasi Fe 2+ menjadiFe 3+ yang membentuk  karat  besi  (Fe 2 O 3 .H 2 O).  Sifat-sifat kimia yang mempengaruhi korosi: PH, Alkalinitas,
Oksigen  terlarut  DO  ( dissolved  oxygen ),  SS ( suspended  Solid ),  Kalsium,  Klorida,  Acid  dan Sulfat, (Uhlig, 2011). Dari penjelasan korosi pitting atau  sumuran  bisa  antipasi  dengan  melalui  proses electroplating .  Dimana  potensi  terjadi  korosi pitting bisa  ditutup  oleh  lapisan  di  atas  base  metal untuk meminimalisir terjadinya oksidasi.
Pelapisan electroplating pada  baja  bisa menimbulkan hydrogen embrittlement ketika ditemukan  proses  abnormal  pada  proses acid pickling .  Menurut  (Bernstein  dan  Thompson, 1981) , akibat  proses  tidak  sempurna  saat acid picking menghasilkan  endapan  atau void hidrogen pada  lapisan  electroplating  yang  mempunyai  sifat merusak  dan  rapuh  atau  getas  (Barsom  dan  Rolfe, 1987). Menurut Herring (2006) , s ecara penampakan adanya faktor hydrogen embrittlement pada produk adanya blister atau calon karat seperti titik putih menandakan pitting korosi hal ini terjadi adanya proses tempering  yang tidak sempurna  dan faktor  impuritas  saat  proses electroplating .Tujuan penelitian  ini  adalah  mengungkap  studi  kasus fenomena  patahan  pada  komponen spring  washer dan mengalami beban.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium Manufaktur,  Program Studi Teknik Mesin, Fakultas  Teknik  dan  Sains,  Universitas  Ibnu Khaldun  Bogor.  Dengan  mengikuti  diagram  alir seperti gambar 1.
Spesifikasi  material  dan  alat  pengujian  dalam penelitian ini diantaranya:
- Material SK-5
- Scanning Electron Metalograph (SEM)
- Hardness Rockwell testing
- Hardness Vickers
- Foto mikro
- Spectrometer
Spesifikasi  proses  pada  penelitian  ini  sebagai berikut: - Lapisan Electroplating Zinc
- Proses Baking
- Heat treatment media oil temper
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979

## Gambar 1. Diagram Alir penelitian

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bentuk  visual  patahan  spring  washer  terlihat seperti  pada  gambar2. Spring  washer terbagi  menjadi beberapa  bagian  akibat  pembebanan  saat  proses assembly.  Pengujian  material  SK-5  menggunakan spectrometer  dengan  dilakukan  pengujian  3  titik yang  berbeda  (Gambar  4).  Nilai  komposisi kimia masih  dalam  batas  standard  JIS  G  4401.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  produk spring  washer pada dasarnya  masih  masuk  kedalam  kategori  material standard .
Gambar 2. Visualisasi patahan spring washer
Gambar  3.  Uji  komposisi  kimia  SK-5  dilakukan  3 titik inspeksi
Hasil  observasi  patahan spring  washer memiliki  nilai  kekerasan  62  HRC  hingga  63  HRC ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Hal  ini  menunjukkan bahwa  nilai  kekerasan  yang  terjadi  pada spring washer masih  ke  dalam  batas  level  atas  fasa martensite .  dimana  level  nilai  kekerasan  fasa martensite berada pada titik  kekerasan 20-65 HRC dengan  baja  carbon  >  0.8  %  pada  proses  oil tempering.  Namun  dari  hasil  nilai  produk  spring washer menunjukkan adanya penyebaran kekerasan dengan  nilai  fluktuatif  yang  tinggi  diantara  720- 820 HV nilai prediksi standar hal ini menunjukkan adanya  ketidakseimbangan  waktu  tempering  pada proses oil tempering.
Gambar 4. Hasil uji HRC
Gambar 5. Distribusi kekerasan hardness (HV)
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Ketika    terjadi  perubahan  waktu  tempering maka  akan  menghasilkan  nilai  kekerasan  yang rendah.  Hal  ini  disebabkan  adanya  partikel  yang menyatu  dengan  tumbuhnya    ukuran  grain  dan meningkatnya  jarak  interpartikel  dari  ferrit  yang lebih  lunak  sehingga  membuat  getas  pada  produk spring washer karena efek kondisi abnormal proses oil  tempering  .  Hasil  pengamatan  uji Scanning Electron  Magnifaction (SEM)  dengan  3  titik inspeksi  berbeda  pada  Gambar  6  menunjukkan adanya  retakan  intragranular  dengan  membentuk area void seperti  Gambar  6.  menandakan  adanya hidrogen  yang  terjebak  di  dalam base material menimbulkan Hydrogen  Stress  Cracking (HSC) yang  menyebabkan  kerusakan  pada  produk  spring washer patah.
Gambar 6. Hasil uji SEM
Gambar 7.  Pembentukan hydrogen embrittlement
Hasil pengamatan visual pelapisan electroplating (Gambar  8)  adanya  korosi  merah yang  membentuk  sumuran  korosi  menandakan bahwa tingkat asam yang tinggi melalui proses acid pickling  tidak  sempurna  menghasilkan  fasa hidrogen  menjadi  kumpulan  gas  yang  teroksidasi menjadi karat.
Gambar 8. Visualisasi kegagalan proses electroplating
dari  Gambar  7  dan  Gambar  8  pembentukan crack serta void intragranular yang terlihat dari foto mikro  menunjukan  bahwa  adanya  hidrogen  di dalam base  metal pelapisan  zinc  merupakan indikasi  adanya  waktu  proses  baking  yang  tidak sempurna.  Hasil  pengamatan  fotomikro  yang ditunjukkan  pada  Gambar  10  adanya pitting corrosion dan beach  mark karena  bentukan intragranular  yang  menjalar  ke  beberapa  partikel atau grain material yang dilapisi zinc electroplating.
Hasil  pengamatan  terhadap  proses  hardening (gambar  9)  menunjukan  adanya  waktu  tempering pada  230°C  yang  merupakan  indikasi  atau  potensi kerapuhan  pada  baja  sehingga  baja  tidak  mampu menahan beban berat. Hal ini sebabkan adanya sisa tegangan yang tidak sempurna (Gambar 12) karena dipengaruhi tidak tercapainya temperatur tempering  di  temperatur  550°C  sehingga  titik kerapuhan  akan  merambat  membentuk  patahan moderat  ductile-brittle seperti yang  ditunjukkan pada Gambar 13.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Gambar 10. Fotomikro
Gambar 11. Fasa reaksi korosi pada pelapisan zinc terhadap metal
Gambar 12.  Ilustrasi sisa tegangan tidak sempurna  dipengaruhi  oleh  adanya area dislokasi partikel
Gambar 13. Patahan jenis moderate ductile –brittle

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil  investigasi  proses  produksi,  rangkaian pengujian dan analisis patahan pada spring washer dapat  dapat  disimpulkan,  spring  washer  Hardness 62-64  HRC  masih  kedalam  fasa  martensite  dan batas  kekerasan  HRC,  C  =  0,80-0,90%. Spring washer patah  adanya  penyebaran  kekerasan  HV yang  tidak  merata  yang  di  sebabkan  karena  proses tempering  di  bawah  350°C  (Rapuh  ke  brittle). Spring washer patah part tidak 100% Intergranular. Spring  washer patah  adanya  pembentukan  pitting korosi dari reaksi kimia selama pembentukan asam menjadi  pengoksidasi  dalam  base  metal. Spring washer patah  mengalami  waktu  baking  yang  tidak sempurna sehingga hidrogen yang terjebak didalam base  material  menimbulkan Hydrogen  Stress Cracking (HSC). Jenis Patahan termasuk Moderate ductile -brittle
Hasil  dari  rangkaian  pengujian  dan  analisa patahan  pada spring  washer maka  disarankan adanya  penambahan  waktu  proses  baking.  hindari bahaya hydrogen  embrittlement pada  base  metal karbon tinggi > 0,60 %. Hindari bahaya asam acid pada  base  metal  pada  proses surface  treatment . Proses hardening menggunakan media salt Austampering (fasa bainid)

## REFERENSI
Ashadi,  H.  W.,  Sulistyoweni,  W.,  Gusniani,  I.
(2002). Pengaruh unsur–unsur kimia korosif  terhadap  laju  korosi  tulangan beton:  II.  Di  dalam  lumpur  rawa. Makara
Journal of Technology, 6 (2).
Ashby, M. F., Jones, D. R. H. (1980). Engineering Materials:  An  Introduction  to  Their Properties  and  Applications .  New  York: Pergamon Press
Barsom,  J.  M.,  Rolfe,  S.  T.  (1987). Fracture  and fatigue  control  in  structures:  applications of fracture mechanics .
Bernstein,  I.  M.,  Thompson,  A.  W.  (1981). Hydrogen  effects  in  metals. Warrendale,
PA,  Metallurgical  Society  of  AIME,  1981, 1071 p .
Broek, D. (1982). Elementary engineering fracture mechanics :  Springer  Science  &  Business Media. Herring, D. H. (2006). The Heat Treat DoctorTM- The Embrittlement Phenomena in
Hardened  &  Tempered  Steels. Industrial Heating, 73 (10), 16-19.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Knott,  J.  F.  (1973). Fundamentals  of  fracture mechanics : Gruppo Italiano Frattura.
Newman,  R.  C.,  Procter,  R.  P.  M.  (1990).  Stress corrosion  cracking:  1965–1990. British Corrosion  Journal,  25 (4),  259-270.  doi: 10.1179/000705990799156373 Trethewey,  K.  R.,  Chamberlain,  J.  (1991). Korosi untuk mahasiswa dan Rekayasawan . Jakarta: Gramedia. Uhlig,  H.  H.  (2011). Uhlig's  corrosion  handbook (Vol. 51): John Wiley & Sons.