Fitriyana, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 202-206
Pengaruh Jarak Penembakan pada Pelapisan 95MXC Terhadap Sifat Kekerasan dan Keausan Material SS 304 dengan metode Twin Wire Arc Spray (TWAS)
Deni Fajar Fitriyana*, Gunawan Dwi Haryadi, Sulardjaka, Norman Iskandar, Abdi Gilang Amrizal Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: deniifa89@gmail.com

## Abstract
The  coating  process  on  SS  304  with  thermal  spray  method  can  be  considered  as  a  method  for increasing  wear  resistance.  In  this  study  aims  to  determine  the  effect  of  spraying  distance  on  the SS 304 coating process  with the twin wire arc spray coating method  on increasing wear resistance  with 95MXC  coating  material.  The  range  of  spraying  distances  used  was  100  mm,  200  mm,  300  mm  and 400  mm  with  a  air  pressure  4  bar.  From  the  results  of  the  study,  at  100  mm  spraying  distance produced  hardness  on  coated  of  material  1227  HV,  the  value  of  wear  rate  was  4.0x10 -4 mm 3 /s, percentage of porosity and unmelt 9.27% and strength of coating adhesion is 22.62 MPa. The shorter the spraying distance, will increase the hardness so that the value of the wear rate obtained decreases. This is because the percentage of porosity and unmelt is smaller.
Keywords: Twin Wire Arc Spray, SS 304, Hardness, Wear.

## Abstrak
Proses pelapisan  pada  SS 304  dengan  metode thermal spray dapat di pertimbangkan  sebagai  metode untuk  peningkatan  ketahan  aus.  Dalam  penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  jarak penembakan  pada  proses  pelapisan  SS  304  dengan  metode twin  wire  arc  spray  coating terhadap peningkatan  ketahanan  aus  dengan  material coating 95MXC.  Variasi  jarak  penembakan  yang digunakan  adalah  100  mm,  200  mm,  300  mm  dan  400  mm  dengan air  pressure 4  bar.  Dari  hasil penelitian, pada jarak penembakan 100 mm menghasilkan nilai kekerasan 1227 HV, nilai laju keuasan 4,0x10 -4 mm 3 /s, nilai presentase porositas dan unmelt 9,278% dan kekuatan lekat coating sebesar 22,62 MPa. Semakin dekat jarak penembakan, nilai kekerasan yang dihasilkan akan semakin tinggi sehingga nilai  laju  keausan  yang  didapatkan  menurun.  Hal  tersebut  dikarenakan  rendahnya  nilai  presentase porositas dan unmelt .
Kata Kunci: Twin Wire Arc Spray , SS 304, Kekerasan, Keausan.

## 1. Pendahuluan
Dalam  merancang  suatu  komponen,  kegagalan  material  sangat  dihindari.  Kegagalan  material  dapat  menyebabkan ketidakpresisian  ukuran  yang  lebih  lanjut  menyebabkan  fungsi  komponen  tidak  berjalan  dengan  baik.  Salah  satu kegagalan  material  adalah  keausan  atau wear .  Keausan  adalah  hilangnya  materi  dari  permukaan  benda  padat  sebagai akibat dari gerakan  mekanik [1].  Keausan dapat menyebabkan komponen profil  berubah, performa kinerja komponen menurun, hingga pada akhirnya memperpendek umur kerja komponen [2]. Salah satu alternatif yang digunakan untuk mengatasi  keausan  adalah  dengan  mengganti  komponen  mesin.  Namun  hal  tersebut  terkendala  bahan  yang  perlu diimpor sehingga waktu yang dibutuhkan menjadi cukup lama dengan biaya yang cukup besar pula.
Saat  ini  telah  dikembangkan  suatu  metode  untuk  mengatasi  keausan  dengan  menggunakan  proses thermal  spray coating . Metode ini tidak perlu mengganti seluruh mesin saat terjadi keausan, hanya perlu mengganti komponennya saja [2]. Prinsip dasar dari proses thermal spray adalah pembentukan  lapisan permanen dengan  meleburkan suatu  material dalam suatu ruang pembakaran, kemudian dari ruang pembakaran ini material disemprotkan ke permukaan substrat dan kemudian  menempelkannya  di  atas substrat [3]. Thermal  spray  coating merupakan  metode  pelapisan  yang  telah diterima dengan baik di kalangan industri. Hal tersebut dikarenakan kemudahannya untuk diaplikasikan pada pelapisan material  dalam  skala  besar.  Selain  itu thermal  spray  coating merupakan  teknologi  yang  ramah  lingkungan.  Metode thermal spray coating yang lazim digunakan yaitu High Velocity Oxygen Fuel (HVOF), Powder Oxy-Fuel Spraying dan Electrical  Twin  Wire  Arc  Spraying (TWAS).  Proses  pelapisan  dengan  metode  TWAS  dipilih  dalam  penelitian  ini, karena  biaya  yang  lebih  murah, kemudahan dalam aplikasi, waktu aplikasi  yang  lebih cepat, serta kemudahan  dalam proses perbaikan coating [4] .
Oleh  karena  itu  penelitian  ini  sangat  diperlukan,  karena  pelapisan  logam  adalah  suatu  cara  yang  dilakukan  untuk memberikan  sifat  mekanik  dan  ketahanan  laju  aus  pada  permukaan  substrat,  dimana  substrat  tersebut  diharapkan mengalami perningkatan kekerasan dan ketahanan aus maupun perbaikan pada struktur mikro.

## 2. Material dan Metodologi
Spesimen  SS304  silinder dan plat dipotong menurut  dimensi  yang ditentukan sebanyak 8 buah. Melakukan proses abrasive grit blasting menggunakan alumunium oxide 24 mesh dengan tekanan sebesar 4 bar dan jarak penembakan 100 mm. Hal ini bertujuan agar permukaan substrat menjadi kasar serta untuk meningkatkan ikatan  mekanik antara material substrat  dengan  pelapisan.  Sebelum  melakukan  proses coating terlebih  dahulu  melalukan spraying  bond  coat 75B (NiAl)  dengan  tekanan  4  bar  dan  jarak  nozzle  100  mm  [5]. Bond  coat ini  berfungsi  sebagai  lapisan  perekat  antara substrat dengan  lapisan top  coat .  Selanjutnya  melakukan spraying 95MXC, dengan  variasi  jarak  yang digunakan 100 mm,  200  mm,  300mm  dan  400  mm.  Setelah  dilakukan coating, dilakukan  pengujian  keras  dengan  metode microhardness  vickers. Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  nilai  kekerasan    pada  permukaan  dan  3  lapisan dengan kondisi sebelum dan setelah pelapisan . Pengujian ini menggunakan mesin microhardness vickers digital Standar pengujian menggunakan ASTM 92-82 tahun 2003. Pengujian Pin On Disk dilakukan dengan menggunakan alat pin on disk . Standar pengujian menggunakan ASTM G99-95A tahun 2000. Pengujian mikrografi untuk melihat hasil pelapisan yang ditunjukan pada penampang melintang dan tiga lapisan yaitu top coat, bond coat dan substrat. Standar pengujian menggunakan  ASTM  E3  tahun  2007.  Proses  SEM  dilakukan  untuk  melihat  hasil  pelapisan  yang  ditunjukan  pada penampang  melintang. Scanning  Electron  Microscope (SEM)  dengan  merek Phenom  ProX  Desktop SEM.  Pengujian pull  off  bonding dilakukan  untuk  mengetahui  daya  lekat coating terhadap  substrat.  Pengujian  ini  menggunakan  lem araldite yang berfungsi sebagai perekat antara pin dengan spesimen yang akan diuji. Pengujian akan berhenti ketika lem sudah  terlepas  dari  spesimen,  dengan  menarik  sebagian  permukaan coating . Pull  off  bonding ini  menggunakan  alat posiTest AT-M Adhesion Tester dengan standar ASTM D-4541. Nilai dari kelekatan akan ditunjukkan dari alat dalam satuan MPa.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Hasil Pengujian Kekerasan
Pengujian  kekerasan lapisan coating dengan menggunakan mikrohardness vickers tester (Model Mitutoyo HM-21) di  lapisan  permukaan  dan  di  tiga  lapisan coating  top  coating , bond  coating dan  substrat  ditunjukan  Gambar  1.  Beban yang digunakan sebesar 500 gf dengan lama indentasi 10 s.

## Gambar 1. Grafik Mikrohardness Vickers
Gambar 1 yang menunjukkan hasil uji kekerasan permukaan sebelum dan sesudah pelapisan, dimana substrat yang tidak  dilapiskan  memiliki  kekerasan  sebesar  527  HV  sedangkan  yang  telah  dilapisi  memiliki  kekerasan  sebesar  900- 1250  HV.  Perbedaan  substrat  sebelum  dilapisi  dengan  substrat  yang  sudah  dilapiskan  memiliki  nilai  kekerasan  yang cukup signifikan karena material pelapis memiliki kekerasan yang lebih tinggi daripada substrat material. Dari Gambar 3.1 telihat bahwa nilai kekerasan cenderung menurun dengan peningkatan jarak penembakan dari spray gun Twin Wire Arc Spray , hal ini disebabkan oleh meningkatnya nilai presentase porositas dan unmelt pada lapisan coating , selain itu marstensite yang terkandung di dalam  lapisan di  pengaruhi oleh  jarak penembakan. Ukuran partikel  yang  dihasilkan juga    semakin    kecil    sehingga    struktur  mikro  pada  pelapisan    semakin    padat    dan    homogen,  hal  ini  juga  dapat meningkatkan nilai kekerasan coating [6].

## 3.2 Pengujian SEM
Hasil  pengujian Scanning  Electron  Microscope (SEM)  ditunjukan  pada  Gambar  2.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk mengetahui jumlah porositas dan unmelt yang terbentuk pada penampang melintang (cross section) .
Gambar 2. Hasil SEM (A) 100 mm, (B) 200 mm, (C) 300 mm dan (D) 400 mm
Analisa  porositas  dan unmelt pada  bagian cross  section menggunakan  hasil  pengujian Scanning  Electron Microscope (SEM) dengan perbesaran 4000x  yang ditunjukan pada Gambar 3.2 dengan  menggunakan software image J. Hasil perhitungan porositas dan unmelt pada bagian cross section dengan image J ditunjukan pada Gambar 3.3.
Gambar 3. Grafik Besaran Persentase Porositas dan Unmelt
Gambar 3 menunjukkan hasil perhitungan % porositas dan % unmelt setelah pelapisan dengan variasi jarak 100 mm, 200  mm,  300  mm  dan  400  mm.  Berdasarkan  hasil  pengukuran  tersebut  didapat  nilai  %  porositas  dan  % unmelt pada substrat dengan jarak 100 mm, 200 mm, 300 mm dan 400 mm masing-masing sebesar 9,728%; 12,816%; 15,055%; dan 16,256%. Gambar 3.3 menunjukkan peningkatan % porositas dan % unmelt terhadap jarak penembakan dari 100 mm ke 400 mm, hal inilah yang menyebabkan adanya penurunan nilai kekerasan terhadap peningkatan jarak penembakan dari spray gun [7].

## 3.3 Hasil Pengujian Pin on disk
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  nilai  ketahanan  aus    pada  material  setelah  dilakukan coating .  Material diletakan menjadi pin dengan diberi beban 300 gram dan dilakukan proses abrasif  menggunakan amplas yang menjadi disk dengan kecepatan 100  m/s. Pengujian  ini dilakukan  selama 10.000 putaran setiap 500 putarannya diganti dengan amplas  yang  baru.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mendapatkan  Perhitungan  laju  keausan  dimana  dilakukan  dengan mengukur berat yang hilang ( weight loss) selama proses dan kemudian dikurangi dengan luas area yang tergerus pada substrat. Nilai hasil pengujian weight loss dan laju keausan dilihat Tabel 1.
Tabel 1. Pengujian Weight loss dan laju keasuan
Spesimen Jarak Penembakan (mm) Nilai kekerasan (HV) Massa Awal (gram) Massa Akhir (gram) Weight Loss (gram) Laju Keuasan (mm 3 /s) Sebelum Pelapisan _ 527,3 25,3046 19,3674 59×10 -1 2,0×10 -2 1 100 1226,6 33,0694 33,0089 6,0×10 -2 4,0×10 -4 2 200 1052 27,7585 27,6720 6,7×10 -2 4,6×10 -4 3 300 958 28,5095 28,4416 8,6×10 -2 5,9×10 -4 4 400 938,9 31,1411 31,0375 1,0×10 -1 6,8×10 -4
Fitriyana, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober 2018) Hal. 202-206
Pada  Tabel  1  dapat  diketahui  bahwa weight  Loss dan  laju  keausan  yang  terjadi  pada  material  yang  tidak  dilapisi lebih  besar  dibandingkan  material  yang  dilapisi.  Pada  Tabel  3.1  juga  menunjukan  peningkatan weight  loss dan  laju keausan jika jarak penembakan diperbesar. Dari penelitian ini diketahui spesimen yang memiliki nilai kekerasan yang lebih  tinggi  mempunyai  volume  keausan  yang  rendah,  sedangkan  spesimen  yang  mempunyai  nilai  kekerasan  yang rendah  memiliki  volume  keausan  yang  tinggi  [8].  artinya  spesimen  yang  memiliki  kekerasan  yang  tinggi  memiliki ketahanan  aus  yang  tinggi  pula  begitupun  sebaliknya  spesimen  yang  kekerasan  rendah  memiliki  nilai  ketahaanan  aus yang rendah [9].

## 3.4 Pengujian Pull Off Bonding
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  daya  lekat coating terhadap  substrat.  Pengujian  ini  menggunakan  lem araldite yang berfungsi sebagai perekat antara pin dengan spesimen yang akan diuji. Pengujian akan berhenti ketika lem sudah terlepas dari spesimen, dengan menarik sebagian permukaan coating . Pull off bonding ini menggunakan alat posi Test AT-M Adhesion Tester dengan standar ASTM D-4541. Nilai daya lekat coating terhadap substrat ditunjukan pada Gambar 4.

## Gambar 4. Grafik Hasil Pull Off Bonding
Gambar  4  menunjukkan  pengaruh  jarak  penembakan  terhadap  kekuatan adhesi  coating. Berdasarkan  gambar tersebut semakin jauh jarak penembakan menurunkan kekuatan daya lekat (adhesi ) coating terhadap substrat. Pengaruh jarak  penembakan  menyebabkan  menurunnya  kekuatan  daya  lekat  antara coating dengan  substrat  dan kohesi antar coating yang disebabkan adanya difusi 95MXC dari substrat ke coating dan 75B dari coating ke substrat [5]. Semakin jauh  jarak  penembakan  akan  meningkatkan  %porositas  dan  % unmelt. Peningkatan  %porositas  dan  % unmelt mengakibatkan penurunan daya  lekat coating [10]. Hal  ini sesuai dengan  hasil  uji SEM  yang dianalisa menggunakan software imageJ didapat nilai % porositas dan % unmelt pada substrat dengan jarak 100 mm, 200 mm, 300 mm dan 400 mm masing-masing sebesar 9,728%; 12,816%; 15,055%; dan 16,256%.

## 4. Kesimpulan
Nilai kekerasan sebelum dilakukan pelapisan 527 HV, setelah dilakukan pelapisan dengan  jarak 100 mm, 200 mm, 300  mm  dan 400  mm didapatkan  masin-masing  nilai kekerasan cross section 1227 HV, 1052 HV, 958 HV dan  939 HV.  Semakin  jauh  jarak  penembakan,  nilai  kekerasan  yang  dihasilkan  akan  semakin  kecil  karena  %  porositas  dan % unmelt semakin besar. Didapatkan hasil laju keausan pada SS304 sebelum pelapisan 2×10 -2 mm 3 /s, setelah pelapisan pada  material SS 304  jarak penembakan 100  mm, 200  mm, 300  mm  dan 400  mm  masing-masing  memiliki  nilai  laju keausan 4×10 -4 mm 3 /s; 4,6×10 -4 mm 3 /s; 5,9×10 -4 mm 3 /s; dan 6,8×10 -4 mm 3 /s. Semakin jauh jarak penembakan nilai  laju keausan semakin meningkat dan ketahan aus semakin menurun karena nilai kekerasan yang semakin kecil.

## Referensi
[1]  Rabinowicz, E., 1995, Friction and Wear of Materials, 2nd Edition. New York: John Wileyand Sons, INC.
[2]   Pawlowski, L., 2008, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings Edisi Kedua, London: John Wiley & Sons Ltd.
[3]   Lusiani, R., Sunardi, Hamidi, 2013, Sifat Mekanik Lapisan Stainless Steel 316 pada Baja Karbon Rendah dengan Proses Electric Arc Spray, Seminar Nasional Industrial Services (SNIS) III, Cilegon 13 Oktober 2013.
[4]   Fu Bin-you, 2009, Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Fe-based amorphous coatings,  A  College  of  Materials  Science  and  Engineering,  Beijing  University  of  Technology,  Beijing  100124, China.
[5]   Madaeni, S.S., Aalami, M.E., Daraei, P., 2008, Preparation and characterization of metallic membrane using wire arc spraying, Journal of membrane Science 320, pp. 541-548.
[6]   Sarikaya,  O.,  2005,  Effect  of  the  Substrate  Temperature  SS  304L  On  Properties  of  Plasma  Sprayed  Al2O3 Coatings. Materials and Design. pp. 53-57.
[7]   Tucker, Jr., 1994. Thermal Spray Coatings, Surf. Eng., Vol.5, ASM Handbook, P. 497–509.
[8]    Veselin, B., 2010. “Slurry Pump Impeller Wear: Testing”. Journal of Tribology. Vol. 132.
[9]   McCaul,  C.,  Roger,  K.,  2004,  Evaluation  of  Coating  for  Resistance  to  Abrasive  and  Adhesive  Wear  in  Pump Components, Proceedings of the ninth international pump users symposium. New Jersey.
[10]  Tillmann,  W.,  Hagen,  L.,  Luo,  W.,  2017,  Process  Parameter  Settings  and  Their  Effect  on  Residual  Stresses  in WC/W2C Reinforced Iron-Based Arc Sprayed Coatings, Coatings 2017, 7, 125. P.1-18.