PENINGKATAN KEKERASAN DAN KETAHANAN AUS BAJA KARBON RENDAH DAN BESI COR KELABU MELALUI PROSES VANADISASI
Lukito Dwi Yuono Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Metro Jl. Ki Hajar Dewantara no 632 Kota Metro Lampung 34111 0725-41031 Email : Lukitody1@gmail.com

## ABSTRACT
The surface hardening process is one of the high temperature treatment processes wich is applied only on the surface of the object of the treatment so that it result an object with superficial hardness without changing the interior matrix shape of the object. The materials used in this research are Perlitics Gray Cast Iron and Low Carbon Steel which are easily avaliable in the market) to increase the hardness and resistance of the surface of the object through vanadisation. As  the  diffusion  material,  vanadium,  which  was  derived  from  ferro  vanadium  powder  was  used.  The  experiment  was conducted by varying temperatures of 800 o C and 875 o C, with the resisting periods of 1 hour, 3 hours, and 5 hours. From this  experiment,  it  was  expected  that  there  was  anincrease  in  hardness  and  resistance  of  the  object  surface  without changing its interior matrix shape. After conducting the experiment and some test namely metallography test, hardness test, and resistance test, it showed that there was diffusion process on the surface of the object. Having been compared with the sample before the treatment, it can be seen that :
- Based on the result of metallography test, there is a change in the exterior shape of the sample, but a constant interior matrix shape of it.
- Based on the hardness test, there is an increase on hardness, maximally on the sample caded BCK-5/875 to the rate of 742 HV.
- Bases on the resistance test, there is an increase also in its rate. It can be seen from the lowest weight loss rate on the sample coded BCK-5/875 to 0,0018 gr.
Keywords : Vanadisasi, diffusion process, surface hardening

## PENDAHULUAN
Suatu  jenis  logam  dan  paduan  logam  secara harfiah biasanya mempunyai karakteristik tertentu yang berbeda dengan logam ataupun paduan logam lainnya.  Karakteristik  tersebut  ada  yang  baik  dan ada  pula  yang  kurang  baik,  tetapi  tidak  ada  satu logam  pun  yang  mempunyai  seluruh  sifat  baik tanpa ada kelemahannya.
Oleh  karena  itu  untuk  merubah  karakteristik logam sehingga dapat memenuhi tuntutan-tuntutan dalam pemakaiannya dilakukan berbagai perlakuan,  salah  satu  perlakuan  yang  dimaksud adalah dengan perlakuan panas.
Proses pengerasan permukaan ( surface hardening )  adalah  salah  satu  proses  perlakuan panas  dimana  proses  pengerasan  yang  dilakukan hanya  pada  permukaan  benda  kerja  saja  sehingga diperoleh  bahan  yang  memiliki  kekerasan  yang lebih  tinggi  dan  kekerasan  bahan  awalnya  tanpa terjadi perubahan fasa pada struktur matriks bagian dalam bahan.
Terdapat  dua  cara  dalam  proses  pengerasan permukaan, yaitu:
1. Thermal treatment, yaitu proses yang dilakukan tanpa merubah komposisi kimia atau dapat juga disebut perlakuan panas termal, misalnya flame hardening, induction hardening.
2. Thermochemical  treatment,  yaitu  proses  yang dilakukan  dengan  merubah  komposisi  kimia atau dapat disebut juga dengan proses perlakuan panas termokimia, misalnya karburasi, nitridasi, karbonitridasi, vanadisasi.
Adapun logam yang akan dicoba diperbaiki sifatnya dalam penelitian ini
adalah  besi  cor  kelabu  perlitik  (perlitic  gray  cast iron) dan baja karbon rendah dengan pertimbangan:
Besi cor kelabu perlitik
- Mampu mesin ( Machinabilily)
- Mampu  menahan  getaran  (walaupun  lebih rendah dan noduler cast iron)
- Dapat menahan tekanan, sebanding dengan kekuatan baja
- Mampu mesin
Baja karbon rendah - Mampu bentuk ( formability) - Mampu mesin (Machinability) - Mampu las ( Weldabiliry)
Kelemahan  dan  kedua  bahan  tersebut  diatas  yang dicoba untuk diperbaiki sifatnya adalah - Nilai  kekerasan  yang  relatif  rendah  sehingga dicoba  untuk  meningkatkan  kekerasan  pada permukaannya  dengan  proses  vanadisasi  dan diperoleh bahan yang mempunyai sifat-sifat yang tidak berubah path bagian dalam dan bahan tapi bersifat keras dipermukaan.
- Ketahanan ausnya relatif rendah sehingga dicoba untuk  meningkatkan  ketahanan  ausnya  dengan proses vanadisasi.

## METODE PENELITIAN

## Bahan
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian, adalah :
a) Besi  cor  kelabu  perlitik,  dengan  komposisi kimia terdiri dari : 416 % C, 2,29 % S, 0,001 % P, 0,56 % Mn, 0,019 % Ni,0,03 % Cr, 0,02 % Cu, 92,82 % Fe.
b) Baju  karbon  rendah,  dengan  komposisi  kimia terdiri dari : 0,21 % C, 0,27 % Si, 0,02 % P, 1,14 % Mn, 0,01 % Ni, 0,03 % Cr, 0,03 % Al, 98,62 % Fe.
c) Bahan  vanadium  yang  digunakan  adalah campuran  dari  serbuk  Fe-B  (high  carbon);
NH4CI dan serbuk AI2O3 dengan perbandingan persen berat : 60 : 3,5 : 36,5

## Sampel
Bahan  besi  cor  kelabu  perlitik  disiapkan dalam bentuk sampel berdasarkan kebutuhan untuk pengujian.
Adapun bentuk ukuran dan ukuran sampel tersebut adalah balok dengan ukuran 10 x 10 x 20 mm.
Gambar 1 . Ukuran Sampel

## Prosedur Percobaan
Prosedur  percobaan  proses  laku  panas vanadium  dilakukan  melalui  tahapan  ,  sebagai berikut :
a. Persiapan bahan awal
Karakteristik besi cor kelabu perlitik, meliputi : analisa  komposisis  kimia,  strukturmikro  dan kekerasan  .  Benda  kerja  sebelumnya  dibentuk melalui mesin frais menjadi bentuk balok yang mempunyai ukuran 10 x 10 x 20 mm,        dan permukaannya diratakan dengan mesisn perata (surface grinding machine).
b. Masukkan  kedalam  tabung  dari  bahan  baja tahan  karat  bersama-sama  dengan  campuran serbuk yang terdiri dari Fe-V, NH 4 CI dan AI 2 O 3 dengan  perbandingan  yang  atelah  ditentukan .Kemudian  tutup  rapat  bagian  atas  tabung dengan penutup dari bahan yang sama, agar gas yang  terbentuk  pada  saat      pemanasan berlangsung tidak keluar atau bocor.
c. Proses  laku  panas  Vanadisasi  dilakukan  pada temperature pemanasan 800 o , dan 875 o dengan waktu  penahanan  selama  1,3,  dan  5  jam. Sedangkan  pendinginan  dilakukan  di  udara terbuka.  Tabel  di  bawah  ini  menunjukkan kode sampel yang dipakai dalam penelitian.
d. Setelah  proses  Vanadisasi  selesai,  kemudian dilakukan pengujian yang  meliputi pengukuran kedalaman lapisan yang terbentuk dipermukaan benda  kerja,  uji  kekerasan  dan  uji  ketahanan aus.
Posisi benda kerja di dalam tabung baja tahan karat  dan  kurva  proses  perlakuan  panasnya, ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.
Gambar 2. Pemasangan Benda Uji
Tabel 1 .Pemberian kode sampel
Gambar 3 . Kurva pemanasan dan pendinginan pada proses laku panas.
Reaksi  yang  berlangsungan  di  dalam  tabung pada saat proses vanadisasi adalah, sebagai berikut : Reaksi pertama ; NH4CI  NH 3(g) + HCI (g) Reaksi ke dua ; 2 HCI + V  H 2(g) +VCI 2(g) Reaksi ke tiga : V.CI 2(g) + Fe CI 2(G) +V (at) Dimana :
NH 3 ; ammoniak dalam bentuk gas H 2 O ; air dalam bentuk gas Fe CI 2 ; larutan ferri clorida dalam bentuk cair

## Pembahasan Struktur Mikro
Berdasarkan  data  hasil  pengujian  yang  telah dilakukan, maka dapat dibahas beberapa hal yang meliputi: Struktur mikro sampel bahan awal (besi cor  kelabu  dan  baja  karbon),  Diperoleh  bahwa struktur  mikro  besi  cor  (BCK)  memiliki  fasa dengan matriks perlit sedikit ferit dan grafit lamelar dengan  komposisi  kimia  (Tabel  4-1)  terdiri  atas: 4,16  %  C;  2,29  %  Si;  0,05  %  5;  0,01  %  P;
0,056 % Mn; 0,0 19 % Ni; 0,03 % Cr; 0,02 % Cu dan  92,82  %  Fe,  sedangkan  struktur  mikro  baja karbon  (BKR)  memiliki  fasa  dengan  matriks  ferit dan  perlit  dengan  komposisi  kimia  (Tabel  4-1) terdiri atas: 0,21 % C; 0,27 % Si; 0,02 % P; 1,14 % Mn; 0,01 % Ni; 0,03 % Cr; 0,03 % Al dan 98,26 % Fe.
Dari hasil pengamatan struktur mikro sampel bahan awal, besi cor kelabu   adalah termasuk ke dalam    jenis  besi  cor  kelabu  perlitik,  sedangkan sampel  bahan  baja  karbon  yang  dipakai  dalam penelitian ini tergolong ke dalam jenis baja karbon rendah.
Setelah  dilakukan  proses  vanadisasi  pada temperatur  800°C  dan  875°C          dengan  waktu penahan 1 jam, 3 jam dan 5 jam di dalam komposisi campuran bahan vanadisasi yang terdiri atas: Fe-V, A1 2 O 3 ,  dan  NH 4 CI  pada  perbandingan  komposisi 60: 36,5 : 3,5.
Pada  penelitian  yang  telah  dilakukan  dengan temperatur  pemanasan  800°C,  terlihat  adanya kedalaman  difusi  vanadium  yang  terbentuk  dan kedalaman difusi ini terjadi pada sampel BCK dan BKR dengan lama penahanan I jam. Tebal masing- masing kedalaman difusi mencapai 0,64 jim untuk BCK  dan  2,84  pm  untuk  BKR,  sehingga  dapat disimpulkan  bahwa  proses difusi  pada  temperatur pemanasan 800°C dapat benlangsung.
Untuk  meningkatkan  kedalaman  difusi  dapat dilakukan dengan menahan waktu pemanasan lebih lama lagi (3 - 5 jam) atau dengan menaikan energi aktivasinya  dengan  cara  menaikan  temperatur pemanasan  (875°C).  Hal  ini  dibuktikan  pada sampel  dengan  temperatur  pemanasan  875°C  dan waktu  penahanan  yang  sama  (1  jam),  dimana proses  difusi  jauh  Iebih  cepat  dan  spesimen  yang dipanaskan  pada  temperatur  800°C.  Difusi  yang terbentuk  menjadi  lebih  tebal  masing-masing mencapai 0,94 µm untuk BCK dan 7,66 µm untuk BKR. Hal ini terjadi karena energi  yang diperlukan untuk  menggetarkan  atom-atom    besi  pada  jarak yang  Iebih  besar  tetap  tercapai,  sehingga memungkinkan atom-atom vanadium (V) berdifusi ke  dalam  atom  besi  lebih  leluasa lagi.  Sedangkan waktu  penahanan  berfungsi  sebagai  waktu berlangsungnya  proses  difusi.  mi  sesuai  dengan hukum  difusi  sederhana,  dimana  semakin  lama waktu penahanan. kedalaman difusi semakin tebal. Adapun difusi yang terbentuk dipermukan  sampel adalah senyawa ferro vanadium (Fe2V). Senyawa ini  terjadi    berbentuk  difusi    putih  (white  layer).
Kondisi Proses Vanadisasi No Kode Sampel Temperatur Vanadisasi ( o C) Waktu Penahan (jam) 1 BCK 800-1 800 1 2 BCK 800-3 800 3 3 BCK 800-5 800 5 4 BCK 800-1 875 1 5 BCK 875-3 875 3 6 BCK 875-5 875 5 7 BKR 800-1 800 1 8 BKR 800-3 800 3 9 BKR 800-5 800 5 10 BKR 875-1 875 1 11 BKR 875-3 875 3 12 BKR 875-5 875 5
Difusi  Fe 2 V  yang  terbentuk  akan  semakin  dalam dengan semakin tingginya temperatur atau semakin lamanya  waktu  penahanan,  seperti  ditunjukkan pada Gambar 4-6 sampel BCK-800 dengan waktu penahanan 3 jam dan Gainbar 4-16 sampel BKR- 800  dengan  waktu  penahanan  1  jam    Dimana semakin lama waktu penahanan, difusi Fe2V yang terbentuk akan   semakintebal.
Fenomena  lain  dan  proses  perlakuan  panas, disamping untuk meningkatkan energi aktivasi dan vanadium (V) agar dapat berlangsung proses difusi ke  dalam  besi,    juga  dapat  menguraikan  karbida- karbida  lain  atau  menguraikan  ferit.  Fasa  perlit dapat terurai menjadi ferit atau mengubah struktur matriks dasar menjadi matriks ferit seperti terlihat pada Gambar 4-3. Hal ini terjadi karena pengaruh temperatur  pemanasan.  Dimana  pada  temperatur 800°C dan 875°C, struktur mikro pada permukaan spesimen menunjukkan matriks ferit + perlit (ferit lebih dominan). Ini disebabkan karena semakin  tinggi  temperatur  pemanasan,  energi bebas karbon akan menuju ke arah negatif sehingga reaksi yang terjadi  spontan.
Koefisien  pendinginan  pada  temperatur pemanasan 875 o C lebih cepat dari  pada koefisien pendinginan  pada  temperatur  pemanasan  800 o C. hal  ini  mengakibatkan  grafit  akan  semakin  kecil karena karbon akan lebih banyak yang   berdifusi membentuk perlit, (Gambar 4-11). Sedangkan pada temeratur pemanasan 800 o C, karbon yang ada pada material  besi  cor  akan  dibentuk  oleh  Si  menjadi grafit dan yang berdifusi dengan Fe akan semakin kecil sehingga  membentuk fasa ferit.
Grafit pada proses difusi vanadium (V) secara interstisi tidak berlangsung atau atom       V tidak dapat melewatinya, hal ini terjadi karena diameter atom  V    dan  atom  C  mempunyai  ukuran  yang hampir sama  (jari-jari atom V : 0,046 nm dan jari- jari atom      C : 0,077 nm), sehingga proses difusi yang mungkin terjadi adalah subsitusi (menggantikan  atom  yang  hilang).  Karena  proses difusi  interstisi  lebih  mudah  terjdi,  maka  atom- atom  vanadium  (V)  lebih  reaktif  berinterstisi dengan Fe dari pada bersubstitusi dengan C.

## Kesimpulan
Dari hasil pembahasan dapat di tarik kesimppulan sebagai berikut :
a. Uji Metallografi
Dari  uji  metallografi  memperhatikan  adanya kedalaman difusi pada permukaan sempel BCK dan BKR.
b. Perhitungan kedalaman difusi Dari  perhitungan  kedalaman  difusi  BCK memperhatikan bahwa kedalaman difusi terendah  terdapat  terhadap  kode  sample  BCD- 1/800  sebesar0,00064  mm.  dan  tertinggi  pada BCK  -5/875  sebesar  0,0029  mm.  Untuk  BKR kedalaman           difusi terendah terdapat pada kode sampel BKR -5/875 sebesar 0,00766 mm. Dengan  demikian  kenaikan  kedalamandifusi pada sampe4l BCK dan BKR dipengaruhi oleh panambahan temperature dan waktu penahanan.
c.  Pengujian kekerasan Dari  pengujian  kekerasan  sampel  BCK memperhatikan  nilai  kekerasan  permukaan terendah pada kode sampel BCK-1/800 sebesar 570 HV dan        tertinggi pada kode sampel CK- 5/875  sebesar  742  HV.    Untuk  BKR  nilai Kekerasan terendah terdapat pada kode sampel BKR -1/875 sebesar 332 HV dan       tertinggi pada kode sampel BKR-5/876 sebesar 464 HV.
Dengan  demiklian  penigkatan  kekerasan permukaan pada sampel BCK Dipengaruhi  oleh  penambahan  temperatur  dan waktu penambahan.
Jika dilihat dari penambahan waktu penambahan  waktu  BKR  untuk  temperatur 800°C,  tidak  terhubungan  dengan  penigkatan kekerasan. Tetapi penambahan waktu penambahan  untuk  temperatur  875  °C  akan menigkatkan  Kekerasan  sampel.  Dan  jika dilihat  dari  penambahan  temperatur  sampel BKR  (  800  °C  ke  875  °C  )  dengan  waktu penambahan waktu yang sama akan menigkatkan kekerasan sampel.
d. Pengujian ketahanan aus Dari  pengujian  ketahanan  aus  sampel  BCK memperlihatkan kehilangan             berat tinggi pada kode sampel BCK-1/800 sebesar  0,0039 gr dan terendah pada kode sampel BCK-5/875 sebesar 0,0031 gr. Untuk BKR memperlihatkan kehilangan berat tinggi pada kode sampel BKR- 1/875sebesar  0,006 gr dan terendah pada kode sampel BKR 5/875 sebesar 0,0018 gr. Dengan demikian penigkatan ketahanan aus pad sampel BCK  dan  BKR  dipengaruhi  oleh  penambahan temperatur dan waktu penahanan.
e. Penghitungan koiefisien difusi Dari  penghitungan  koiefisen  difusi  sampel
BCK memperlihatkan koiefisien difusi terendah pada sampel BCK -1/800 sebesar
5,760x10¯¹¹cm²/sec  dan  tertinggi  pada  kode sampel BCK -5/875 sebesar 2,33 x10¯¹¹cm²/sec.Untuk  BKR  memperlihatkan koiefisien  difusin  terendah  pada  kode  sampel BKR-5/800  sebesar    1,998x10 -11 cm²/sec  dan tertinggi  pada  kode sampel  BKR  -5/875  2,719 x10 -11 cm²/sec.
Dengan  demikian  penigkatan  koiefiseien  difusi pada BCK tidak dipengaruhi oleh penambahan  waktu  penahanan  untuk  temperature yang sama. Tetapi penigkatan kofisien difusi pada sampel  BCK  dipengaruhi  oleh  penambahan temperatur  (  800  °C  ke  875  °C  )  untuk  waktu penambahan yang sama.
Beberapa  dengan  samel  BCK  untuk  semua sampel BKR penigkatan. koeifisien  difusi  dipengaruhi  oleh  penambahan temperature dan waktu penahanan.
DAFTAR PUSTAKA
1. Adjiantoro B, “Peningkatan Kekerasan dan
Ketahanan Aus Besi Cor Kelabu Melalui Proses  Perlakuan  Panas  Kromisasi Padat”, Tesis Pascasarjana ISTN,Jakarta, 2004.
2. Bela V. Kovacs, “Ductile Iron Heat Treatment”, AFC  Technical  Center
Livonia,, Michigan, 1962.
3. Boftrs, Thelnings K.E., “Steel and its Heat Treatment”. Vol.  III.  Engineering  and
Special Purpose Steels.5thed.Wiley,NewYork,1975. 4. Djaprie S., “Ilmu dan Teknologi Bahan”,
Erlangga, Jakarta, 1983.
5. Gray J.M., “Processing and Properties of Low Carbon Sleet’. The Metallurgical
Society, New York,1973.
6. Kraus G., “Principles of 1-feat Treatment of Steel”, America Society for Metal, Metal
Park Ohio, 1980.
7. Praktikum Metalografi, Pendidikan dan Latihan  Metalografi  Pusat  Penelitian dan  Pengembangan  Metalurgi-LIPI  dan
P.T. Garuda Indonesia, Jakarta, 1986.
8. Pratowo B., “Peningkaian Kekerasan dan Kerahanan Aus Permukaan Baja Karbon Rendah  dan  Besi  Cor  Kelabu  melalul Proses  Boronisasi”, Tesis  Pascasarjana ISTN, Jakarta, 2005.
9. Suhadi A. Dr. Jr. M.Eng., “Rekayasa
Permukaan  Logam”, Seminar  Sehari Teknologi          dan  Industri  Program Pascasaijana  Magister  Teknik  Mesin ISTN, Jakarta, 2004.
10. Surdia T. Ir. Prof. M.S.Met.E., “Pengetahuan Bahan  Teknik”, Pradnya  Paramita, Jakarta, 1995. 11. Surdia T. Jr. Prof. M.S.Met.E., “Teknik Pengecoran Logam “, Pradnya Paramita, Jakarta, 1991. 12. Zakharof B., “Heat Treatment of Metals”,
Foreign  Languages  Publishing  House Moscow,  Soviet  Socialist  Republics, 1962.