PENELITIAN PENGUATAN KOMPETENSI ...file.upi.edu/Direktori/FPTK/JUR._PEND._TEKNIK_MESIN...sehingga bisa digunakan pada proses pemotongan logam pada proses pembubuttan. Pengasahan terhadap

1

LAPORAN PENELITIAN PENELITIAN PENGUATAN KOMPETENSI

OLEH:

Drs. H. R. Aam Hamdani, M.T.

Dr. Ida Hamidah, M.Si

Drs. H. Mumu Komaro, M.T.

Asep Hadian Sasmita, S.Pd., M.Pd.

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

Jl. Dr. Setiabudhi No. 229 Bandung 40154

2015

KARAKTERISASI METALURGI MATERIAL PAHAT HSS

MENGGUNAKAN TEKNOLOGI SEM-EDS

KAINTANNYA DENGAN KINERJA PADA PROSES PEMESINAN BUBUT

2

3

Abstrak

Lima keunggulan yang ada pada material yang digunakan sebagai pemotong

adalah 1) mempunyai kekerasan yang baik, 2) keuletan yang dapat menahan beban kejut,

3) ketahan terhadap beban kejut termal, 4) sifat adhesi yang rendah dan 5) mempunyai

daya larut elemen/komponen material pahat yang rendah. Salah satu material pahat yang

banyak digunakan dan memenuhi kreteria tersebut adalah baja kecepatan tinggi (HSS).

Di pasaran dikenal ada istilah HSS asal Jerman (Bohler) dan HSS asal Cina.

Metode penelitian yang digunakan adalah ekperimen murni. Tahap penelitian

terdiri dari dua tahap. Tahap I pengujian pemesinan bubut untuk mengetahui umur

pahat/kinerja berdasarkan kriteria keausan kritis yang ditentukan. Tahap II dilakukan

karakterisasi struktur mikro menggunakan SEM-EDS

Pelaksanaan penelitian tahap I, pertama dilakukan proses pengasahan pahat

sehingga bisa digunakan pada proses pemotongan logam pada proses pembubuttan.

Pengasahan terhadap dua jenis pahat yang diteliti dilakukan dengan geometri pahat yang

sama yaitu Side rake angle ( 12°-18°). Angle of Keenness (60°-68°) dan Side relief angle

(10°-12°). Begitu juga parameter pemesinan diambil dengan kondisi pemesinan yang

sama. Berdasarkan hasil pengujian umur pahat didapat umur pahat asal Jerman 24 menit

dan asal China 8 menit untuk mencapai keausan kritik 0,2 mm. Untuk kedua jenis

material pahat, distribusi kekerasan pada daerah aus pada umumnya mengalami

penurunan harga kekerasan dibanding dengan daerah yang jauh dari keausan. Adanya

penurunan ini karena pengaruh panas akibat proses pemotongan. Material HSS

mengalami penemperan sehingga terjadi penurunan kekerasan. Pada tahap II, dilakukan

uji struktur mikro menggunakan SEM/EDS. Hasil uji SEM, penyebaran distribusi

partikel karbida pada HSS asal Jerman lebih merata dibanding dengan China. Senyawa

karbida yang ada pada material pahat China Cr23C6 dan Fe4Mo2C sertanya adanya

pengotor oksida Al2O3. Sedangkan pada material HSS asal Jerman tidak terlihat adanya

pengotor dan jenis senyawa karbida selain Cr23C6 dan Fe4Mo2C juga terdapat Fe4W2C,

dan VC atau V4C3.

Kata kunci : HSS, keausan kritis, struktur mikro

4

BAB I

PENDAHUUAN

2.1 Latar Belakang Masalah

Proses pengerjaan logam (Metal Working Process) adalah proses induk proses

manufaktur yang dapat dikelaskan menjadi enam kelas yaitu 1) proses pengecoran

(Casting), 2) proses pembentukan (Forming), 3) proses pemesinan (Machining), 4)

Proses pengelasan (Welding), 5) Proses perubahan penyelesaian akhir (Finishing) dan 6)

proses perubahan sifat fisik (Heat treatment). Sedangkan berdasarkan temperatur proses

yang digunakan, proses pengerjaan logam dikelompokkan menjadi Proses pengerjaan

logam padan (Hot working process) dan pengerjaan logam dingin (cold working

process).

Pada proses pembentukan dan pemesinan, umumnya menggunakan material

perkakas (tools material) sebagai alat yang digunakan untuk mengubah bentuk material

menjadi bentuk produk tertentu yang diinginkan. Material perkakas yang digunakan

harus menjamin keberlangsungan proses pemotongan/pembentukan dengan hasil yang

optimum. Material perkakas yang digunakan tentunya material yang mempunyai sifat

yang lebih baik atau lebih unggul dari material benda kerja yang akan dibentuk menjadi

produk tertentu.

Keunggulan tersebut dapat dicapai karena material perkakas/pahat dibuat dengan

memrperhatikan sifat-sifat yang harus dipunyai seperti [1]

➢ Kekerasan ; yang cukup tinggi melebihi kekerasan benda kerja, tidak saja pada

temperatur ruang melainkan juga pada temperatur tinggi pada saat proses

pembentukan geram berlangsung.

➢ Keuletan ; yang cukup besar untuk menahan beban kejut yang terjadi sewaktu

pemesinan dengan penghentian (interupsi) meupun sewaktu memotong benda

kerja yang mengandung partikel.bagian yang keras (hard spot).

➢ Ketahanan beban kejut termal ; diperlukan bila terjadi perubahan temperatur yang

cukup besar secara berkala/periodik.

➢ Sifat adhesi yang rendah; urntuk mengurangi afinitas benda kerja terhadap pahat,

mengurangi laju keuausan.

➢ Daya larut elemen/komponen material pahat yang rendah ; dibutuhkan untuk

memperkecil laju keausan akibat mekanisme difusi.

5

Terdapat banyak jenis material pahat potong yang digunakan pada proses

pembentukan logam seperti material ceramic, cemented ceramic, CBN, HSS, Cast cobalt

dan carbon tool steel. Material yang banyak digunakan karena material tersebut juga

memenuhi kriteria yang dijelaskan di atas adalah material Baja Kecepatan Tinggi (High

Speed Steel/HSS). Material pahat ini mudah didapat di pasaran dengan harga yang cukup

terjangkau dan mudah diasah apabila mengalami proses keausan. Terdapat banyak

pabrikan material pahat jenis ini, sehingga mempunyai ciri yang berbeda, misalnya dari

sisi harga penjualan. Selain itu juga ada perbedaan dari sisi performa jika material pahat

itu digunakan pada proses pemesinan. Perbedaan performa ini terlihat dari umur pahat

yang berbeda antara pabrikan satu dengan lainnya.

Adanya perbedaan performa ini menarik untuk ditelaah secara mikro dengan

melihat karakteritik metalurgi material pahat tersebut dengan menggunakan teknologi

SEM/EDS.

2.2 Tujuan

Struktur mikro material HSS pada umunya berupa dispersi karbida kompleks pada

matriks ferit. Karbida-karbida tersebut berfungsi untuk meningkatkan kekerasan dan

ketahanan aus pada temperatur tinggi pada saat terjadi proses pemesinan. Hal ini karena

karbida merupakan senyawa yang mempunyaiikatan atom primer sehingga sangat sulit

untuk dipisahkan dan eeknya senyawa karbida merupakan fasa yang sangat keras.

Untuk itu beberapa hal yang harus diperhatikan dari HSS adalah karbida karbida

yang menyebabkan material HSS mempunyai kinerja yang baik.

Adapun tujuan selengkapnya dari penelitian ini adalah :

1. Mendapatkan gambaran ketersebaran senyawa karbida dan ukurannya melalui

penggunaan teknologi SEM/EDS.

2. Mendapat gambaran performa/kinerja berbagai jenis material HSS melalui uji

pemesinan dengan kriteria keuasan kritis yang ditentukan.

1.3 Urgensi penelitian

Material pahat pada proses pemesinan merupakan faktor penentu dari kualitas

produk yang direncanakan. Selain parameter pemesinan yang harus dipertimbangkan

oleh seorang operator mesin bubut, maka pemilihan material pahat merupakan hal yang

tidak boleh dibaikan.

6

Material pahat HSS merupakan material pahat yang banyak dipilih dan digunakan

oleh praktisi pemesinan. Hal ini karena selain harganya terjangkau juga pahat HSS

mudah diasah kembali sehingga dapat digunakan kembali selama material pahat tersebut

belum habis.

Dengan diketahuinya karakter metalurgi dan perfoma/kinerja material HSS maka

dapat dipilih jenis HSS mana yang akan digunakan yang mempunyai nilai ekonomis

yang menguntungkan.

1.4 Luaran penelitian

Luaran penelitian yang diharapkan adalah didapatnya gambaran struktur mikro

material pahat HSS ayang dapat dijadikan rujukan untuk pemilihan sebagai pahat potong

yang efisien. Data-data yang didapat akan dijadikan bahan untuk pembuatan artikel

ilmiah yang akan diseminarkan pada seminar tingkat nasional.

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Umum HSS

HSS digunakan pada proses pemesinan pada kecepatan tinggi. Ada juga yang

mengartikan baja ini merupakan baja potong cepat, karena pada saat digunakan, benda

kerja yang dipotong mempunyai kecepatan potong (Cs) yang tinggi. Jenis baja perkakas

ini ditemukan pada tahun 1898 dengan jenis baja paduan tinggi dengan unsur pemadu

Khrom (Cr) dan Tungsten/wolfram (W). Melalui proses penuangan, kemudian diikuti

dengan proses pengerolan, HSS ini dibentuk menjadi batangan atau silinder. Pada proses

kondisi lunak (hasil Spheroidisasi), bahan tersebut dapat diproses secara pemesinan

menjadi bentuk berbagai pahat potong. Setelah proses perlakuan panas (heat treatment)

kekerasannya akan cukup tinggi sehingga dapat digunakan pada pemotongan kecepatan

tinggi (sampai dengan 3 kali kecepatan potong untuk pahat CTS yang dikenal pada saat

itu sekitar 10 m/menit) sehingga dinamakan Baja Kecepatan Tinggi (High Speed Steel)

[1]

Kecepatan yang tinggi tersebut dapat dicapai berkat kekerasan yang relative

tinggi meskipun temperature kerjanya cukup tingggi. Gambar 2.1 a memperlihatkan Hot

Hardness atau kekerasan pada temperatur kerja yang tinggi dari berbagai material pahat.

Sementara pada gambar 2.1b menunjukkan recovery hardness yaitu kekerasan pada

temperatur ruang setelah material yang bersangkutan mengalami temperatur kerja yang

tinggi selama beberapa saat.

Gambar 2.1 a Kekerasan berbagai jenis pahat pada temperatur kerja

(Hot hardness) [1]

8

Gambar 2.1 b Kekerasan pada temperature ruang setelah pahat yang bersangkutan

mengalami temperature kerja yang tinggi selama beberapa saat (recovery hardness) [1]

HSS dengan matriks yang cukup tangguh, dengan karbida kompleks yang keras

menjadikannya material HSS mempunyai sifat-sifat yang cocok untuk digunakan pada

pemotongan logam [2]. Apabila digunakan dan mengalami aus, HSS dapat diasah

sehingga mata potongnya tajam kembali (resharpned). Sifat keuletan yang relatif baik

maka sampai saat ini berbagai jenis HSS masih tetap digunakan.

2.2 Pengaruh Unsur Paduan

Sifat fisik dan mekanik yang baik dari baja kecepatan tinggi, tergantung pada

komposisi kimia HSS tersebut. Hot hardness dan recovery hardness yang cukup tinggi

pada HSS dapat dicapai berkat adanya unsur paduan seperti Cr, Mo, V, W dan Co. Pada

umumnya unsur paduan tersebut mempunyai pengaruh terhadap unsur dasar Fe dan C

sebagai berikut :

a. Khrom (Cr)

Cr merupakan unsur paduan yang penting setelah karbon. Cr membentuk karbida

yang biasanya dengan model carbide M23C6, namun demikian pola karbida yang

dibentuk oleh Cr ini tergantung pada jenis perlakuan panas yang diterapkan. Adanya

paduan Cr ini mampu menaikkan mampu keras (hardenability) dan Hot Hardness.

9

Selain membentuk karbida, Cr juga larut pada matriks. Kelarutan Cr pada matriks Fe

maksimumsebesar 9%.

b. Molibden (Mo)

Mo sangat besar pengaruhnya terhadap mampu keras disbanding dengan unsur

paduan lainnya kecuali dengan Mangan (Mn). Akibat penambahan Mo, dalamnya

pengerasan dari HSS meningkat karena laju pendinginan kritiknya menjadi turun. Mo

dapat meningkatkan ketahanan dan ketangguhan pada temperature tinggi. Mo dapat

membentuk karbida yang cukup keras yang menyebabkan kenaikan temperature

proses pengerasan, dengan demikian Hot Hardness dipertinggi. Selain membentuk

karbida, Mo juga larut sempurna pada matriks Fe sebesar 8%.

c. Vanadium (V)

Vanadium merupakan pembentuk karbida yang kuat. Karbida yang terbentuk sifatnya

sangat stabil, tida mudah terurai pada temperature pengerasan. Dengan demikian

dapat menghambat pertumbuhan butir [2]. Selain itu vanadium meningkatkan

kekerasan pada temperature tinggi.

d. Wolfram (W)

Tunsten atau woflfram dapat membentuk karbida yang sangat keras yang

menyebabkan kenaikan temperature untuk proses pengerasan atau tempering dengan

demikian kekerasan pada temperatur tinggi menjadi naik. Kelarutan unsur paduan

wolfram pada matriks Fe maksimum 8%.

e. Kobal (Co)

Ditambahkan ke dalam HSS untuk menikkan kekerasan pada temperature tinggi dan

keuletan. Besar butir menjadi lebih hals sehingga ujung-ujung yang runcing tetap

terpelihara selama proses perlakuan panas pada temperature tinggi.

2.3 Struktur Mikro HSS

Struktur mikro HSS dalam kondisi anil adalah disperse partikel karbida pada

matriks ferrt. Karbida-karbida kompleks tersebit berfungsi untuk meningkatkan

kekerasan dan ketahanan aus pada temperature tinggi. Karbida-karbida yang ada pada

baja kecepatan tinggi kondisi anil dapat dilihat pada table berikut.

10

Table 2.1 Karbida pada HSS kondisi anil [2]

JENIS PROTOTIF LATTICE UKURAN LATTICE (Å)

M6C Fe4W2C atau Fe4Mo2C FCC 11,07

M23C6 Cr23C6 FCC 10,64

MC VC atau V4C3 FCC 4,15 atau 4,30

Tungsten dan molybdenum lebih banyak membentuk karbida kompleks M6C.

karbida jenis MC seperti VC merupakan karbida yang stabil pada temperature tinggi

sehingga kekerasan dan ketahanan aus pada temperature tinggi meningkat. Karbida

Cr23C6 akan larut pada austenite kira0kira pada temperature 1090o C [2], sehingga pada

kondisi setelah mengalami perlakuan panas (quench dan temper), jenis karbida ini tidak

teramati.

Gambar 2.2 dan 2.3 masing masing memperlihatkan struktur mikro HSS tipe M2

pada kondisi anil dan quench yang dilanjut dengan temper selama 1 jam.

Gambar 2.2 Struktur mikro HSS tipe M2 as received (mill anneal).

Struktur mikro : matrik ferrit dengan karbida [3]

11

Gambar 2.3 Struktur mikro HSS M2, kondisi austenitisasi 1218oC, quench pada

oli, temper 552oC selama 1 jam.

Struktur mikro : partikel karbida pada mariks martensit temper [3]

Karbida-karbida yang ada setelah baja kecepatan tinggi mengalami austenitisasi

dan quench, terlihat pada table 2.2.

Tabel 2.2 Karbida pada HSS kondisi anil dan austenitisasi+quench [2]

KELAS KONDISI KARBIDA (%VOLUME)

M23C6 M6C MC TOTAL

M2 Anil 9 16 3 28

1220o C OQ 0 7,5 1,5 9,0

T2 Anil 9 18,5 1,5 29,0

1290oC OQ 0 10,0 0,5 10,5

Tabel 2.3 Komposisi matriks HSS [2]

KELAS KONDISI C Fe W Mo Cr V

% berat

M2 Anil 0 95,5 0,3 0,7 3,3 0,2

1220o C OQ 0,5 89,0 2,0 3,0 4,6 1,0

T2 Anil 0 95,3 1,5 0,1 3,0 0,2

1290oC OQ 0,5 85,3 8,6 0,2 4,4 1,0

2.4 Scanning Electron Microscope (SEM)

Pada tahun 1920 ditemukan suatu fenomena di mana elektron yang dipercepat

dalam suatu kolom elektromagnet, dalam suasana hampa udara (vakum) berkarakter

seperti cahaya, dengan panjang gelombang yang 100.000 kali lebih kecil dari cahaya.

12

Selanjutnya ditemukan juga bahwa medan listrik dan medan magnet dapat berperan

sebagai lensa dan cermin seperti pada lensa gelas dalam mikroskop cahaya. Kedua

penemuan inilah yang merupakan dasar penciptaan mikroskop elektron.

Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya

mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2

nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan

elektron.

Gambar 2.4 Perbedaan hasil yang menggunakan (kiri) mikroskop optik dan

(kanan) mikroskop elektron [4]

Efek adanya perbedaan panjang gelombang cahaya dan electron ini menyebabkan

hasil gambar yang menggunakan media panjang gelombang yang pendek (electron),

gambar akan jelas dan mempunyai

Disamping itu dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan

beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi. Jika elektron

mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan

pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini.

13

Gambar 2.5 Jenis pantulan akibat elektron menumbuk suatu objek [4]

Peralatan utama dari mikroskop elektron (SEM) :

1) Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah

melepas elektron misal tungsten.

2) Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan

negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet.

3) Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul

udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh

tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara

menjadi sangat penting.

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1) Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

2) Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3) Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan

diarahkan oleh koil pemindai.

4) Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru

yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

14

Gambar 2.6 Skema bagian-bagian SEM [4]

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis

didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan

elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada

gambar dibawah ini.

Gambar 2.7 Ilustrasi berbagai image dari jenis jenis pantulan elektron [4]

Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan backscattered adalah

sebagai berikut: elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa,

permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan

15

backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang

menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah

daripada atom dengan berat molekul rendah.

Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan gambar dibawah

ini. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan elektron dan menghasilkan

gambar yang lebih cerah dibandingkan permukaan yang rendah atau datar.

Gambar 2.8 Efek kontras pantulan electron [4]

Sedangkan mekasime kontras dari backscattered lectron dijelaskan dengan

gambar dibawah ini yang secara prinsip atom – atom dengan densitas atau berat molekul

lebih besar akan memantulkan lebih banyak lectron sehingga tampak lebih cerah dari

atom berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk membedakan jenis atom.

Gambar 2.9 Efek kontras berdasarkan kerapan atom dari specimen [4]

Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang mengandung multi atom

para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy).

16

Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM

punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan

sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan

pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili

suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat elemental mapping

(pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing

elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif

dari persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada

diagram dibawah ini.

Gambar 2.10 Contoh hasil ilustrasi aplikasi EDS

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut:

1) Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb)

2) Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel.

3) Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan

kualitatif.

Pada penelitian ini, teknik SEM yang akan dimanfaatkan adalah untuk mengetahui

morfologi dan komposisi dari material pahat HSS. Dari teknik yang digunakan ini, akan

17

diketahui mikro struktur ketersebaran partikel dan ukuran butir karbida dan komposisi

kimia dari paduan yang membentuk material HSS.

2.5 Pengujian proses Pemesinan

Pada proses pemesinan ada tiga variabel yang perlu ditetapkan harganya. Ketiga

variable tersebut sering disebut dengan parameter pemesinan. Ketiga variable tersebut

adalah kecepatan potong/ cutting speed (Cs), kedalaman pemotongan/ deep of cut (a) dan

gerak makan/ feed (f). Sesuai dengan urutan proses yang akan dilakukan, perlu

ditentukan terlebih dahulu jenis mesin perkakas dan pahtnya ( dimana material pahat

disesuaikan dengan material benda kerja, geometri pahat disesuaikan dengan kondisi

pemotongan yang direncanakan). Kecepatan potong ditentukan berdasarkan material

pahat dan material benda kerja yang akan dipotongh. Besar kecepatan potong untuk pahat

HSS dengan material benda kerja baja karbon (baja konstruksi SS55) dengan u = 62

kg/mm2 berikisar antara 18 – 30 m/menit [7]. Rencananya pada pengujian ini akan

diambil besar kecepatan potong sebesar 22 m/menit.

Kedalaman pemotongan maksimum ditentukan berdasarkan panjang mata potong

pahat dan dihtung berdasarkan persamaan amax = 0,7 S Sin r [1]. Pada penelitian ini

panjang. Pada penelitian yang akan dilakukan ini panjang mata potong sebesar 10 mm dan

sudut potong pahat r = 90o, maka kedalaman pemotongan sebesar 2,5 mm.

Supaya proses pemotongan geram berlangsung dengan baik maka ratio kerampingan

geram ditentukan sebagai berikut[1].

Tabel 2.4 Ratio kerampingan geram

Kedalaman potong = b/h = a/(f sin2 r)

a ≤ 2 3 ≤ ≤ 8

a > 2 5 ≤ ≤ 20

Dari tabel di atas ditentukan = 10, maka gerak makan sebesar 0,25 mm/put.

Persamaan/rumus-rumus dari variable pemesinan yang akan digunakan sebagai

berikut.

➢ Kecepatan potong Cs = (.d.n)/1000 (m/menit)

➢ Kecepatan makan Vf = f . n (mm/menit)

➢ Waktu pemotongan tc = Lt / Vf (menit)

18

2.3 Keausan Pahat

Faktor yang mempengaruhi umur pahat yaoti geometri pahat, kondisi

pemotongan (kecepatan potong, gerak pemakan dan dalamnya pemotongan) dan material

benda kerja dan pahat serta cairan pendinginan. Selama proses pemotongan, pahat dapat

mengalami kegagalan/keausan misalnya karena deformasi plastic yang akan mengubaha

geometri pahat [1]. Keausan ini terjadi karena tekanan dan temperature yang tinggi pada

bidang aktif pahat. Kekerasan dan kekuatan material pahat akan turun dengan naiknya

temperature. Jenis keausan dapat terjadi pada bidang geram A dan atau pada bidang

utama A pahat. Keausan pada bidang geram disebut keausan kawah (crater wear) sedang

keausan yang terjadi pada bidang utama disebut keausan tepi (flank wear) seperti terlihat

pada gambar berikut.

Gambar 2.11 Keausan kawah (Crater wear) dan keausan tepi (flank wear) [1]

Keausan tepi dapat diukur dengan menggunakan mikroskop dimana bidang mata

potong diatur sehingga tegak lurus sumbu optic. Dalam hal ini besarnya keausan tepi

dapat diketahui dengan mengukur panjang VB (mm) yaitu jarak antara mata potong

sebelum terjadi keausan (mata potong didekatnya dipakai sebagai referensi) sampai ke

garis rata rata bekas keausan pada bidang utama.[1]. Sementara itu keausan kawah dapat

diukur dengan mudah memakai alat ukur kekasaran permukaan (taalysurf). Galam hal ini

jarum sensor dari alat ukur digeserkan pada bidang geram. Dari grafik profil permukaan

yang diperoleh dapat diukur kedalam yang paling besar yang menyatakan harga KT

(mm).

Batas keausan yang diijinkan bagi suatu jenis ahat yang digunakan untuk

memotong suatu jenis material benda kerja, ditentukan melalui tabel berikut.

19

Tabel 2.5 Batas keausan kritis [1]

Pahat Benda Kerja VB (mm) K*

HSS Beja dan besi tuang 0,3 s.d 0,8 -

Karbida Baja 0,2 s.d 0,6 0,3

Karbida Besi tuang & Non Feoorus 0,4 s.d 0,6 0,3

Keramik Baja & besi tuang 0,3 -

*) K = rasio kawah (crater ratio) = KT/KM

2.4 Hasil penelitian Terdahulu

Menurut Makmur dalam penelitiannya dengan tema analisa pengaruh kecepatan

potong proses pembubutan baja amutit k 460 terhadap umur pahat HSS menjelaskan

bahwa secara teoritis umur pahat untuk kondisi proses pembubutan dengan pahat HSS

dapat diperkirakan dengan persamaan Taylor T =(81,102/V )1/n , untuk kondisi

kecepatan potong (Vc) = 44 m/min umur pahat (T) = 5,80 menit, Vc=32 m/min umur

pahat T = 13,70 menit dan Vc=24 m/min umur pahat T = 29,77 menit. Perbedaan umur

pahat dari hasil pengujian dan teoritis tidak terlalu besar. Semakin tinggi harga Vc,

semakin pendek umur pahat tersebut, atau semakin kecil harga Vc, semakin panjang

umur pahat tersebut.

Sedangkan menurut Sri Nugroho dan Hendrikus Kedo Senoaji dalam

penelitiannya dengan tema karakterisasi pahat bubut high speed steel (HSS) bohler tipe

molibdenum (M2) dan tipe cold work tool steel (A8), menyimpulkan bahwa umur pahat

bohler jenis molybdenum yang paling panjang pada kecepatan potong rendah (Vc =

19,99 m/min) yaitu 102 menit (dial indicator) / 101 menit (pixel), dan umur pahat yang

paling pendek pada kecepatan potong tinggi (Vc = 30,65 m/min) yaitu 43 menit (dial

indicator) / 37,5 menit (pixel). Umur pahat HSS buatan Taiwan yang paling panjang pada

kecepatan potong rendah (Vc = 19,99 m/min) yaitu 83 menit (dial indicator) / 81,5 menit

(pixel), dan umur pahat yang paling pendek pada kecepatan potong tinggi (Vc = 30,65

m/min) yaitu 34 menit (dial indicator) / 27,5 menit (pixel). Penelitian ini menyimpulkan

bahwa pahat bohler jenis molybdenum dengan harga yang lebih mahal tetapi memiliki

umur pahat yang lebih lama dari pahat bohler jenis cold work tool steel.

Hasil penelitian yang dilakukan Purnomo tentang pengaruh perubahan tekanan

dan waktu proses plasma/ ion Nitriding terhadap kekerasan permukaan pahat bubut HSS,

menunjukkan bahwa kekerasan permukaan meningkat sebesar 535,8% dari kekerasan

20

288VHN menjadi 1834 VHN. Harga ini diperoleh melalui plasma/ion nitriding treatment

pada tekanan 1,6 mbar selama 4 jam.

Hasil tesis yang dilakukan oleh R. Aam Hamdani menyebutkan bahwa harga

kekerasan material pahat akan menurun disekitar daerah mata potong, dibanding dengan

kekerasan sebelum aur pada tempat yang sama. Ini terjadi karena disekitar mata potong

yang aus, material pahat mengalami kenaikan temperatur pada proses pemotongan logam

sehingga kekuatan material turun.

2.4 Roadmap Penelitian

Dasar pemilihan material HSS dalam penelitian ini, karenan bahan HSS cukup

unik, banyak digunakan, mudah didapat di pasaran dan mempunyai keunggulan yaitu

mudah diasah kembali apabila mengalami keausan. Sehingga cocok untuk diteliti dan

dikembangkan sehingga material HSS mempunyai karakteristik yang jauh lebih baik.

Peranan bahan HSS sangat menarik untuk diteliti karena dalam penerapannya sangat luas

dalam proses pemesinan. Pada semester ganjil 2012/2013, terdapat seorang mahasiswa

bimbingan penulis yang sedang mengerjakan proyek akhir dengan tema penentuan umur

pahat HSS. Selain itu penelitian ini berpayung pada rodmap penelitian yang sedang

dikembangkan pada kelompok bidang keahlian material teknik di Jurusan Pendidikan

Teknik Mesin FPTK

Raodmap penelitian material HSS yang akan dikembangkan dapat dilihat pada

bagan berikut :

Gambar 2.12 Roadmap penelitian material HSS

Kajian tentang

material HSS

Set up peralatan

Karakterisasi

Pengembangan,

perlakuan dan pengujian

Karakterisasi metalurgi material pahat HSS menggunakan

SEM-EDS dan kaintannya dengan performa pada proses

pemesinan bubut (2014)

Analisis senyawa karbida dan inklusi pada material HSS

dengan metode x-ray diffraction (2015)

Pembuatan Vacuum Arc Remelting (VAR) untuk

meminimalisasi inklusi pada pahat HSS (2016)

21

BAB III

METODE PENELITIAN

Metode penelitian yang dilakukan menggunakan eksperimen murni yang

dilakukan di laboratorium Material Teknik Jurusan Pendidikan Teknik Mesin FPTK UPI

dan Laboratorium Pusat penelitian Geologi Kelautan (PPGL) Bandung. Keunggulan riset

ini adalah dapat menerangkan secara mendasar tentang morfologi karakteristik material

pahat HSS yang banyak digunakan dalam proses pemesinan.

Metode yang akan digunakan untuk kegiatan eksperimen tersebut, diuraikan

sebagai berikut:

3.2 Analisa awal material HSS

Kegiatan ini menelaah dan menentukan jenis dari berbagai jenis material pahat yang

ada di pasaran. Pemilihan material HSS ditentukan berdasarkan analisa banyaknya

konsumen yang menggunakan jenis material HSS tersebut.

3.2 Pengujian Pemesinan

Pahat HSS yang telah diasah dengan geometri yang telah ditentukan, diuji pada

proses pemesinan bubut sampai mengalami keausan kritis yang ditentukan. Jenis keausan

yang terjadi adalah keausan tepi.

Pada proses uji mesin ini, ujung bebas benda kerja ditumpu oleh senter untuk

menghindari terjadinya defleksi benda kerja pada saat proses pembubutan. Setiap kali

setelah proses pembubutan berlangsung, diteliti mulai terjadianya keausan tepi. Proses

pembubutan dihentikan, diukur besarnya keausan tepi dengan menggunakan mikroskop

dan catat panjang pemotongan dimana pahat mengalami keausan. Pengamatan dan

pencatatan ini berlangsung hingga pahat mengalami keausan samapi batas kritis yang

ditentukan yaitu VB = 0,2 mm.

3.3. Karakterisasi dengan SEM/EDS

Spesimen yang telah dipoles dan dietsa (larutan etsa NITAL 2%) diamati dengan

mikroskop elektron. Tujuan karakterisasi ini adalah untuk melihat morfologi penyeberan

partikel karbida dari sampel material HSS yang diuji serta untuk mengetahui komposisi

kimianya.

3.4 Pengujian kekerasan

Pahat HSS yang telah mencapai keausan kritis, dipotong di sekitar mata potong dan

dibingkai dengan resin, kemudian dipoleh untuk diuji keras. Pemolesan yang diakukan

22

hanya untuk mengkilatkan agar pada saat uji keras mikro, bekas penekanan terlihat

dengan jelas.

Pengujian kekerasan dilakukan di sekitar mata potong pada bidang geram sampai

ke bagiantengah dari bidang geram tersebut, sehingga dapat diketahui distribusi

kekerasan akibat pengaruh panas.

Secara keseluruhan alur penelitian digambar sebagai berikut.

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian.

Baja kecepatan Tinggi (HSS)

(Asal Jerman dan China)

Persiapan :

1. Pengasahan pahat

2. Benda kerja

3. Kondisi

pemesinan

Pengujian pemesinan

Karakterisasi dengan SEM/EDS dan uji keras

Analisa dan kesimpulan Hasil penelitian

23

3.3. Hasil yang diharapkan

Luaran hasil penelitian yang diharapkan terkait erat dengan temuan yang

ditargetkan, dan konstribusi mendasar dalam bidang ilmu untuk pemajuan

IPTEK/pembangunan, maka luaran penelitian ini adalah :

a. Didapatnya karakter /sifat metalurgi material HSS yang bisa menjadi rujukan

investigasi penyebab keausan pahat.

b. Didapatnya umur pahat sesuai dengan keausan kritis yang ditentukan

24

BAB IV

HASIL PENELITIAN

4.1 Parameter pemesinan

Parameter-parameter pemesinan dan material benda kerja yang digunakan adalah :

a. Mesin bubut standar EMCO type Maximat V13: 4 KW; 3 Ph; 0,2 A; 50 Hz; D1L

E2 E3 031 buatan Austria.

b. Cutting Speed: 27-30 m/min (untuk bahan Machine Steel) diambil 30 m/min.

Tabel 4.1. Cutting Speed untuk pahat HSS

Material

Turning and Boring

Rough Cut Finish Cut Threading

Ft/min m/min Ft/min m/min Ft/min m/min

Machine

steel 90 27 100 30 35 11

Tool steel 70 21 90 27 30 9

Cast iron 60 18 80 24 25 8

Bronze 90 27 100 30 25 8

Alumunium 200 61 300 93 60 18

(Krar et.al, 2011 hal 371)

c. Spindle Speed: 455 rpm (hasil perhitungan) tersedia di mesin bubut Emco

Maximat V13 spindle speed 440 rpm.

Tabel 4.2. Spindle Speed EMCO Maximat V13

r/min R I R II R III R IV S I S II S III S IV

1 30 50 90 155 260 440 740 1230

2 65 110 190 320 540 900 1500 2500

(Emco Maximat V13)

d. Kedalaman pemotongan (Depth of cut): 1 mm

e. Panjang yang dipotong untuk setiap batang benda uji yang terbuat dari SS55

sebesar (Length) : 400 mm

25

f. Lathe Feed untuk bahan machine steel: 0,07-0,25 mm untuk finishing cut dan

0,25-0,5 mm untuk rough cut. (Krar et.al, 2011 hal 372) ditentukan 0,225 mm

berdasarkan nilai tengah dan ketersediaan di mesin.

g. Pahat bubut HSS Bohler buatan Germany dan buatan China, dengan sudut

α α= Side rake angle ( 12°-18°)

β= Angle of Keenness (60°-68°)

γ= Side relief angle (10°-12°)

(Krar et.al, 2011 hal 214)

β

γ

4.2 Pengujian Umur Pahat

Proses pemesinan untuk mengetahui umur pahat dilakukan dengan cara

penghentian, maksudnya untuk panjang pemotongan tertentu diukur besar krausan tepi

(VB). Pengukuran dilakukan dengan menggunakan alat pembanding ukur pada

mikroskope. Keausan yang terjadi difoto

Gambar 4.1 Keausan tepi pada pahat HSS asal Jerman

26

Gambar 4.2 Keausan tepi pada pahat HSS asal Cina

Data hasil proses pemesinan dapat dilihat pada tabel berikut

1. Pahat bubut HSS ½” Bohler Germany

Tabel 4.3. Keausan Pahat HSS ½” Bohler Germany

No Panjang (mm) Waktu (min) Keausan (mm)

1 400 4 0,05

2 400 4 0,05 - 0,1

3 400 4 0,1

4 400 4 0,1 - 0,15

5 400 4 0,15

6 400 4 0,15 - 0,2

Total 2400 24 0,2

2. Pahat bubut HSS ½” China

Tabel 4.4. Keausan Pahat HSS ½” China

No Panjang (mm) Waktu (min) Keausan (mm)

1 400 4 0,1

2 400 4 0,2

Total 800 8 0,2

Dari perbandingan umur pahat dengan keausan kritis VB = 0,2 mm, umur pahat

HSS asal Jerman lebih lama (tc = 24 menit) dibanding dengan pahat HSS asal Cina (tc =

8 menit). Penyebab perbedaan ini akan dijelaskan dengan cara melihat karakteristik

metalurgi kedua jenis material pahat tersebut dengan menggunakan teknologi SEM/EDS.

27

4.3 Uji kekerasan

Uji kekerasan dilakukan untuk mengetahui terjadinya penurunan kekerasan

setelah pahat itu digunakan. Distribusi kekerasan dari kedua material pahat dapat dilihat

pada gambar berikut ini.

Gambar 4.3 Distribusi kekerasan HSS Jerman

Berdasarkan hasil uji kekerasan terhadap material pahat HSS Jerman, (titik 1, 1,5

dan 2) adalah daerah keausan dan apabila dibandingkan dengan kekerasan yang jauh dari

keausan (titik 8) terjadi penurunan kekerasan. Terjadinya penurunan kekerasan karena di

daerah pemotongan itu material mengalami proses temper yang menyebabkan kekerasan

menjadi turun.

Gambar 4.4 Distribusi Kekerasan HSS China

28

Sama dengan kondisi material HSS Jerman, pada material HSS China juga terjadi

penurunan kekerasan di daerah keausan dibanding dengan di daerah yang jauh dari

keausan pahat. Adanya perbedaan yang cukup besar dari penurusan kekerasan kedua

jenis pahat itu, menyebabkan juga adanya perbedaan umur kedua jenis pahat tersebut.

Selanjutnya adanya perbedaan uur pahat akan dilihat dari aspek struktur mikro

berdasarkan hasil pemeriksanaan dengan SEM.

4.4 Pemeriksaan Dengan SEM

Pemeriksaan dengan SEM bertujuan untuk mengetahui struktur mikro dan

penyebaran partikel karbida yang biasa muncul dari material pahat HSS. Berikut adalah

gambar hasil pemeriksaan dengan SEM.

(a)HSS Cina (b) Jerman

Gambar 4.5 Struktur mikro daerah keausan material pahat HSS

Berdasarkan perbandingan gambar di atas dapat dijelaskan bahwa secara

kualitatif penyebaran butir karbida pada HSS Jerman lebih marata dibanding China dan

besar butir karbida pada HSS Jerman lebih halus. Adanya perbedaan ini menyebabkan

adanya perbedaan umur pahat. Karbida adalah senyawa yang sangat keras dan apabila

penyebarannya merata maka kekerasannya juga akan merata sehingga umur pahat bisa

lebih lama.

Sedangkan apabila ukuran karbidanya halus, maka sesuai dengan teori dari

HallPecht akan menaikkan kekuatan dari material itu, sehingga dalam hal ini HSS asal

Jerman mempunyai umur pahat yang lebih lama. Beberapa gambar secara over all yang

membedakan dari HSS asal Jerman dan China sebagai berikut.

29

Gambar 4.6 Struktur mikro HSS China

Gambar 4.7 Struktur mikro HSS Jerman

30

4.5 Analisa Komposisi Kimia dengan EDS

Tujuan analisis ini adalah untuk mengetahui komposisi kimia yang ada pada

kedua jenis HSS tersebut. Teknik yang digunakan untuk mengetahui komposisi kimia ini

adalag Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Analisi komposisi kimia ini dilakukan di

daerah yang sama yaitu di sekitar terjadinya keausan ahat dan daerah yang jauh keausan.

Berikut adalah gambaran morpologi dan komposisi kimia dari kedua jenis pahat itu.

Gambar 4.8 Analisis Komposisi Kimia HSS asal China di sekitar keausan

31

Gambar 4.9 Analisis Komposisi Kimia HSS asal China di luar daerah keausan

Berdasarkan gambar di atas, dan dengan merujuk kepada referensi tentang pola

pembentukan senyawa akibat suatu unsur dapat diperkirakan bahwa disekitar keausan

ahat dari material HSS asal China terdapat unsur aluminium (Al). Unsur Al ini

memungkinkan terjadinya oksida Al2O3 yang merupakan pengotor yang bersifat

merugikan (dapat menurunkan kekuatan material). Munculnya unsur Al ini dapat diduga

berasal dinding tungku peleburan (refraktori) pada saat pembuatan material HSS tersebut.

Sedangkan adanya unsur Chromium (Cr) dan Molibdenum (Mo) dapat membentuk

senyara karbida yang bisa menaikkan kekuatan material. Pola senyawa karbida dari unsur

Cr yaitu M23C6 dan sesuai dengan tabel 2.1 maka dapat diduga senyawa karbida

32

bentukan dari unsur Cr adalah Cr23C6. Sedangkan pola senyawa karbida dari unsur Mo

adalah M6C dan bentuk senyawa karbidanya yaitu Fe4Mo2C.

Gambar 4.10 Analisis Komposisi Kimia HSS asal Jerman di sekitar keausan

33

Gambar 4.11 Analisis Komposisi Kimia HSS asal Jerman di luar daerah keausan

Berbeda dengan analisis komposisi kimia HSS asal China, pada HSS asal Jerman

selain adanya unsur Chromium (Cr) dan Molibdenum (Mo) juga mengandung unsur lain

seperti Vanadium (V), dan Cobalt (Co). Unsur-unsir tersebut akan membentuk karbida

sesuai dengan pola senyawa karbida pada tabel 2.1.

4.6 Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian kinerja pemesinan terhadap umur pahat, dapat

disimpulkan sebagai berikut :

34

a. Umur pahat HSS aal Jerman lebih lama dibanding dengan HSS asal China

untuk parameter pemesinan dan kriteria keausan kritis yang sama.

b. Adanya perbedaan umur tersebut, akibat adanya perbedaan komposisi kimia.

Kedua jenis material HSS mengandung senyawa kabida tetapi berbeda dalam

komposisi.

35

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rochim T, 1993, Teori & Teknologi Proses Pemesinan, Proyek HEDS

[2] Wilson R, 1975, Metallurgy And Heat treatment of Tool Steel, Mc Graw Hill Book

Company

[3] ASM, Metal Handbook Vol 7, 1972, Atlas of Microstructure of Industrial Alloy,

American Society for Metal, metals park Ohio.

[4] Goldstein JI and Yakowiz H, P, 1977, Practical Scanning Electron Microscopy,

Plenum Press, New York.

[5] Thelning KE, 1974, Steel and Its heat Trearment, Boforr Handbook, Butter worth,

[6] Mc Gannon, Harrold E, 1964., The Making,Shaping and Treating of Steel, 8th,

United State Steel,

[7] De Garmo E Paul, 1984, Material and processes in Manufacturing, MacMillan

Publishing Company,

[8] Makmur,2010, Analisa Pengaruh Kecepatan Potong Proses Pembubutan Baja

Amutit K 460 Terhadap Umur Pahat HSS, Volume 1, Jurnal Austenit, Nomor 3, April

2010

[9] Sri Nugroho, Hendrikus Kedo Senoaji, 2010, Karakterisasi Pahat Bubut High

Speed Steel (HSS) Boehler Tipe Molibdenum (M2) Dan Tipe Cold Work Tool Steel

(A8), Rotasi, Jurnal Teknik Mesin.

[10] Purnomo, 2010, Pengaruh Perubahan Tekanan Dan Waktu Proses Plasma/

IonNitriding Terhadap Kekerasan Permukaan Pahat Bubut HSS, Proseding Seminar

Nasional UNIMUS 2010.