TUGAS TEKNIK MATERIAL KARAKTERISASI CARBIDE TOOL Dibuat untuk memenuhi syarat lulus matakuliah MT-3205
Oleh : Mukhlis Agung Prasetyo NIM: 13707011
Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Slameto Wiryolukito NIP : 195701051984031003
PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2010 1
ABSTRAK
Tool tip merupakan material yang memiliki kekerasan tinggi karena material ini merupakan pisau potong dalam proses permesinan. Tungsten carbide adalah material utam penyusun tool tip yang dibuat dengan jalur metallurgy serbuk dengan binder cobalt dan beberapa alloying element lainnya. Material tool tip pada saat ini telah banyak beredar dipasaran, untuk itu perlu dilakukan reverse engineering dari material tersebut. Percobaan kali ini bertujuan bertujuan untuk membandingkan tooltip yang bagus dengan tooltip yang murah. Proses pengujian dialkukan dengan proses metallografi, pengujian unsur penyusun tool tip, dan pengujian kekerasan. Hasil pengujian dengan metallografi menunjukkan bahwa material yang cukup bagus memiliki butir WC yang kecil dibandingkan dengan material yang lebih murah. Pada material yang murah menunjukkan banyaknya porositas yang terjebak didalam material tersebut pada saat proses pembuatan sehingga hal ini sangat berpengaruh pada kekuatan dan kekerasan material tersebut. Pengujian EDS menunjukkan bahwa pada permukaan material yang cukup bagus (lebih mahal) memiliki kandungan Titanium yang lebih banyak dari pada material yang murah. Hal ini dapat menunjukkan tentang tebalnya coating. Material tool tip yang diproduksi oleh industry biasanya di coating oleh Titanium carbide dan atau titanium nitride.
KESIMPULAN
Pada proses reverse engineering kali ini dapat ditarik kesimpulan. y
Dari proses Reverse Engineering dikaetahui bahwa Material 1 dan Material 2 dibuat dengan teknologi metallurgy serbuk karena material menggunakan Wolfram carbide yang memiliki titik cair yang sangat tinggi sehingga sulit untuk menghasilkan dari proses casting dan metal Forming.
y
Material 1 (tool tip yang cukup bagus) memiliki densitas yang lebih tinggi dibandingkan material 2 (tool tip yang lebih murah)
y
Butir
hasil sintering material 1 lebih halus dibandingkan material 2.
2
y
Material 1 dan 2 sama-sama memiliki coating berupa TiC yang dilakukan dengan Proses Chemical Deposition (CVD)
y
Material 1 memiliki lapisan coating yang lebih teba l dibandingkan material 2. Material 1 memiliki kekerasan 1482 HV Material 2 memiliki kekerasan 1025 HV
y
Material 1 memiliki kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan material 2 sehingga ketahanan aus tinggi dan da n life timenya lebih lama.
REKOMENDASI y
Untuk
mendapatkan hasil metallografi dari tooltip yang baik dapat dilakukan
perbesaran sampai 2000x-3000x dan permukaan specimen harus benar-benar rata. y
Untuk
mengetahui butir-butir wolfram carbide maka dilakukan dengan
menggunakan etsa yaitu murakami reagent dan pengamatan dapat dilakukan dengan menggunakan SEM. y
Untuk
mengetahui persentasi komposisi penyusun material tooltip yang lebih
akurat dan senyawa yang ada dapat dilakukan dengan menggunakan pengujian XRD y
Perlunya dilakukan penyujian mekanik untuk dapat mengetahui sifat-sifat mekanik dari material tooltip tersebut dan mengetahui kat ahanan ausnya.
y
Porositas ini dapat dikurangi semaksimal mungkin jika dilakukan dengan menggunakan laju panas sinter sesuai dengan sifat termodinamika material penyusunnya, dan disinter dengan menggunakan sinter pada vaccum.
y
Proses peningkatan kekerasan dapat dilakukan lagi dengan menggunakan lapisan coating yang tebal serta material coating yang lebih keras dan mengurangi persentase bindernya.
3
BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Proses permesinan sering dilakukan dalam dunia industry, khususnya pada industry yang menghasilkan produk-produk berbasis logam. Salah satu jenis permesinan adalah
Bubut.
Mesin bubut atau proses pembubutan digunakan untuk mengecilkan
diameter pada bagian tertentu dari benda kerja. Dalam prosesnya, mesin bubut menggunakan pahat yang sangat keras sehingga sehingga dapat menggerus benda benda yang di proses yaitu Pahat bubut ( tool tip). Insert Shape (tool tip) mesin bubut merupakan suatu material yang dibuat khusus dengan kekerasan yang tinggi untuk proses machining permesinan. Proses pembutan material seperti ini biasanya dilakukan dengan menggunakan teknik powder Metallurgy. Karakterisasi tool tip ini dlakukan dengan teknik metallography untuk mengetahui teknik manufaktur, komposisi dan membandingkan dengan material yang berbeda yang juga merupakan insert shape mesin bubut. 1.2 Rumusan Masalah Bagaimana
cara membedakan material Cutting tool (insert shape) mesin bubut
yang bagus dengan yang murah 1.3 Tujuan Percobaan 1.
Melihat Mikrosturtur 2 pahat bubut yang berbeda dan kemungkinan proses yang telah dialami
2.
Membandingkan 2 jenis pahat bubut tersebut.
1.4 Metodologi Penelitian
Proses pengerjaan dari 2 material tool tip yang dijadikan objek dari reverse engineering yang dilakukan dengan metode sebagai berikut:
4
a. Metallografi
Metallografi dilakukan untuk mengetahui struktur mikro dari kedua buah material yang dibandingkan
tersebut. Sebelumnya Sebelumnya material material ini ini telah diketahui bahwa jalur
produksi yang dilakukan adalah ada lah jalur metallurgi serbuk b. Pengujian Keras .
Proses pengujian keras dilakukan dengan hardness rockwel c. pengujian ini dilakukan untuk membandingkan kekerasan 2 material tool tip tersebut. Kekerasan yang diperoleh nantinya akan dijadikan salah satu pembanding kualitas produk material tersebut. Berikut adalah data kekerasan dari berbagai ber bagai karbida: Hardened steel
60/65 HRC
Chromium carbide
66/68 HRC
Moly, tungsten carbide
72/77 HRC
Vanadium carbide
82/84 HRC
1.3 Penentuan Komposisi material material dengan menggunakan menggunakan Energy dispersive spectroscopy (EDS)
Pengujian komposisi 2 buah material tersebut bertujuan untuk menentukan komposisi yang ada (penyusun) pada material tersebut .
BAB 2. TEORI DASAR 2.1. Proses Permesinan Bubut
Tool tip digunakan sebagi material pemotong benda kerja pada proses pembubutan. Pembubutan dilakukan untuk mereduksi diameter benda kerja.
5
Gambar Holder mesin bubut.
Hasil dan produktifitas dari permesinan dengan mesin bubut akan dipengaruhi oleh beberapa factor berikut: y
Work material characteristic ( chemical and metallurgy state, hardness)
y
Part characteristics ( geometry, accurancy, finish and integrity requirement)
y
Machine tool characteristic, including the work holder (adequate rigidity with high horse power, and wide speed and feed range)
y
Support system ( operator ability, sensor, controls, method of lubricant and chip removal).
6
Pada saat proses pembubutan dilakukan, material pahat haruslah memiliki ketahanan yang tinggi agar material tersebut tidak rusak dan merusak benda kerja.
Berikut
pertimbangan yang diperhatikan d iperhatikan dalam permesinan.
Pahat bubut tersebut pada saat dilakukan pembubutan akan mengalami temperature yang tinggi pada permukaan benda dan akan mengalami friksi serta High local stress yang besar sehingga persayaratan yang dibutuhkan pada material pahat adalah sebagai berikut: y
High hardness
y
High hardness temperature ( hot hardness)
y
Tahan terhadap abrasive, chipping pada tepi pemotong
y
Strength to resist bulk deformation
y
Good chemical stability with work material
y
Adequate
thermal properties 7
y
High stiffness
y
Consistent tool life
y
Correct geometry and surface finish
Panas yang ditimbulkan pada saat dilakukan pembubutan mempengaruhi kondisi pahat bubut ynag dipakai.panas ini dapat menyebabkan penurunan dari ketahanan aus dan hardness material pahat.
Berikut
diagram yang menjelaskan pengaruh panas terhadap
penurunan kekerasan material pahat.
8
Data berikut menunjukkan klasifikasi material yang banyak digunakan untuk proses machining.
9
2.2. Jenis-Jenis Cutting Tool.
Cutting tool material dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu: a. Tool steel
Tool steel merupakan karbon steel dengan kandungan karbon 0.9-1.3 % karbon. Baja
ini memiliki kekuatan dan kekerasan yang baik serta serta adequate toughness toughness yang
cukup baik pula sehingga material ini dapat digunakan sebagai alat untuk proses pemotongan. Material ini memiliki unsur paduan berupa Cr, W, Mo. Paduan ini berfungsi sebagai peningkat kekerasan dan ketahanan aus dari tool steel. Tool. Namun material ini akan mengalami penurunan kekerasan pada temperature 300-650 F. b. High- speed steel (HSS)
High speed steel diproduksi dengan jaran wrought, cast, dan powder metallurgy. HSS memiliki ketahanan yang lebih baik dari pada toolsteel pada temperature tinggi hingga 1100 F. paduan utama dari HSS adalah W, Mo, Co,V, C. Paduan ini berfungsi meningkatkan hot hardness dan wear resistance dengan membentuk solid solution dengan matrik Fe. Kekuatan utama dari HSS adalah: y
Graat toughness-superior transverse rupture strength
y
Easily fabricated
y
Baik
digunakan untuk geometri yang complex.
c. TiN coated HSS
Material Ini merupakan HSS yang dicoating dengan TiN yang dilakukan dengan cara PVD. Coated HSS memiliki kerja yang hampir sama dengan coated carbide dalam kecepatan potongnya. d. Cast cobalt alloy
Material ini juga dikenal sebagai stellite tools. Pada material ini komposisi utamanya berupa Cobalt. Pada material ini kekerasan material ini pada suhu tinggi jauh 10
lebih baik dari pada HSS sehingga kecepatan potongnya 25% lebih tinggi dibandingkan HSS. Material ini memiliki memiliki paduan Cr Cr dan W sebagai solid solid solution solution dispersion hardened hardened
dan
oleh refractory refractory carbide dari W dan Cr. Elemen lain lain yang
ditambahkan adalah V,B, Ni dan Ta. Proses pembuatannya dilakukan dengan casting dan finishing dengan proses grinda. e. Sintered carbide
Carbide cutting tool dibagi menjadi 2 jenis: 1. Straight tungsten grade, digunakan untuk proses permesinan cast iron, austenitic steinless steel, dan non ferrous or metallic material. 2. Grade dengan komposisi utama Ti, Ta, dan atau Colombium carbide yang digunakan untuk permesinan benda ferritic. Pada titanium carbide digunakan untuk finishing dan semifinishing ferrous ferrou s alloy. Proses pembuatan material ini dilakukan dengan jalan Powder metallurgy. Kelebihan utama dari material ini yaitu memilki hot ho t hardness yang baik,stabilitas kimia dan stiffness yang tinggi dan low friction sehingga dapat digunakan untuk permesinan dengan kecepatan tinggi. f. Coated sintered carbide
Material ini memiliki coating yang bertujuan untuk meningkatkan tool life dari material hingga 200-300% dan memiliki ketahanan abrasi yang lebih baik. Proses coating biasa dilakukan dengan menggunakan proses CVD dengan material coating berupa TiC, TiN, atau Aluminum oxide. g. Ceramics
Material yang digunakan untuk cutting tools berupa pure alumina atau alumina dengan metallic binder yang dibuat dengan jalan powder Metallurgy. Proses kompaksi yang dilakukan dengan tekanan 267-386 MPa dan disinter pada suhu 1800 F. material ini dapat dioperasikan pada permesinan dengan kecepatan potong 2 sampai 3 kali kecepatan potong dengan sintered carbide.
11
h. Cermets
Cermets merupakan new class material yang sangat cocok digunakan buat finishing. Cermet merupakan ceramic TiC, Nikel, Cobalt, Dan Tantalum Nitride dan carbide lainnya yang digunakan sebagai binder. Material ini memiliki ketahanan aus yang sangat tinggi,hot hardness yang baik, longer tool life, dan dapat dioperasikan pada permesinan dengan kecepatan yang tinggi dari pada cemented carbide. Kelemahan yang dimiliki cermet dibandingkan sintered carbide adalah less toughness, lower thermal conductivity, and greater thermal expansion sehingga dapat terjadi retak pada saat permesinan. Namun beberapa cermets sekarang ini telah diproduksi dengan thermal shock resistance yang tinggi. Salah satu caranya adalah dengan cara menambahkan coating yang dilakukan dengan PVD. i. Diamonds
Diamond merupakan material yang terkeras yang pernah ada saat ini. Di industry diamond polikristal digunakan untuk melakukan permesinan pada Aluminum, bronze,dan plastic. Diamond memiliki ketahan panas yang lebih baik jika dibandingkan dengan carbide.berikut adalah gambar policristal diamond yang disatukan dengan cutting tool lain seperti carbide.
j. Polycubic boron nitride (PCBN)
PCB N banyak digunakan dalam dunia otomotif yang digunakan untuk permesinan hardened steel dan superalloy serta juga dapat digunakan untuk machining hard aerospace material seperti Inconel 718 dan René 95. Material ini digunakan dengan 12
disatukan dengan material pemotong lain seperti karbida sama halnya dengan Policristal diamond. Berikut
adalah perbandingan berbagai berbaga i jenis material cutting tool.
13
2.3. Jenis Dan Klasifikasi Tooltip (Coated Sintered Carbide)
Pada Reverse engineering kali ini material yang diteliti adalah material dari jenis Sintered carbide yang digunakan pada mesin bubut. Material tool tip tersebut juga memiliki klasifikasi sesuai dengan geometry dan fungsinya.
S : strength A
: accessibility accessibility
V : Vibration P : Power
14
15
Insert ini biasanya dipasang pada tool shank atau tool holder pada alat potong. Cara pemasangannya ada beberapa macam, yaitu: y
Dipasang dengan menggunakan klem atau baut pengencang
y
Dipasang dengan menggunakan pin pengunci
y
Dipasang dengan menggunakan teknik las (brazing)
2.4. Proses Pembuatan Tooltip
Cemented carbide dibuat dengan proses metallurgy serbuk.
Berikut
skema
pembuatan dari Insert shape.
16
Powder process
Tungsten powder dibuat dari dari proses reduksi dengan hydrogen serbuk WO3.H2O. pembuatan powder dari ammonium para tungsten dihindari karena kekerasan yang terbentuk dari senyawa ini lebih rendah walaupun diuji dalam bentuk Kristal yang sama. Proses karburasi dengan penambahan bubuk carbon merupakan proses topochemical proses, mengubah suatu pasa padat menjadi fasa padat lainnya tanpa ada perubahan ke fasa cair atau gas.ukuran kristalinitas dari fasa ini tergantung pada kecepatan nukleasi pembentukan fasa carbide. Proses ini dilakukan pencampuran dengan 0
karbon dan dipanaskan hingga suhu 1400 C. Proses ini dapat menghasilkan powder dengan ukuran 0.5 ± 30 mikron.
17
berikut skematik sederhana dari proses karburasi tungsten po wder.
Mixing.
Proses ini dilakukan pencampuran antara binder cobalt dengan serbuk tungsten carbide dan beberapa karbida lain seperti TiC, TaC dan NbC tergantung dengan kebutuhan alat yang kemudian dilakukan Mixing dengan ball milling. Selama proses ini diusahakan terrjadi pencampuran ynag ynag homogen dari
material-material material-material tersebut.
Pencampuran dengan Co ditujukan karena akan dilakukan proses sinter fasa cair. Cobalt memiliki kemampuan basah yang cukup baik. Proses milling dilakukan dengan cairan organic seperti heptana atau aseton. Hal ini bertujuan meminimalisasi pemanasan dari serbuk dan mencegah adanya oksidasi. Cairan ini nantinya akan dipisah lagi. Pada terakhir proses milling ditambahkan dengan solid lubrikan atau paraffin wax tujuannya adalah untuk memberikan kekuatan penekanan atau distribusi penekanan akan merata. Proses pengeringan cairan aditiv tadi dilakukan dengan proses spray drying.
Butiran
adonan yang dihasilkan berbentuk bulat.
18
19
Proses Kompaksi
Tidak seperti serbuk metal lainnya, serbuk karbida ini tidak berubah saat dilakukan proses penekanan.Proses kompaksi dilakukan dengan pill press yaitu penekanan searah, namun proses ini masih membutuhkan pembentukan tambahan setelah proses sintering. Operasi Sintering
Langakah pertama dalam proses sintering adalah dengan memisahkan pelumas dari green body yang dilakukan dengan car pemanasan hingga suhu 5000C dalam ruangan vakum. Dan berikutnya adalah final sintering. Sintering yang digunakan adalah jenis sintering fasa padat mana binder akan mencair dan membasahi semua partikel karbida. Selama proses sinter terjadi difusi dari atom partikel serbuk.
Berikut
adalah fenomena
yang terjadi dalam sinter fasa cair.
20
selama sinter fasa cair akan terjadi fenomena: 1.Terjadi leher yg stabil karena keseimbangannya energi
interface interface
2.Atom serbuk padat larut ke dalam cairan hingga cairan jenuh 3.Terjadi fenomena ³Solution Reprecipitation´ Partikel padat-halus larut, partikel padat-kasar tumbuh 4.Pembekuan cairan saat pendinginan Proses coating
Proses ini merupakan proses lanjutan yang harus dilakukan setelah proses sintering selesai. Coating bertujuan untuk meningkatkan umur material cutting. Proses coating dilakukan dengan proses CVD atau PVD. Coating yang digunakan adalah senyawa TiC dan atau TiN. 1. CVD (Chemical Vapour Deposition) 0
Proses dilakukan pada temperature 950-1050 C dalam dalam reactor. Ketebalan Ketebalan coating yang dihasilkan dari proses CVD in yaitu sekitar 6-9 mikron dan menghasilkan coating yang seragam dan dapat mencoating semua bagian material tooltip termasuk pada bagian lubangnya karena ini merupakan merupakan proses coating dimana precursor coating materialnya berupa fasa gas. Namun pada proses Coating dengan CVD, material tooltip tersebut harus dilakukan proses perlakukan panas.
21
Proses ini dilakukan dengan menggunakan
Titanium chloride.Berikut reaksi
kimianya dalam menghasilkan coating coat ing TiC. TiCl4 + CH4 Untuk
TiC + 4HCl
membentuk titanium nitride digunakan reak si kimia sebagai berikut;
TiCl4 + 2H2 + N2
A plikasi
2TiN + 4HCl
proses CVD:
y
Loosely toleranced tooling
y
Piercing and blanking punch, triem dies, Phillips punches, upsetting punches
y
Solid carbide too ling ling
2. PVD ( Physical Vapor Deposition ) Proses PVD yang sering Digunakan ada 3 prose yaitu reactive sputtering, reactive ion plating, dan arc evaporation. Prinsip kerja metode ini adalah terbentuknya coating TiN dengan mereaksikan Ti dan N2 pada temperature tinggi dan membentuk gaya adhesi pada permukaan. Pada proses PVD, ketebalan coating yang dihasilkan yaitu sekitar 1-3 mikon. A plikasi
PVD:
y
Semua HSS, solid carbide and carbide tip cutting tool
y
Fine blanking punches, d ies (0.001 in tolerance or less)
y
All
tooling material termasuk mold steels dan bronze.
22
Berikut
Berikut
gambar arc evaporation proses. pro ses.
adalah sketsa dari material tooltip hasil pengerjaan yang dilakukan didunia
industry.
23
2.5. Karakteristik Cemented carbide (Tooltip). Mikrostruktur
Mikrostruktur ideal dari cemented carbide adalah phasa WC dan perekat kobalt. Kandungan karbon dikontrol dalam batas yang kecil. Jika kandungan karbon terlalu tinggi akan menghasilkan grafit bebas yang mengakibatkan kerugian pada saat proses pernesinan. A pabila kandungan karbon kurang maka akan terbentuk ikatan rangkap pada carbide yaitu fasa (Co3W3C atau Co6W6C). Phasa ini bertanggung jawab dalam penggetasan material yang hebat dan pembubaran carbide asli kedalam binder kobalt. Phasa ini akan memiliki bentuk yang tidak beraturan dalam mikrostruktur. Berikut
adalah phasa yang dapat d apat terbentuk dari paduan WC-Co atau WC-Ni.
Tungsten carbide (-phase): WC Binder
(-phase): Co, Ni, Fe
Mixed carbides (-phase): (Ti,Ta,Nb,W)C Eta (-phase): Co3W3C (M6C), Co6W6C (M12C) Free carbon or graphite Untuk
proses metallografi dilakukan lakukan proses grinding dan polishing. Polishing
untuk cemented carbide adalah sebagai berikut;
24
Untuk
etsa cemented carbide digunakan material sebagai berikut
Berikut
sampel cemented carbide dari Buku ASM handbook vol 9.
Jika dietsa dengan FeCl3
25
Mechanical Properties Hardness
Kekerasan dari material sangat menentukan ketahan material terhadap aus dan abrasi. Hal ini tidak hanya di tentuka oleh komposisi namun juga persentase porositas yang ada serta mikrostrukturnya.
Untuk
material yang digunakan dalm permesinan yang 26
diukur dengan Rockwell A atau Vickers memiliki kekerasan 88-94 HR A atau 1100 atau 2000 HV
Kekuatan Tekan
Material cemented carbide memiliki keuatan tekan yang sangat baik yaitu bekisar 6
antara 3.5 ± 7 GPa ( 0.5 ± 1 x 10 psi). Berikut grafik grafik pegaruh kekuaatan tekan.
27
Kekuatan Potong dan Pecah ( Tranverse Rupture Strength) Berikut
adalah grafik yang menjelaskan pengaruh jumlah Cobalt dan ukuran butir
terhadap transverse rupture modulus.
Ketangguhan Terhadap Retakan (fracture Toughness)
Ketangguhan bterhadap retakan diukur dengan factor intensitas tegangan kritis (K IC IC) yang diindikasikan oleh ketahanan material terhadap retakan. Ketangguhan terhadap retakan akan meningkat seiring bertambahnya kadar Co dan ukuran butir WC.
28
Densitas 3
Nilai densitas dari cemented carbide adalah 15 gr/cm untuk paduan WC-Co dengan kadar Cobalt yang rendah sedangkan untuk paduan WC-Co yang tinggi adalah 10 atau 12 3
gr/cm .
Porositas
Produk dari P/M process sangat rentan terhadap porositas. Porsitas yang terdapat dalam material akan menurunkan kekuatan dari material tersebut. Menurut
ASTM,
porositas terbagi 3 yaitu: y
Tipe A , untuk diameter porositas kurang dari 10 mikron
y
Tipe B, untuk diameter porositas antara 10 ± 25 mikron
y
Tipe C, untuk porositas karena kehadiran karbon bebas
Berikut
gambar produk cemented carbide yang terdapat porous dari ASM handbook vol9.
29
Ketahanan Terhadap Abrasi dan Aus
Ketahanan abrasaipada cemented carbide diukur dalam Cemented Carbide Producers
Associations
Procedurs (CCPA-112). Kadungan binder dan besarnya butir
yang terbentuk setelah proses produksi sangat menentukan kekerasan dan ketahanan abrasi.
Butir
yang lebih lebih halus dan jumlah binder binder yang lebih sedikit akan menyebabkan
ketahanan material cemented carbide akan lebih tinggi. Penambahan sedikit tantalum carbide (TaC < 1%) tidak berpengaruh terhadap ketahanan abrasi karena tantalum carbide lebih lunak lunak dibandingkan dengan tungsten carbide. Penabahan tantalum dalam jumlah yang banyak akan membuta ketahanan terhadap abrasi semakin rendah. Nikel yang digunakan sebagai binder akan membuat ketahan abrasi semakin berkurang jika dibandingkan dengan binder Cobalt.
Berikut
adalah grafik yang menjelaskan pengaruh
kandungan kobalt terhadap ketahan abrasi dan pengaruh ukuran butir butir terhadap ketahanan aus.
30
BAB III. PROSES PERCOBAAN DAN DATA PENGAMATAN
Material yang diteliti adalah material tool tip yang berbeda harganya. Material1 merupakan material yang bagus sedangkan material 2 merupakan material lebih murah.Tahap-Tahap Pengujian Sampel adalah sebagai berikut. Material yang diteliti adalah pabrikan Sandviks Sand viks Corromant Indonesia. Berikut
harga material tooltip
Material 1 Rp. 65.000 Material 2 Rp. 38.000 3.1 Metallografi
Proses metallography kali ini dikhususkan untlk melihat struktur mikro dan mengetahui persebaran porositas pada kedua ked ua material tersebut.
31
Berikut
gambar specimen dan perbandingannya.
Material 1
32
Material 2
Tahap- tahap metallograpy yang dilakukan untuk mendapatkan hasil metallography mulai dari sample preparation adalah sebagai berikut: y
Specimen cuttin cutt ing g Proses pemotongan dilakukan dengan menggunakan wire cutting hal ini dilakukan karena material berdimensi cukup kecil dan memiliki kekerasan yang tinggi
sehingga
akan
sangat
sulit
jika
dilakukan
pemotongan
dengan
menggunakan gergaji mekanik (mesin) biasa. Kekerasan benda kerja ini menyebabkan material potong cepat aus. Pada pemotongan dengan menggunakan wire cutting, proses potong dilakukan dengan denga n kawat tembaga yang ya ng dialiri listrik. 33
y
Mounting Proses mounting dilakukan karena dimensi specimen yang kecil setelah pemotongan sangat sulit untuk dipegang dipegang pada saat
menggrinda. Specimen
tersebut diresin dengan menggunakan po limer Epoxy. Material 1
Material 2
y
Grinding Specimen setelah dimounting kemudian digrinda. Hal ini bertujuan untuk menghaluskan permukaan material dari goresan. Proses dilakukan hingga mangunakan amplas dengan mesh 2000
y
Polishing Polishing bertujuan untuk mengkilapkan permukaan specimen hasil grinda dan menghilangkan mikroscratch. Proses ini dilakukan dengan menggunakan Diamond paste yang berukuran 6 mikron. 34
y
Ethching Etching bertujuan untuk membuat material tersebut menampakkan struktur mikronya. Proses etching yang dilakukan menggunakan etchan FeCl3. Tujuannya adalah untuk menghilangkan binder cobalt dan fasa senyawa cobalt dengan wolfram carbide
sehingga diperoleh struktur mikro yang memperlihatkan
streuktur wolfram carbidenya. y
Metallography Proses ini bertujuan untuk melihat mikrostruktur dari material tersebut. Pada metallografi nanti akan diperoleh binder cobalt yang berwarna gelap dan WC yang berwarna putih.
35
Gambar Hasil Metallografi Pra etsa Material 1 ( perbesaran optik 20x)
36
Material 2. Bagian
tepi penampang melintang (perbesaran optic 20x)
Bagian
tengah penampang melintang (perbesaran optik 20x)
37
Berikut
hasil etsa cemented carbide dengan FeCl3
Material 1 (perbesaran optik 100x)
38
Material 2 (perbesaran optic 40x)
.3.2 Pengujian Keras Dari hasil pengujian keras diperoleh data dat a sebagai berikut Material 1 Hasil pengujian keras specimen: Bagian
tepi specimen adalah 73 HRC
Bagian
tengah specimen adalah 71 HRC
Pada pengujian vikers diperoleh kekerasan 1482 HV Material 2 Hasil pengujian diperoleh nilai kekerasan 69 HRC Pengujian vikers memperoleh harga kekerasan sebesar 1025 HV
39
3.3 Pengujian Komposisi Spesimen Dengan EDS
Pengujian dengan EDS bertujuan untuk mengetahui komposisi dari material yang diteliti, pada pengujian diperoleh data tentang kandungan senyawa yang ada pada material tersebut. Pengujian dilakukan dengan menggunakan mesin SEM dan EDS Philips XL-20. Hasil EDS ini akan digunakan sebagai pembanding dari 2 buah material tersebut. Pengujian dengan EDS dilakukan pada permukaan material 1 dan 2 serta bagian tengah dari penampang melintang material 1.
40
BAB IV. ANALISIS
Material insert shape yang diteliti merupakan jenis material yang memiliki harga kekerasan yang tinggi. Pada pengujian 2 jenis material tooltip menggunakan jenis tooltip 0
yang memiliki geometri sudut 60 0
dengan sudut 90
berbentuk segitiga sama sisi (material 1) dan tooltip
berbentuk belah ketupat (material 2). Kedua buah material ini
merupakan material yang dibuat dengan proses metallurgi serbuk yang berbahan utama adalah karbida (wolfram karbida). Proses pengujian ini bertujuan untuk melihat karakteristik kedua buah material tersebut (reverse engineering) yang memiliki harga yang berbeda. Pengambilan Pengambilan gambar pada specimen 1 hanya pada bagian potongan yang kecil. Hal ini dilakukan mengingat pada bagian potongan yang besar masih terdapat resin sehingga dapat mengganggu hasil gambar karena terdapat pengotor resin yang mengakibatkan analisis gambar tidak akurat. Namun pada bagian sisi lainnya yang bersih dari resin memliki gambar yang hampir sama dengan gambar pada data pengamatan material 1. Masalah ini timbul karena hasil pemotongan dengan wire cutting yang tidak rata sehingga pada saat mounting ada resin yang menempel pada permukaan potongan. Proses perataan
dan pengamplasan material ini sangat sulit sulit mengingat kekerasan
material yang luar biasa.
Untuk
meratakan pertama kali pada proses grinding awal
dibutuhkan 3 lembar amlpas dengan mesh 80 dan dilkukan proses penghalusan yang cukup lama hingga mesh 2000.
Bagian Bagian
yang bersih
yang masih tertutupi resin
41
Pada material 2, hasil pemotongan yang cukup rata sehingga permukaan tidak terdapat resin. Proses pengamatan dapat dilakukan disemua tempat pada hasil potongan. Gambar pra etsa yang diperoleh seperti pada gambar data pengamatan. Pada pengujian material dengan menggunakan teknik metallografi dapat terlihat dengan jelas bahwa material 1 memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada material 2. Hal ini terlihat dengan keberadaan porositas pada material 2 yang sangat banyak dibandingkan pada material 1 pada gambar hasil omnimet pra etsa. Pada pengujian metallografi, pengambilan gambar pra etsa ini akan menunjukkan keberadaan porositas pada material tersebut. Menurut referensi, material yang dibuat dari karbida dapat membentuk fasa grafit bebas jika memiliki kandungan karbon berlebih ( dalam jumlah banyak ). Grafit ini muncul pada saat proses sintering dan terjebak pada material ini pada batas butir. Grafit ini tidak terbawa keluar saat pertumbuhan butir tidak seperti porositas yang dapat terbawa kepermukaan saat disinter. Grafit yang terbentuk pada gambar hasil omnimet berupa warna yang gelap. Porositas ini ada dikarenakan parameter proses sinter produk tersebut dilakukan dengan
laju
panas yang yang tinggi sehingga laju pergerakan
pertumbuhan yang cepat mengakibatkan porositas yang sebelumnya telah ada karena proses kompaksi yang tidak baik mengakibatkan porositas yang berada pada butir banyak. Butir yang terjebak pada butir tidak dapat dihilangkan. Untuk itu pengaturan laju panas pada saat sinter haruslah saat siatur dengan sedemikian rupa sehingga tidak pertumbuhan butir dapat mengimbangi pergerakan laju densifikasi dengan penghilangan porositas, untuk densifikasi yang lebih baik lagi pe rlu dilakukan sintering pada vaccum. Tooltip ini akan bekerja pada kondisi kerja yang keras akibatnya keberadaan porositas tidak diinginkan atau boleh ada dalam jumlah yang sangat kecil. Disamping itu, Pada gambar setelah dietsa dengan menggunakan FeCl3 material 1 memilik butir WC yang lebih kecil dibandingkan material 2 serta dapat ditentukan secara kualitatif bahwa jumlah binder cobalt yang dipakai pada material 2 lebih banyak dibandingkan dengan material 2 per satuan luas gambar.. Hal ini terlhat dari perbandingan gambar yang memilik magnifikasi yang berbeda.
Besar
butir butir
dan jumlah jumlah binder cobalt ini ini juga juga
mempengaruhi kekerasan material, sehingga material dengan butir yang kecil dan binder yang lebih sedikit akan memiliki kekerasan yang lebih tinggi. Porositas dan besarnya 42
butir menyebabkan kekerasan tooltip ini akan berkurang, sehingga material dengan banyak poros dan butir yang lebih besar akan menjadi cepat aus (wear resitance rendah). Material 2 dengan harga yang lebih murah akan lebih cepat aus jika digunakan untuk kondisi permesinan benda kerja yang sama dibandingkan dengan material 1. Proses pengujian pengujian kualitas juga juga dilakukan dengan melihat melihat komposisi dari kedua material tersebut menggunakan EDS. Walaupun yang diberikan EDS ini kurang akurat, namun cukup untuk menjadi bahan pertimbangan secara kualitatif untuk menentukan kualitas tooltip tersebut berdasarkan komposisi yang terdapat pada material tersebut. Untuk
pengujian yang lebih akurat dapat dilakukan dengan
AAS
ataupun juga dengan
OES, namun pada proses reverse engineering kali ini pengujian tambahan tersebut tidak dilakukan. Pengujian EDS yang dilakukan dengan menembakkkan electron pada permukaan dan penampang potongan ( material 1 ) sedangkan pada material 2 dilakukan EDS pada permukaannya saja. Pada hasil pengujian material 1 diperoleh pada permukaannya yang dominan adalah unsur titanium dan carbon. Hal ini menunjukkan bahwa coating yang diterapkan pada material ini adalah TiC. Unsur Nitrogen N tidak terdeteksi dalam analisis hasil EDS karena peak yang dimiliki oleh nitrogen tidak muncul pada grafik hasil EDS. Karbon pada penembakan electron akan menghasilkan nilai K = 0.282
sedangkan
nitrogen
akan
menghasilkan
K=0.392.
Analisis
hasil EDS
menghasilkan kesimpulan bahwa tootip tersebut tidak diberi multilayer coating karena tidak terdapat unsure lain pembentuk coating kecuali Ti dan C yang membentuk senyawa karbida TiC.. Penembakan electron pada pengujian EDS memakai beda potensial potensial 15 kV sehingga penetrasinya cukup dalam.. Jika lapisan coatingnya tipis, maka penetrasi deteksi electron akan mengenai bagian bagian dalam tooltip yang merupakan merupakan karbida tungsten. Namun hasil EDS permukaan ini tetap memberikan data bahwa pada permukaan material 1 didominasi oleh Titanium dan karbon, sedangkan unsur wolfram wolfram tidak menghasilkan peak pada data pengamatan. Hasil ini menunjukkan bahwa ketebalan coating yang diterapkan pada material 1 ini cukup besar. Dari analisis ini dapat juga ditentukan bahwa lapisan coating dibentuk dengan cara Chemical Vapour Deposition (CVD) karena pada literature menjelaskan bahwa coating hasil CVD ini akan menghasilkan lapisan coating yang tebal. Pada pengujian bagian potongan yang merepresentasikan merepresentasikan bagian dalam dari material 1 ini memberikan hasil bahwa material penyusun utamanya adalah WC karena 43
peak utamanya adalah peak wolfram dan peak carbon serta sedikit peak kobalt yang berfungsi sebagai binder. binder. Pada material ini ini juga terdapat unsure lain yaitu silicon yang ditunjukkan adanya peak Si pada permukaannya. Hasil EDS dari material 2 yang dilakukan pada permukaannya saja memberikan hasil bahwa pada permukaannya juga terdapat Titanium. Namun jumlah titanium pada permukaannya jauh lebih sedikit bila dibandingkan dengan material 1. Ketebalan coating ini juga dapat diprediksi yaitu dengan kemunculan peak Wolfram. Hal ini menunjukkan bahwa ketebalan coating yang diterapkan pada material 2 lebih rendah dibandingkan dengan material 1. Kedua material ini memiliki ketebalan yang sama yaitu 5 mm. Peak wolfram yang muncul menunjukkan bahwa electron yang digunakan untuk EDS telah menembus bagian coating dan mengenai material penyusun utamanya yaitu wolfram dan carbon.
Beda
potensial yang digunakan untuk EDS material 2 yaitu 12kV.
Angka
ini
lebih rendah jika dibandingkan dengan pengujian material 1. Namun pada material 2 , pengujian EDS telah mendeteksi adanya Wolfram pada permukaannya. Berdasarkan analisis dari hasil EDS ini didapatkan bahwa material 1 memiliki coating yang lebih tebal dibandingkan material 2. Coating yang diterapkan pada material ini bertujuan untuk meningkatkan tool life material tersebut.
Untuk
itu material 2 akan lebih cepat aus
dibandingakan material 1 karena harga kekerasan panas sangat dipengaruhi oleh lapisan coating sehingga lapisan coating lebih tipis maka kekerasan panas material ini akan turun pula. Itulah sebabnya mengapa material 1 akan lebih tahan lama dibandingkan dengan material 2 jika dioperasikan pada ko ndisi permesinan yang sama. Pada Pengujian kekerasan menghasilkan data kekerasan kekerasan material 1 sekitar 71/73 HRC dan material 2 memiliki memiliki kekerasan sebesar 69 HRC. Pengujian ini menunjukkan bahwa harga kekerasan material 1 lebih tinggi 2-4 poin dibandingkan dengan material 2. Sedangkan pada material 2 kekerasan yang dihasilkan masih berbeda cukup besar dari kekerasan literature Tungsten carbide yaitu 72 HRC. Perbedaan kekerasan ini disebabkan oleh karena faktor-faktor seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Kekerasan material tool tip ini ditentukan juga oleh besarnya butir karbida wolfram , keberadaan porositas, dan banyaknya binder serta tebal dan jenis lapisan coating yang dipakai dipakai selain karena kekerasan dari Wolfram carbide itu sendiri. 44
Proses pengerjaan reverse engineering yang bertujuan membedakan kualitas 2 buah material yang memiliki range harga yang berbeda. Harga dari tooltip ini juga dipengaruhi oleh geometrinya karena tiap geometri akan berbeda fungsinya. Proses reverse engineering ini cukup dilakukan dengan 3 metode penelitian. Metode-metode penelitian tersebut telah cukup berhasil menunjukan properties dari 2 jenis material tersebut secara kualitatif. kualitatif.
BAB V. DAFTAR PUSTAKA
Degarmo. P , Materials , Materials and Processes in Manufacturing, M anufacturing, Wiley, 2003, p. 515. A.T.
Santhanam,
Metallography
of
Cemented
Carbides, Metallography
and
Microstructures, Vol 9, ASM 9, ASM Handbook , ASM International, 2004, p. 1067±1078. http://www.carbidedepot.com/formulas-insert-shape.htm http://researchspace.csir.co.za/dspace/bitstream/10204/3960/1/Bolokang_2009.pdf http://www2.coromant.sandvik.com/coromant/pdf/Metalworking_Products_061/tech_a_5 .pdf http://www.freepatentsonline.com/6511551.pdf http://repository.ui.ac.id/contents/koleksi/11/3ab63071a7f4ed2b2a6923b6d08bcf0a8e65d 788.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Tungsten_carbide
45
