ttm carbide tool
DESCRIPTION
sekedar berbagi ilmuTRANSCRIPT
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
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 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.
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.
Material 1 (tool tip yang cukup bagus) memiliki densitas yang lebih tinggi
dibandingkan material 2 (tool tip yang lebih murah)
Butir hasil sintering material 1 lebih halus dibandingkan material 2.
2
Material 1 dan 2 sama-sama memiliki coating berupa TiC yang dilakukan dengan
Proses Chemical Deposition (CVD)
Material 1 memiliki lapisan coating yang lebih tebal dibandingkan material 2.
Material 1 memiliki kekerasan 1482 HV
Material 2 memiliki kekerasan 1025 HV
Material 1 memiliki kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan material 2
sehingga ketahanan aus tinggi dan life timenya lebih lama.
REKOMENDASI
Untuk mendapatkan hasil metallografi dari tooltip yang baik dapat dilakukan
perbesaran sampai 2000x-3000x dan permukaan specimen harus benar-benar rata.
Untuk mengetahui butir-butir wolfram carbide maka dilakukan dengan
menggunakan etsa yaitu murakami reagent dan pengamatan dapat dilakukan
dengan menggunakan SEM.
Untuk mengetahui persentasi komposisi penyusun material tooltip yang lebih
akurat dan senyawa yang ada dapat dilakukan dengan menggunakan pengujian
XRD
Perlunya dilakukan penyujian mekanik untuk dapat mengetahui sifat-sifat
mekanik dari material tooltip tersebut dan mengetahui katahanan ausnya.
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.
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 dapat menggerus 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 material ini telah diketahui bahwa jalur
produksi yang dilakukan adalah adalah 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 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 dengan 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:
Work material characteristic ( chemical and metallurgy state, hardness)
Part characteristics ( geometry, accurancy, finish and integrity requirement)
Machine tool characteristic, including the work holder (adequate rigidity with
high horse power, and wide speed and feed range)
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 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:
High hardness
High hardness temperature ( hot hardness)
Tahan terhadap abrasive, chipping pada tepi pemotong
Strength to resist bulk deformation
Good chemical stability with work material
Adequate thermal properties
7
High stiffness
Consistent tool life
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 adequate 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:
Graat toughness-superior transverse rupture strength
Easily fabricated
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 paduan Cr dan W sebagai solid solution solution dan
dispersion hardened oleh refractory carbide dari W dan Cr. Elemen 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 alloy.
Proses pembuatan material ini dilakukan dengan jalan Powder metallurgy. Kelebihan
utama dari material ini yaitu memilki hot 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)
PCBN 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 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 V : Vibration
A : accessibility P : Power
14
15
Insert ini biasanya dipasang pada tool shank atau tool holder pada alat potong. Cara
pemasangannya ada beberapa macam, yaitu:
Dipasang dengan menggunakan klem atau baut pengencang
Dipasang dengan menggunakan pin pengunci
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
karbon dan dipanaskan hingga suhu 14000C. Proses ini dapat menghasilkan powder
dengan ukuran 0.5 – 30 mikron.
17
berikut skematik sederhana dari proses karburasi tungsten powder.
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 homogen dari 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
2.Atom serbuk padat larut ke dalam cairan hingga cairan jenuh
3.Terjadi fenomena “Solution 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)
Proses dilakukan pada temperature 950-10500C dalam reactor. 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 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 TiC.
TiCl4 + CH4 TiC + 4HCl
Untuk membentuk titanium nitride digunakan reaksi kimia sebagai berikut;
TiCl4 + 2H2 + N2 2TiN + 4HCl
Aplikasi proses CVD:
Loosely toleranced tooling
Piercing and blanking punch, triem dies, Phillips punches, upsetting
punches
Solid carbide tooling
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.
Aplikasi PVD:
Semua HSS, solid carbide and carbide tip cutting tool
Fine blanking punches, dies (0.001 in tolerance or less)
All tooling material termasuk mold steels dan bronze.
22
Berikut gambar arc evaporation proses.
Berikut 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. Apabila kandungan karbon kurang maka akan terbentuk ikatan
rangkap pada carbide yaitu fasa ɳ (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 terbentuk dari paduan WC-Co atau WC-Ni.
Tungsten carbide (α-phase): WC
Binder (β-phase): Co, Ni, Fe
Mixed carbides (γ-phase): (Ti,Ta,Nb,W)C
Eta (η-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 HRA atau 1100 atau
2000 HV
Kekuatan Tekan
Material cemented carbide memiliki keuatan tekan yang sangat baik yaitu bekisar
antara 3.5 – 7 GPa ( 0.5 – 1 x 106 psi). Berikut 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
(KIC) yang diindikasikan oleh ketahanan material terhadap retakan. Ketangguhan
terhadap retakan akan meningkat seiring bertambahnya kadar Co dan ukuran butir WC.
28
Densitas
Nilai densitas dari cemented carbide adalah 15 gr/cm3 untuk paduan WC-Co dengan
kadar Cobalt yang rendah sedangkan untuk paduan WC-Co yang tinggi adalah 10 atau 12
gr/cm3.
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:
Tipe A , untuk diameter porositas kurang dari 10 mikron
Tipe B, untuk diameter porositas antara 10 – 25 mikron
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 halus dan jumlah 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 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 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 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 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:
Specimen cutting
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 kawat tembaga yang dialiri listrik.
33
Mounting
Proses mounting dilakukan karena dimensi specimen yang kecil setelah
pemotongan sangat sulit untuk dipegang pada saat menggrinda. Specimen
tersebut diresin dengan menggunakan polimer Epoxy.
Material 1
Material 2
Grinding
Specimen setelah dimounting kemudian digrinda. Hal ini bertujuan untuk
menghaluskan permukaan material dari goresan. Proses dilakukan hingga
mangunakan amplas dengan mesh 2000
Polishing
Polishing bertujuan untuk mengkilapkan permukaan specimen hasil grinda dan
menghilangkan mikroscratch. Proses ini dilakukan dengan menggunakan
Diamond paste yang berukuran 6 mikron.
34
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.
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 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
3.3 Pengujian Komposisi Spesimen Dengan EDS
39
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.
BAB IV. ANALISIS
40
Material insert shape yang diteliti merupakan jenis material yang memiliki harga
kekerasan yang tinggi. Pada pengujian 2 jenis material tooltip menggunakan jenis tooltip
yang memiliki geometri sudut 600 berbentuk segitiga sama sisi (material 1) dan tooltip
dengan sudut 900 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 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 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 yang bersih
Bagian yang masih tertutupi resin
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.
41
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 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 perlu 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 dan jumlah binder cobalt ini juga
mempengaruhi kekerasan material, sehingga material dengan butir yang kecil dan binder
yang lebih sedikit akan memiliki kekerasan yang lebih tinggi. Porositas dan besarnya
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.
42
Proses pengujian kualitas juga dilakukan dengan 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 Kα =
0.282 sedangkan nitrogen akan menghasilkan Kα=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 15 kV
sehingga penetrasinya cukup dalam.. Jika lapisan coatingnya tipis, maka penetrasi deteksi
electron akan mengenai bagian dalam tooltip yang merupakan karbida tungsten. Namun
hasil EDS permukaan ini tetap memberikan data bahwa pada permukaan material 1
didominasi oleh Titanium dan karbon, sedangkan unsur 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 bagian dalam dari
material 1 ini memberikan hasil bahwa material penyusun utamanya adalah WC karena
peak utamanya adalah peak wolfram dan peak carbon serta sedikit peak kobalt yang
berfungsi sebagai binder. Pada material ini juga terdapat unsure lain yaitu silicon yang
ditunjukkan adanya peak Si pada permukaannya.
43
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 kondisi permesinan yang sama.
Pada Pengujian kekerasan menghasilkan data kekerasan material 1 sekitar 71/73
HRC dan material 2 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 selain karena
kekerasan dari Wolfram carbide itu sendiri.
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
44
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.
BAB V. DAFTAR PUSTAKA
Degarmo. P , Materials and Processes in Manufacturing, Wiley, 2003, p. 515.
A.T. Santhanam, Metallography of Cemented Carbides, Metallography and
Microstructures, Vol 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/
11/3ab63071a7f4ed2b2a6923b6d08bcf0a8e65d788.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Tungsten_carbide
45