n . LANDASAN TEORI

1. GRINDING BALL

Grinding ball merupakan salah satu media untuk proses grinding. Dalam

proses grinding umpan yang berukuran terbesar 15 mm direduksi hingga

berukuran 10 (im - 300 |im, Mekanisme gaya-gaya yang bekeija untuk memecah

umpan adalah gabungan antara gaya impak atau kompresi, gaya robek {chipping)

dan gaya abrasi (gesek).

(a) (b) (c)

Gambar 2.1

Mekanisme gaya yang bekerja untuk memecah umpan: (a) gaya impak atau kompresi, (b) gaya robek (chipping), (c) gaya abrasi

Peralatan grinding yang biasanya dipakai daiam industri adalah tumbling

mill atau grinding mill, yaitu suatu alat berbentuk silinder yang berputar pada

sumbunya dengan posisi horisontal yang volumenya ± 50% berisikan media

grinding. Secara kontinyu umpan (bijih-bijih logam) dan air dimasukkan. Air

berfungsi menjaga fluiditas dan plastisitas umpan.

Media grinding yang banyak dipakai adalah;

• Batang {rods), dengan panjang batang baja hampir sama dengan panjang mill

itu sendiri.

• Ball, berupa bola-bola baja berbagai ukuran. Adakalanya ball ini dibuat daii

batu-batuan.

• Pebbles, terbuat dari batu-batuan dan biasanya berbentuk natural sesuai

dengan bentuk aslinya.

Media grinding dapat bergerak bebas dan tidak terikat satu sama lainnya

serta berukuran jauh lebih besar dan lebih berat dari pada umpan. Karena adanya

gesekan antara dinding mill dengan media grinding, media grinding akan

terangkat hingga suatu titik dimana gaya gravitasi lebih besar dari gaya friksi dan

gaya sentrifugal. Kemudian media grinding akan jatuh ke bawah dengan gerakan

cataract atau cascade yang tergantung pada kecepatan putar tumbling mill atau

grinding mill.

Gerakan cataract adalah gerakan parabolik akibat kecepatan putaran mill

yang tinggi. Pada penggunaan gerakan ini, kecepatan putar harus diatur

sedemikian sehingga media grinding tidak akan jatuh pada dinding bawah mill

melainkan jatuh pada daerah impak sehingga dinding mill tidak akan cepat aus.

Gerakan cascade adalah gerakan grinding ball yang timbul karena

putaran mill yang relatif lambat sehingga dinding mill akan mendominasi proses

kominusi. Reduksi ukuran terjadi karena gaya abrasi sehingga menghasilkan

produk yang lebih halus.

Gerakan Cataract

Dead Zone

Abrasi Zone

Gerakan Cascade

Empty Zone

Rotation

Impact Zone

Gambar 2.2

Gerakan dan daerah kerja di dalam grinding mill

Daerah inti (?oe/kaki) merupakan daerah yang paling banyak terjadi gaya

impak dan gaya abrasi. Pada daerah ini terjadi reduksi ukuran umpan yang paling

besar. Bentuk dari media grinding sangat mempengaruhi kemampuan media

grinding menghancurkan umpan dan menjaga mobilitas media serta luas

permukaan kerja untuk memberikan produk yang haius. Jika diinginkan produk

yang jumlah partikel halusnya terbatas maka digunakan bentuk rod.

Bentuk bola merupakan bentuk yang optimal karena mempunyai

permukaan optimal persatuan volume, berat optimal persatuan luas permukaan

dan mobilitas ke segala arah.

2. DESAIN EKSPERIMEN

Desain eksperimen merupakan suatu pola atau prosedur yang digunakan

untuk memperoleh atau mengumpulkan data dari suatu penelitian.

Faktor Terkendali^2 XpI

PROSESInput Output ’’

i . i L it

Zi Z2 Z qFaktor tak Terkendali

Gambar 2,3

Model suatu sistem atau proses

Tujuan desain eksperimen adalah:

• Menentukan variabel yang paling berpengaruh terhadap output.

• Menetapkan nilai x yang berpengaruh sehingga variabilitas output minimal.

• Menetapkan nilai x yang berpengaruh sedemikian sehingga nilai output

mendekati nilai nominal yang diinginkan.

• Menetapkan nilai x yang berpengaruh sehingga variabel uncontrollable z

minimal.

Tiga prinsip dasar dalam desain eksperimen adalah ;

a. Replikasi

Replikasi adalah pengulangan eksperimen dasar. Dalam kenyataaimya

replikasi diperlukan karena dapat;

• Menghasilkan taksiran (estimasi) yang lebih akurat untuk kesalahan

eksperimen.

• Memberikan taksiran kesalahan eksperimen yang dapat dipakai untuk

menentukan tingkat kepercayaan atau dapat digunakan untuk menentukan

taraf signifikan dari perbedaan perbedaan yang diamati.

• Memungkinkan diperolehnya taksiran yang lebih baik mengenai efek suatu

faktor.

b. Pengacakan (randomization)

Pengacakan eksperimen merupakan pengacakan urutan run atau percobaan

individual yang akan dilakukan. Dengan melakukan pengacakan dapat

diambil kesimpulan yang lebih valid karena mencegah terjadinya kesalahan

masukan secara kontinyu.

0. Blocking

Blocking merupakan suatu teknik untuk meningkatkan kepresisian dari

eksperimen dengan cara mengalokasikan unit-unit eksperimen ke dalam blok-

blok sehingga unit-unit eksperimen dalam suatu blok bersifat relatif homogen

dan dapat dibandingkan antara blok satu dengan blok lainnya,

Beberapa istilah yang dipakai dalam desain eksperimen antara lain:

• Faktor. Variabel bebas yang mempengaruhi hasil eksperimen.

• Level faktor. Tingkatan nilai dari suatu faktor.

• Interaksi. Hubungan dari efek suatu faktor terhadap faktor lainnya.

• Respon. Hasil yang diperoleh dari penelitian dan pengukuran, biasanya

dilambangkan dengan Y.

• Efek Faktor. Perubahan respon dari level yang berbeda dari suat^i faktor. Ada

dua jenis efek faktor, yaitu efek faktor utama dan efek interaksi.

• Run. Jumlah kombinasi yang harus dipenuhi dalam suatu rancangan

eksperimen.

10

3. ANALISA VARIAN

Analisa varian merupakan analisa secara statistik yang uinumnya

dinyatakan dalam bentuk tabel yang dapat digunakan untuk menyelidiki pengaruh

dari beberapa faktor yang telah ditentukan terhadap suatu respon tertentu dan

untuk menganalisa data-data yang diperoleh. Tujuan analisa varian adalah untuk

mengetahui bagaimana efek dari faktor tersebut, apakah dapat berdiri sendiri atau

berinteraksi dengan faktor lainnya.

Nilai kuadrat rata-rata {mean square) diperoleh dari jumlah kuadrat {sum

o f square) dibagi dengan deraj at kebebasan {degree o f freedom). Nilai Fo

diperoleh dengan membagi nilai kuadrat rata-rata masing-masing faktor dengan

niali kuadrat rata-rata error {mean square error). Nilai Fo ini kemudian

dibandingkan dengan nilai F yang diperoleh dari tabel distribusi F (Ftabei)- Apabila

nilai Fo > Ftabei maka dapat disimpulkan bahwa faktor tersebut mempunyai

pengaruh signifikan terhadap variabel respon yang diselidiki. Namun jika Fo <

Ftabei, dapat disimpulkan bahwa perlakuan tidak memberikan pengaruh yang

signifikan pada variabel respon dengan nilai a yang telah ditentukan. Umumnya

nilai a yang dipergunakan = 5 %

3.1. Analisa Varian Untuk Eksperimen Tiga Faktor

Perhitungan sum o f squares:

V2a b 0 n I

SSt = S X X X Y^jki - -------abcn

11

dim ana: Yiju = nilai respon Y pada i = 1,2,3... , ,a ; j = 1,2,3,..., b

k = 1,2,3,...,c ; 1 = l,2 ,3 ,...,n

a = jumlah level yang digunakan untuk faktor A

b = jumlah level yang digunakan untuk faktor B

c = jumlah level yang digunakan untuk faktor C

n = jumlah replikasi yang dilakukan untuk tiap pengamatan

a b c n

Y . . . = S X X X Y y k l i=l j=l k=l 1=1

SSa -bcn 1=1

Y l..

abcn

dimana

dimana

b e nY i , . „ = S X X Y p

j=l k=l 1=1

1 Y l..SSb = ------XY .̂j. ----------

acn abcn

a c nY . , . = X X X Yykl

i=l k=l 1=1

Y^.SSc = - - X Y ^ k -

abn k=l abcn

dimanaa b n

Y 2 2 Y pi=i j=i )=i

12

SSa b ----------2 2 Y ij ,. “ --—'* ~ SSa SSb

dim ana:

1l a c 1 . . .

SSac= - ----- X X Y ^ , . ---------------- SSa - S S c

bn abcn

dimanab n

Y^„. .= X X Yyklr i 1=1

y 2b e 1 •••SSbc = - ------- X X y V . . ---------------- SSb - S S c

dimana

j k . . .

an abcn

Y j k . . . . = X X Y yk i i = i 1=1

1 a b c Y ^ . .ASS abc = - - X X X Y ".jk------------S S a - S S b - S S c - S S ab - S S ac - S S bc - S S abc

n abcn

dim ana;

Y « k = 2 Y p

SSe » SSt - SSa - SSb - SSc - SSab - SSac - SSbc - SSabc

Perhitungan degree o f freedom / deraj at kebebasan:

dofA = a -1

dofe = b - l

dofc = c -1

13

dofAB ^ ( a - l ) x ( b - l )

dofAc = ( a - l ) x ( c - l )

dofec = ( b - l ) x ( c - l )

dofABc = ( a - l ) x ( b - l ) x ( c - 1 )

dofg = a x b x c x ( n - l )

dofr = a x b x c x ( n - l )

Perhitungan yang digunakan dalam analisa nantinya menggunakan

bantuan software Mini tab 11.12.

4. KEGUNAAN P - VALUE

Hasil dari uji hipotesa akan menyatakan untuk menolak atau gagal

menolak Ho pada nilai a (tingkat signifikan) tertentu. Seringkali pemyataan ini

tidak cukup memuaskan karena tidak dapat diketahui sejauh mana perbedaan nilai

yang teijadi. Untuk mengatasi masalah ini, pendekatan ?~Value digunakan.

?-Value merupan nilai tingkat signifikan (a) yang terkecil dimana masih

dihasilkan kesimpulan menolak Ho. Berdasarkan nilai V-Value dapat dilakukan

analisa apakah eksperimen cukup memuaskan atau dapat dinyatakan suatu

kesimpulan ditarik pada tingkat signifikan tertentu.

5. BAJA

Baja yang dipergunakan dalam pembuatan grinding ball ini adalah type

AISI 5077, baja ini merupakan baja campuran rendah (komposisi alloy < 2.5 %)

dengan chromium (Cr) sebagai paduan utamanya (termasuk dalam kelompok AISI

14

5xxx, kandungan Cr 0.5%), dengan kandungan Carbon (C) sebesar 0.77 %.

Unsur lainnya yang terdapat dalam baja ini adalah Manganese (Mn), Silicon (Si),

Nickel (Ni), Vanadium (V), Molybdenum (Mo) dan Phosphorus (P).

Unsur paduan dapat menstabilkan suatu fasa. Dari fungsi ini, unsur

paduan dapat dikelompokan menjadi;

• Ferrite stabilizer, yaitu unsur paduan yang membuat ferrit menjadi lebih stabil

sampai temperatur lebih tinggi. Unsur yang paling penting pada kelompok ini

adalah Cr, Si, Mo, W dan Al.

• Austenite stabilizer, yaitu unsur paduan yang membuat austenit menjadi lebih

stabil pada temperatur yang lebih rendah. Unsur penting pada kelompok ini

adalah Ni dan Mn.

• Carbide forming elements, yaitu unsur paduan yang dapat membentuk karbida

pada baja. Unsur penting dalam kelompok ini (diurut dari yang mempunyai

affmiti terhadap karbon rendah) adalah Cr, W, Mo, V, Nb, Ti dan Ta.

• Carbide stabilizer, yaitu unsur paduan yang membuat karbida menjadi lebih

stabil, tidak mudah terurai dan larut kedalam suatu fasa. Unsur-unsur

kelompok ini (diurut dari yang lemah ke yang kuat) yaitu Co, Ni, W, Mo, Mn,

Cr, V, Ti ,Nb dan Ta.

• Nitride forming element, yaitu unsur yang dapat membentuk nitrida. Pada

dasamya unsur pembentuk carbida juga merupakan unsur pembentuk nitrida,

tetapi nitrida terbentuk hanya bila dilakukan proses nitriding.

Diagram fasa baja akan berubah dengan adanya unsur paduan. Unsur

yang berfungsi sebagai austenite stabilizer (Ni dan Mn) cenderung menurunkan

temperatur eutektoid dan memperluas daerah austenit. Hal sebaliknya terjadi pada

15

unsur penstabil ferrit yaitu menggeser titik eutektoid kekiri atas dan memperluas

daerah ferrit. Hal ini hams diperhitungkan dalam proses laku panas terhadap baja

paduan.

Unsur paduan juga akan menurunkan temperatur awal pembentukan

martensite (Ms) dan akhir pembentukan martensite ( M f ) . ini berarti martensit

mudah terbentuk atau dengan kata lain menaikkan hardenability baja. Hanya saja

temperatur Ms dan M f yang makin rendah akan menyebabkan timbulnya retained

austenit karena mungkin Mf sedemikian rendahnya sehingga pada temperatur

kamar masih banyak terdapat austenit, sehingga tidak tercapai kekerasan

maksimum yang diharapkan.

Beberapa unsur paduan dapat membentuk karbida atau nitrida berupa

butiran halus yang terdispersi secara merata. Dengan adanya butir halus ini akan

memcegah terjadinya pertumbuhan butir, hal ini memberikan pengaruh yang baik

terhadap sifat mekanik baja, kekuatan dan ketangguhan. Unsur paduan yang

mencegah terjadinya pertumbuhan butir antaranya V, Ti, Nb (Niobium) dan AI.

6. QUENCHING (HARDENE^G)

Hardening atau pengerasan adalah salah satu laku panas dalam kondisi

non equilibrium, laku panas yang pendinginannya berlangsung sangat cepat.

Kekerasan baja ditentukan oleh komposisi kimianya terutama kadar karbon

(makin tinggi kadar karbon maka baja makin keras) dan struktur mikronya.

Proses laku panas bertujuan merubah struktur mikro logam menjadi martensite.

Inilah yang disebut dengan hardening atau quenching.

16

Martensit merupakan larutan padat lewat jenuh dari karbon yang

terperangkap dalam struktur besi body centered tetragonal (BCT). Martensit

bukanlah struktur yang stabil, ia merupakan suatu struktur transisi antara austen/Y

yang tidak stabil pada temperatur kamar dengan campuran ferrit dan cementit

yang stabil. la dikatakan memiliki struktur yang metastabil. Bila martensit

dipanaskan kembali, sedikit demi sedikit akan menuju struktur yang lebih stabil.

Kekerasan martensit sangat tergantung kepada kadar C, unsur tambahan lairmya

sangat kecil efeknya pada kekerasan. Kekerasan maksimum terjadi pada kadar C

0.9 %, setelah itu akan turun karena adanya austenit sisa.

Quenching dilakukan dengan memanaskan baja hingga mencapai

temperatur austenit dan ditahan beberapa saat pada temperatur tersebut, kemudian

didinginkan dengan cepat.

Kekerasan yang teijadi pada proses quenching ditentukan oleh beberapa

faktor antara la in :

• Temperatur austenitising. Temperatur yang dianjurkan adalah antara 25 °C -

50°C diatas temperatur A3 untuk baja hypoeutektoid dan antara 25°C - 50°C

diatas temperatur Ai untuk baja hypereutektoid. Jika temperatur terlalu tinggi

akan memperoleh butir austenit yang terlalu besar dan ketika didinginkan

cepat akan ada kemungkinan terjadi struktur yang terlalu getas dan tegangan

yang terlalu besar.

• Homogenity austenit. Pada pemanasan yang lambat, atom-atom akan berdifusi

secara sempuma untuk mencapai keadaan homogen. Jika pemanasan terlalu

cepat, difusi yang terjadi belum sempuma sehingga ketika di quenching akan

17

menghasilkan martensit dengan kekerasan berbeda. Agar lebih homogen maka

perlu diberi holding time (waktu tahan) yang cukup pada saat pemanasan.

• Laju pendinginan. Untuk memperoleh struktur martensit, laju pendinginan

harus lebih cepat dari laju pendinginan kritis (critical coling rate-CCR).

• Kondisi permukaan dan ukuran benda keija. Permukaan benda keija yang

terdapat lapisan oksida besi (scale) yang tebal (lebih dari 0.005 inci) akan

menghambat laju pendinginan. Untuk benda kerja yang berukuran besar dan

berat maka rasio luas permukaan dengan berat menjadi faktor yang penting

dalam menentukan laju pendinginan. Ratio yang besar akan menjadikan laju

pendinginan cepat. Benda berbentuk plat akan lebih cepat menjadi dingin dari

pada yang berbentuk bola.

• Hardenabilily baja. Semakin tinggi hardenabiiity dari baja maka martensit

akan semakin mudah terbentuk.

6.1. Transformasi Pada Pemanasan

Baja hypoeutektoid (0.77% C) jika pada temperatur kamar maka struktur

mikronya terdiri dari pearlit dan ferrit. Pada saat baja mengalami pemanasan

hingga temperatur kritis bawah (Ai), maka akan mulai teijadi reaksi eutektoid

dimana pearlit akan berubah menjadi austenit. Reaksi ini akan berlangsung pada

temperatur konstan, temperatur tidak akan naik sebelum reaksi ini selesai. Setelah

perlit habis dan mulai teijadi kenaikan temperatur-. Ferrit akan mulai mengalami

transformasi allotrotopik, ferrit yang BCC akan berubah menjadi austenit yang

FCC. Reaksi ini berlangsung dengan naiknya temperatur, makin tinggi temperatur

pemanasan maka semakin banyak ferrit yang berubah menjadi austenit, hingga

18

pada temperatur A3 seluruh ferrit menjadi austenit. Agar semua austenit dapat

menjadi homogen perlu diberi waktu untuk berlangsungnya difiisi. Disamping itu

austenit yang baru masih merupakan butiran-butiran yang kecil. Butiran austenit

akan tumbuh makin besar apabila diberi cukup waktu untuk tumbuh.

6.2. Transform asi Pendinginan Cepat

Transformasi austenit pada pendinginan memegang peranan penting

terhadap sifat baja. Diatas garis A], austenit dalam keadaan stabil, tetapi apabila

turun melewati garis Ai, austenit menjadi tidak stabil dan akan bertransformasi

menjadi struktur lain. Apabila laju pendinginan sangat cepat (lebih cepat dari laju

pendinginan kritis) maka pergeseran atom-atom untuk merubah dari FCC menjadi

BCC dapat terjadi tanpa difusi, karena austenit mengandung sejumlah karbon,

sedangkan ferrit hanya mampu melarutkan sedikit sekali karbon maka karbon

yang sehamsnya keluar dari larutan akan terperangkap (atom karbon sudah tidak

dapat lagi berdifusi keluar karena sudah tidak memiliki cukup energi untuk

berdifusi, temperatur sudah terlalu rendah) dan menyebabkan terbentuknya

struktur baru, Body centered tetragonal (BCT), yaitu martensit.

7. HOT ROLLING

Rolling merupakan salah satu teknik membentuk raw material menjadi

bahan jadi atau setengah jadi dengan bantuan dua atau lebih rol yang berputar.

Pada proses rolling, permukaan benda kerja mengalami suatu tekanan dari rol,

yang akan diteruskan kedalam benda keija sehingga material yang berada di

19

daerah pembentukannya berubah bentuk. Benda kerja untuk proses hot rolling

dikerjakan dalam keadaan panas.

Gaya gesek dan kecepatan benda keija didalam celah rol (Gambar 2.4)

berbeda.

Gaya dan kecepatan benda kerja terhadap rol

Dibandingkan dengan kecepatan keliling rol mula-mula kecepatan benda

kerja lebih kecil (terlambat), setelah melewati bidang netral {the neutral plane)

kecepatan benda keija menjadi lebih besar (mendahului) dibandingkan dengan

kecepatan rol. Pada bidang netral kedua kecepatan (rol dan benda kerja) tidak

berbeda.

Agar terjadi perubahan bentuk, proses rolling harus memiliki syarat

jangkauan {gripping condition), yang dapat ditulis dengan persamaan dibawah ini;

Fn sin ttR < n Fn cosaa

TanttR < |i

dimana; ur = sudut antara benda kerja dengan rol.

Untuk sudut ocr yang kecil dapat diambil tan <xr = aR, oleh karena itu agar

benda dapat di rol perlu dipenuhi ccr < |a.

Agar syarat ini dapat dicapai, maka diusahakan:

- koefisien gesek ()a) yang besar.

20

Diameter rol yang besar sehingga qcr kecil

Memberikan gaya tambahan dari luar yang searah dengan arah pengerollan.

Contoh pem buatan bola besi dengan proses rolling