Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Studi Performan Balistik pada Komposit Besi Cor Kelabu Berpenguat Kawat Baja Rusnaldy1, a *, Ismoyo Haryanto1 , Sri Nugroho1, Yusuf Umadani1, Aji Bagus Rachmadi1 dan Nurcholis1 1
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Soedarto, SH Kampus Undip Tembalang, Semarang, Indonesia a
[email protected]
Abstrak Pada studi ini akan diteliti performan balistik besi cor kelabu yang diberi penguat kawat baja sehingga menjadi suatu material baru berupa komposit untuk dicoba menjadi material yang memiliki karakteristik balistik yang baik. Walau besi cor kelabu telah banyak digunakan secara luas, besi cor kelabu adalah material getas dengan ketahanan impak yang rendah. Hal ini menjadikan besi cor kelabu belum dapat digunakan sebagai material tahan peluru. Untuk mengatasi hal ini maka diteliti kemungkinan besi cor kelabu untuk dapat digunakan sebagai material tahan peluru dengan mengubahnya menjadi material komposit. Material komposit ini dibuat dengan metode pengecoran cetakan pasir (sand mould casting). Setelah itu material komposit diberi perlakuan panas normalizing dengan memanaskan pada temperatur 950oC dengan waktu tahan selama 30 menit. Pengujian impak Charpy dilakukan untuk mengetahui ketangguhan dan ketahanan impaknya. Kemudian pengujian tembak dilakukan dengan menggunakan peluru jenis MU4-TJ berkaliber 5,56 mm dari jarak 25 m dengan kecepatan tembak masing-masing sekitar 700 dan 900 m/s. Dari hasil uji balistik didapatkan bahwa tidak ada satupun komposit besi cor berpenguat kawat baja yang berhasil menahan penetrasi dari peluru. Jenis kerusakan yang terjadi pada semua komposit tersebut menunjukkan kerusakan getas (brittle) yang menunjukkan bahwa matrik besi cor kelabu masih cukup dominan pada sifat balistik dari komposit ini walau hasil uji impak menunjukkan komposit besi cor kelabu berpenguat kawat baja memiliki harga impak yang lebih tinggi dibanding harga impak besi cor kelabu. Kata kunci : Komposit, besi cor kelabu, kawat baja, performan balistik, harga impak
Material 31
Your Paper's Title Starts Here: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pendahuluan Walaupun material non logam terbaru dengat berat sangat ringan telah banyak digunakan, namun material logam (terutama baja) dengan kekerasan yang tinggi masih sering digunakan dan dibutuhkan pada kendaraan militer untuk melindungi dari peluru karena harganya yang relatif murah dan mudah didapatkan di pasaran. Material logam lain selain baja juga digunakan dalam beberapa penelitian ketahanan balistik. Demir dkk. membandingkan ketahanan balistik dari aluminium jenis Al 5083, Al 7075 dengan baja high strength low alloy steel AISI 4140 [1]. Logam aluminium Al 7075 yang telah mengalami perlakuan panas hingga menjadi Al 7075-T651 memiliki kekerasan yang lebih tinggi dari baja AISI 4140 yang juga telah mengalami proses perlakuan panas. Dan dari uji balistik terlihat bahwa Al7075-T651 memiliki ketahanan balistik yang lebih baik bila dibandingkan dengan baja. Dari hasil ini dapat ditarik kesimpulan bahwa kekerasan logam mempengaruhi uji balistik dari material logam. Disamping baja, orang mulai melirik besi cor kelabu (BCK) sebagai material tahan peluru. Hal ini disebabkan karena BCK memiliki aplikasi secara luas. BCK memiliki sifat mampu cor dan mampu mesin yang baik, ketahanan korosi yang baik, titik cair yang rendah, mampu menyerap getaran (high damping capacity) dan harganya yang relatif lebih murah [2]. Namun BCK memiliki sifat yang getas dengan keuletan yang rendah. Sehingga untuk aplikasi sebagai material tahan peluru butuh pengembangan lebih lanjut sebagaimana halnya pada baja. Karakteristik baja sebagai material tahan peluru tergantung pada kekerasan, kekuatan, ketangguhan dan juga ketebalannya [3]. Salah satu upaya untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan BCK adalah dengan menjadikannya sebagai material komposit. Sifat mekanik BCK sangat bervariasi, tergantung tidak hanya pada struktur mikronya yang heterogen, tetapi juga pada proses dan prasarana yang digunakan oleh setiap pabrik pengecoran [4]. Penyebab dari hal ini adalah ketidakhomogenan
strukturmikronya. Upaya yang telah dilakukan untuk memperbaiki sifat mekanik dari BCK adalah dengan menambahkan unsur paduan tertentu, seperti dengan menambahkan unsur Mn dan Mo untuk merubah struktur matriks BCK [5]. Hsu dkk. memperbaiki ketangguhan (fracture toughness) BCK yang telah dipadukan Cu dengan melakukan proses perlakukan panas austempering [6]. Nilai fracture toughness BCK yang telah mengalami austempering terlihat meningkat cukup signifikan (30-112%). Ini terjadi karena jumlah austenit sisa pada matrik BCK juga meningkat. Cara lain untuk meningkatkan ketangguhan BCK adalah dengan mengubah morpologi grafit flake dengan melakukan proses inokulasi pada besi cair [7]. Cara terbaru untuk meningkatkan sifat mekanik BCK adalah dengan membuat komposit BCK dengan penguat baja. Avci dkk. melakukan uji kekerasan pada daerah BCK, daerah transisi dan pelat baja dalam komposit BCK berpenguat pelat baja [8]. Kekerasan mikro di setiap daerah berbeda-beda dimana kekerasan tertinggi diperoleh padapelat baja dan diikuti oleh daerah transisi dan BCK. Sementara kekuatan tarik komposit BCK berpenguat kawat baja diteliti oleh Akdemir dkk.[9]. Hasilnya terlihat bahwa komposit BCK berpenguat kawat baja mengalami peningkatan kekuatan yang cukup besar. Hasil yang dicapai oleh peneliti sebelumnya membuat tim peneliti untuk memanfaatkan komposit BCK berpenguat baja untuk dijadikan sebagai material tahan peluru. Namun sebelum dilakukan percobaan uji tembak, maka perlu diketahui terlebih dahulu ketahanan impak dari komposit BCK berpenguat kawat baja, karena rusaknya material target didominasi oleh kerusakan akibat tumbukan (impak) antara peluru dan material target. Metodologi Penelitian Pembuatan Material Benda Kerja Material komposit dibuat dengan cara menuang besi cor kelabu ke dalam cetakan pasir yang telah diberi kawat baja karbon dengan diamater 0,5; 2 dan 3 mm serta kawat baja tahan karat SS304 dengan diameter 3
Material 31
Your Paper's Title Starts Here: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
mm. Susunan kawat seperti terlihat pada Gambar 1. Benda cor berukuran 180 x 180 x 10 mm. Sebelum digunakan kawat baja dibersihkan permukaannya terlebih dahulu untuk memastikan bahwa tidak ada kotoran yang menempel pada permukaan. Sebelum proses penuangan besi cor kelabu ke dalam cetakan, kawat baja dipanaskan untuk menhindari terjadinya pembekuan yang cepat sehingga semua rongga cetakan dapat terisi oleh besi cair.
pada temperatur 900oC selama 15 menit dan diikuti dengan pendinginan di udara. Pengujian Impak Pengujian impak Charpy dilakukan untuk mengetahui ketahanan impak material komposit yang dibuat. Pengujian dilakukan pada suhu kamar. Bentuk spesimen dan standar pengujian mengacu pada standar ASTM E23-82. Pengujian Balistik Pengujian balistik dilakukan dengan menembakkan benda kerja dengan menggunakan peluru jenis MU4-TJ berkaliber 5,56 mm dari jarak 25 m dengan kecepatan tembak masing-masing sekitar 700 dan 900 m/s.
Gb. 1. Rangka Kawat untuk Cetakan Penamaan benda kerja adalah sebagai berikut: 1. Benda kerja A, diameter kawat 2 mm dengan susunan kawat baja seperti Gambar a, jarak antara kawat 10 mm dan jumlah lapisan 2 lapis. 2. Benda kerja B, diameter kawat 3 mm dengan sususan kawat baja seperti Gambar b, jarak antar kawat 10 mm dan jumlah lapisan 1 lapis. 3. Benda kerja C, diameter kawat 0,5 mm dengan susunan kawat seperti Gambar c, jarak antar kawat 5 mm dan jumlah lapisan 2 lapis. 4. Benda kerja D, diameter kawat 0,5 mm dengan susunan kawat seperti Gambar d, jarak antar kawat 10 mm dan jumlah lapisan 2 lapis. 5. Benda kerja E, kawat baja tahan karat SS304 dengan diameter 3 mm disusun seperti gambar e, jarak antar kawat 10 mm. Proses Perlakuan Panas Setelah benda kerja dicor dan didinginkan, kemudian proses perlakukan panas normalizing dilakukan. Benda kerja dipanaskan dalam tungku perlakuan panas
Hasil dan Analisa Pada tabel 1 memperlihatkan data ketangguhan impak benda kerja yang telah mengalami perlakuan panas normalizing. Sebagai pembanding juga diukur nilai ketangguhan impak besi cor kelabu dalam bentuk as-cast dan besi cor kelabu yang telah mengalami proses perlakuan panas normalizing. Dari data yang diperoleh terlihat bahwa penambahan kawat baja sebagai penguat pada besi cor kelabu dapat meningkatkan nilai ketangguhan impaknya. Makin besar diameter kawat penguatnya akan membuat nilai ketangguhan impaknya juga semakin meningkat. Kekuatan material penguat juga mempengaruhi nilai ketangguhan impak material komposit besi cor kelabu yang dihasilkan. Hal ini terlihat dari perbandingan nilai ketangguhan impak benda kerja B dan E. Dengan susunan, jumlah lapisan dan diameter kawat yang sama, benda kerja B memiliki nilai kekerasan kawatnya 189, 5 HV dan benda kerja E memiliki nilai kekerasan kawatnya 418,9 HV. Kedua benda kerja ini memiliki nilai ketangguhan impak sebesar 6,8 J untuk benda kerja B dan 12,0 J untuk benda kerja E. Tabel 1. Nilai Ketangguhan Impak Komposit Besi Cor Kelabu Berpenguat Kawat Baja
Material 31
Benda Kerja BCK as-cast
Impak (J) 1,8
Your Paper's Title Starts Here: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 BCK dengan H/T A B C D E
2,1 4,8 6,8 2,4 2,0 12,0
Gb. 2. Foto Bagian Depan Bekas Penembakan: (a) BCK dengan H/T; (b) Benda Kerja A; (c) Benda Kerja B; (d) Benda Kerja C; (e) Benda Kerja D; (f) Benda Kerja E
Tabel 2. Hasil Uji Balistik Benda Kerja BCK dengan H/T A B C D E
Kecepatan Tembak (m/s) 700 900 700 900 700 900 700 900 700 900 700 900
Hasil Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus Tembus
Tabel 2 memperlihatkan hasil pengujian balistik dengan menggunakan peluru berkaliber 5,56 mm yang ditembak ke material target pada jarak 25 m dengan kecepatan tembak 700 dan 900 m/s. Dari hasil terlihat bahwa tidak ada satupun material yang mampu menahan peluru agar tidak tembus. Foto hasil pengujian tembak di material target dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. Gambar 2 adalah foto bekas hasil penembakan pada bagian depan dan Gambar 3 adalah foto bekas hasil penembakkan pada bagian belakang dari peluru yang ditembakkan dengan kecepatan 900 m/s.
Gb. 3. Foto Bagian Belakang Bekas Penembakan: (a) BCK dengan H/T; (b) Benda Kerja A; (c) Benda Kerja B; (d) Benda Kerja C; (e) Benda Kerja D; (f) Benda Kerja E Dari bekas foto terlihat bahwa semua material target tidak mampu menahan peluru sehingga peluru mampu menembus material target. Semua jenis kerusakan yang terjadi adalah brittle fracture. Namun dari semua kerusakan yang terjadi tidak dijumpai adanya retak yang menjalar keseluruh bagian material target sebagai mana yang dijumpai pada material getas lainnya. Hal ini kemungkinan karena penjalaran retak terhambat oleh adanya kawat baja sebagai penguat besi cor kelabu. Penelitian lebih lanjut akan terus dilakukan hingga diperoleh komposit besi cor kelabu yang diperkuat oleh kawat baja Kesimpulan Dari hasil yang diperoleh dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Kawat baja sebagai penguat mampu meningkatkan nilai ketangguhan impak
Material 31
Your Paper's Title Starts Here: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
pada komposit dengan matriks besi cor kelabu. Dimana makin besar ukuran diameter kawat dan makin besari nilai kekerasan kawat akan meningkatkan nilai ketangguhan impaknya. 2. Komposit besi cor kelabu berpenguat kawat yang dihasilkan pada percobaan ini belum mampu memperbaiki performan balistik dari material berbahan dasar besi cor kelabu. Referensi [1] Demir, T., Ubeyli, M., Yildirim, R.O., Investigation on the ballistic impact behavior of various alloys againts 7.62 mm armor piercing projectile, Materials and Design 29 (2008), 2009-2016. [2] Walton, C.F., Opar, T.J., Iron Casting Handbook, Iron Casting Society Inc., New York, USA, 1981. [3] Rusnaldy, Haryanto, I., Widodo, A., Prahasto, T., Baja untuk ketahanan balistik: Penelitian, tantangan dan peluang, Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
[4] Collini, L., Nicoletto, G., Konecna, R., Microstructure and mechanical properties of pearlitic gray cast iron, Materials Science and Engineering A 488 (2008), 529 – 539. [5] Xu, W., Ferry, M., Wang, Y., Influence of alloying elements on as-cast microstructure and strength of gray iron, Materials Science and Engineering A 390 (2005), 326-333. [6] Hsu, C.H., Shy, Y.H., Yu, Y.H., Lee, S.C., Effect of austempering heat treatment on fracture of copper alloyed grai iron, Materials Chemistry and Physics 63 (2000), p. 75-81. [7] Giacchi, J.V., Martinez, R.A., Gamba, M.R.M., Dommarco, R.C., Abrasion and impact properties of partially chilled gray iron, Wear 262 (2007), p. 282-291. [8] Avci, A., Ilkaya, N., Simsir, M., Akdemir, A., Mechanical and microstructural properties of low-carbon steel-plate-reinforced gray cast iron, Journal of Materials Processing Technology 209 (2009, 1410-1416. [9] Akdemir A., Kus, R., Simsir, M., Investigation of the tensile properties of continuous steel wire-reinforced gray cast iron composite, Materials Science and Engineering A 528 (2011), 3897-3904.
Material 31
