Optimalisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (lwan Setyadi)
OPTIMALlSASI PENCAPAIAN TARGET KOMPOSISI PADA PEMBUATAN BAJA SKD 61 MELALUI PENGGUNAAN SCRAP BESI COR Iwan Setyadi
Pusat Teknologi Industri Proses, Deputi Teknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa BPPT Abstract Until at the moment, the tool steel especially SKD 61 is import product that made by steel making processes, so its price is enough expensive. Indonesia has some small industries (IKM) center of casting; ones potential of them is in eeper-Klaten. In the frame of IKM improvement, it had developed process technology to make tool steel (SKD 61) by foundry processes. The accurate material balance design with using return product of IKM (iron casting scrap) has been success to make tool steel SKD 61 that suitable with SKD 61 chemical composition standard from JIS. Using iron casting scrap is better than using pure carbon material (carburizer), especially for carbon percentage target achievement.
Kata kunci : Optimalisasi, baja SKD 61, scrap besi cor
PENDAHULUAN
Salah satu jenis baja paduan yang banyak digunakan dalam industri manufaktur adalah jenis baja perkakas (tool steel). Baja ini dalam implementasinya digunakan untuk cetakan (dies) atau pahat (tools) seperti pada die casting, plastic injection, press maupun tempa, dan deep drawing. Baja perkakas mempunyai karakteristik khusus antara lain tahan terhadap abrasi, tahan terhadap beban kejut, tahan terhadap temperatur tinggi, tahan terhadap distorsi dan mempunyai kemampuan memotong yang tinggi. Karena baja perkakas juga masuk ke dalam kelompok baja spesial, maka harganya pun lebih mahal dibandingkan dengan baja karbon biasa, yaitu 2-9 kali harga baja karbon. Hal disebabkan karena bahan baku pembentuk baja tersebut juga menggunakan unsur paduan yang cukup mahal seperti chrom (er), molybdenum (Mo) dan proses teknologinyan lebih komplek . Disamping itu sampai saat ini pasokan baja perkakas di Indonesia hampir seluruhnya masih impor. Salah satu jenis tool steel yang banyak dipakai oleh industri manufaktur adalah jenis SKD 61 (JIS) atau H13 (AISI) untuk aplikasi pada die casting maupun pada proses ISSN 1410-3680
penempaan (forging). Pada proses manufaktur tersebut, jenis baja ini digunakan untuk cetakan (dies). Baja ini memiliki kekuatan & ketangguhan serta sifat kekerasan yang baik dan juga cocok untuk proses pengerjaan panas (hot working). Sebagai upaya mengembangkan produk subsitusi impor dan sekaligus memberdayakan industri kecil pengecoran, maka telah dilakukan penelitian dan pengembangan produk baja cor yang setara dengan baja SKD 61 yang memanfaatkan bahan baku srap dan unsur paduan lainnya. Dalam tulisan ini dibahas upaya penelitian dan pengembangan yang terkait optimalisasi pencapaian target komposisi (khususnya kadar karbon) dalam pembuatan .......baja cor yang setara dengan baja SKD 61 dengan menggunakan scrap besi cor menggantikan material karbon murni (carburizer), terutama dalam hal pencapain kandungan karbon (e).
TINJAUAN PUST AKA DAN METODE Tinjauan Pustaka Baja Perkakas Tahan Panas
Baja perkakas tahan panas (hot work tool dikembangkan untuk memenuhi
steel)
1
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007. 1 - 7
kebutuhan operasi manufaktur yang melibatkan kombinasi panas. tekan dan abrasi. Kandungan utamanya adalah karbon, yang memiliki prosentase karbon tingkat medium (0,35-0,45%). Kandungan lain yang membantu pemenuhan sifat-sifat yang diminta adalah chromium (Cr), tungsten (W), molybdenum (Mo) dan vanadium (V) yang jumlah keseluruhannya sekitar 6-25%. Baja ini memiliki red hardness yang baik dan akan tetap memiliki kekerasan yang tinggi (- 50 HRC) setelah sekian lama berada pad a temperatur 500 - 550 QC. Lima persen krom yang bergabung dengan silikon memberikan perlindungan terhadap oksidasi pad a kondisi tersebut. Aplikasi untuk : hot work tool steel diantaranya sebagai bahan baku komponen (part) untuk die casting atau ekstrusi aluminium dan magnesium, plastic injection molding, compression and transfer maId. Adapun jenis yang paling ban yak digunakan sebagai material cetakan adalah tipe cromium hot work tool steel, khususnya H 13 (AISI) yang setara dengan SKD-61 (JIS). Komposisi 61
kimia yang disyaratkan 61.
oleh JIS untuk SKD
Bahan dan Metode Pemilihan Alat Bahan Baku 1. Steel scrap. Carburizr & Paduan 2.Steel scrap. Return FCD Scrap. & Paduan
Perancangan Material Balance SKD 61
Kimia Standar JIS Untuk SKD
-Uji Komposisi
Salah satu standarisasi material jenis logam~ang banyak digunakan dalam industri adalah JIS (Japan Industrial Standart), disamping standar lain seperti AISI (American Iron and Steel Institute). Tabel1. Komposisi Kimia SKD 61 Berdasarkan JIS
Komposisi
%
C
0,32 - 0,42
Si
0,80 - 1,20
Mn
Max.0,5
P
Max.0,03
S
Max.0,03
Cr
4,50 - 5,50
Mo
1,00-1,50
V
0,80 - 1,20
JIS mengeluarkan standarisasi komposisi kimia untuk jenis baja cetakan tahan panas SKD 61 dalam batasan interval komposisi yang cukup berarti, sehingga dalam pembuatannya ada fleksibilitas. Pada Tabel 1 berikut dapat dilihat prosentase komposisi
2
Gambar 1. Metode Penelitian
Sesuai dengan skema yang terdapat pada Gambar 1, tahapan penelitian yang dilakukan untuk membuat produk baja cor setara SKD 61, adalah sebagai berikut : a) Pemilihan bahan baku yang akan dilebur. Bahan baku yang digunakan sebagian besar sama, yaitu scrap baja dan unsur paduan yang berupa Fe-Si, Fe-Mn, FeCr, Fe-V, dan Fe-Mo. Sedangkan bahan baku yang berbeda adalah bahan baku pembentuk kadar karbon dalam baja, dalam hal ini: Alternatif pertama dengan carburizer (berupa serbuk karbon 90%). Alternatif kedua dengan scrap besi cor nodular (FCD scap). b) Uji Komposisi. Uji komposisi dilakukan terhadap bahan baku yang akan digunakan. Komposisi kimia yang benar akan mempermudah penyusunan material balance.
«
«
ISSN 1410-3680
Optimalisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (Iwan Setyadi)
c)
d)
e)
Pengelompokan bahan baku. Pengelompokan bahan baku didasari pad a hasil uji komposisi kimia. Pengelompokan ditujukan untuk mempermudah dan menghindari keraguan dalam proses charging. Perancangan material balance Kapasitas tungku induksi yang digunakan dalam perancangan ini adalah 290 kg. Sedangkan looses yang dimaksud meliputi looses cairan dan looses unsur paduan. Komposisi target harus ditentukan terlebih dahulu guna mendapatkan perhitungan analisa komposisi lade!. Sedangkan perhitungan awal dimulai dari unsur paduan dengan target komposisi yang paling besar. Disamping itu hasil perhitungan analisa komposisi ladel harus berada dalam batasan interval prosentase yang disyaratkan oleh standar JIS untuk SKD 61. Proses peleburan. Karakteristik tungku induksi yang akan digunakan dan ketersediaan energi listrik yang ada menjadi perhatian dalam proses peleburan . Penimbangan berat
f)
bahan baku yang sesuai dengan perhitungan material balance sebelum charging juga merupakan salah satu faktor yang sangat menentukan. Dilakukan 2 kali proses peleburan. Peleburan pertama menggunakan material karbon murni (carburizer), sedangkan peleburan kedua dengan menggunakan scrap besi cor nodular disamping bahan baku lainnya. Pengujian komposisi Setelah semua bahan baku lebur dan sebelum proses penuangan (tapping), dilakukan uji komposisi cairan. Peranan uji komposisi di sini sangat penting untuk membuktikan kesesuaian perancangan material balance dengan komposisi cairan yang dibuat.
g) Analisis Analisa yang dilakukan ditekankan pada pencapaian target komposisi kimia yang sesuai dengan standar SKD 61 dan bagaimana hubungannya dengan kedua jenis bahan baku yang digunakan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil a)
Produk Hasil Pengecoran
(a)
(b)
Gambar 2. Foto Produk Hasil Pengecoran (a) Berupa Bakalan Berbahan Baku Carburizer, (b) Berupa Prototipe Plunger Sleeve Berbahan Baku Scrap Besi Cor
ISSN 1410-3680
3
M.P.I. Vol.t
NO.3. Desember
Hasil Uji Komposisi
b)
2007, 1 - 7
Kimia
Bahan
Baku
Tabel2. Komposisi Kimia
Komposisi Kimia (%)
Nama Material
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Steel Scrap BK 2
0.036
0.050
0.209
0.013
0.009
0.015
0.003
0.001
Ret. Scrap (FCD)
3.596
1.237
0.291
0.011
0.002
0.030
0.013
0.002
1.000
65.000
0.400
0.020
Carburizer
90.000
Fe Mn HC
6.500
Fe Mn LC
0.457
Fe Si
0.120
Fe Mo LC
0.120
Fe Cr
He
7.000
Fe Cr
LC
0.640
FeV
67.000 70.000 65.000 1.500
0.040
0.015
65.000 70.000
0.200
75.000
Nickel Copper 0.100
CaSi
c)
55.000
Material Balance SKD 61 (Menggunakan Material
Noma Material
%
balance
Berat Kg
Tabel3. SKD 61 (menggunakan
C
Si
Mn
carburizer)
Komposisi Kimia (%) P S Cr
Mo
V
Steel Scrap
88.049
255.341
0.032
0.044
0.184
0.011
0.003
0.001
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.008 0.000
0.013
ReI. Scrap (FCD)
0.000
0.000
0.000
Carburizer
0.950
0.295
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
Fe Mn LC
0.328 0.492
1.428
0.002
0.000
0.330
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
Fe Si
1.138
3.300
0.001
0.797
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
Fe Mo LC
1.838
5.331
0.002
0.000
0.000
0.000
0.000
Fe Cr LC
19.800
0.000 0.000
0.000
0.000
3.850
0.044 0.003
0.000
FeV
6.828 1.328
0.000 4.779
0.000 1.195
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000 0.000
0.000 0.996
Total
100.000
290.000
0.379
0.841
0.514
0.011
0.008
4.793
1.198
0.997
3.000
8.700
Losses cairan Estimate Losses unsur Total losses
0.000
-10.000
-5.000
-10.000
-0.500
-0.500
-5.000
-5.000
-5.000
-0.038
-0.042
-0.051
0.000
0.000
-0.240
-0.060
-0.050
Ladle Analysis
0.341 0.799 0.463 0.011 0.008
4.553
1.138
0.947
Foundry
0.340 0.800 0.500 0.030 0.030
5.000
1.250
1.000
Target
max.
max.
max.
0.500
0.030
0.030
mox.
mox.
mox.
4.500 5.500
1.000 1.500
0.800 1.200
JIS Target
4
Carburizer)
281.300
0.320 0.420
0.800 1.200
ISSN 1410-3680
Optimalisasi Setyadi)
d)
Pencapaian
Target
Komposisi
Pada Pembuatan
Material Balance SKD 61 (Menggunakan
Baja SKD 61 Melalui Penggunaan
FCD scrap)
Tabel4. Material Balance SKD 61 (menggunakan
Nama Material
FCD scrap)
Komposisi
Berat
%
Kg
C
Scrap Besi Cor, (Iwan
Si
Mn
P
(%)
Kimia S
Cr
V
Mo
80.078
232.225
0.029
0,040
0.167
0.010
0.007
0.012
0.002
0.001
Re!. Scrap (FCD)
8.791
25.495
0.316
0.109
0.026
0.001
0.000
0.003
0.001
0.000
Fe Si
1.138
3.300
0.001
0.797
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
Fe Mo LC
1.838
5.330
0.002
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
1.195
0.000
Fe Cr LC
6.828
19.800
0.044
0.000
0.000
0.000
0.000
4.779
0.000
0.000
FeV
1.328
3.850
0.003
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.996
Totol
100.000
290.000
0.395
0.945
0.193
0.011
0.007
4.794
1.198
0.997
3.000
8.700
Steel Scrap
Losses cairan Estimate Losses unsur Total losses
-10.000
-5.000
-10.000
-0.500
-0.500
-5.000
-5.000
-5.000
-0.039
-0.047
-0.019
0.000
0.000
-0.240
-0.060
-0.050
Ladle Analysis
0.355 0.898 0.174 0.011 0.007
4.554
1.138
0.947
Foundry
0.340 0.800 0.500 0.030 0.030
5.000
1.250
1.000
Target
max.
max.
max.
0.500 mox.
0.030 mox.
0.030 mox.
4.500
1.000
0.800
5.500
1.500
1.200
281.300
JIS Target
0.320 0.420
0.800 1.200
Tabel5. Hasil Uji Komposisi Kimia Cairan Bakalan SKD 61 Yang Dibuat dan Perbandingannya Dengan Standar JIS beserta Ladel Analysis
Komposisi Kimia ("la)
Nama Material
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Bakalan SKD61 (Carburizer)
0.289
0.77
0.484
0.0165
0.0153
5.25
1.35
0.954
Ladel Analisis
0.341
0.99
0.463
0.011
0.008
4.553
1.138
0.947
-c.,
Bakalan SKD61 (FCD Scrap)
0.41
0.87
0.17
0.025
0.001
4.69
1.15
0.99
Ladel Analisis
0.355
0.898
0.174
0.011
0.007
4.554
1.138
0.947
SKD 61 (JIS)
0,32 - 0,42
0,80 - 1,20
Max.0,5
Max.0,03
Max.0,03
Pembahasan Banyak faktor yang mempengarui kualitas produk cor jenis baja perkakas setara dengan SKD 61. Mulai dari kualitas bahan baku yang telah diuji komposisi ISSN 1410-3680
4,50 - 5,50
1,00-1,50
0,80 - 1,20
kimianya, perancangan material balance serta prosedur pelaksanaan (SOP) peleburan dan penuangan. Dalam riset yang telah dilakukan, semua prosedur yang meliputi pengujian komposisi kimia bahan baku (Ta bel 2) dan 5
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007, 1 - 7
lebih rendah 0,031% dari syarat minimum kandungan C yang dikeluarkan oleh JIS dan juga tidak mencapai rancangan material balance (Iadel amalisis) yang dibuat yaitu sebesar 0,341% C. Sementara itu capaian unsur kimia yang lain dapat dipenuhi oleh kedua jenis bahan baku, FCD scrap maupun carburizer. Semua dapat dilihat jelas pad a Tabel 5 dan Gambar 3.
perancangan material balance (Tabel 3 & 4) telah dilaksanakan sesuai prosedur. Pada riset ini yang diteliti adalah perbandingan kualitas produk cor setara SKD 61 yang dibuat dengan menggunakan carburizer maupun menggunakan besi cor skrap (FCD scrap), terutama terkait dengan pencapaian komposisi kimia khususnya kandungan karbon (C). Dari hasil riset terlihat bahwa pengaruh penggunaan jenis bahan baku ikut berperan dalam pencapaian target komposisi kimia produk cor yang dihasilkan, disamping faktor lain, seperti keakuratan komposisi material bahan baku itu sendiri. Dalam pembuatan baja perkakas cor setara SKD 61 (JIS), diketahui bahwa pengunaan FCD scrap lebih baik dibandingkan dengan carburizer sebagai bahan baku utama pembentuk kandungan karbon, dengan catatan bahwa komposisi kimia masing-masing bahan baku telah diuji dan perancangan material balance telah dilakukan dengan benar.
Tidak tercapainya target kandungan karbon yang dihasilkan dari bahan baku carburizer diduga adanya looses karbon pada saat proses peleburan/charging berlangsung. Penambahan carburizer (90% C) pada saat temperatur yang tinggi, menyebabkan ada karbon yang hilang karena sebagian habis terbakar. Oleh karena jumlah keseluruhan material tetap sedangkan ada sebagian karbon yang terbakar, sehingga menyebabkan ada unsur lain yang prosentase jumlahnya mengalami kenaikan. Kejadian akan berbeda kalau menggunakan besi cor skrap (FCD scrap). Karbon yang digunakan bukan karbon murni tetapi berupa grafit yang terselubung di dalam besi cor itu sendiri, sehingga efek looses karena terbakar pada saat charging dapat dihindari Secara umum capaian kandungan karbon akan mempengaruhi nilai kekerasan (hardness) produk cor. Apabila target capaian komposisi karbon as-cast baja setara SKD 61 tidak terpenuhi, maka target nilai kekerasannyapun tidak akan pernah optimal didapat, walaupun dalam keadaan telah dilakukan proses laku pan as hardening & tempering.
6
.• "".• ~ I:
~ 3 I:
2
·o~~--~~~~~~~~~ \
C·SiMl • /
PS
KESIMPULAN CrMoV
Komposisi Kimia
• -...
Gambar 3. Grafik Komposisi Kimia Produk Baja Perkakas Cor (Pakai Carburizer, Pakai FCD'Scrap, standar minimum JIS)
dan
Dari Tabel 5 dan Gambar 3 diketahui bahwa penggunaan FCD scrap dapat mencapai kandungan karbon sebesar 0,41 % yang berarti masuk interval kandungan karbon yang disyaratkan JIS yang berkisar 0,32 0,42%. Capaian inipun melebihi ladel analisis (hasil rancangan material balance) yang hanya 0,355%. Sedangkan bila menggunakan karburizer capaian karbon yang diperoleh hanya 0,289 %. Capaian ini
6
•
Kualitas produk baja perkakas setara SKD 61 ditentukan oleh bahan baku yang telah diuji komposisi kimianya, perancangan material balance serta prosedur pelaksanaan (SOP) peleburan dan penuangan. Penggunaan besi cor skrap (FCD scrap) dalam pembuatan baja perkakas setara SKD 61 terbukti optimal dalam memenuhi target kandungan karbon sesuai standar JIS dibandingkan menggunakan carburizer.
ISSN 1410-3680
Optima.lisasi Setyadi)
Pencapaian
Target
Komposisi
Pada Pembuatan
Baja SKD 61 Melalui
Penggunaan
Scrap Besi Cor, (Iwan
DAFTAR PUST AKA
RIWAYAT PENULlS
1.
Iwan Setyadi, lahir di Bukittinggi pada 28 Oktober 1969. Menamatkan pendidikan S1 di ITS Surabaya dalam bidang Teknik Mesin, kekhususan Metalurgi tahun 1993 dan S2 di Universitas Indonesia dalam bidang Teknik Metalurgi, kekhususan Metalurgi Manufaktur tahun 2001. Saat ini bekerja sebagai staf Pusat P2TIP, Deputi Teknologi Industri Proses Rancang Bangun dan Rekayasa. Penulis merupakan peneliti utama pada kegiatan Program Unggulan Pemberdayaan IKM Pengecoran untuk Pengembangan Baja Cetakan.
2.
3.
4.
Mangonon,P.L., The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice-Hall International, Inc., London, 1999. Smith,W.F., Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hill,1997. Kalpakjian,S., Manufacturing Engineering and Technology, AddisonWesley Publishing Company, Canada, 1998 . , Alloy Tool Steel, Standardization JIS, 1983
ISSN 1410-3680
7
