M.P.I. Vol.1 NO.3.Desember 2007,8 -14
PENGARUH AUSTEMPER PADA PROSES PEMBUATAN MATERIAL AUSTEMPERED DUCTILE IRON 0.3% Mn Mochammad
Ismail
Pusat Teknologi Industri Proses BPP Teknologi
Austempered heat treatment on nodular cast iron is in tends to ferrite acicular matrix and austenite metastable results. The ductility more height than as cast. The best Austempered research is obtained on 350°C and 4 hours holding time. Kata kunci : Austemper,
proses, material, besi tuang
PENDAHULUAN Dengan semakin pesatnya perkembangan teknologi saat ini makin dibutuhkan jenis material yang mempunyai sifat-sifat khusus. Sehingga setiap negara berlomba-Iomba mengadakan penelitian untuk mencari material-material baru, yang sesuai dengan tuntutan zaman. Adapula pencarian material baru tersebut dengan memperbaiki sifat-sifat dari material yang sudah ada, sehingga diperoleh material yang lebih baik dari aslinya. Diantara upaya untuk memperbaiki sifat-sifat mekaniknya yaitu dengan teknik perlakuan panas. Pada penelitian ini dilakukan perlakuan pan as pad a besi tuang nodular (besi tuang yang grafitnya berbentuk bulat), yaitu dengan melakukan penambahan unsur kimia Mn 0.3% pada besi tuang nodular, kemudian dilakukan proses perlakuan panas austemper. Penambahan Mn ini bertujuan untuk mengontrol mikrostruktur, terutama untuk menstabilkan perlit dan mempertahankan jumlah karbida dalarn eutektoid. Sedang proses austemper juga bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik terutama untuk memperoleh struktur matriks ferit asikular dan austenit metastabil dari besi tuang nodular dari kondisi as cast. Pada proses austemper, besi tuang nodular dipanaskan sampai temperatur austenit dengan waktu tahan yang cukup untuk membuat austenit homogen, kemudian didinginkan secara cepat (quench) ke temperatur di atas Ms (martensite start) dan dibiarkan sampai transformasi menjadi ferit asikular dan austenit metastabil selesai. Sebagai media pendingin yang digunakan adalah garam cair (salt bath) dengan temperatur antara 300°C-450°C.
8
Dengan demikian didalam matriks dapat dihindari terbentuknya martensit. Hasil austempering mempunyai kekuatan dan keuletan yang cukup tinggi. Tujuan dalam penelitian ini adalah untuk melihat pengaruh temperatur austemper dengan waktu tahan 1 jam hingga 5 jam terhadap sifat mekanik besi tuang nodular pada proses pembuatan Austempered Ductile Iron (ADI) dengan Mn 0.3%, khususnya kuat tarik, impak, kekerasan dan perubahan mikrostruktur.
METODE PENELlTIAN
>.
Langkah pertama dalam penelitian ini adalah menghitung komposisi target yang dikehendaki. Kemudian dengan mengetahui komposisi bahan yang tersedia dan kapasitas dapur peleburan yang akan digunakan, maka dapat dihitung be rat masing-masing komposisi yang akan dilebur untuk mencapai komposisi target. Peleburan dilakukan dalam dapur induksi dengan menambahkan Mn kedalam dapur pada saat peleburan. Pencairan dilakukan o sampai temperatur cair kurang lebih 1500 C. Penimbangan bahan yang akan dilebur disesuaikan dengan perhitungan, seperti pig iron, return scrap, steel scrap dan lain-lain. Kemudian kedalam dapur induksi berturutturut dimasukkan steel scrap, return scrap, pig iron dan carburizer. Apabila seluruh logam dan paduan sudah mencair, baru dimasukkan FeMn, FeNi dan FeSi. Setiap saat temperature dapur induksi dimonitor terus. Pada proses ini komposisi logam cair terus diperiksa dengan alat CE meter. Bila komposisi yang diinginkan belum sesuai, maka ke dalam besi cair tersebut dapat ISSN 1410-3680
Pengaruh Austemper
Pad a Proses Pembuatan
Material Austempered
ditambah kekurangannya, dan dicek kembali sampai komposisi sesuai dengan yang direncanakan. Slag remover diberikan pada permukaan besi cair untuk menghindari ca cat cor yang disebabkan adanya kotoran-kotoran logam, disamping itu untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi proses inokulasi. Sedangkan FeMo dan FeMg diberikan bersamaan pada saat proses magnesium treatment di dalam ladle, untuk pembentukan grafit bulat. Selanjutnya dilakukan penuangan dalam cetakan pasir furan yang berbentuk Y-blok dengan standar yang ada. Dari Y-blok inilah dibuat sampel sesuai standar yaitu sampel uji tarik, impak dan untuk pengamatan struktur mikro. Tahap berikutnya dilakukan perlakuan panas terhadap sampel-sampel tersebut.
Ductile Iron 0.3% Mn"(Mochammad
HASIL PENELlTIAN
Ism ail)
DAN PEMBAHASAN
Pembahasan akan didasarkan dari kondisi sebelum dilakukan perlakuan panas (as cast) dan hasil setelah dilakukan perlakuan panas yang kemudian dilakukan uji mekanik dan pengamatan mikrostruktur. Hasil Uji Spektro
Komposisi
Kimia
Dengan
Hasil uji komposisi kimia dari besi tuang nodular yang dihasilkan dari peleburan seperti terlihat pada Tabel 1.
Tabel1. Hasil Uji Komposisi Kimia Unsur Kimia (%)
Magnesium treatment
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Sebelum
3.8
2.60
0.30
0.01
0.013
1.2
0.01
3.8
2.66
0.30
0.01
0.01
1.2
0.01
Mo
Cu
Mg
0.06
Nodularisasi Sesudah
0.60
0.06
0.07
Nodularisasi
Sifat Mekanik Kondisi As Cast (sebelum dilakukan perlakuan panas) Dari hasil uji mekanik (masing-masing diwakili oleh 5 sampel uji), yaitu uji tarik (yang sekaligus menghasilkan tegangan luluh dan elongasi), kekerasan dan impak. Gambar 1 memperlihatkan mikrostruktur as
cast pembesaran 200X dengan struktur matriks perlit dan ferit yang mengelilingi grafit bulat. Sedang pada Gambar 2 memperlihatkan mikrostruktur as cast, pembesaran 100X tanpa etsa, dengan grafit bulat yang mempunyai nodularitas lebih dari 90%
Tabel2. Hasil Uji Mekanik Sarnpel Pada Kondisi As Cast Pengujian
No sampel Tarik (kgf/mm2)
(kgf/mm2)
Elongasi
Kekerasan
Impak
(%)
(HB)
(ioule)
226
225 235
4.8 5.0 5.8 4.5 6
230.8
5.2
1 2 3 4
82
54
83
55
85
57
82
55
5
84.5
56
4.2 4.8 5 4.0 4.4
83.6
55.5
4.6
Rata-rata
ISSN 1410-3680
Luluh
230 238
9
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007, 8 - 14
."'.
Pengamatan Mikrostruktur Kondisi as cast
lI-{It .,
"".
6'
0
_
••••
•• tit
4it••
•••
•. v
'w~
~ Gambar 1. Mikrostruktur As Cast Dengan Matriks Perlit, Mengelilingi Grafit Bulat
Pengamatan Mikrostruktur Perlakuan Panas
Hasil 0
Dengan perlakuan panas dari 300 C s/d 450 C butiran kristal yang diaustemper pada temperatur 3000C akan lebih halus bila dibandingkan dengan sampel uji yang di o 0 austemper pada temperatur 350 C, 400 C o dan 450 C. Jadi semakin besar temperatur 0
,:1
$
•
•
.\~• 4t
••••
Gambar2. Mikrostruktur As Cast Dengan Grafit Bulat Tanpa Etsa. austemper yang diberikan, semakin besar pula butir kristal yang terbentuk. Hal ini disebabkan karena pada dasarnya besar kecil butir kristal banyak ditentukan oleh adanya difusi. Semakin banyak atom mempunyai kesempatan berdifusi, semakin besar butir kristal yang terjadi
,'
1-:'~ :t-~~.~~~-.
,
'.:;.i.t'2t';!.,,,,~~! Gambar 3. Mikrostruktur Hasil 0 Austemper 300 C Waktu Tahan 1 Jam Etsa Nital 2% Pembesaran 200X
Dalam hal ini apabila dibandingkan 0 antara temperatur austemper 300 C dengan 0 450 C dengan waktu tahan yang sama, maka 0 temperatur austemper 300 C mempunyai kecepatan pendinginan yang lebih cepat,
10
Gambar4. Mikrostruktur Hasil 0 Austemper 300 C Waktu Tahan 4 Jam Etsa nital 2% Pembesaran 200X
sehingga proses difusi terbatas pad a jarak yang pendek, atau difusi lebih sulit terjadi. Dengan demikian gerakan atom-atom menjadi lebih terbatas. Akibatnya butiranbutiran kristal yang terjadi akan lebih halus. ISSN 1410-3680
Pengaruh Austemper
Pada Proses Pembuatan
Material Austempered
Gambar 5. Mikrostruktur Hasi!
Gambar6. Mikrostruktur Hasil Austemper 350{)C Waktu Tahan 1 Jam
Austemper 350
Waktu Tahan 5 jam Atom-atom tersebut membutuhkan waktu lebih lama untuk bertransformasi dari austen it metastabil menjadi ferit dan cementit. Proses ini mulai nampak terlihat setelah menginjak waktu tahan 5 jam. HasH Uji Tarik
ISSN 1410-3680
Ism ail)
lebih mudah berdifusi. Austenit metastabil lebih cepat bertransformasi menjadi ferit dan cementit, sehingga dalam jangka waktu 3 jam, austenit sudah habis bertransformasi. Dengan demikian dalam jangka waktu 4 jam sudah terlihat adanya pembentukan cementit. Sedang untuk temperatur austemper 400°C dan 450°C butiran kristal eukup besar, sehingga atom-atornnya sulit berdifusi.
Sutiran kristal ini akan membesar kembali apabila sampel uji diberi waktu tahan yang lebih lama lagi. Kalau diamati hasH foto dari perlakuan panas austemper 300°C dan 400°C perilaku seperti yang telah dijelaskan tersebut diatas, hanya terlihat sampai waktu tahan 3 jam. Lebih dari itu, cementit telah mulai terbentuk, hal ini ditunjukkan adanya bercak hitam sedangkan butiran putih semakin berkurang. Hal ini disebabkan karena butiran kristal yang keeil (austemper 300°C dan 350°C) atomnya
Sila dibandingkan antara masing-masing temperatur austemper terhadap kuat tariknya, terlihat bahwa makin tinggi temperatur austemper makin kecil kuat tariknya. SHa dibandingkan antara masingmasing waktu tahan pada temperatur austemper 300°C dan 350°C, ternyata kuat tarik mulai meningkat pada waktu tahan 3 jam. Sedang £ada temperatur austemper 400°C dan 450 C, kuat tarik mulai meningkat pada waktu tahan 4 jam. Kekuatan tarik ini disebabkan besar kecilnya butiran kristal. Semakin kecil butiran kristalnya semakin besar kuat tariknya. Perbedaan besar butir ini disebabkan karena makin besar temperatur austemper, makin besar kesempatan atom karbon untuk berdifusi.
Ductf{e {ran 0.3% Mn (Mochammad
'<,
Batas butir disalah satu sisi merupakan tempat mulai terjadinya retak, namun disisi lain batas butir juga sekaligus merupakan penghambat menjalarnya retak. Dengan demikian semakin halus butir kristal semakin sulit retak tersebut menjalar sehingga semakin besar kuat tariknya. Demikian pula sebaliknya, semakin besar butir kristal semakin sedikit penghalang penjalaran retak sehingga semakin kecil kuat tariknya (Iebih ductile). Semakin lama waktu tahan yang diberikan, maka makin besar butir kristal yang terjadi, sehingga semakin turun kuat tariknya
11
M.P.1. Vol.1 NO.3. Desember2007,
8-14
Kalau dibandingkan kuat tarik hasil austemper dengan kondisi as cast, maka secara keseluruhan hasil austemper mempunyai kuat tarik yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena matrik yang diperoleh dari as cast adalah perlit dan ferit yang mengelilingi grafit. Disini perlit merupakan gabungan antara ferit dan cementit yang terjalin secara simultan yang membentuk lamel- lamel ferit dan cementit secara bergantian. Sedang matrik hasil austemper adalah ferit asikular dan austenit metastabil yang terbentuk tidak dalam bentuk lamel-Iamel (waktu tahan sampai 3 jam untuk o temperatur austemper 300 C, 3500C dan waktu tahan sampai 4 jam untuk temperatur o austemper 400 C, 450°C).
140 120 100
-
';, ...: 80
~
E .!§
~eu 60 I-
40 ~ 20
---.'
{>:
.»
.,
V
~
••
I--I---
eu
x
:::>
austemp 300e austemp 350e austemp 400e austemp450e
o 2
4
3
5
Holding Time (jam)
Gambar 7. Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap Kuat Tarik
701-~_2 ... =3~~:=~t-~_~ .. C:~~~~=~=-~ 80
.
9
f6°t-~t=~~~t=~~~Vr-l )5°t---~~~~~t=~~~~--1 :s
40
:3
30 1-
~
20
8
-
7
•
austemp
30De
•
austemp
350C
austemp
400C
10 I----
austemp
450C
x
"iii 5
--
..•.....•...
f--
~
g'4 w 3
I--
2
I--
~
234 Holding
....••
I'---K '.
~
o +-----+-----~----~--~----~ 1
,
-
-
f-----
.._._. __ ..... _ ..._ .._.
10
5 Time
•• x
1
(jam)
austerrp austerrp austerrp austerrp
300C 350C 400C 450C
..
o 1 Gambar 8. Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap Kuat Luluh Kalau diamati dari hasil foto metalografi (Gambar 4 dan 5) nampak sudah ada transformasi austenit metastabil menjadi ferit dan cementit, yang dapat dilihat dengan adanya bercak hitam semakin banyak. Dari sini dapat disimpulkan bahwa untuk proses austemper dengan waktu tahan 4 jam, austenit sudah habis bertransformasi menjadi ferit dan austenit metastabil. Sebagai mana diketahui bahwa cementit merupakan struktur yang sangat keras, karena kandungan karbonnya tinggi, semakin banyak kandungan cementitnya, maka sifat kuat tariknya semakin besar. Dari hasil uji tarik, sekaligus diperoleh hasil tegangan luluh dan elongasi. Dari grafik terlihat bahwa semakin besar temperatur austemper semakin kecil kuat luluhnya, namun elongasinya semakin 0 besar, kecuali yang diaustemper 300 C dan o 350 C, pada waktu tahan mulai 4 jam, kuat luluhnya mulai meningkat dan elongasinya menurun. 12
234
5
Holding Time (jam)
Gambar 9. Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap Elongasi
--"
Terbentuknya struktur dari proses austemper ini terjadi seperti terbentuknya antara perlit dan martensit, yaitu ada proses difusi dan sekaligus juga adanya pergeseran atom, sehingga struktur ini memiliki sifat-sifat kombinasi antara kuat tarik yang tinggi dengan keuletan yang tinggi pula. Kuat tarik yang tinggi ini diperoleh karena adanya proses pergeseran atom yang menyebabkan struktur atom tersebut terdistorsi sehingga lebih tegang. Sedang komposisinya terdiri dari ferit dan austenit yang mempunyai keuletan yang cukup tinggi. Sehingga perpaduan ini menyebabkan hasil austemper mempunyai ketangguhan yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan hasil as cast.
ISSN 1410-3680
Pengaruh Austemper
Pada Proses Pembuatan
Material Austempered
Semakin besar temperatur austemper, kekerasannya semakin menurun. Demikian pula semakin lama waktu tahan, kekerasannya pun semakin menurun. Hal ini ada kaitannya dengan pengaruh perlakuan panas yang mempengaruhi ukuran butir kristal yang telah dijelaskan sebelumnya pada uji tarik. Namun untuk sampel uji pada proses 0 0 austemper temperatur 300 C dan 350 C dengan waktu tahan yang ke 4 jam, kekerasannya mulai naik. Hal ini disebabkan oleh mulai terbentuknya cementit (Fe3C) yang keras. Hasil uji kekerasan seperti terlihat pada Gambar 10. Kalau dibandingkan dengan kekerasan kondisi as cast, hasil austemper ini mempunyai kekerasan yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena adanya 2 proses pada saat di austemper yaitu difusi dan pergeseran atom seperti penjelasan pada hasil uji tarik.
~---
r----:
370 360 iD 350 :I: ~ 340
.
--...
~ 330 :;; 320
-"
::!
310 300 290
~
•• x
austerro austerro austerro austerro
...•.
..• 450C 400C 350C 300C
I I
3
4
Ismail)
Dari Gambar 11, terlihat bahwa semakin tinggi temperatur austempemya semakin besar pula kuat impaknya. Begitu juga dengan semakin lama waktu tahan yang diberikan akan semakin besar pula kuat impaknya. Hal ini karena semakin besar butiran kristal akan semakin ductile sampel tersebut, sehingga kekuatan untuk mematahkannya semakin besar. Disini faktor elongasi lebih dominan menentukan kuat impaknya. Kecuali waktu tahan mulai 3 jam dan mulai 4 jam untuk o 0 tem~eratur austemper 300 C, 350 C dan o 400 C, 450 C, kuat impaknya turun drastis. Hal ini disebabkan karena austenit sudah bertransformasi menjadi ferit dan cementit. Kalau dibandingkan dengan hasil uji impak kondisi as cast nampak hasil uji impak, kondisi austemper lebih tinggi. Kecuali waktu tahan yang diberikan adalah 4 jam pada o 0 temperatur 300 C, 350 C dan waktu tahan 5 o jam pad a temperatur austemper 400 C, o 450 C. Hal ini juga disebabkan karena pada saat itu austenit metastabil sudah bertransformasi menjadi ferit dan cementit yang keras. Sedang kalau waktu tahan yang diberikan hanya sampai 3 jam dan 4 jam untuk o 0 temaperatur austemper 300 C, 350 C dan o 0 400 C, 450 C kuat impaknya lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena hasil austemper mempunyai keuletan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi as cast.
Hasil Uji Kekerasan
380
Ductile Iron 0.3% Mn (Mochammad
KESIMPULAN
280 2 Holding
5
•
Time (jam)
Gambar 10. Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap Kekerasan
HasH Uji Impak • <-,
14
<, '\
12 ~
10
g:::>'"
8
-"[
6
.§
4 2
.•..
-
...•....•.•
<,.\
,
~ .-..l
~
ri:
~ 30De 350C
austerrp austerrp
austerrp 400C
~usterTP 4.50C
o 2
-
I I 3
I 4
Gambar 11. Grafik Pengaruh Temperatur AustemperTerhadap Impak I~~IV
747U-;;JbtJU
•
5
0
Besi tuang hasil proses austemper 300 C 0 dan 350 C dengan waktu tahan 1, 2 dan 3 jam, sifat mekanik seperti kuat tarik, tegangan luluh dan kekerasan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena semakin banyak austenit bertransformasi menjadi ferit asikular dan austenit metastabil. 0 Pada temperatur austemper 400 C dan 0 450 C rata-rata kuat tarik, tegangan luluh dan kekerasan mengalami penurunan dengan waktu tahan 1,2,3 dan 4 jam. Hal ini juga karena adanya transformasi austenit menjadi ferit asikular dan austenit metastabil. Pada waktu tahan 4 dan 5 jam, pada 0 0 temperatur austemper 300 C dan 350 C terlihat adanya peningkatan pad a kuat tarik, tegangan luluh dan kekerasan. Kecenderungan ini juga nampak pada sampel yang mendapat perlakuan dengan 0 0 temperatur austemper 400 C dan 450 C dan waktu tahan 5 jam. Hal ini disebabkan 13
M.P.1. Vol.1 No.3. Desember2007,
8-14
karena austenit metastabil bertransformasi menjadi ferit
mulai dan
4
cementit.
Vlack,L.H.v.,Elements of Materials Science and Engineering, 4th edition,
University of Michigan, p. 426-428, 1998. 5
, The Structure and Composition
of Ductile Cast/ron,
BCIRA,1992 p.2.
DAFTAR PUSTAKA
1
2
3
14
Hughes,C.H.I., Ductile Iron, BCIRA International Centre for Cast Metals Technology, Great Britain. 1997 p.659. Karl,B.R., Heat Treating of Ductile Iron, Departement of Metallurgical and Materials Engineering, Michigan Technological University, p. 683-684, 1997 Race.J, and Stott,L., Practical Experience in the Austemperin of Ductile Iron, p. 105-109, 1997.
RIWAYAT PENULlS
Mochammad Ismail, lahir di Sampit (Kalimantan Tengah). Lulus Sarjana Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS) 1985. Program Pasca sarjana bidang Materials Science, Universitas Indonesia (UI) 1995. Sejak 1987 sampai sekarang bekerja sebagai peneliti di Deputi Bidang Teknologi Industri Rekayasa dan rancang Bangun BPPT.
ISSN 1410-3680
