Pengaruh Jumlah TDCR 5 Terhadap Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Pada Pembuatan Besi Cor Nodular FCD 450 (Produk Elastic Shoulder) 1
Ir. Sadino, M.T 1, Dr. Widyastuti, S. Si, M. Si 1, Dicky Febriantoro 2
Staff Pengajar Teknik Material dan Metalurgi ITS, 2Mahasiswa Teknik Material dan Metalurgi ITS e-mail :
[email protected]
ABSTRAK Elastic Shoulder merupakan produk dari besi cor nodular FCD 450 yang diproduksi melalui proses gravity casting.Sifat mekanik besi cor nodular FCD 450 dipengaruhi oleh komposisi kimia serta nodularity, Magnesium Ferrosilikon (TDCR 5) dapat mempengaruhi kualitas produk yang dihasilkan. Dalam penelitian ini pembuatan besi cor nodular FCD 450 dilakukan dengan memvariasikan jumlah TDCR-5.Variasi jumlah TDCR-5 yang dipakai yaitu 0.92%, 1.01%, 1.16%.Pengujian yang dilakukan adalah uji tarik, uji kekerasan dan pengamatan struktur mikro dengan menggunakan mikroskop optik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan jumlah TDCR-5 dengan komposisi 1.16% merupakan produk elastic shoulder terbaik yang memiliki nilai UTS (567.07 N/mm2), elongation (15.4%), kekerasan (170 HBN), 90% nodularity, nodul count 125 pcs/mm2, dan 85% ferrit Kata kunci: jumlah TDCR 5, sifat mekanik, struktur mikro, elastic shoulder, FCD 450.
ABSTRACT Elastic Shoulder is a product of nodular cast iron FCD 450 is produced by gravity casting process. The mechanical properties of nodular cast iron FCD 450 is influenced by chemical composition and nodularity, Magnesium Ferrosilikon (TDCR 5) can affect the quality of the product. Process of nodular cast iron FCD 450 varying by amount of TDCR 5.Variation of TDCR 5 amount used is 0.92%, 1.01%, 1.16%.Testing is done by tensile, hardness and metallography of microstructure using metallurgy microscope. The result of this research showed that the addition of TDCR-5 with a composition of 1.16% is the best shoulder elastic product which has a value of UTS (567.07 N/mm2), elongation (15.4%), hardness (170 HBN), 90% nodularity , 125 pcs/mm2 nodule count, and 85% ferrit.
Keyword: TDCR 5 amount, mechanical properties, micro structure, elastic shoulder, FCD 450
1
1. PENDAHULUAN Pada pengecoran dengan cetakan pasir ini banyak parameter yang berpengaruh terhadap sifat mekanik dan kualitas dari produk hasil coran, antara lain adalah komposisi logam cair yang akan mempengaruhi kualitas produk coran,salah satunya adalah bentuk grafit pada struktur mikro. Besi cor nodular memiliki bentuk grafit berupa bola-bola kecil (nodul), hal ini yang membedakan besi cor nodular dengan besi cor lainnya serta sifat mekanik yang dimiliki mendekati baja. Pada pembuatan besi cor nodular yang perlu diperhatikan adalah pembentukan grafit nodul yang terjadi yang dipengaruhi oleh proses Mg treatment. Penambahan unsur Mg yang digunakan berupa master alloy yaitu MagnesiumFerroSilikon (Mg-FeSi) atau dalam industri disebut TDCR-5 dilakukan dalam ladel dengan metode sandwitch, setelah itu ditahan beberapa waktu selanjutnya dilakukan pouring. Dalam penelitian ini digunakan material besi cor nodular FCD 450 produk Elastic Shoulder dengan jumlah TDCR 5 yang digunakan 0,92% ; 1,01%; 1,16%. Dengan dilakukannya penelitian ini, diharapkan dapat memberikan analisa mengenai perubahan sifat mekanik dan struktur mikro yang terjadi sehingga memenuhi standard JIS G5502 (UTS min 450 N/mm2, Elongation min10 %, kekerasan min 140 – 210HB). 2. TINJAUAN PUSTAKA 2. 1 Besi Cor Besi cor seperti halnya baja, pada dasarnya adalah paduan besi-karbon, dengan kadar karbon yang lebih tinggi, biasanya antara 2,5 - 4 % C. Keuletannya rendah, tidak dapat ditempa di roll, di drawing, satusatunya cara pembuatannya adalah dengan penuangan. Secara umum besi cor dapat dikelompokkan berdasarkan keadaan dan bentuk karbon yang terkandung di dalamnya menjadi empat golongan adalah sebagai berikut :
a. Besi tuang putih (white cast iron) dimana seluruh karbon berupa sementit. b. Besi tuang mampu tempa (malleable cast iron), dimana karbonnya berupa temper karbon, dengan matriks perlit dan ferrit. c. Besi tuang kelabu (grey cast iron), dimana karbonnya berupa grafit berbentuk flake (serpih) dengan matriks ferrit dan perlit. d. Besi tuang nodular (nodular cast iron), diman karbonnya berupa nodular graphite berbentuk bola dengan matriks ferrit dan perlit. (Avner,1987) . 2.2 Besi Cor nodular (FCD) Besi cor nodular juga dikenal dengan ductile iron. Spheroidal graphite iron (SG iron), atau spheroitic iron. Besi cor ini grafitnya berbentuk bola-bola kecil (spheroid) seperti ditunjukan pada Gambar 2.1. Karena grafitnya berbentuk spheroid yang padat (compact) menyebabkan kekuatan dan ketangguhannya lebih tinggi daripada besi cor kelabu dengan grafit berbentuk flake. ferrite perlite grafit bentuk bulat
Gambar 2.1 Struktur mikro besi cor nodular pembesaran (100X) 2.2.1 Pembekuan pada Besi Cor Nodular Pada besi cor nodular pembekuan grafit nodul dimulai pada temperatur yang lebih tinggi dari temperatur eutektik austenite grafit serpih, pada karbon ekuivalen yang sama. Dalam hal ini grafit bulat dikelilingi oleh austenit. Sehingga hanya ada satu fasa (austenit) yang kontak dengan cairan eutektik. Pertumbuhan grafit nodul ini terdapat dua pendapat yaitu : 1. Seiring laju pendinginan Grafit yang tumbuh karena selalu mencabang
2
sehingga membentuk nodul seperti pada Gambar 2.2 dibawah ini:
Gambar 2.2 Grafit nodul akibat percabangan 2. Terbentuk gelembung gas, kemudian grafit menempati rongga tersebut. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.3 dibawah ini :
Gambar 2.3 Pertumbuhan grafit nodul dari gelembung gas Dimana : A. Gelembung gas B. Serabut grafit C. Logam cair D. Besi yang sudah dipadatkan 2.2.2 Proses Pembuatan Besi Cor Nodular 2.2.2.1 Pencairan (melting) proses peleburan besi cor nodular diperlukan pengurangan unsur-unsur penting dalam proses pembulatan grafit. Bahan baku pada pembuatan besi cor nodular harus berkadar S rendah, karena kadar S yang tinggi akan mengurangi efektifitas penambahan Mg. Proses pencairan dapat dilakukan pada kupola ataupun dapur induksi 2.2.2.2 Tapping Tapping adalah proses penuangan logam cair dari tungku peleburan ke dalam ladle, sebelum tapping dilakukan pengukuran temperatur logam cair untuk memperoleh temperatur tapping yang tepat sehingga seluruh material dalam tungku dapat melebur secara sempurna. Untuk mengukur temperatur logam cair digunakan thermocouple
2.2.2.2 Desulfurisasi Desulfurisasi adalah proses yang perlu diperhatikan untuk mengurangi kadar belerang hingga mencapai dibawah 0.03 %. Kadar belerang yang tinggi lebih dari 0.03%akan mengganggu mekanisme pembulatan grafit karena sebagian unsur Mg (nodulizer) akan diikat oleh S membentuk MgS. 2.2.2.3 Proses pembulatan grafit (Nodularisasi) Unsur-unsur yang dapat berfungsi sebagai nodulizer (pembulat grafit) antara lain : Magnesium (Mg), Calsium (Ca), Cerium (Ce), Barium (Ba), dan paduanpaduannya.Mg murni mempunyai titik didih rendah dan tekanan uap tinggi, sehingga pencampuran secara langsung sangat berbahaya. Metoda sandwicth seperti pada Gambar 2.4 yaitu salah satu metoda dengan cara menempatkan paduan besi-magnesium (master alloy) pada dasar ladel pengolahan kemudian paduan ditutup dengan pelat baja atau serpihan besi untuk memperlambat waktu reaksi ketika logam cair dialirkan di atas master alloy tersebut. Logam cair Ladel Steel cover Master alloy
Gambar 2.4 Metoda sandwicth Jumlah kadar Magnesium dan pengaruhnya pada pembulatan grafit berkurang menurut waktu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 •Grafit bulat x Grafit tak bulat ∆Grafit setengah bulat
Gambar 2.5 Pengaruh waktu lewat terhadap pengembalian Mg 3
2.2.2.4 Inokulasi Inokulasi adalah penambahan logam lain atau paduan ke dalam cairan besi sebelum dituangkan.Inokulasi menyebabkan distribusi grafit yang merata di dalam struktur logam dan memperbaiki sifat-sifat mekanik. 2.2.2.5 Pouring Pouring adalah proses penuangan logam cair dari hand ladle ke dalam cetakan cetakan pasir yang sesuai dengan standar yang diinginkan. Sebelum dilakukan pouring dilakukan pengukuran temperatur logam cair untuk mengetahui bahwa temperatur logam cair telah sesuai dengan standar yang diinginkan sehingga dapat melebur dengan sempurna dan ditaburkan slag removal di atas logam cair untuk memastikan bahwa tidak ada pengotor. Kemudian dilakukan pengujian komposisi kimia dengan spectrometer untuk mengetahui apakah komposisi kimia logam cair telah memenuhi standar casting. 2.3 TDCR-5 TDCR-5 merupakan master alloy atau paduan Mg seperti pada Gambar 2.5, yang dipakai untuk pembulatan grafit.Mg murni mempunyai titik didih rendah dan tekanan uap tinggi, sehingga pencampuran yang langsung sangat berbahaya.Oleh karena itu Mg biasanya dipadu dengan unsur lain. Paduan Mg-Fe-Si ( 4-6 % Mg ) adalah bahan khas untuk pembulatan grafit.
2.1.Shoulder biasanya diikat dengan pandrol kemudian disambungkan ke rel kereta. Tabel 2.1 Sifat Mekanik Elastic Shoulder Tensile Strength (N/mm2)
450 min
Yield Strength (N/mm2)
290 min
Elongation (%)
10 min
Hardness (BHN)
140 - 210
Nodularity (%)
80
Nodule Count (pcs/mm2)
100
Ferrite (%)
70
. Berbeda dengan natural aging, pada proses artificial aging, paduan lewat jenuh hasil proses quenching dipanaskan kembali sampai temperatur tertentu dibawah garis solvus, dan ditahan sampai beberapa waktu tertentu. Pemilihan temperatur serta lama waktu proses penuaan amat berpengaruh pada hasil penguatan 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Percobaan 3.1.1
Hasil Pengujian Komposisi Kimia Melting
Tabel 3.1 Hasil Pengujian Komposisi Kimia Melting Komposisi Kimia
Gambar 2.5 Master Alloy TDCR-5
C
Si
P
S
Mn
Cr
Mg
3,77
1,56
0,077
0,028
0,21
0,074
0,00
2.4
Produk elastic shoulder Produk shoulder biasanya digunakan pada bantalan kereta api, fungsinya adalah pengikat sambungan rel dengan penghubung pandrol.Shoulder biasanya berupa elastic shoulder.Elastic shoulder merupakan besi cor nodular FCD 450 yang mempunyai karakteristik mekanik yang telah ditunjukkan pada Tabel 4
3.1.2 Hasil Pengujian Komposisi Casting Tabel 3.2 Hasil Pengujian Komposisi Kimia Casting TDCR
3.1.4 Hasil Pengujian Kekerasan (Hardness Test) Tabel 4.4 Hasil Pengujian Kekerasan TDCR (%)
Pengujian kekerasan (BHN)
Rata-rata
Komposisi Kimia (%)
(%)
C
Si
P
S
Mn
Cr
Mg
0,92
3,39
2,75
0,031
0,006
0,492
0,065
0,034
1,01
3,55
2,76
0,031
0,007
0,480
0,065
0,038
1,16
3,48
2,76
0,042
0,006
0,491
0,065
0,044
I
II
III
0,92
163
165
163
163,67
1,01
163
165
165
164,33
1,16
170
170
170
170
3.1.3 Hasil Pengujian Tarik (Tensile Test) Tabel 4.3 Hasil Uji Tarik TDCR (%)
UTS (N/mm2)
Elongation (%)
0,92
516,59
14,2
1,01
522,45
14,8
1,16
567,07
15,4
Gambar 3.3 Grafik % TDCR 5 terhadap kekerasan (BHN) 3.1.5 Hasil Pengujian Struktur Mikro 3.1.5.1 Hasil Pengujian Tanpa Etsa Grafit
Gambar 3.1 Grafik % TDCR 5 terhadap nilai UTS (N/mm2)
Gambar 3.4 Struktur mikro TDCR-50,92%, 80% nodularity, 109 pcs/mm2 (Non etsa,100X) Grafit
Gambar 3.2 Grafik % TDCR 5 terhadap Elongation (%)
Gambar 3.5 Struktur mikro TDCR-5 1,01%, 82% nodularity, 117 pcs/mm2 (Non etsa, 100X)
5
Grafit
Gambar 3.6 Struktur mikro TDCR-5 1,16%, 90% nodularity
3.1.5.2 Hasil Pengujian Dengan Etsa Ferrite Grafit
Pearlite
Gambar 3.7 Struktur mikro TDCR-5 0,92% 80% ferrite (Etsa 4% Nital,100x)
Ferrite
Grafit Pearlite
Gambar 3.8 Struktur mikro TDCR-5 1,01% 82% ferrite (Etsa 4% Nital,100x)
Ferrite Grafit Pearlite
Gambar 3.9 Struktur mikro TDCR-5 1,16% 85% ferrite (Etsa 4% Nital,100x)
3. 2 Pembahasan Komposisi kimia melting dan casting pada pengujian spektrometer telah memenuhi target dan standart yang telah ditetapkan oleh perusahaan. Bahwa nilai UTS yang didapat menunjukan kenaikan yang, seiring dengan bertambahnya jumlah TDCR-5. Nilai UTS yang tertinggi didapat pada jumlah TDCR-5 1,16% yaitu 567,07 N/mm2, sedangkan nilai yang terendah diperoleh pada jumlah TDCR-5 0,92% yaitu 516,59 N/mm2. nilai elongation tertinggi yaitu TDCR-5 1,16% (15,4%) dan yang terendah TDCR-5 0,92% (14,2%). Faktor-faktor yang mempengaruhi keuletan (%ε) yaitu struktur mikro, komposisi kimia dan juga bentuk grafit. Distribusi kekerasan pada material uji tidaklah merata, karena laju pendinginan saat pengecoran berlangsung tidak merata, karena pendinginan hanya dilakukan dengan terserapnya panas oleh cetakan pasir sehingga laju pembekuannya lebih lambat dan kekerasannya akan lebih lunak dibandingkan dengan bagian yang mendekati permukaan luar material. Angka kekerasan tertinggi terdapat pada TDCR-5 1,16% yaitu 170 BHN, dan angka kekerasan terendah terdapat pada TDCR-5 0,92% yaitu 163,67 BHN. Pada besi cor nodular khususnya FCD 450 bentuk grafit yang terbentuk ukuran(6-12mm).Seiring bertambahnya jumlah TDCR-5 terjadi pula perubahan ukuran grafit.Bentuk dan ukuran grafit ini sangat mempengaruhi kekuatan tarik, keuletan serta kekerasan suatu material. Semakin besar % nodularity yang dihasilkan semakin mempengaruhi kekuatan tarik dan keuletannya.Konsentrasi tegangan pada grafit berbentuk nodul sangat kecil 82%ferrite maka (Etsa 4% Nital, 100X) sehingga semakin besar nodularitinya kekuatan tarik dan keuletannya semakin tinggi.Pada TDCR-5 1,16% menunjukkan % nodularity yang tertinggi (90% nodularity), sedangkan yang terendah dapat ditunjukkan pada TDCR-5 0,92% (80% nodularity). Nodul count menunjukkan jumlah grafit nodul setiap mm2 (pcs/mm2). Jumlah nodul count yang terjadi pada struktur mikro suatu material mempengaruhi keuletan.Pada 6
TDCR-5 1,16% menunjukkan jumlah nodul count terbesar (125 pcs/mm2), sedangkan yang terendah dapat ditunjukkan pada TDCR-5 0,92% (109pcs/mm2). Hasil pengamatan struktur mikro pada spesimen uji yang telah dietsa dengan nital 4 % menunjukkan terbentuknya matriks ferrit dan perlit.Dengan adanya matriks ferrit besi cor nodular mempunyai keuletan yang tinggi, matriks yang terbentuk adalah 80% ferrit, 82% & 85% ferrit. . 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian dan analisa data yang telah dilakukan maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Berdasarkan hasil pengujian kekerasan, diperoleh nilai kekerasan terendah adalah penambahan TDCR-5 dengan komposisi 0,92% dihasilkan nilai kekerasan sebesar 163,67 BHN.Sedangkan kekerasan tertinggi diperoleh pada penambahan TDCR-5 dengan komposisi 1,16% dihasilkan nilai kekerasan sebesar 170 BHN. 2. Berdasarkan hasil pengujian tarik diperoleh nilai UTS dan elongation terendah pada penambahan TDCR-5 dengan komposisi 0,92% dihasilkan nilai UTS sebesar 516,59 N/mm2 dan elongation sebesar 14,2%.Sedangkan nilai UTS dan elongation tertinggi pada penambahan TDCR-5 dengan komposisi 1,16% dihasilkan nilai UTS sebesar 567,07 N/mm2 dan elongation sebesar 15,4%. 3. Berdasarkan hasil pengujian strukturmikro, pada penambahan TDCR5 dengan komposisi 0,92% dihasilkan nodularity sebesar 80% dan 80% ferrite, penambahan TDCR-5 dengan komposisi 1,01% dihasilkan nodularity sebesar 82% dan 82% feriite, penambahan TDCR-5 dengan komposisi 1,16% dihasilkan nodularity 90% dan 85% ferrite..
DAFTAR PUSTAKA Avner, Sidney H. 1987. Introduction to Physical Metallurgy, Second Edition. McGraw-Hill International Book Company, Tokyo. Bailey,
A.R. 1967. A Text-Book Of Metallurgy, London : Macmillan & co ltd.
Banga, T.R, R.L. Agarwal, dan T. Manghnani. 1981. Foundry Engineering. New Delhi : Khanna Publisher. Gupta,
Prof. R. B. 1989. Foundry Engineering, New Delhi : Satya Prakashan.
Hiene, richard w, Carl R Loper Jr, and Philip C Rosenthal 1987. Principle of Metal Casting, New Delhi : Tata McGraw-Hill. Nayar, Alok. 1997. The Metals Book. New Delhi : Tata McGraw-Hill. Surdia, Tata dan kenji Chijiwa. 1996. Teknik Pengecoran Logam. Jakarta : PT Pradnya Paramitha ……..., ASM Metals Handbook Vol 15. 1988. Casting. ..........., Balai Besar Pengembangan Industri Logam dan Mesin. 2001. Metallography. Bandung. ..........., Balai Besar Pengembangan Industri Logam dan Mesin. 2001. Pengetahuan Bahan Cor Serta Klasifikasi Besi CorPaduan. Bandung. ..........., Balai Besar Pengembangan Industri Logam dan Mesin. 2001. Pengujian Sifat Mekanik Logam. Bandung. ……...,
JIS Handbook Vol 6. 2006. Spheroidal Graphite Iron Casting.
7
