PENGARUH WAKTU AUSTEMPERING TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN STRUKTUR MIKRO AUSTEMPERED DUCTILE IRON NON PADUAN DAN PADUAN 0,3% DAN 0,6% Mo Bayu Sasmita Yusuf Umardani Material ADI adalah perlakukan panas dari besi cor nodular yang mempunyai struktur mikro yaitu ausferrite, terdiri dari austenit karbon tinggi dan ferit bainitic grafit nodul yang menyebar. Struktur mikro unik ini menghasilkan sifat unggul ADI: kekuatan tinggi, ketangguhan, tahan aus dan machinability yang baik. Berdasarkan pada sifat-sifat tersebut, ADI secara luas digunakan pada mobil, truk, mesin berat, jalan kereta api dan berbagai aplikasi pada industri tambang Austempering merupakan proses perlakuan panas dengan performance tinggi yang apabila diaplikasikan pada besi cor nodular dapat meningkatkan kekuatan hingga 100 % bahkan lebih yang dikombinasikan dengan peningkatan ketangguhannya. Pada proses austempering besi cor nodular, material yang telah dipanaskan hingga suhu austenit di quench pada salt bath (KNO3 + NaNO2) yang telah dipanaskan mencapai suhu diatas martensit start, lalu material ditahan pada salt bath tersebut hingga bertrasformasi penuh yang kemudian di keluarkan dan didinginkan pada suhu ruang. Dalam penelitian ini adalah besi cor nodular yang dipadu dengan 0,3% dan 0.6% molibdenum, diaustenitisasi pada temperatur 850°C selama 120 menit dan diaustemper pada temperatur 300°C selama 1, 2 dan 4 jam. Lingkup dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh waktu austempering terhadap sifat mekanis (kekuatan tarik dan kekerasan) dan struktur mikro ADI. Kekuatan tarik dan kekerasan sangat dipengaruhi oleh struktur mikro, matrik yang terbentuk dan komposisi paduan. Dari pengujian dapat diambil nilai kekuatan dan kekerasan material uji (besi cor nodular) yang akan semakin meningkat apabila waktu austempering diberikan sampai dengan 2 jam baik dari kekuatan tarik maupun kekerasanya. Kemudian menurun kembali ketika material uji di austempering selama 4 jam. Kata Kunci : Ausferrite, Austempering, Besi cor nodular, Grafit nodul, Struktur mikro, Kekuatan tarik, Kekerasan. Pendahuluan Pada saat ini, perkembangan ilmu pengetahuan terutama dalam bidang material berkembang dengan semakin pesatnya. Hal ini ditandai dengan adanya material baru yang dihasilkan melalui proses kombinasi komposisi dan juga proses perlakuan pada suatu material. Yang mana proses-proses tersebut guna memenuhi kebutuhan akan material dengan kualitas tinggi yang sesuai dengan penggunaannya di berbagai bidang keteknikan. Sekarang telah dikembangkan suatu proses heat treatment yaitu austempering dimana proses tersebut diawali dengan memanaskan material sampai terbentuk fasa austenit lalu diquench pada media saltbath (KNO3 dan NaNO2) yang telah dipanaskan diatas suhu martensit start, kemudian ditahan sampai austenit bertransformasi penuh setelah itu didinginkan pada suhu ruang. Hal ini juga dapat memperbaiki sifat mekanis suatu material tersebut nantinya. Adapun material yang digunakan pada proses austempering yaitu berupa besi cor nodular (ductile iron), sehingga disebut austempered
ductile iron.. Besi cor nodular atau besi cor spheroid yaitu besi cor yang memiliki bentuk grafit bulat (spheroid). Besi cor bergrafit bulat atau nodular memiliki beberapa keunggulan bila dibandingkan dengan besi cor lainnya. Keunggulan itu antara lain, memiliki keuletan yang tinggi dibandingkan besi cor lainnya, hal ini karena bentuk grafit yang bulat memungkinkan penerimaan tegangan menyebar dan tidak terkonsentrasi. Machiability yang baik dan juga kekuatan yang baik, ketangguhan yang baik, hot workability dan hardenbility sehingga banyak menawarkan keuntungan. [Ref. 16 hal 556] Perlakuan panas Austempering mengubah ductile iron menjadi Austempered Ductile Iron (ADI), yang mempunyai keunggulan dalam kekuatan, ketangguhan dan sifat fatiqe. ADI lebih kuat dibandingkan dengan aluminium, lebih tahan gesek dibanding baja sehingga mempunyai potensi penghematan hingga 50%. [Ref.7 hal 1] Dengan beberapa keunggulan tersebut diharapkan pada penelitian ini didapatkan 1
kombinasi antara kekuatan dan ketangguhan besi cor nodular dengan peningkatan 100%. [Ref. 9 hal 1]
material. Akan tetapi proses perlakuan perlakuan panas yang berlebih juga tidak baik hal ini dapat dilihat dengan adanya penurunan nilai kekuatan tarik pada proses perlakuan panas selama 4 jam. Dan dari diagram diatas dapat diketahui pula bahwa penambahan unsur Molybdenum (Mo) pada besi cor dapat meningkatkan sifat mekanisnya. b. Uji Keras Histogram Nilai Kekerasan
Gambar.1 Skema latar belakang penelitian Untuk meningkatkan sifat mekanis dari hasil perlakuan panas ini dapat ditambahkan unsur paduan lain seperti Mo. Temperatur austemper adalah parameter terpenting untuk menentukan sifat mekanis ADI. Pada penelitian ini, dilakukan proses austemper dengan variasi waktu penahanan pada media salt balt selama 1, 2, dan 4 jam. Dan juga variasi penambahan unsur Mo yaitu 0,3 dan 0,6 %. Tujuan penelitian dengan judul “Pengaruh waktu Austempering terhadap Sifat Mekanis dan Struktur Mikro Austempered Ductile Iron Non Paduan dan Paduan 0,3% dan 0,6% Molybdenum (Mo)” ini adalah untuk mengetahui sifat mekanis dan mikrografi akibat pengaruh proses austemper sehingga dari hasil analisa ini material logam tersebut dapat digunakan dalam konstruksi mesin nantinya. Hasil a. Uji tarik Gambar.2 merupakan diagram perbandingan nilai kekuatan tarik ADI. Dari diagram di atas dapat di ketahui bahwa dengan penambahan unsur Molybdenum (Mo), maka nilai kekuatan tarik ADI akan semakin bertambah. Lama
Nilai Kekerasan (BHN)
360 320 280 240 200 160 120 80 40 0 0 Jam
1 Jam
2 Jam
4 Jam
216.2
240.36
217.72
242.03
Paduan 0.3% Mo
149.4
202.77
260.78
206.99
Paduan 0.6% Mo
251.84
288.48
316.89
300.76
Non Paduan
Lama Perlakuan
Gambar.3 Diagram Perbandingan Nilai Kekerasan ADI Gambar.3 merupakan diagram perbandingan nilai kekerasan ADI non paduan, paduan 0,3% Mo dan paduan 0,6% Mo. Dari diagram di atas dapat di ketahui bahwa dengan penambahan unsur Molybdenum (Mo), maka nilai kekerasan ADI akan semakin bertambah. Lama waktu austempering juga berpengaruh pada nilai kekerasan material. Proses austempering akan meningkatkan nilai kekerasan besi cor. Sama halnya dengan nilai kekuatan tarik, proses perlakuan panas yang berlebih yaitu 4 jam dapat menurunkan nilai kekersan dari material tersebut. c. Uji Metalografi Non Paduan
HOSTOGRAM NILAI KEKUATAN TARIK
Nilai Kekuatan Tarik (N/mm2)
600 500 400 300 200
Perbesaran 500x dan 1000 x tanpa perlakuan
100 0 0 Jam
1 Jam
2 Jam
4 Jam
Non Paduan
263.07
400.57
307.77
415.13
Paduan 0.3% Mo
117.39
157.9
158.73
152.94
Paduan 0.6% Mo
406.75
503.47
544.81
486.11
Lama perlakuan
Gambar.2 Diagram Perbandingan Nilai Kekuatan Tarik ADI
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 1 jam
waktu austempering juga berpengaruh pada nilai kekuatan tarik besi cor. Perlakuan panas austempering akan meningkatkan kekuatan tarik 2
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 2 jam Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 1 jam
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 4 jam Paduan 0,3% Mo
Perbesaran 500x dan 1000 x tanpa perlakuan
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 1 jam
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 2 jam
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 4 jam Paduan 0,6% Mo
Perbesaran 500x dan 1000 x tanpa perlakuan
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 2 jam
Perbesaran 500x dan 1000 x perlakuan 4 jam Analisa keseluruhan : Grafit dini dibagi menjadi 2 bentuk yaitu grafit nodular dan serpih. Grafit nodular ditunjukkan dengan bulatan yang berwarna hitam. sedangkan grafit serpig berbentuk serpih dan berwarna hitam Grafit merupakan bentuk stabil dari karbon murni yang memiliki karakteristik densitas rendah, kekerasan rendah, konduktivitas panas yang tinggi. Ferite merupakan fasa murni dalam besi cor yang memiliki karakteristik memberikan pengaruh rendahnya kekuatan dan kekerasan tetapi meningkatkan keuletan dan ketangguhan material. Pearlite merupakan struktur yang terbentuk dari reaksi eutektoid yang merupakan campuran lamelar cementit dalam sebuah matrik ferrite. Pearlite ini dapat meningkatkan kekuatan tetapi menurunkan keuletan material. Pada gambar terdapat bainite yang ditunjukkan dengan garis-garis hitam bersilangan yang menyerupai jarum. Munculnya bainit dalam proses austempering juga dapat di ketahui dari diagram time temperature transformation. Austenit sisa atau Retained austenit yang merupakan fasa austenite yang tertahan selama transformasi juga terlihat sehingga material tersebut masih mempunyai sifat ulet. Retained austenite ditunjukkan dengan warna terang. Kesimpulan dan Saran 1. Kesimpulan 1. Dari penelitian ini diperoleh data kekuatan tarik maksimal sbb :
3
Nilai kekuatan tarik tertinggi pada paduan 0,3% Mo pada perlakuan 2 jam sebesar 158.73 N/mm2 mengalami kenaikan kekerasan sebesar 35.2% dibandingkan dengan sebelum perlakuan. Sedangkan nilai kekuatan tarik tertinggi paduan 0,6% Mo juga pada perlakuan 2 jam sebesar 544.81 N/mm2 atau mengalami kenaikan sebesar 33.9% dibandingkan dengan sebelum perlakuan. Setelah itu nilai kekuatan tarik menurun. 2. Dari penelitian ini diperoleh data keras sbb :
Untuk paduan 0,3% Mo, nilai kekerasan tertinggi setelah perlakuan austempering selama 2 jam sebesar 260.78 BHN atau naik sebesar 74.6 % dibandingkan dengan sebelum perlakuan. Sedangkan untuk paduan 0,6 % Mo, juga akan mencapai kekerasan tertinggi setelah perlakuan 2 jam sebesar 316.89 BHN atau naik sebesar 26.0 % dibandingkan sebelum perlakuan. Akan tetapi setelah itu nilai kekerasan juga akan menurun. 3. Penambahan unsur Mo dapat meningkatkan nilai kekerasan hal ini dapat dilihat dengan penambahan unsur Mo nilai kekerasan semakin lama semakin meningkat 4. Berbeda halnya dengan proses heat treatment pada spesimen uji. Nilai kekerasan bertambah dengan nilai maksimal pada pemanasan selama 2 jam pada setiap spesimen uji dan kemudian menurun pada proses heat treatment berikutnya yaitu selama 4 jam. 5. Sifat mekanis paduan 0,3 % Mo mengalami penurunan dan kemudian naik pada paduan 0,6 %. Pada dasarnya penambahan Mo dapat meningkatkan sifat mekanis. Pada penelitian ini kemungkinan terdapat kesalahan pada saat pengecoran karena semua material uji
mengalami perlakuan yang sama selama penelitian. Dan untuk mengetahui penyebab turunnya sifat tersebut juga dapat dilihat melalui komposisi materialnya. 6. Perlakuan panas austempering akan meningkatkan sifat mekanis (nilai kekuatan tarik dan kekerasan) besi cor. Hal ini disebabkan karena terbentuknya bainit pada struktur mikronya selama proses austempering. 2. Saran 1. Sebaiknya proses pemindahan material dari furnace chamber ke salt balt dilakukan secepat mungkin. 2. Uji kekerasan hanya membutuhkan permukaan yang rata, jadi tidak perlu sampai menggunakan amplas yang halus. Sedangkan untuk melakukan pengujian metalografi sangat membutuhkan permukaan yang halus (mengkilat) selain permukaan yang rata. 3. Proses polishing sebaiknya tidak menggunakan autosol, karena autosol akan memberikan lapisan pada permukaan spesimen uji, sehingga akan menggangu proses pengamatan struktur mikro. Akan tetapi sebaiknya menggunakan alumina. harga alumina yang mahal dapat diganti dengan menggunakan pasta gigi yang mengandung alumina. 4. Untuk mendapatkan hasil gambar struktur mikro yang jelas maka lebih baik menggunakan pengujian SEM. 5. Untuk mendapatkan analisa yang tepat diperlukan pengujian komposisi.
DAFTAR PUSTAKA ASM Handbook Volume 1. Properties and Selection : Iron, Stell And High Performance Alloys, halaman 4, 88-89, 302-3161, 990. 2. Agus S, Yusuf U, Dwi B.W. Perbaikan sifat mekanis Besi Cor Kelabu dengan Penambahan Unsur Crom dan Tembaga, Teknik mesin Universitas Diponegoro, Semarang, 2005. 3. Angus, HT; 1976, Cast Iron Physicsl and Engineering Properties, Buttherworths,English 4. Bonjak, Branka., Radulovi, Branko., Effect Of Austempering Temperature On Microstructure And Mechanical Properties Of Unalloyed Ductile Iron, Faculty of Metallurgy and Technology University of Montenegro, Cetinjski, Yugoslavia ,1997 5. Callister Jr, William D., An Intoduction Material Science and Engineering, Third Edition, John Wiley & Sons. Inc, Singapore, 1994. 6. Dieter, G.E., Metalurgi Mekanik , Jilid I dan II, terjemahan Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta, 1992. 1.
4
7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
Ductile Iron Data for Design Engineers, Published by Rio Tinto Iron & Titanium Inc. 1990 Elgun Z. S. Time-Temperature-Transformation (TTT ) Diagram, 28 Oktober 1999. Hayrynen, K. L., The Production of ADI, Word Conference on ADI, 2002 International Molibdenum Association Janina M. Radzikowska, Metallography and Microstructures of Cast Iron, The Foundry Research Institute, Krakow, Poland Lawrence H. Van Vlack, Ilmu Dan Teknologi Bahan edisi kelima, Erlangga 1992. Miguel A.Y. Modeling The Microstrukture and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron, University of Cambrige, 2001. Miralles, Marc. Laser Hardening of Cutting Tool. Lulea University of Technology.2003) O.Eri, M.Jovanovi, L.Sidjanin and D. Rajnovi. Microstrukture And Mechanical Properties of CuNiMo.Austempered Ductile Iron.2003) Smith, William F., Principles of Material Science and Engineering, 3th edition,Mc Graw-Hill Inc,United State of America,1996 Surdia, Tata., Chinjiwa., Teknik Pengecoran Logam, PT. Prandya Paramita, Jakarta, 1995 Surdia, Tata., Saito, Shinroku., Pengetahuan Bahan Teknik, PT. Prandya Paramita, Jakarta, 1995. www.aditreatment.com www.advancecast.com/austempering-proces.htm Grafit Structures in Cast Irons.Elkem ASA, Foundry Division, Oslo Norwegia www.tech.farmingdale.edu/.../tttdiagram.html Austempered Ductile Iron Brandenberg, Kristin. Machining Austempered Ductile Iron Manufacturing Engineering May 2002 Vol. 128 No. 5 Applications Engineer, Applied Process Inc., Technologies Division, Livonia, MI
5
