Seminar Nasional Teknik Mesin 6 16 Juni 2011 , Surabaya, Indonesia
PENGARUH WAKTU PEMINDAHAN SELAMA PROSES AUSTEMPERING TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK BESI TUANG NODULAR FCD 500 Indra Sidharta, Wajan Berata Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111 Email:
[email protected] Abstrak Austempered ductile iron (ADI) merupakan material inovatif dari keluarga besi tuang nodular. Material ADI memiliki sifat mekanik yang lebih baik daripada besi tuang nodular konvensional pada umumnya. Pembuatan material ADI melibatkan proses pemanasan pada temperatur austenite yang dilakukan dalam dapur pemanas konvensional lalu dilanjutkan dengan perlakuan panas austempering yang dilakukan didalam dapur salt bath. Karakter akhir material ADI, baik struktur mikro dan sifat mekanik dipengaruhi oleh beberapa faktor penting seperti komposisi kimia, temperatur, dan waktu. Namun, pada aplikasi dilapangan terdapat satu variabel yang sering diabaikan pada proses pembuatan ADI, yaitu waktu pemindahan spesimen dari dapur pemanas ke dapur salt bath, atau biasa disebut dengan transfer time. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh waktu pemindahan terhadap struktur mikro dan sifat mekanik akhir dari besi tuang nodular yang diberi perlakuan austempering. Penelitian dilakukan dengan menggunakan besi tuang nodular FCD 500 yang dapat dikategorikan sebagai unalloyed nodular cast iron sebagai spesimen percobaan. Mula-mula spesimen FCD 500 dipanaskan sampai temperatur austenisasi 900 °C, lalu ditahan pada temperatur tersebut selama 60 menit. Selanjutnya material dipindahkan dari dapur austenisasi ke dapur salt bath untuk proses austempering, dengan variasi waktu pemindahan yang berbeda, yaitu 15, 68, 120 detik. Perlakuan panas austempering dilakukan pada temperatur 316 °C selama 60 menit, kemudian spesimen didinginkan di udara ambien. Pengujian metalografi dilakukan untuk mempelajari pengaruh waktu pemindahan terhadap struktur mikro. Uji kekerasan dan uji impact dilakukan untuk mempelajari sifat mekanik dari spesimen FCD 500 setelah dikenai perlakuan austempering. Data pengujian kemudian dianalisa sehingga diperoleh korelasi antara waktu pemindahan selama pembuatan material ADI, dengan struktur mikro, kekerasan dan energi impact. Hasil pengujian menunjukkan bahwa dengan semakin lama waktu pemindahan yang digunakan, cenderung mengakibatkan penurunan nilai kekerasan dan energi impact. Hal tersebut diakibatkan kerena menurunnya jumlah struktur bainite yang terbentuk seiring dengan bertambahnya waktu penambahan. Selain itu, waktu penahanan yang lebih lama menyebabkan terbentuknya struktur pearlite sehingga nilai kekerasan dan energi impact menurun.. Kata kunci : austempered ductile iron, austempering, waktu pemindahan, bainite, pearlite.
14. PENDAHULUAN Austempered Ductile Iron (ADI) merupakan material baru dari keluarga besi tuang nodular yang memiliki keunggulan sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi [1, 2]. Dengan keunggulan tersebut, ADI menjadi material alternatif untuk industri otomotif, pertanian, dan alat berat [3, 4]. Material ADI diproduksi melalui perlakuan panas austempering pada besi tuang nodular. Proses
austempering meliputi pemanasan besi tuang nodular pada temperatur daerah austenite (austenisasi) lalu ditahan dengan rentang waktu tertentu. Pada temperatur tersebut, semua fase dan grafit menjadi terlarut dalam austenite. Tahap selanjutnya adalah austempering, yaitu proses pendinginan dari temperatur daerah austenite sampai dengan temperatur austempering tertentu lalu ditahan dengan rentang waktu tertentu. Besi tuang nodular akan mengalami dua tahap transformasi pada saat penahanan di temperatur
165
Seminar Nasional Teknik Mesin 6 16 Juni 2011 , Surabaya, Indonesia
austempering [2, 5]. Tahap pertama merupakan tahap dekomposisi dari austenite menjadi bainitic ferrite dan austenite kaya karbon. Perpaduan dua struktur mikro tersebut dikenal dengan nama ausferrite dan merupakan struktur mikro yang bertanggung jawab atas keunggulan sifat mekanik yang dimiliki oleh ADI. Transformasi pada tahap kedua terjadi ketika material ditahan terlalu lama pada temperatur austempering, sehingga austenite kaya karbon akan terdekomposisi menjadi menjadi bainitic ferrite dan karbida yang akan menurunkan keuletan dari ADI. Dari uraian proses austempering tersebut terlihat dengan jelas bahwa temperatur dan waktu berpengaruh terhadap sifat mekanik akhir dari ADI. Selain itu, unsur paduan akan mempengaruhi kemampuan suatu besi tuang nodular untuk diberi perlakuan austempering [6]. Namun, pada aplikasinya didunia industri terdapat satu faktor yang sering diabaikan yaitu transfer time, atau waktu pemindahan material dari lingkungan austenisasi menuju ke dapur salt bath.
Tabel 1. Komposisi kimia spesimen FCD 500
Unsur C Si Mn Cr S P Cu Mg
Jumlah (% Berat) 3.51 2.6 0.23 0.024 0.008 0.022 0.175 0.046
Pengamatan struktur mikro, pengujian impact dan pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui pengaruh waktu penahanan yang berbeda terhadap karakteristik akhir dari spesimen FCD 500 setelah austempering. Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan uji metalografi standar dengan menggunakan etching reagent nital 2%, lalu spesimen diamati dengan mikroskop optik Olympus. Pengujian impact dilakukan dengan metode Charpy menggunakan spesimen tanpa takikan pada temperatur kamar. Pengujian kekerasan dilakukan pada permukaan spesimen dengan menggunakan metode Brinnel.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh waktu pemindahan terhadap struktur mikro dan sifat mekanik dari besi tuang nodular yang diberi perlakuan panas austempering. 2. METODE PENELITIAN Besi tuang nodular FCD 500, yang dapat dikategorikan sebagai besi tuang nodular tanpa paduan (unnaloyed nodular cast iron), digunakan sebagai material uji (spesimen) pada penelitian ini. Besi tuang FCD 500 diperoleh dari hasil pengecoran oleh PT. PARIN Indonesia dalam bentuk standard Y-Block yang ditunjukkan oleh Gambar 1, sesuai dengan JIS G5502 [7]. Komposisi kimia dari spesimen ditunjukkan pada Tabel 1. Spesimen untuk analisa diambil dari bagian bawah Y-Block yang kemudian dibentuk menjadi spesimen uji impact sesuai dengan
17. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Struktur mikro spesimen FCD 500 pada kondisi as-cast ditunjukkan pada Gambar 2. Struktur mikro dari spesimen kondisi as-cast membentuk morfologi yang umum disebut sebagai struktur “bulls eye”, dimana grafit bentuk nodul dikelilingi oleh fase ferrite, dan memiliki matriks fase pearlite yang merupakan fase dalam jumlah terbanyak pada spesimen kondisi as-cast. Gambar 3 menunjukkan struktur mikro spesimen FCD 500 setelah mengalami proses austempering dengan variasi waktu pemindahan yang berbeda. Pada gambar tersebut, grafit
Gambar 1. Dimensi dari standard Y Block. Satuan dalam mm. Spesimen diambil dari bagian bawah YBlock.
standar JIS [7]. Mula-mula, spesimen diaustenisasi pada temperatur 900 °C selama 60 menit. Selanjutnya spesimen dipindahkan ke dapur salt bath yang berisi campuran garam KNO3 dan NaNO3 dengan perbandingan 6 : 9, untuk proses austempering. Waktu pemindahan divariasikan menjadi 15, 68, dan 120 detik selama pemindahan spesimen dari dapur austenisasi ke dapur salt bath. Proses austempering dilakukan pada temperatur 316 °C selama 60 menit. Proses pendinginan akhir dilakukan dengan pendinginan udara.
Gambar 2. Struktur mikro spesimen FCD 500 pada kondisi as-cast. Grafit berbentuk nodul (bentuk bulat warna hitam) dikelilingi oleh fase ferrite (daerah berwarna putih), dan matriks adalah fase pearlite (daerah berwarna gelap). Perbesaran 500X.
nodul tidak terlihat sebagai grafit bulat berwarna hitam, melainkan ditunjukkan sebagai lubanglubang. Hal tersebut mungkin terjadi dikarenakan oleh terlepasnya grafit pada saat proses grinding dan polishing. Jelas terlihat pada bahwa spesimen FCD 500 mengalami transformasi fase selama proses
166
Seminar Nasional Teknik Mesin 6 16 Juni 2011 , Surabaya, Indonesia
austempering. Spesimen dengan waktu pemindahan 15 detik (Gambar 3(a)) memperlihatkan suatu struktur mikro lower bainite, dimana jelas terlihat struktur yang menyerupai jarum-jarum warna hitam (dark needle). Penelitian terdahulu oleh Sidharta dan Berata [8] menunjukkan bahwa material besi tuang nodular tanpa paduan cenderung menghasilkan struktur lower bainite pada range temperatur austempering 300 °C. Waktu pemindahan yang lebih lama membawa perubahan morfologi pada fase bainite dan jumlahnya. Spesimen dengan waktu pemindahan
68 detik (Gambar 3(b)) memiliki morfologi bainite yang sedikit berbeda dibandingkan dengan spesimen dengan waktu pemindahan 15 detik. Struktur bainite yang terbentuk memiliki morfologi yang menyerupai struktur inverse bainite, dimana inverse bainite adalah struktur yang memiliki fase dominan cementite [9]. Tidak seperti struktur bainite konvensional, fase yang pertama kali terbentuk pada struktur inverse bainite adalah cementite berbentuk plat (plat-like cementite) yang tumbuh langsung dari austenite. Selanjutnya, fase tersebut akan dikelilingi oleh fase ferrite, dan eutectic mixture yang terdiri dari ferrite dan karbida dengan
Gambar 3. Struktur mikro spesimen FCD 500 setelah proses austempering dengan menggunakan waktu pemindahan yang berbeda. Perbesaran 500X. (a) Spesimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan 15 detik. (b) Spesimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan 68 detik. (c) Spesimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan 120 detik.
morfologi non lamellar. Mekanisme transformasi inverse bainite secara umum bersifat teori dan perlu penelitian yang lebih lanjut. Spesimen dengan waktu pemindahan 120 detik (Gambar 3(c)) menghasilkan struktur inverse bainite ditunjukkan oleh struktur berwarna gelap. Daerah dengan warna lebih terang kemungkinan merupakan fase ferrite atau austenite, dan dibutuhkan pengujian lebih lanjut untuk memastikannya. Perbedaan yang signifikan pada spesimen dengan waktu pemindahan 120 detik dibandingkan dengan spesimen dengan waktu pemindahan yang lebih cepat, adalah terbentuknya fase pearlite yang ditunjukkan secara lebih detil pada gambar 4. Terbentuknya fase pearlite ini akan menghasilkan perubahan sifat mekanik pada sifat akhir spesimen FCD 500 setelah austempering. Sifat mekanik, dalam hal ini kekerasan dan energi impact, dari spesimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 5. Secara umum, kekerasan dan energi impact spesimen kondisi as-cast mengalami peningkatan yang signifikan setelah mengalami proses
austempering. Peningkatan tersebut terjadi karena selama selama proses austempering terjadi transformasi pada struktur mikro spesimen as-cast, menghasilkan struktur lower bainite sehingga sifat mekanik akhir meningkat. Pengaruh waktu pemindahan terhadap sifat mekanik terlihat jelas pada Gambar 5. Perubahan nilai kekerasan dan energi impact yang terjadi bila waktu pemindahan yang digunakan 15 dan 68 detik terlihat tidak signifikan dan cenderung konstan.
Gambar 4. Struktur mikro specimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan 120 detik. Struktur pearlite ditunjukkan oleh anak panah. Perbesaran 500X.
167
Seminar Nasional Teknik Mesin 6 16 Juni 2011 , Surabaya, Indonesia Spesimen dengan waktu pemindahan 120 detik menghasilkan nilai kekerasan dan energy impact yang terendah. Fenomena tersebut mengindikasikan bahwa pembentukan pearlite akibat panjangnya waktu pemindahan menjadi mekanisme penyebab terjadinya penurunan sifat mekanik akhir seperti yang sudah dijelaskan pada paragraph sebelumnya.
Gambar 5. Sifat mekanik dari spesimen FCD 500 setelah austempering dengan waktu pemindahan yang berbeda.
Hal tersebut sesuai dengan struktur mikro yang dihasilkan oleh spesimen dengan waktu penahanan 15 dan 68 detik. Hanya terjadi perubahan morfologi dari struktur bainite, sehingga nilai penurunan sifat mekanik sangat kecil sehingga dapat disimpulkan tidak signifikan. Penurunan kekerasan dan energi impact yang drastis terjadi ketika waktu pemindahan diperpanjang sampai dengan 120 detik. Penurunan tersebut terjadi karena jumlah struktur bainite yang terbentuk semakin menurun. Selain itu, terbentuk struktur pearlite pada spesimen FCD 500 hasil austempering dengan waktu penahanan 120 detik, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5. Struktur pearlite memiliki kekerasan yang lebih kecil dibandingkan dengan struktur bainite [10]. Hasil penelitian Toktaş dan kawan-kawan [10] juga menunjukkan bahwa besi tuang nodular dengan matriks pearlitic menghasilkan energi impact yang lebih rendah daripada besi tuang nodular yang bermatriks bainitic. Terbentuknya struktur pearlite pada specimen FCD 500 dengan waktu penahanan 120 detik berhubungan dengan penurunan jumlah struktur bainite. Gambar 6 mengilustrasikan proses austempering pada diagram isothermal besi tuang nodular. Austempering ideal, ditunjukkan oleh garis hitam, hanya memanfaatkan transformasi tahap 1 dimana austenite akan berubah menjadi bainite dan austenite kaya karbon. Namun dari ilustrasi tersebut juga dapat dilihat bahwa dengan penggunaan waktu penahanan yang terlalu lama, spesimen akan mengalami kontak dengan udara ambien dan dapat diasumsikan mengalami pendinginan udara. Apabila waktu berada di udara ambient cukup lama, maka kurva laju pendinginan dari spesimen dapat menyentuh kurva transformasi pearlite, sehingga sebagian austenite berubah menjadi pearlite, seperti diilustrasikan oleh garis putus-putus warna biru bagian a. Setelah waktu penahanan tersebut diatas, spesimen dipindahkan ke dalam larutan salt bath (garis putus-putus warna biru bagian b) untuk proses austempering. Selama proses austempering ini, austenite yang tidak berubah menjadi pearlite akan terdekomposisi menjadi bainite dan austenite kaya karbon, sehingga struktur akhir spesimen adalah pearlite, bainite, dan austenite kaya karbon. Apabila waktu pemindahan semakin lama, maka jumlah pearlite yang terbentuk meningkat dan akibatnya, bainite yang terbentuk pada saat austempering akan menurun. Penurunan jumlah bainite yang terbentuk akan mempengaruhi sifat mekanik akhir dari spesimen.
Gambar 6. Skema proses austempering diilutrasikan pada diagram IT besi tuang nodular [11]. Garis kurva hitam menunjukkan proses austempering ideal, dimana a: quenching, b: isothermal holding (austempering), dan c: pendinginan sampai temperatur kamar. Garis putus-putus warna biru menunjukkan austempering dengan waktu pemindahan yang cukup lama, dimana a: pemindahan, b: quenching, c: isothermal holding (austempering) dan d: pendinginan sampai temperatur kamar.
Gambar 7. Skema proses austempering dengan waktu pemindahan yang relatif panjang, diilustrasikan pada diagram IT besi tuang nodular [11].
Penurunan energi impact yang drastis pada spesimen dengan waktu pemindahan 120 detik dapat dijelaskan melalui kombinasi pembentukan pearlite dan karbida seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7. Gambar 7 menunjukkan kurva laju pendinginan proses austempering dengan waktu pemindahan yang berbeda, digambarkan pada diagram IT besi tuang nodular. Waktu penahanan yang panjang akan mengakibatkan terbentuknya pearlite, sehingga jumlah bainite yang terbentuk pun akan berkurang dan sifat mekanik akhir menurun seperti yang diilustrasikan oleh garis putus-putus warna biru. Apabila waktu pemindahan diperpanjang lagi, maka jumlah pearlite yang terbentuk akan meningkat seperti yang ditunjukkan oleh garis nyata warna biru. Selain itu, jika waktu austempering yang digunakan adalah sama, maka pada spesimen
168
Seminar Nasional Teknik Mesin 6 16 Juni 2011 , Surabaya, Indonesia dengan waktu pemindahan terlama akan menyentuh daerah transformasi tahap 2, dimana austenite kaya karbon akan terdekomposisi menjadi karbida. Struktur karbida hasil transformasi tahap 2 dapat mengakibatkan penurunan energi impact [5]. Fenomena tersebut terjadi pada spesimen dengan waktu penahan 120 detik, dimana nilai energi impact menurun drastis, bahkan lebih rendah dibandingkan dengan spesimen kondisi as-cast. Penelitian lebih lanjut diperlukan sebagai validasi apakah karbida sudah terbentuk pada spesimen dengan waktu pemindahan 120 detik.
[3]
[4]
[5] 18.
KESIMPULAN
Waktu pemindahan berpengaruh terhadap struktur mikro dan sifat mekanik akhir dari besi tuang nodular yang diberi perlakuan austempering. Secara umum, semakin lama waktu pemindahan maka sifat mekanik kekerasan dan energi impact juga menurun. Penurunan nilai kekerasan dan energi impact diasosiasikan dengan terbentuknya struktur pearlite selama proses austempering spesimen besi tuang nodular FCD 500. Spesimen dengan waktu penahanan 120 detik menghasilkan energi impact yang lebih rendah dibandingkan dengan spesimen kondisi as-cast. Hal tersebut diakibatkan karena spesimen dengan waktu penahanan 120 detik mengalami transformasi tahap 2 selama austempering dimana austenite kaya karbon berubah menjadi karbida sehingga energi impact menurun. 19.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Francucci G., Sikora J. dan Dommarco R., Abrasion Resistance of Ductile Iron Austempered by the Two-Step Process, Materials Science and Engineering A, 485, 46-54, 2008. [2] Yang J. dan Putatunda S. K., Improvement in Strength and Toughness of Austempered Ductile Cast Iron by a Novel Two-Step
[6]
[7]
[8]
[9] [10]
[11]
Austempering Process, Materials and Design, 25, 219-230, 2004. Tun T. dan Lwin K. T., Optimizing the Microstructure and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron for Automobile Differential Gear, Journal of Metals, Materials and Minerals, 18, 199205, 2008. Zimba J., Simbi D. J. dan Navara E., Austempered Ductile Iron: An Alternative Material for Earth Moving Components, Cement & Concrete Composites, 25, 643649, 2003. Bosnjak B., Radulovic B., Pop-Tonev K. dan Asanovic V., Microstructural and Mechanical Characteristics of Low Alloyed Ni–Mo–Cu Austempered Ductile Iron, ISIJ International, 40, 1246–1252, 2000. Erić O., Rajnović D., Zec S., Sidjanin L. dan Jovanović M. T., Microstructure and Fracture of Alloyed Austempered Ductile Iron, Materials Charaterization, 57, 211217, 2006. Japanese Standards Association, JIS Handbook Ferrous Materials and Metallurgy, Japanese Standards Association, 2008. Sidharta I. dan Berata W., Karakter Mekanik dan Struktur Mikro FCD 500 Hasil Austempering dalam Pembuatan Austempered Ductile Iron, Seminar Nasional Teknologi Industri XIII, 506-1 506-8, 2007. Bhadeshia H. K. D. H., Bainite in Steels, 2nd Edition, IOM Communications Ltd, 2001. Toktaş G., Tayanç M. dan Toktaş A., Effect of Matrix Structure on the Impact Properties of an Alloyed Ductile Iron, Materials Characterization, 57, 290-299, 2006. Key to Metals, Heat Treating of Nodular Irons, 05 Juni, 2011,
169
