Studi Pengaruh Normalisasi Terhadap Slfat Mekanik don Tegangan S;sa padaBesi Cor Nodular FCD 60 ( Muhamnuid Hlkam)
STUDI PENGARUH NORMALISASI TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN TEGANGAN SISA PADA BESI COR NODULAR FCD 60
Muhammad Hikaml,DonantaDhaneswara1dan NursetiadiPamungkasl IJurusan Fisika FMIPA Universitas Indonesia, Depok 16424 2JurusanMetalurgi Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424
ABSTRAK STUDI PENGARUH NORMALISASI TERHADAP SIF AT MEKANIK DAN TEGANGAN SISA P ADA BESI COR NODULAR FCD 60. Pads proses pengecoran besi cor nodular FCD 60 ads kemungkinan terjadi tegangan sisa yang tinggi karena pads saat pendinginan terjadi gradien termal antara permukaan daD inti. Proses normalisasi pads besi cor nodular FCD 60, meliputi pemanasan awal padatemperatur 600 °C dengan penahanan selama 30 men it, untuk menghindari terjadinya crack sebagai akibat temperatur kejut. Kemudian pemanasan austcnisasi pada temperatur 900 °C dengan penahanan selama 60 menit, untuk kemudian dilakukan pending inan di udara terbuka hingga tempcratur kamar. Pengukuran tegangan slsa berdasarkan pads data difraksi sinar-x pads perubahanjarak bidang kisi yang bersangkutan antara kondisi as cast dengan kondisi hasil normalisasi. Hasil akhir dari penelitian ini memperlihatkan, besi cor nodular FCD 60 dengan perlakuan normalisasi mengalami kenaikan UTS (ultimate tensile strength) dari 76,97 kg/mm2 menjadi 96,55 kg/rom atau sebesar 25,4 %, dan e (regangan) dari 5,46% menjadi 7,60% atau sebesar 39,2 % daD kekerasan dari 252 BHN menjadi 275 BHN atau sebesar 9, 1 %, dengan teljadi penurunan tegangan mikro or sebesar 209,524xlO3 psi dengan nilai renggangan E. sebesarO,Ol2397.
ABSTRACT STUDY OF THE NORMALIZATION EFFECT TO THE MECHANICAL PROPERTIES AND RESIDUAL STRESS OF NODULAR IRON CAST FCD 60. In the casting process of nodular iron FCD 60, a residual stress could occur in the cooling period due to thermal gradient between the surface and the core. Normalisation process of the nodular iron cast includes pre-heating at 600 °C held for 30 minutes to avoid cracking due to abrupt temperature change; followed by austenation heating at 900 °C held for 60 minutes, and finally cooling in open air. Residual stress measurement is conducted base on x-ray diffraction data at the corresponding hkl-planes, measured as cast and after normalisation.. The result shows that the UTS (ultimate tensile strength) of nodular iron cast FCD 60 with normalisation increased from 76.97 kg/mm2to 96.55 kg/mm or about 25.4 %, and the strain (e) increased from 5.46%to 7.60% or about 39.2 % while its hardness also increase from 252 BHN to 275 BHN or about 9.1 %. And the contrary, the micro stress °y decreased about 209.524x103 psi with strain E.0.012397. Kata kunci: Strain Mikro, Besi Cor Nodular, XRD
PENDAHULUAN Besi cor nodular, setelah mengalami austemper dikenal sebagai Austempered Ductile Iron (AD))!I] banyak digunakanuntuk membuatkomponen-komponen kendaraan bermotor seperti pores engkol (crankshaft), katup mesin (valve), juga merupakan komponenkomponen pads bidang konstruksi,pertanian daDmiliter. Material ini memerlukan sifat-sifat mekanis yang balk seperti kekuatan, keuletan, daDketangguhan yang tinggi tanpa harus disertai penurunan kemampuan mesin. Bila hal ini telah dicapai tidak tertutup kemungkinan untuk beberapa waktu mendatang ADI akan dapat menggeser peranan baja. Austenitekarbon tinggi cukup stabildalam zat ini, sedangkan pads baja austenite SiBSyang terbentuk tidak stabil. Pads proses pengecoran besi cor nodular FCD 60
ads kemungkinan terjadi tegangan SiBSyang tinggi karena pacta Bast pendinginan terjadi gradien termal antara permukaan daD inti. Tegangan SiBSini aksu merugikan karakteristik mekanik besi cor nodular. Pads makalabinidilaporkanhasil penelitianteganganSiBSyang terjadi pads besi cor nodular hasil proses pengecoran (as-cast) dibandingkan dengan besi cor nodular setelab mengalami proses perlakuan panas normalisasi. Untuk tujuan tersebut, telah dilakukan beberapa proses perlakuan daDpengujian sebagai berikut: . Proses perlakuan panas berupa normalisasi dengan
. .
suhu Austenisasi 900 °C dengan waktu taban 60 menit , dengan pre-heat pads temperatur 600 °C daD penahanan selama 30 menit.
Pengujian tarik standar ASTM A 536-84. Pengujian kekerasan mikro dengan metode Vickers (VHN) daDmakro dengan metode Brinnell (BHN).
.."..
Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99 Serpong,
.
.
19
-20 OktobeT
ISSN 1411-2213
1999
Pengambilan foto mikrostroktur. Pengukuran tegangan sisa (residual stress) dengan metodedifraksi sinar-x
PERCOBAAN Langkah-langkah dalam penelitian ini dilaksanakan dengan mengikuti alur kegiatan seperti dalamGambar I berikutini
20 mm/min yang terdapat pada LMK PT.PLN (persero), DurenTiga, Kalibata.Penarikan dilakukan sampaibenda uji putus. Kekuatan tarik benda dirumuskan sebagai beban maksimum dibagi dengan luas penampang awal benda uji. p
a=
-AD
Sedangkan nilai elongasi didapatkan dari petbandingan panjang gauge length akhir dengan panjang gauge length awal.
LI - La xlOO% La Untuk masing-masing sebelum daD sesudah perlakuan panas, sampel uji tarik yang digunakan sebanyak3 buah, dengan nilai kekuatan tarik yang e=
diambil adalah nilai rata-rata dari ketiga sampel uji tarik tersebut. Pengujian kekerasan Gamba,. 1. DiagramaUr penclitian
Sampel awal yang berupa Y-blok difrais dan dibubut untuk mendapatkan bentuk sampel uji yang diinginkan; masing-masing dibuat sampel uji tarik sebanyak 6 buah. sampel uji kekernsan 2 buah dan sampel uji foto mikro sebanyak 2 buah daD sampel pengujian tegangan sisa sebanyak 6 buah.
Sampel pengujian dibuat di Laboratorium Mekanik Politeknik ill, Depok yang terdiri dari sampel uji tarik untuk temperatur ruang berdasarkan standar ASlM A536-84, sampelfotomikrodansampelkekerasan. Karenatidak adadimensiyang merupakanstandar internasional, maka untuk sampel pengujian kekerasan dan foromikropada penelitianinitelah digunakansampel berbentuk kubus dengan ukuran masing-masing rusuk 1ern. Proses Perlakuan Panas [6] Proses Perlakuan panas seluruhnya dilakukan di laboratorium HST dan Metalografi Jurusan Metalurgi FfUI yang meliputiprosesNormalisasi daDpendinginan dengan udara terbuka. Prosesperlakuan ini meliputipreheat hingga temperatur 600°Cdengan penahanan selama 30 meDii, selanjutnya dipanaskan hingga temperatur 900°C dengan penahanan selama 60 meDii,kemudian sampel dikeluarkan daTi dapur untuk selanjutnya mengalami pendinginan udara hingga temperatur kamar.
Pengujian Tarik Pengujian tarik ini dilakukan dengan sampel berdasarkanstandarASTMA.536-84.Mesinujitarikyang digunakan adalah mesin uji tarik Galdabini dengan spesifikasibeban maksimum 60 ton, kecepatanpenarikan
Pengujiankekerasandi1akukanda1amduametode yaitu secaraMikro VickersdanMakro Brinnell. Langkah pertama dalam pengujiankekerasan ini adalah persiapan sampel dengan mengamplasnya menggunakan amplas 200#,400#,600#, dan 1200#.Proses ini bertujuan agar jejak dari indentor dapat dilihat secara jelas dengan mikroskop optik. Setelah itu dilakukan penjejakan pada permukaan sampel. Pengujian kekerasan makro (Brinnell) Penjejak yang digunakan adalah bola baja dengan diameter (0) 3 rom. Beban yang digunakan 187,5kg. Pengujian Tegangan Sisa Pengujian tegangan sisa ini dilakukan pada laboratorium XRD Jurusan Metalurgi FfUI. Prosedur pengujian sebagai berikut: a. Sampelpadapengujianmetodasinal-x ini dibedakan atas tiga bagian yaitu sampel permukaan sisi atas, sisi kanan, sisi kiri dari material besi cor nodular FCD.(j(). b. Sampel dipasangkan pada sampel holder daD kemudian holder tersebut diletakkan pada mesin difraktometer,dan selanjutnyadilakukanpengukuran sinar-x pada selang sudut 28 = 20°sampai80°.
c. Dari pengukuran tersebut kita dapatkan basil tampilan grafik lntensitas vs sudut 28 (file.RD) daD
selanjutnya dengan program Rietveld File Convertion atau dengan program Microsoft PCAPD, akankita dapatkanfile.Dlyangberisikandatadata pada saatpeak yang meliputi nilai-nilai sudut 28, d spacing, peak width, Relative Intensitas daD Back Relative Intensitas. d. Perhitungan micros/rain daDresidual stress dengan menggunakan rumus :
Studi Pengaruh Normali.rasi Terhadap Sifat Mekanik don Tegangan Sisa pada Resi Cor Nodular FCD 60 ( Muhammad Hikam)
dn Bz =
-
do
A uO
[9]
disini Szmrupakan regangan mikro, dnada1ahjarak bidang kisi (hkl) dengan tegangan dan do merupakan jarak
dibandingkan pada kondisi cor. Dengan semakin halus pettit yang terbentuk daD semakin rapat jarak antara lamel pettit, maka akan semakin
bidang kisi (hkl) tanpa tegangan sedangkan, E
crY =- -v
(
dn-do do
[9]
disini c:radalah tegangan sisa, E merupakan modulus Y young, daD v adalah Poisson :.rratio
Sifat Mekanik Data hasil pengujiantarik secaralengkapdisajikan dalamTabell. Data pengujian tarik
UTS
Sampel
UTS...
(Kglmm2) (Kglmm2) As Cast I
76,98
As Cart2
76,67
As Cast 3
77,26
JITN 1
94,39
JITN 2
89,54
JITN 3
93,73
tinggi nilai kekuatan tarik [7], dikarenakan pergerakanpergerakan dislokasi yang besar alan terhambat. ElongC!§l
BASIL PENELITIAN
Tabell.
Kenaikan nilai kekuatan tarik maksimum besicor nodular basil normalisasi pada penelitian ini terutama disebabkan oleh adanya perbaikan secara mikrostruktur, dalam hat ini adalah dengan adanya penghalusan perlit daD jarak antara lamel perlit yang lebih rap at,
Elongasi Elongasi.", (%)
(%)
Elongasi besi cor nodular FCD-60 mempunyai hubungan berbanding lurus dengan kekuatan tarik maksimumnya. Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 3, nilai elongasi untuk ketiga sampel besi cor Secara terperinci, elollgasi besi cor nodular basil normalisasi = 7,60% , sedangkan pada kondisi as cast = 5,46%. Jadi persentase kenaikan elongasinya adalah sebesar 39,2% dibandingkan kondisi as cast. Nodular hasil normalisasi lebih tinggi dibandingkan kondisi as cast.
6,40 76,97
4,20
5,46
10.00% ,
5,80 6,50 92,55
7,20
7,60
.;;; ~:K o~ UJ
5.00%,.
Gambar
3. Diagram
9,10
Keterangan: HTN; Hasil perlakuan panas normalisasi
Kekuatan Tarik maksimum (Ultimate Tensile Strenf!th)
Kekerasan
Kekuatan tarik maksimum dari masing-masing sampel besi cor nodular FCD -60 hasil perlakuan panas nonnalisasi dalam penelitian ini lebih tinggi dibandingkan padakondisi as-cast. Secara terperinci, nilai UTSmtaorata besi cor nodular
a. Kekerasan Mikro
FCD-60 basil nonnalisasi
=96,55
kglmm2 sedangkan pada
kondisi ascast = 76,97 kglmm2.Jadi besarnyakenaikan
kekuatan tarik maksimum besi cor nodular basil normalisasi pada penelitian ini adalah sebesar 25,4% dibandingkan kondisi as cast. UllmoteT
SlrongthBTNFCCeo
batang elongasi
BTN FCD-60
Kekerasan mikro ini bertujuan untuk mengetahui kekerasan matriks dari besi cor nodular tanpa terpengaruh kekerasan grafit. Secara umum kekerasan rnikro besi cor nodular basil perlakuan panas normalisasi meningkat dibandingkan pada kondisi as cast, kecuali pada titik xl gambar kekerasan mikro basil perlakuan nonnalisasi lebih rendah dibandingkan kondisi as cast. Titik x I,x2,x3, daD x4 (hingga kedalaman 5 mm dari permukaan) pada gambar tersebut menunjukkan urutanjarak daTipermukaan yaitu xl sebagaijarakyangterdekathinggax4 merupakanjarak yang terjauh. b. Kekerasan Makro
::'
IIAscast
D/'bmtilasi
I
Gambar 2. Diagram batang kekuatan tarik maksimum BTN FCD-60
Nilai kekerasan makro inilah yang menggambarkan nilai kekerasan sesungguhnya daTibesi cor nodular. Pada penelitian ini, secara keseluruhan titik pada sampel yang diambil nilai kekerasannya (Gambar 5), menunjukkkan peningkatan yang cukup berarti untuk nilai kekerasan besi cor nodular basil normalisasi di bandingkan dengan pada kondisi as cast.
Studi Pengaruh Normalisasi Terhadap Sifat Mekallik dun Tegangan Sisa pada Besi Cor Nodular FCD 60 (Muhammad Hikam)
Foto mikrostruktur BTN FCD-60. Etsa . M = 500 X. Foto inilah yang merupakan penampakan basil normalisasi besi cor nodular yang terpenting pada penelitian ini. Pada kondisi as cast terlihatmatriks perlit dengan jarak lamel-Iamel sementit yang besar, clan persentase refit yang cukup besar,termasukyang bera~a diantara lamel-Iamel sementit dalam perlit. Sedangkah pada kondisi basil normalisasi terlihat matriks perli~ mendominasi seluruh mikrostruktur besi cor nodular, , dengan refit berada pada sekitar batas butir (atmosfer) perlit(feritproeutectoid [I D.Padabasilnormalisasiinilah jarak antar lamel sementit semakin rapat (perlit semakin halus), sebagai akibat kenaikan persentase' sementit dalam perlit. Peningkatan kehalusan perlit ini besar kemungkinannya disebabkan oleh penambahan unsur Sn kedalam besi cor [2]. Disamping itu penambahan Sn juga akan mencegah proses pembentukan refit disekitar grafit[3]sebagaimana tidak tampaknya refit pada sekitar grafit dalam foto mikrostruktur.
Tegangan Sisa Tegangan sisa dihitung dengan menggunakan perumusan mengenai regangait mikro: I.
\2. \
Ez= dn -
d,/ d" (reganganmikroarabz)
cr =- £Iv. (d - d / d) (tegangan arab Y= arab x, y
n
(}
(}
padatan isotropik [4] ) Dengan nilai-nilai modulus Young E = 169 Gpa (2~5xI06 psi) danpoisson 's ratio v= 0,29, didapat dari E =2G(/+v)standar nSG5502tahun 1972,menggunakan keel blocks 25 mill. Teg@gan sisa sisi atas Dari data dalam Tabel 4. didapatkan crysisi atas <XI adalah
-
sebesar
0,2093 I x 106 psi clan cry sisi atas <x2
sebesar -O,209368x I06 psi. Sehingga nilai rata-rata perubahan tegangilO sisa sisi alas sebesar 0,209339x106 psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilai tegangan sisa sesudah normalisasi mengalami, penurunan). Jadi nilai tegangan sisa sisi atas pada besi cor basil normalisasi mengalami penurunan dibandingkan kondisi as-cast sebesar 209,339x IOJpsi.
-
Table 4. Data tegangan sisa sisi alas
&"
Gambar 6. Foto mikrostruktur 8TN FCD 60 etsa nital 2%, pembesaran 500x
CT. 1
(10. psi)
&,
CT.2 (10. psi)
0.002493
-0.2107
0.002506
-0.21175
0.002463
-0.20811
0.002464
-0.20817
0.002457
-0.20763
0.002482
-0.20976
0.002504
-0.21159
0.002478
-0.20941
0.002468
-0.20852
0.002459
-0.20775
= As
cast, HTN = hasil perlakuan panas
Keterangan:
AC
normalisasi.
Nilai rata-rata
Ez = 0,012387
Foto mikrostruktur bagian tepi. Etsa NitaI2%. Perbesaran 200 X Teg@gan sisa sisi kanan
Foto ini adalah merupakan foto bagian tepi besi cor nodular basil normalisasi dengan sebuah bekas penjejak piramid (metoda Vickers). Dari foto mikrostruktur terlihat bahwa, pada daerah tepi tersebut persentasematriksrefitsangatbesardibandingkanmatriks perlit, sehingga kekerasan mikro yang dihasilkan pada daerah ini(matriksini) lebihrendah dibandingkandengan kekerasan mikro pada daerah yang lebih dalam (persentase perlit yang sangattinggi). Terbentuknyarefit pada permukaan ini sangat besar kemungkinan disebabkan oleh adanya unsur Sn sehingga refit tidak terbentuk disekitar grafit [3], disamping itujuga terdapat kemungkinan terdesaknya refit dalam perlit, sebagai akibat rapatnya jarak antar lamel sementit pada perlit. Ferit yang terdesak ini pada saat pendinginan akan menuju ke permukaan material.
Dari data dalam Tabel5. diatas kita dapatkan cr sisi kanan <xladalah sebesar - 0,20925x106 psi daDd' sisi kanan <x2sebesar-0,2 I0546x 106psi. y Sehingga akan kita dapatkan nilai rata-rata perubahan tegangan sisa sisi kanan sebesar 0,209898x1O6psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilai tegangan sisa sesudah normalisasi mengalami penurunan). Jadi nilai tegangan sisa sisi kanan pada besi cor basil normalisasi mengalami penurunan dibandingkan kondisi as-cast sebesar 209,898x I03psi.
-
Teg@gan sisa sisi kiri Dari data dalam Tabel 6 diatas kita dapatkan cry sisi kiri <xI adalah sebesar - 0,209 I 04x 106psi clan cry sisi kiri <x2sebesar 0, 209566x I06psi. Sehingga akan kita dapatkan nilai rata-rata
-
139
;.~~
f
Pros/ding Pertemuan IlmJah IlnUl Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99 Serpong,
-20
19
Oktober
s,
oy1 (10. psi)
s,
0".2 (10. psi)
0.002479
-0.2095
0.00247 [
-0.2088
0.002494
-0.2[072
0.00251 [
-0.2[22
0.002482
-0.20975
0.002502
-0.2[ [44
0.002498
-0.2[ 105
0.002478
-0.20941
0.002429
-0.20522
0.002496
-0.2[088
E,= 0,0 [242
perubahan tegangan sisa sisi kiri sebesar -0,2093 35xl 06
psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilai tegangan sisa sesudah normalisasi mengalami penurunan). Jadi nilai tegangan sisa sisi kiri pacta besi cor basil normalisasi mengalami penurunan dibandingkan kondisi as-cast sebesar209,335x 103psi. Tabel 6. Data tegangan sisa sisi kiri
S,
0".1 (10. psi)
s,
oy 2 (10. psi)
0.002471
-0.20879
0.002488
-0.2[023
0.002513
-0.2[232
0.002457
-0.20758
0.002455
-0.20744
0.002467
-0.2085
0.0025
-0.21128
0.002502
-0.21142
0.002434
-0.20569
0.002486
-0.2101
Nilai rata-rata
,I ISSN 1411-2213
1999
Tabel 5. Data tegangan sisa sisi kanan
Nilai rata-rata
It
penurunan tegangan sisa tersebut merupakan faktor terbesar terjadinya peningkatan UTS sebesar 25,4 % clan e sebesar 39,2 %.
DAFT AR ACUAN [l]. AVNER, S.H., Introduction to Physical Metallurgy, McGraw-Hili International Editions, Singapore, 1974. [2]. ELWOOD, E.C., Tin Effect on Structure and Properties on Flat and Nodular Cast Iron, AFS Transaction, 1959 [3]. HUGHES, I.C.H., Ductile Iron, BCIRA International Centre for Metal Technology, UK, 1979 [4]. PC-APD Manual Book, Philips Analytical X-ray, 1990 [5]. PEARCE, J.G., clanBROMAGE, K., Copper in Cast Iron, Copper Development Association, Hutchinson & Co, London, 1964 [6]. RUNDMAN, K., Heat Treating of Ductile Iron, ASM Handbook Vol. 4., Ohio, 1978 [7]. SMALLMAN, R.E., Metalurgi Fisik Modern, Edisi . keempat, PT. Gramedia, Jakarta, 1985 [8]. LAUB, JR, Cast Austemper Ductile Iron, Advanced Cast Products Inc, Meadville, Pa, 1994 [9]. CULLITY, B. D., Elements oj}f-ray Diffraction, 2nd Edition, Addison-Wesley Se~~s in Metallurgy and Materials, 1978 .
E, = 0,0[23865
KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan terhadap karakteristik mekanik clan tegangan sisa pactabesi cor nodular FCD 60 basil normalisasi, didapat beberapa kesimpulan : 1. Perlakuan panas normalisasi pactabesi cor nodular FCD60 akanmeningkatkankekuatantarikmaksimum sebesar25,4%,yaitu dartkondisias ~astUTS= 76,97 kg/mm2 menjadi UTS = 96,55 kg/mm2 setelah normalisasi. 2. Elongasi besi cor nodular FCD 60 akan meningkat sebesar 39,2% setelah mengalami normalisasi, dimana pactakondisi as cast e = 5,46 % menjadi e = 7,60 % pactakondisi basil normalisasi. 3. Kekerasan besi cor nodular FCD 60 akan meningkat sebesar 9, I % setelah mengalami normalisasi dari kondisi as cast kekerasan awal 252 BHN menjadi 275 BHN pactakondisi normalisasi. 4. Perlakuan panas normalisasi pactabesi cor nodular FCD 60 akan menyebabkan penurunan tegangan sisa sebesar 209,524x1O3 psi (147,344 kg/mm2) dibandingkan pacta kondisi as cast, dimana nilai
Ke Daftar Isi ~ ~...
