AUSTEMPER PHASA GANDA DESI TUANG NODULAR DENGAN DAN T ANP A PENAMDAHAN UNSUR TEMDAGA 1

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi 1997 /SSN/4/ AUSTEMPER PHASA GANDA DESI TUANG NODULAR DENGAN DAN T ANP A PENAMDAHAN UNSUR TEMDAGA 1 Bustanul Arifin2 ABSTRAK AUSTEMPER PHASA GANDA BESI TUANG NODULAR DENGAN DAN TANPA PENAMBAHAN UNSUR TEMBAGA. Proses austemper pada besi tuang nodular (8TN) dimaksudkan agar matrik yang semula adalah ferrit dan perl it atau full perlit berubah menjadi bainit. Perubahan struktur tersebut akan menyebabkan meningkatnya kekerasan dan kuat tarik dengan nilai regangan yang masih baik. Jika pemanasan austenit dilakukan tidak sempuma yakni hanya diantara temperatur A-I dan A-3 (pada phasa ferrit dan austenit) atau dibawah temperatur kritis, proses austemper tidak akan terjadi atau berjalan tidak sempuma. Perubahan yang terjadi hanyalah pada struktur austenit, yakni menjadi bainit, sedangkan struktur ferrit pada proses tersebut nampaknya hampir tak berubah. Adanya phasa ganda bainit dan ferrit secara bersamaan setelah proses austemper memberikan nilai kuat tarik yang lebih buruk dibanding tanpa ferrit, sedangkan nilai regangan pada beberapa kondisi waktu tahan bahkan memberikan nilai yang lebih rendah dari kondisi as cast. Dengan adanya penambahan tembaga sebesar 1,3 % pada 8TN menyebabkan matriks as cast menjadi full perlit sehingga proses austemper berlangsung dengan normal, tanpa adanya phasa ferrit. ABSTRACT DUAL PHASA AUSTEMPER IN SG IRON WITH AND WITHOUT Co ALLOY. The aim of au stemper in spheroidal cast iron is to change the original microstructure: ferrite and pearlite or full pearlite into bainite. The mechanical properties such as hardness, tensile strength and elongation are increased by changing these microstructure. The progress of austempering process can not be done properly if the heating temperature of austenite between A-I and A-3 (ferrite and austenite phase) or bellow critical temperature. The change of microstructure is only found in austenite to bainite, while structure of ferrite is found not affected. Tensile strength of this spheroidal cast iron after heat treatment process containing ferrite structure seems to be decreased compare with only single bainite existed. Beside the elongation is decreased at certain holding time compare with as cast condition. Full pearlite structure is considerably found in the matrix of nodular cast iron by addition of copper approximately of 1,3 %. So the austemper process can be done properly without any ferrite phase existed. KEY WORD Austemper, Austenit, Ferrit PENDAHULUAN Besi Tuang Nodular sejak ditemukan pada 1948, saat sekarang ini merupakan material yang banyak digunakan untuk pembuatan komponen permesinan diantaranya untuk otomotiv. Besi tuang nodular banyak digunakan karena mempunyai beberapa keunggulan diantaranya adalah mudah dan murah biaya produksi dibandingkan baja karbon. Kondisi peralatan produksi cukup sederhana, mudah permesinan, ketahanan terhadap daya tekan, tahan aus dan ketahanan korosi yang lebih baik dari baja. Dengan pesatnya penggunaan besi tuang nodular ini, telah banyak dilakukan usaha untuk meningkatkan sifat mekanisnya. Sifat mekanis besi tuang nodular terutama sangat dipengaruhi oleh struktur mikro. Perubahan struktur mikro dapat dilakukan dengan proses perlakuan panas atau dengan proses pemaduan (alloying). Proses perlakuan panas dilakukan untuk mendapat sifat mekanis yang optimum. Biasanya dilakukan proses austemper yang akan menghasilkan struktur akhir bainit. Struktur ini unggul karena.tapat meningkatkan kuat tarik yang besar tanpa kehilangan regangan yang terlalu ban yak. Seringkali dilakukan pemaduan pada besi tuang nodular agar kekuatannya I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi Jurusan Metalurgi Fakultas Teknik Universitas Indonesia meningkat lebih tinggi lagi, antara lain nikel, molibdenum atau tembaga. TINJAUAN PUSTAKA Besi tuang sering juga disebut sebagai baja karbon yang mempunyai graftt (karbon bebas), karena dilihat dari matriksnya kedua material ini tidak mempunyai perbedaan. Selain adanya kandungan karbon yang cukup tinggi, unsur lainnya yang biasa terdapat di besi tuang adalah silikon, mangan, phospor dan sulfur. Pada beberapa keadaan besi tuang nodular sangat disukai untuk aplikasi tertentu, seperti pada komponen otomotiv, contohnya adalah poros engkol, batang penggerak dan komponen lain baik yang beroperasi pada temperatur tinggi maupun temperatur kamar. Sifat besi tuang sangat dipengaruhi oleh bentuk, ukuran dan distribusi dari graftt didalam besi tuang tersebut. Besi tuang kelabu memiliki sifat lebih getas, hal ini disebabkan karena bentuk grafttnya serpihan, sehingga ada bagian yang runcing dimana pada bagian tersebut akan terkonsentrasi tegangan jika mendapat beban. Akibatnya besi tuang kelabu lebih mudah patah karena regangan/keuletannya rendah. 1~7

2 Semen tara ttu besi tuang maleabel mempunyai grafit dengan bentuk agregat (mengelompok seperti kapas), yang mempunyai regangan cukup bagus (mendekati baja). Besi tuang maleabel ini diperoleh melalui besi tuang putih yang ditemper dalam waktu yang cukup lama. Besi tuang maleable ini mempunyai keterbatasan dalam ukuran ketebalan maupun dimensi panjangnya. Besi tuang yang mempunyai sifat mekanis terbaik adalah besi tuang nodular, mempunyai grafit dengan bentuk bulat. Tegangan yang terjadi tidak terkonsentrasi, melainkan terdistribusi secara merata pada permukaan grafit bulat, sehingga kekuatan tarik dan regangannya cukup tinggi. Besi tuang nodular dewasa ini telah dapat menggantikan komponen baja karbon dibidang permesinan dan otomotiv. Bentuk grafit yang bulat ini diakibatkan adanya unsur pembulat grafit yang disebut nodulariser, yakni Magnesium atau Cerium[3,4]. Akibat bentuk grafit yang bulat ini kekuatan tarik material dalam kondisi as cast meningkat dibandingkan bentuk grafit yang serpihan dari nilai Kg/mm2 menjadi hingga 60 Kg/mm2. Regangan besi tuang kelabu hanya berkisar antara 1.0 0/0, sementara besi tuang nodular regangannya dapat mencapai hingga 12 0/0. Jenis-jenis Scsi Tuang Nodular Besi tuang nodular ini mempunyai jenis yang bermacam-macam, tergantung dari struktur matriksnya [2]. Besi Tuang Nodular Ferritik Besi tuang Nodular ini matriksnya adalah refit, mempunyai regangan yang tinggi. Kekuatan tarik dan kekuatan luluh besi tuang nodular ini sebanding dengan baja karbon rendah. Matriks ferrit yang dimilikinya dapat diperoleh dari hasil as-cast atau dapat juga melalui proses perlakukan panas annealing. Besi Tuang Nodular Perlitik Matriks perl it pada besi tuang nodular ini, mcnghasilkan besi dengan ketahanan aus yang baik, kekuatart yang tinggi, tetapi dengan keuletan dan ketangguhan yang sedang. Besi tuang nodular perlitik ini mempuriyai mampu permesinan yang h"ik Besi Tuang Nodular Ferrit-Perlit Umumnya besi tuang nodular tanpa paduan pada kondisi as cast, matriksnya mempunyai struktur ini sehingga mempunyai sifat diantara besi tuang nodular ferritik dan besi tuang nodular perlitik. Jumlah fraksi ferrit atau perlit tergantung dari 158 pendinginan, semakin cepat semakun banyak phasa perlitnya. pendinginannya Besi Tuang Nodular Martensitik Besi tuang nodular ini mempunyai kekerasan, kekuatan clan ketahanan aus yang sangat tinggi, tetapi mempunyai keuletan clan ketangguhan yang sangat rendah. Struktur Ir}artensit mempunyai sifat yang sangat keras. Umumnya untuk menghasilkan besi tuang nodular martensitik ini dilakukan penambahan unsur tertentu yang kemudian dilanjutkan dengan perlakuan panas, pendinginan cepat clan selanjutnya dilakukan tempering untuk meningkatkan keuletan. Besi Tuang Nodular Austenitik Dengan adanya matriks austenitik pada besi tuang nodular ini, akan dapat dihasilkan besi tuang nodular dengan ketahanan korosi / oksidasi yang baik, disamping itu juga mempunyai sifat magnetik yang baik serta kekuatan dan kestabilan dimensi pada temperatur tinggi. Besi Tuang Nodular Austernper Besi tuang nodular ini diperoleh rnelalui proses austernper. Perlakuan austemper itu sendiri adalah dengan tara memanaskan besi tuang sampai temperatur austenit, selanjutnya dilakukan pendinginan dengan cepat hingga temperatur sekitar 3000 C sampai 4000 C, selanjutnya ditahan selama beberapa waktu kemudian didinginkan diudara. Dengan perlakuan ini akan didapatkan besi tuang nodular dengan regangan dan ketangguhan yang cukup tinggi, serta mempunyai kuat tarik dua kali dari besi tuang nodular pearlitik. Struktur Mikro Besi Tuang Nodular Grafit Grafit ini adalah karbon bebas dalam besi tuang yang terbentuk melalui reaksi penggrafitan. Grafit mempunyai sifat lunak dad rapuh, mempunyai kekerasan HB sekitar 1, kekuatan tariknya 2 kg/mm2 dad berat jenisnya sebesar 2,2 gr/mm3. Total karbon dati besi tuang sekitar 85 % terbentuk sebagai grafit, sedangkan sisanya terbentuk dalam phasa matriks *). Matriks Matrik besi tuang nodular pada kondisi as cast adalah ferrit dan perl it, sarna seperti matriks baja karbon rendah atau medium. Dengan merubah struktur matriksnya, sifat besi tuang nodular dapat disesuaikan dengan kebutuhan pemakaian. Perubahan ini dapat dilakukan dengan proses perlakuan panas atau dengan proses pemaduan sewaktlj peleburan. Matriks dari besi tuang nodular setelah dilakukan proses perlakuan panas menghasilkan struktur antara lain adalah : perlit-

3 Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/ ainit, martensit-austenit, martensit-bainit, dan lain. lain. Salah satu proses perlakuan panas yang dapat meningkatkan sifat mekanis besi tuang nodular adalah proses austemper. Perlakuan ini meliputi proses austenisasi, pemanasan hingga phasa austenit pada temperatur sekitar 850 C -950 C, kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada temperatur 250 C -500 C dan ditahan selama jangka waktu tertentu untuk mendapatkan struktur bainit [5]. Besi tuang nodular yang telah mengalami proses austemper dikenal dengan nama besi tuang nodular austemper atau Austempered Ductile Iron (AD/). Perlakuan panas austenisasi dalam hal ini adalah proses pemanasan dari rasa refit dan perlit sehingga bembah menjadi rasa austenit yang jenuh terhadap karbon. Waktu tahan austenisasi dimaksudkan agar karbon sempat lamt dan bertransformasi di austenit [I]. Transformasi pertama yang terjadi adalah perlit menjadi austenit pada temperatur kritis, kemudian disusul dengan berkurangnya ferrit dan bertambahnya austenit dengan makin tingginya temperatur pemanasan. Diperlukan waktu yang cukup untuk menjamin bahwa semua rasa telah bembah menjadi austenit dan selumh karbon atau karbida telah lamt dalam austenit. Proses austemper dilakukan dengan melakukan pendinginan besi tuang nodular yang telah diaustenisasi dari sekitar 9000 C menjadi temperatur antara 250 C -500 C secara isothermal. Akibat proses ini terjadi transformasi rasa menjadi bainit yang mempunyai kekuatan dan keuletan yang optimal. Transformasi austenit menjadi bainit meliputi perubahan struktur dan diikuti distribusi atom karbon yang keluar dari austenit yang mengendap sebagai karbida. Transformasi berawal dari inti bainit-ferit dan pada daerah pertemuan antara graftt dad matriks atau daerah interfasa atau daerah batas butir. Secara umum reaksi pembentukan bainit pada transformasi austemper terdiri dari dua tahap yaitu: Tahap pertama adalah proses dekomposisi austenit (CY') menjadi refit bainit (a) dad austenit dengan kadar karbon tinggi (CY' HC): CY' a + CY'HC 2. Tahap kedua adalah proses dekomposisi austenit kadar karbon tinggi menjadi rerit bainitik dad sementit: IV' a + ~e3( Bentuk bainit dipengaruhi oleh temperatur austempernya, sehingga bainit dibagi atas bainit atas dan bainit bawah [5]. 159 METODE PENELITIAN Peleburan dilakukan pada dapur induksi kapasitas I 000 Kg dim ana proses magnesium treatment dilakukan didalam ladel khusus dengan metode sandwich. Untuk besi tuang nodular paduan tembaga, digunakan potongan kawat tembaga yang dimasukkan pada saat penuangan besi cair kedalam ladel penelitian. Besi cair kemudian dituang kedalam cetakan pasir yang berbentuk Y blok. Sam pel uji tarik dibuat sesuai menurut standard ASTM E 8M clan pengamatan struktur mikro sesuai dengan ASTM E HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Oari foto struktur mikro as-cast yang dihasilkan (dapat dilihat di lampiran) terlihat bahwa dengan penambahan unsur Cu sebanyak 1,3 % menyebabkan matrik 8TN menjadi hampir 100 % perlit, padahal sebelum dilakukan penambahan unsur Cu, matrik yang dimiliki 8TN adalah mayoritas ferrit (matrik ferit sekitar 60 %). Oari fenomena ini nampak unsur Cu adalah perlite promoter (mendukung pembentukan perlit), yang dapat mengalahkan pengaruh Silikon sebagai ferrite promoter [3]. Kekuatan tarik yang dimiliki oleh 8TN as-cast pada penambahan Cu sebanyak 1,3 % dapat meningkatkan kekuatan tariknya sekitar 56,4 %, yaitu dari 54,98 kg/mm2 menjadi 85,99 kg/mm2 (dapat dilihat di lampiran). Sementara untuk regangan, terjadi penurunan sebesar 69,4 % yaitu dari 13,4 % menjadi 4,1 %. Keadaan ini bisa dimaklumi, karena dengan keberadaan matriknya yang mayoritas ferrit menjadi hampir full perl it maka akan menyebabkan kenaikan kekuatan tarik clan penurunan regangan. Kekuatan tarik 8TN dengan matriks perl it lebih besar dibandingkan matrik ferrit, sementara untuk regangan adalah kebalikannya yaitu regangan ferrit lebih besar dari perl it. Setelah dilakukan proses austenisasi pada temperatur 8000 C clan 8500 C, foto mikro yang dihasilkan menunjukkan bahwa pada pemanasan BTN pada 8000 C menunjukan belum terjadi perubahan struktur perlit menjadi austenit (lihat di lampiran). Temyata untuk BTN tanpa penarnbahan Cu pada pernanasan austenisasi 8000 C kondisi pemanasannya rnasih dibawah ternperatur kritis (A- I). Pada akhir proses austernper narnpak bahwa sarna sekali tidak diperoleh struktur bainit, rnelainkan hanya ferrit dan perl it saja. Sedangkan pada ternperatur austemper 8500 C tanpa penarnbahan Cu dipero!eh tiga struktur yakni : bainit, ferrit serta austenit sisa. Nampak jumlah struktur ferrit rnasih tetap dominan. Ini berarti pada proses austenisasi masih terdapat struktur ferrit artinya pemanasan

4 l'rosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/ berada pada struktur ferrit dan austenit (antara temperatur A-I dan A-3). Sementara itu untuk BTN dengan penambahan unsur Cu sebanyak 1,3 %, struktur mikro yang dihasilkan setelah proses austemper selesai adalah bainit dan sedikit austenit sisa. Proses austemper pada temperatur 8500 C BTN dengan penambahan unsur Cu 1,3 % proses pemanasannya telah mengalami transformasi yang sempuma menjadi full austenit. Dari fenomena di atas terlihat bahwa penambahan unsur Cu sebanyak 1,3 % dapat menggeser garis A3 ke arah kiri atau menyebabkan titik proses austenisasi bergeser ke arah kanan dari grafik eutektoid diagram kesetimbangan Fe-Fe3C. 910 C KomposisiI Non Cu :8,8 OJ,) ramon I KomposiJi n 1,3 % Cu 95 % Perlit Garnbar..Diagram phasa pert it dengan dan tanpa Cu Ternyata penambahan un sur Cu sebanyak 1,3 % selain sebagai perlite promoter, penambah phasa perl it, juga dapat menggeser garis temperatur A3 pada grafik eutektoid diagram kesetimbangan Fe- Fe3C ke arab kiri, atau menggeser titik austenisasi ke arab kanan seperti pada gambar dibawah ini.. KESIMPULAN 1 Agar efektif dad efisien dalam proses perlakuan panas, struktur matriks pada kondisi as cast barns diperhatikan sebelum menentukan 2. langkah temperatur pemanasan proses perlakuan panas. Proses austenisasi yang tidak sempuma (masih mengandung ferrit) pada proses austemper menghasilkan phasa ganda yang menurunkan sifat mekanis. DAFTARPUSTAKA [I] HARDING, R.A., The Use of Austempered Ductile Iron for Gears, BCIRA, (1986). [2] MOROUGH, H.J. A Review of Solidoftcation of Cast Iron with Sperulitic Graftt Structure, The Solidification of Metal, The Iron and Steel Institute, London. [3] PEARCE, J.G. and BROMAGE, K., Copper In Cast Iron, Copper Development Association, Publication No. 65, Hutchinson & Co. London, (1964). [4] SURDlA, T. dan KENJI CHIJIWA, Teknik Pengecoran Logam, P.T. Pradnya Paramita, Jakarta, (1985). [5] THELNING, K.E., Steel and Its Heat Treatmet. 2nd ed., British Library Cataloging in Publication Data (1984). 160

5 Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/ LAMPIRAN 100,- Nee 80 "OiJ ~-- rij E ~ 20 0 NON Cu Komposisi Co 1.30% Grafik I. Kekuatan Tarik as-cast BTN ~ e'-' 0) NON Cu 1.30% r8noncu ~~~-- Komposisi Co Grafik 2. Regangan kondisi as-cast BTN 161

6 Pros;d;ng Pertemuan J/m;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN N e e ~ :- VJ f- ~ Ascast Waktu Austem~r (menit) Grafik 3. Kekuatan tarik BTN setelah perlakuan austemper ~ Grafik 4. Regangan setelah proses austemper 162

7 Garnbar I. Foto Struktur Mikro As Cast BTN tanpa penarnbahan Cu, pembesaran SOX Garnbar3. Foto Struktur Mikro 8TN tanpa penarnbahan Cu hasil Austemper 800 c, ditahan selarna 15 menit, pembesaran 100 X Gambar 2. Foto Struktur Mikro As Cast BTN penambahan 1,3 % Cu, pembesaran 50 X Gambar 4. Foto Struktur Mikro BTN tanpa pen ambahan Cu basil Austemper 850 c, di- 163

8 Prosiding Pertemuan 1/miah Sains Materi /997 /SSN /4/ Gambar 5. Foto Struktur Mikro BTN tanpa penambahan 1,3 % Cu basil Austemper 850 c, ditahan selama 15 men it, pembesaran 500 X 164