Optimasi Suhu Perlakuan Panas Pada Abrasion Wear Resistant Cast Iron Terhadap Keausan, Kekerasan Dan Struktur Mikro

Transkripsi

1 Optimasi Suhu Perlakuan Panas Pada Abrasion Wear Resistant Cast Iron Terhadap Keausan, Kekerasan Dan Struktur Mikro Triana Nofika Dewi 1, R. Soekrisno 2 1) Mahasiswa S2 Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin dan Industri 2) Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada Jalan Grafika No. 2, Yogyakarta 55281, Indonesia Phone : , Fax: ) dewi03_dtm@yahoo.com ABSTRAK Material yang digunakan untuk komponen liner plate pada perusahaan tambang emas adalah abrasion wear resistant cast iron. Masalah yang sering muncul adalah tingkat keausan yang tinggi. Untuk itu diperlukan upaya untuk menghasilkan liner plate yang memiliki ketahanan aus tinggi. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh suhu proses perlakuan panas pada material abrasion wear resistant cast irons dengan kandungan kromium 21,3% terhadap kekerasan, keausan dan struktur mikro. Penelitian menggunakan material abrasions wear resistant cast irons dengan kandungan kromium 21,3% diberikan perlakuan panas dengan variasi temperatur, meliputi 900 ºC, 950 ºC, 1000 ºC dan 1050 ºC. Setelah dipanaskan kemudian pendinginan secara normalizing. Pengujian kekerasan Vickers dengan Universal Hardness Tester, beban 40 Kgf digunakan untuk mengetahui nilai kekerasan. Alat uji keausan Oghosi dengan beban 12,72 kg, kecepatan abrasi 0,244 m/s, dan waktu abrasi 60 detik digunakan untuk mengetahui nilai keausan spesifik. Untuk analisa struktur mikro menggunakan Inverted Metallurgical Microscope. Perlakuan panas berpengaruh pada kenaikan kekerasan dan ketahanan aus material abrasion wear resistant cast iron. Pada penelitian ini dihasilkan nilai kekerasan optimum 933 VHN sedangkan nilai keausan spesifik terendah 1,170E-05 mm 3 /kg.m. Suhu perlakuan panas untuk mendapatkan kekerasan dan ketahanan aus optimum material abrasion wear resistant cast iron kandungan kromium 21,3 % adalah 1000 C. Kata kunci: abrasion wear resistant cast iron, liner plate, normalizing, kekerasan Vicker, keausan Oghosi, struktur mikro ABSTRACT The material used for the components of the liner plate in gold mining companies. A frequent problem for the life of liner plate is the wear. Therefore, the efforts to produce liner plate which has a high wear resistance should be found. This study was aimed to obtain heat treatment temperature of process on the material abrasion wear resistant cast irons with a chromium content of 21.3% proved by hardness, wear and microstructure. In this study, the material abrasions wear resistant cast irons with a chromium content of 21.3% was given by heat treatment temperatures variation, covering from 900 C, 950 C, 1000 C to 1050 C. After heated and then normalizing, it were tested by Vickers hardness testing using 40 kgf load. Oghosi high speed universal wear testing machine was used to test the wear resistance of the specimens by a load of kg, abrasion speed 0,244 m/s, and abrasion time of 60 seconds. Inverted Metallurgical Microscope is used for analysing the microstructure. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

2 Heat treatment effect on the hardness, wear and microstructure. The temperature of 1000 C was found to be the optimum since it give the highest hardness of 933 VHN and the lowest specific wear of 1,170E-05 mm 3 /kg.m. The finest microstructure of the carbides was shown at that condition. Keywords: abrasion wear resistant cast iron, normalizing, Vickers hardness, Oghosi wear, microstructure. Pendahuluan Latar Belakang Material abrasion wear resistant cast iron banyak digunakan untuk komponen dalam industri pertambangan karena ketahanan aus yang baik (Poolthong, 2004). Salah satu aplikasi material ketahanan aus pada industri tambang adalah komponen liner plate. Komponen ini digunakan sebagai plat pelapis pada alat penghancur material tambang emas. Masalah utama yang sering terjadi pada liner plate adalah keausan. Hal ini perlu diperhatikan karena akan berpengaruh pada berhentinya produksi, terkait dengan kegiatan ini mengakibatkan biaya yang signifikan bagi banyak industri (ASM Vol 8, 694). Untuk itu diperlukan upaya menghasilkan liner plate yang memiliki ketahanan aus baik. Upaya untuk meningkatkan ketahanan aus pada material abrasion wear resistant cast iron mendorong para peneliti untuk mencoba metode variasi komposisi kromium, titanium, niobium, dll seperti yang dilakukan oleh Coronado (2011) dan Zhi dkk, (2007). Tujuan dari penambahan unsur kimia ini adalah untuk mencapai beberapa modifikasi struktur karbida dengan peningkatan fraksi volume karbida dan kekerasan karbida (Jacuine, 2006). Untuk sebagian besar aplikasi, perlakuan panas diperlukan untuk meningkatkan nilai kekerasan (Wiengmoon, 2005). Untuk itu pada penelitian ini akan dilakukan dengan metode perlakuan panas yang ditujukan memperoleh proses perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai untuk komponen liner plate material abrasion wear resistants cast iron, dengan harapan dapat meningkatkan nilai kekerasan dan menurunkan nilai keausan spesifik pada material. Tinjauan Pustaka Centikaya (2004) meneliti besi cor high chromium dengan komposisi yang berbeda, yaitu dengan kandungan kromium 8,8; 15; 16,6; 18,3 dan 18,4%. Pengujian keausan dilakukan dengan tipe pin-on disk, analisa SEM, EDS, dan kekerasan brinell. Hasil uji keausan menunjukkan rasio Cr/C berpengaruh pada ketahanan aus. Penelitiannya menunjukkan bahwa material dengan 16,65 Cr - 2,94 C adalah material yang memiliki ketahanan aus paling baik. Jacuinde (2006) melakukan penelitian tentang pengaruh dari penambahan 0 2,02 titanium pada besi cor dengan komposisi 16% Cr. Pengujiannnya meliputi analisa struktur mikro, XRD, SEM, TEM, kekerasan rockwell, keausan dengan metode pin-on-ring. Pada struktur mikro terdapat karbida M7C3 dengan matrik austenitik, dan terdapat juga sedikit karbida M2C dan martensit. Semakin tinggi penambahan Ti maka fraksi volume karbida M7C3 semakin menurun karena hilangnya unsur karbon untuk pembentukan karbida TiC. Zhi, dkk (2007) melakukan penelitian mengenai pengaruh unsur niobium pada besi cor high chromium dengan komposisi 20% Cr terhadap struktur mikro as cast. Dari identifikasi XRD dan analisis EDS diketahui bahwa dengan penambahan Nb dapat membentuk karbida yang halus dan mengurangi kandungan karbon yang diakibatkan oleh pembentukan karbida NbC. Hal ini juga menyebabkan berkurangnya fraksi volume dan ukuran karbida M7C3. Poolthong, N., (2004), melakukan penelitian pada material besi cor putih high chromium dengan kandungan kromium 18 dan 27 %. Pengujian yang dilakukan meliputi XRD, EDS, SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

3 kekerasan vickers, keausan dan korosi. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kandungan kromium 18 % memiliki ketahanan aus terbaik dan kandungan kromium 27% merupakan material yang lebih tahan korosi dari material dengan kandungan kromium 18%. Landasan teori Abrasion wear resistant cast iron merupakan besi cor putih paduan tinggi yang digunakan untuk aplikasi tahan aus pada mesin crushing, grinding dan peralatan lainnya. Volume karbida eutektik dalam struktur mikro memberikan dampak kekerasan tinggi yang diperlukan untuk crushing dan grinding material lainnya. Matrik logam yang mendukung fase karbida dapat disesuaikan dengan unsur paduan dan perlakuan panas untuk mengembangkan keseimbangan antara ketahanan abrasi dan ketangguhan yang diperlukan untuk menahan dampak yang berulang. Spesifikasi komposisi material abrasion wear resistant cast iron ada pada ASTM A 532 yang dibagi dalam tiga kelompok, yaitu (ASM, Vol. 4, 1525): 1. Ni-Cr white irons Ni-Cr white irons merupakan paduan dengan kandungan kromium 1 sampai 4 % dengan satu modifikasi kandungan kromium 7 sampai 11 %, dan terdapat juga unsur Ni sebanyak 3 sampai 5%. Komposisi optimum Ni-Cr white irons tergantung pada sifat yang dibutuhkan untuk kondisi pelayanan dan dimensi pengecoran. Ketika ketahanan abrasi diperlukan dan ketahanan impact tidak begitu diperhitungkan maka direkomendasikan paduan yang memiliki kandungan karbon tinggi, yaitu ASTM A 532 kelas 1 tipe A. Jika ketahanan impact diperlukan, maka direkomendasikan dengan paduan karbon yang lebih rendah, yaitu kelas 1 tipe B yang memiliki ketangguhan yang lebih besar. Kelas 1 tipe C dikembangkan untuk memproduksi grinding balls dan slugs. Tipe D merupakan paduan yang tahan terhadap patahan yang disebabkan oleh dampak impact serta memiliki ketahanan korosi yang cukup baik, hal ini baik untuk penggunaan dalam corrosive slurries. 2. Chromium molibdenum irons Chromium molibdenum irons merupakan paduan kelas II dengan kandungan kromium 11 sampai 23% dan unsur Mo hingga 3%. Paduan ini juga sering diberi tambahan unsur nikel atau tembaga. Besi cor putih dengan paduan kromium tinggi memiliki ketahanan abrasi yang sangat baik dan efektif digunakan pada slurry pumps, brick molds, coal-grinding mills, rolling mill rolls, shot blasting equipment, dan komponen pertambangan lainnya. Besi paduan ini diakui memberikan kombinasi terbaik dari ketangguhan dan ketahanan abrasi % Cr atau 28% Cr white irons 25% Cr atau 28% Cr white irons merupakan paduan kelas III dengan penambahan unsur molibdenum dan/atau nikel hingga 1,5%. Paduan ini memiliki ketahanan korosi yang baik, seperti untuk aplikasi fly ash pada pompa. Metode Penelitian Bahan dan Peralatan Bahan yang digunakan untuk penelitian ini merupakan komponen liner plate dengan kandungan kromium 21,3 %. Sedangkan peralatan yang digunakan meliputi : a. Spektometri untuk uji komposisi kimia b. Mesin poles untuk menghaluskan permukaan spesimen c. Dapur listrik untuk proses perlakuan panas d. Mesin uji kekerasan untuk mengetahui nilai kekerasan spesimen e. Mesin uji keausan untuk mengetahui nilai keausan spesifik spesimen f. Mikroskop logam untuk pengamatan struktur mikro SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

4 Proses Perlakuan Panas Material abrasion wear resistants cast iron akan memiliki sifat mekanis optimal yang dapat dicapai dengan perlakuan panas. Untuk itu, pada penelitian ini menggunakan variasi temperatur dari 900 ºC, 950 ºC, 1000 ºC dan 1050 ºC guna mendapatkan nilai optimal kekerasan dan ketahanan aus. Proses pemanasan menggunakan holding time 45 menit, kemudian dilakukan proses normalizing. Tingkat pendinginan lebih cepat tidak boleh digunakan karena hasil pengecoran akan retak akibat tingginya tekanan thermal (ASM, Vol 4, 1541). Pengujian dan Pengamatan Uji komposisi kimia menggunakan alat Spektometer Metal Scan, pengujian dilakukan dengan tiga variasi standar uji, meliputi low alloy steel, Ni_Cr dan cast iront. Universal Hardness Tester digunakan untuk uji kekerasan makro dengan metode vickers. Beban yang digunakan adalah 40 kgf. Perhitungan kekerasan Vickers sesuai dengan ASTM E 92 dengan persaman 1. dengan VHN = kekerasan Vickers (kg/mm 2 ), P = beban indentasi (kgf), d = diagonal rata-rata jejak indentasi (mm). Uji keausan mengunakan alat Oghosi high speed universal wear testing machine (tipe OAT- U), dengan beban 12,72 kg, kecepatan abrasi 0,244 m/s, dan waktu abrasi 60 detik. Perhitungan keausan spesifik ( Ws dalam mm 3 /kg.m)menggunakan metode Oghosi pada persamaan 2 dan 3. (1) dengan Wo = volume yang tergores (mm3), B = lebar disk pengaus (mm), d = lebar goresan pada spesimen uji (mm), r = jari-jari disk pengaus (mm). (3) (2) dengan P = beban tekan pada saat pengausan (kg), l = jarak tempuh pengausan (m) Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan inverted metallurgical microscope. Spesimen diamati dengan mikroskop logam setelah dipreparasi dan dilakukan proses etsa dengan larutan aqua regia. Pengamatan dilakukan dengan dua perbesaran yaitu 100x dan 200x. Hasil dan Pembahasan Uji komposisi kimia dengan tiga metode menghasilkan data pada Tabel 1. Berdasarkan data tersebut, komponen liner plate ini masuk dalam material abrasion wear resistant cast iron kelas II tipe D pada standar spesifikasi ASTM A 532. Tabel 1. Komposisi kimia liner plate Unsur Fe C Mn Si Ni Cr Mo Cu P S W (%) 75,17 2,090 0,185 0,676 0,071 21,30 0,125 0,040 0,035 0,026 0,945 Hasil pengujian kekerasan Vickers, menunjukan kenaikan nilai kekerasan dari nilai raw material 503,174 VHN dan mencapai nilai optimal 933,096 VHN pada suhu 1000 C, yang dapat dilihat pada SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

5 Tabel 2. Hal ini membuktikan bahwa perlakuan panas berpengaruh dalam proses peningkatan kekerasan material, yang diilustrasikan pada Gambar 1. Material ini menghasilkan nilai kekerasan yang lebih tinggi dari nilai kekerasan standar pada ASTM A 532. Hal ini disebabkan karena austenisasi pada suhu rendah (900 dan 950 C) akan menghasilkan martensit dalam jumlah sedikit, yang menyebabkan nilai kekerasan tidak terlalu tinggi. Sedangkan austenisasi pada suhu tinggi (1050 C) menyebabkan austenit yang stabil sehingga pada saat pendinginan menyebabkan terbentuknya retained austenit yang menurunkan kekerasan (ASM, Vol 4, 1541). Pengamatan struktur mikro pada Gambar 3 terlihat peningkatan jumlah karbida krom yang merata seiring peningkatan suhu austenit. Namun terlihat menurun lagi ketika suhu terlalu tinggi (1050 C). Tabel 2. Hasil uji kekerasan Vickers Perlakuan Raw 900 C 950 C 1000 C 1050 C VHN Gambar 1. Grafik uji kekerasan Vickers terhadap kenaikan suhu perlakuan panas Perlakuan panas juga memberikan dampak pada perubahan nilai ketahanan aus material. Dari perhitungan uji keausan metode Oghosi didapatkan penurunan nilai keausan yang cukup signifikan dari raw material dengan nilai keausan 1,185E-05 mm 3 /kg.m dan hasil perlakuan panas sampai 1000 C dengan nilai keausan spesifik 1,170E-05 mm 3 /kg.m, seperti terlihat pada Tabel 3. Ilustrasi kenaikan ketahanan aus pengaruh dari perlakuan panas dapat dilihat pada Gambar 2. Kondisi tersebut disebabkan karena nilai kekerasan yang berangsur naik pada proses pemanasan dari 900 C hingga 1000 C. Namun nilai keausan kembali naik untuk spesimen prose pemanasan 1050 C karena terbentuknya retained austenit, seperti terlihat pada Gambar 3 (e). Tabel 3. Hasil uji keausan metode Oghosi Perlakuan Raw 900 C 950 C 1000 C 1050 C Ws 1,185E-04 9,612E-05 6,791E-05 1,170E-05 7,798E-05 Gambar 2. Grafik uji keausan metode Oghosi terhadap kenaikan suhu perlakuan panas SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

6 Pengamatan strukur mikro menunjukkan perubahan jumlah dan penyebaran karbida akibat proses perlakuan panas. Karbida yang terbentuk antara lain karbida krom dan karbida besi yang bersifat sangat keras seperti yang terlihat pengamatan SEM dan EDS (Gambar 4). (a) (b) (c) (d) (e) Gambar 3. Struktur mikro (a) raw material dan hasil perlakuan panas (b)900 C, (c) 950 C, (d) 1000 C, (e) 1050 C Struktur mikro didominasi oleh matriks martensit (warna gelap) dan karbida krom (warna putih berbentuk panjang dan bulat). Jumlah dan penyebaran karbida dipengaruhi oleh suhu perlakuan panas. Spesimen dengan perlakuan panas 1000 C mempunyai jumlah karbida terbanyak dengan penyebaran yang merata, sehingga menyebabkan nilai kekerasan tertinggi (Gambar 1) dan keausan spesifik terendah (Gambar 2) (1) SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

7 (2) (3) Gambar 4. SEM perbesaran 500x dan (1) EDS struktur matriks, (2) EDS karbida berbentuk panjang, (3) EDS karbida bentuk kecil Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan pada material abrasion wear resistant cast iron kandungan khromium 21,3% dengan perlakuan panas, dapat disimpulkan bahwa perlakuan panas berpengaruh pada kenaikan kekerasan dan ketahanan aus material abrasion wear resistant cast iron. Pada penelitian ini dihasilkan nilai kekerasan optimum 933,096 VHN sehingga naik 85% dari raw material, sedangkan nilai keausan spesifik terendah 1,170E-05 mm 3 /kg.m (turun 90% dari raw material). Suhu perlakuan panas untuk mendapatkan kekrasan dan ketahanan aus optimum material abrasion wear resistant cast iron kandungan kromium 21,3% adalah 1000 C. Daftar Pustaka 1. ASM Handbook, 1991, Heat Treating, Vol. 4, ASM International 2. ASM Handbook, 2000, Mechanical Testing and Evaluation,Vol. 8, ASM International 3. ASM Handbook, 2004, Metallography and Microstruktures,Vol.9, ASM International 4. ASM Handbook, 1992, Casting,Vol. 15, ASM International 5. ASTM, 1996, Metals-Mechanical Testing; Elevated and Low-Temperature Tests; Metallography, Vol , E 92, ASTM Publishing, West Conshohocken 6. ASTM, 1999, Standard Testing Materials, ASTM Publishing, West Conshohocken 7. Centikaya, C., 2004, An Investigation of The Wear Behaviours of White Cast Irons under Different Compositions, Materials and Design, Elsevier 8. Coronado, J. J., 2011, Effect of (Fe,Cr)7C3 Carbide Orientation on Abrasion Wear Resistance and Fracture Toughness, Wear, Elsevier 9. Jacuinde, B. A., Correa, R., Mejia, I., Quezada, G. J., Rainforth, M. W., 2006, The Effect of Titanium on The Wear Behaviour of a 16% Cr White Cast Iron Under Pure Sliding, Wear, Elsevier 10. Manual Book of Oghosi, High Speed Universal Wear Testing Machine (Type OAT-U), Tokyo Testing Machine MFG. Co., Ltd. 11. Poolthong, N., Nomura, H., Takita, M., 2004, Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Semi-solid Chromium Cast Iron, Material Transactions, Vol. 45, The Japan Institute of Metals 12. Wiengmoon, A., 2005, Carbides in High Chromium Cast Irons, Department of Physics, Faculty of Science, Naresuan University, Phitsanulok 13. Zhi, X., Xing, J., Fu. H., Xiao, B., 2007, Effect of Niobium on As-Cast Microstructure of Hypereutectic High Chromium Cast Iron, Material Letters, Elsevier SENATEK 2015 Malang, 17 Januari