Kampus Baru Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia. a b c

Transkripsi

1 Analisis Lapisan Intermetalik Pada Permukaan Baja Perkakas H13 dengan Perlakuan Panas Shot Peening dan Nitridisasi Sebagai Awal Die Soldering pada Proses Die Casting Paduan Aluminium ADC12 Myrna Ariati 1,a,Rini Riastuti 2,b and Rizki Aldila 3,c 1, 2,3 Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia. a myrna@metal.ui.ac.id, b riastuti@metal.ui.ac.id, c rizki.aldilla@ui.ac.id, ABSTRAK Die soldering terjadi ketika lelehan alumunium menempel ke permukaan material cetakan dan tetap tertinggal setelah pengeluaran produk cor, yang berakibat pada peningkatan biaya produksi dan kehilangan produksi pada industri pengecoran. Perlakuan permukaan seperti nitridisasi dianggap sebagai cara yang efektif dalam menahan terjadinya reaksi soldering. Pada penelitian ini, baja perkakas H13 dengan tiga perlakuan permukaan berbeda dicelup ke dalam lelehan alumunium ADC12 pada temperatur 680 o C dan di tahan selama 30 detik, 30 menit, 2 jam, dan 5 jam. Karakterisasi permukaan baja difokuskan pada identifikasi lapisan intermetalik dari proses pencelupan, dari uji struktur mikro analisa komposisi lapisan dengan pengujian FESEM dan EDS dan uji kehilangan berat..hasil penelitian ini menunjukkan bahwa bahwa baja H13 dengan perlakuan shot peening saja menghasilkan kecenderungan die soldering dengan terbentuknya senyawa intermetalik broken layer AlFeSi, sementara soldering tidak ditemukan pada permukaan dengan perlakuan shot peening yang dilanjut dengan nitridisasi. Kata Kunci: Nitridisasi.Lapisan Difusi, Shot Peening,Baja Perkakas, Die Soldering ABSTRACT Die soldering occurs when molten aluminum sticks to the surface of a die material and remains there after the ejection of the part. This resulted in low productivity and economic value in the foundry industry. Nitriding surface treatment is considered as an effective way to prevent soldering. In this research, H13 tool steel with three different surface treatments were dipped into the molten of ADC12 at temperature 680 o C and held for 30 seconds, 30 minutes, 2 hours, and 5 hours. Characterizations on the surface of the steel were focused on the intermetallic layer identification of dipping test samples. with FESEM observation and EDS analysis and weight loss test rohardness profile the H13 tool steel. The research results showed that H13 steel with the shot peening only treatment showed a die soldering tendency with the present of broken layer of AlFeSi ; while the soldering was not found on the shot peened nitrided samples. Pendahuluan Kualitas dies atau cetakan dalam proses die casting menentukan bagus tidaknya kualitas produk yang dihasilkan. Biaya terbesar sebanyak 20% dari total biaya produksi die casting merupakan biaya cetakan [1]. Oleh karena itu, umur cetakan menjadi perhatian utama. Hal ini SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

2 berkaitan dengan efisiensi dari suatu proses die casting. Semakin banyak total produk yang dapat dihasilkan sebelum cetakan mengalami kegagalan, maka akan semakin ekonomis suatu proses die casting. Die soldering merupakan kegagalan yang paling sering terjadi dan menjadi penyebab utama dari proses downtime di indsutri die casting alumunium [2]. Die soldering merupakan reaksi antara permukaan cetakan dengan logam lelehan yang menyebabkan menempelnya logam lelehan ke permukaan cetakan. Fenomena die soldering akan mengarah pada kerusakan cetakan, buruknya kualitas produk cor, dan penurunan produktivitas serta efisiensi proses die casting. Oleh karena itu, jika pembentukan die soldering dapat diminimalisir maka umur cetakan dan efisiensi proses die casting dapat ditingkatkan. Berdasarkan Shankar [2], melakukan rekayasa permukaan cetakan adalah cara yang paling efektif untuk menahan terjadinya die soldering. Alasannya adalah karena die soldering berkaitan erat dengan pelarutan material cetakan di permukaan cetakan [3]. Sampai saat ini metode rekayasa permukaan yang paling banyak dilakukan oleh industri untuk menghalangi terjadinya reaksi difusi penyebab soldering adalah nitridisasi [2]. Pada prinsipnya, nitridisasi merupakan rekayasa permukaan yang umum dilakukan sebagai upaya peningkatan umur pakai cetakan melalui perbaikan sifat mekanis dengan membentuk suatu lapisan yang keras dan memiliki tegangan sisa kompresif tinggi. Lapisan ini akan menghalangi kontak langsung antara material cetakan dengan lelehan alumunium sehinga reaksi difusi antara Fe dan Al penyebab die soldering dapat diminimalisir. Shot peening umumnya dilakukan untuk peningkatan kekuatan fatik material. Perlakuan shot peening sebelum nitridisasi diharapkan akan meningkatkan kekerasan permukaan setelah nitridisasi melalui peningkatan laju difusi nitrogen. Riset ini mengamati reaksi permukaan material baja perkakas H13 yang telah mengalami rekayasa permukaan shot peening, nitridisasi dan shot peening sebelum nitridisasi terhadap fenomena die soldering dengan melakukan pencelupan ke dalam lelehan alumunium pada variasi waktu dan temperatur tertentu.komposisi dan Fasa Lapisan yang terbentuk selama proses pencelupan dianalisa komposisi dan diprediksi Fasa yang terjadi untuk menunjukkan kondisi yang dapat diterapkan untuk menghindarkan terjadinya die soldering. Tinjauan Teoritis Die soldering terjadi karena suatu proses difusi yang disebabkan oleh besarnya afinitas yang dimiliki oleh atom Fe dan Al dan tingginya reaksi kinetik antara Fe dan Al. Saat alumunium bersentuhan dengan cetakan, atom Fe dan atom Al saling berdifusi terhadap satu sama lain menghasilkan fasa-fasa intermetalik di permukaan cetakan. Awalnya, Fe dan Al bereaksi membentuk fasa intermetalik biner FexAly. Kemudian, fasa biner bereaksi dengan alumunium cair membentuk fasa intermetalik terner FexAlySiz. Setelah fasa intermetalik biner dan terner terbentuk di permukaan cetakan, alumunium menempel ke cetakan akibat konduktivitas termal yang rendah dari fasa intermetalik dan energi antarmuka yang lebih stabil antara lapisan intermetalik dengan alumunium [4]. Morfologi lapisan intermetalik yang terbentuk di antarmuka baja cetakan logam cor saat lelehan logam bersentuhan dengan baja cetakan tergantung pada komposisi logam cor dan baja cetakan, temperatur logam cor, juga waktu kontak. Berdasarkan diagram fasa FeAl, terdapat 4 fasa intermetalik yang mungkin terbentuk pada temperatur 680 o C dengan energi bebas Gibb s pembentukan masing-masing fasa FeAl, FeAl2, Fe2Al5, dan FeAl3 adalah sebagai berikut: SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

3 Nitridisasi merupakan proses pengerasan permukaan material secara termokimia dengan membentuk endapan paduan nitrida yang keras di permukaan, tanpa terjadinya perubahan fasa selama proses pendinginan ke temperatur ruang. Pada proses nitridisasi, atom nitrogen berdifusi ke dalam fasa ferit saat material dipanaskan pada temperature o C (dibawah garis Ac1) dan bereaksi dengan unsur paduan pembentuk nitrida yang ada di permukaan material membentuk lapisan nitrida keras. Material yang bisa dinitridisasi adalah baja karbon sedang (medium carbon steels) yang mengandung unsur pembentuk nitrida, seperti Al, Cr, Mo, V, Ti, Nb, dan Zr [8]. Dengan nitridisasi gas, kekerasan permukaan material yang didapat bisa mencapai 1100V HV untuk baja perkakas pengerjaan panas dengan kedalaman lapisan mm. Kedalaman lapisan nitridisasi ditentukan sebagai jarak suatu titik dari permukaan yang masih memiliki kekerasan minimal 55 HV. Shot peening menghasilkan tegangan sisa kompresif di permukaan dan merupakan proses yang harus dikontrol dengan kepresisian tinggi, baik itu untuk kebulatan bola, intensitas shot, partikel shot, dan juga daerah yang di-shot peening [5]. Metode Penelitian Material yang digunakan pada penelitian ini adalah baja perkakas H13 (0,35%C, 5,0%Cr, 1.5%Mo, 1.00%V, 0.8% Si) berukuran 85 x 75 x 10 mm yang telah mengalami hardened hingga memiliki kekerasan HRC. Proses hardened terdiri dari preheat selama 30 menit di temperatur 650 o C dan 850 o C, austenisasi di temperatur 1025 o C selama 60 menit, pressure quenching dengan gas N2 ke temperatur o C, dan temper selama 2 jam di temperatur 580 o C, 600 o C, dan 580 o C. Ada 3 kondisi variasi perlakuan permukaan yang diberikan terhadap baja perkakas hasil hardened, yaitu: a) as-hardened shot peening (selanjutnya disebut sampel SP); b) as-hardened shot blasting nitridisasi, shot blasting tempering (selanjutnya disebut sampel N); dan c) as-hardened shot blasting shot peening nitridisasi, shot blasting tempering (selanjutnya disebut sampel SPN). Sampel hasil variasi perlakuan permukaan kemudian dipotong menjadi berukuran 30x10x10 mm untuk pengukuran kehilangan berat dan 20x10x10 m untuk pengamatan struktur mikro. Pencelupan sampel ke dalam paduan alumunium ADC12 dilakukan selama 30 detik, 30 menit, 2 jam, dan 5 jam pada suhu konstan 680 o C dalam suatu holding furnace(gambar 1). Pengujian yang dilakukan terdiri dari, pengujian kekerasan makro dan mikro, dan pengamatan lapisan intermetalik FESEM.dan EDS untuk prediksi fasa yang terbentuk SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

4 Gambar 1. Skema proses pencelupan ke dalam holding furnace Hasil Penelitian dan Pembahasan Pengaruh Shot Peening Terhadap Kekerasan Permukaan Nitriding Baja AISI H13 Didapatkan bahwa kekerasan maksimal rata-rata dan kedalaman efektif dari lapisan difusi sampel SPN bernilai lebih tinggi jika dibandingkan dengan sampel N. Kekerasan maksimal ratarata sampel N adalah 1033 HV dan sampel SPN adalah 1114 HV. Hasil ini menunjukan bahwa shot peening mempengaruhi kekerasan lapisan nitridisasi. Prediksi nilai %berat nitrogen di dekat permukaan menggunakan EDS menunjukan nilai %N yang lebih besar untuk sampel SPN (6.23%) jika dibandingkan dengan sampel N (4.56%). Dengan kata lain, %N yang lebih besar pada sampel SPN mengandung lebih banyak senyawa nitrida yang keras. Kekerasan maksimal rata-rata yang lebih tinggi pada permukaan sampel SPN juga dapat disebabkan oleh tegangan sisa kompresif, pengerasan kerja, dan strain-induced martensitic formation akibat deformasi plastis dari perlakuan shot peening [6]. Kekerasan sebelum nitridisasi yang meningkat akibat shot peening kemudian mengalami peningkatan lebih jauh setelah nitridisasi. Peningkatan ini disebabkan oleh meningkatnya densitas dislokasi di permukaan setelah shot peening yang mengakibatkan nitrogen dapat lebih mudah berdifusi di permukaan sehingga jumlah nitrogen di permukaan lebih besar dan kekerasannya pun akan lebih tinggi [7]. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, deformasi plastis akibat proses shot peening dapat menyebabkan strain-induced martensitic formation [6], yaitu berubahnya austenit metastabil menjadi martensit akibat deformasi plastis. Setelah proses Shot Peening,, tingginya densitas dislokasi dan batas butir di permukaan mempermudah nitrogen masuk lebih dalam sehingga nitrogen yang tetap berada dipermukaan semakin sedikit. Hasil ini sejalan dengan penelitian yang dilakukan oleh Kikuchi [7], dimana struktur kristal white layer pada permukaan nitridisasi yang didahului shot peening menunjukkan terbentuknya senyawa sedangkan white layer pada permukaan nitridisasi saja tersusun atas senyawa. Senyawa dapat terbentuk pada konsentrasi N tinggi ( %) sedangkan senyawa terbentuk pada konsentrasi N sangat tinggi (8-11%). Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa shot peening yang dilakukan sebelum nitridisasi dapat meningkatkan efektifitas proses nitridisasi yang terlihat dari meningkatnya kedalaman efektif lapisan difusi dan kekerasan maksimal rata-rata. Morfologi Permukaan Baja Perkakas H13 setelah Pencelupan ke dalam Paduan Alumunium ADC12 Gambar 2 dan Tabel 1 merupakan pengamatan FESEM terhadap penampang melintang hasil pencelupan baja perkakas H13 hasil variasi proses perlakuan permukaan ke dalam paduan alumunium ADC12 selama 30 menit dan 5 jam. Perlakuan permukaan yang berbeda (SP, N, dan SPN) pada waktu pencelupan yang berbeda memberikan morfologi permukaan yang berbeda. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

5 Berdasarkan Gambar 3 di bawah, hasil pencelupan sampel SP ke dalam lelehan paduan alumunium dengan waktu 30 menit dan 5 jam menghasilkan alumunium yang menempel ke permukaan baja perkakas H13 atau yang disebut sebagai soldering. Pada waktu pencelupan 30 menit, permukaan baja sampel SP bagian atas yang bersentuhan langsung dengan alumunium terlihat tidak rata dan seperti terlepas-lepas (fragmented) hingga kedalaman m yang berarti telah terjadi tahap awal dari soldering, yaitu pengikisan daerah lunak oleh alumunium cair membentuk solid solution primer Fe yang menyebabkan terbentuknya sumuran-sumuran di permukaan baja. Sedangkan pada waktu pencelupan 5 jam, soldering terlihat homogen di seluruh permukaan baja sampel SP. Pada kondisi ini telah terjadi reaksi kimia antara paduan alumunium dengan baja H13 yang ditandai oleh terbentuknya lapisan intermetalik inner compound layer, outer compound layer, dan composite layer [8,9]. Pada pencelupan sampel N dan sampel SPN ke dalam lelehan paduan alumunium ADC12 selama 30 menit dan 5 jam tidak menghasilkan soldering alumunium ke permukaan baja perkakas H13 yang ditunjukkan dengan terbentuknya celah diantara alumunium dan baja H13. Dari gambar tersebut juga didapatkan bahwa perlakuan shot peening sebelum nitridisasi dengan perlakuan nitridisasi saja menghasilkan morfologi hasil pencelupan yang serupa. Soldering atau ikatan secara kimia antara alumunium dengan baja dapat terjadi jika fasa intermetalik compound layer (solid) dan composite layer (semisolid) terbentuk. Tabel 1 menunjukkan prediksi senyawa yang terbentuk akibat proses pencelupan baja H13 ke dalam paduan alumunium ADC12 selama 30 menit dan 5 jam.prediksi ini dilakukan berdasarkan kadar % unsur-unsur dari pengujian EDS yang dicocokkan dengan diagram fasa. Prediksi fasa-fasa ini juga diperlihatkan pada struktur mikro yang tertera pada gambar 2. Waktu pencelupan dan perlakuan permukaan berbeda terlihat memiliki fasa-fasa yang berbeda pula. Secara umum, semakin menjauh dari alumunium kadar Al semakin berkurang dan begitu juga dengan kadar Fe semakin berkurang dengan semakin menjauh dari baja. Fasa αfe di permukaan baja menunjukan terjadinya reaksi antara Fe dan Al karena pada fasa ini Al dan Fe berada dalam kondisi solid solution. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

6 Sampel Waktu Pencelupan 30 menit Waktu Pencelupan 5 jam SP N SPN Gambar 2. FESEM dan prediksi fasa hasil pencelupan baja perkakas H13 (sampel SP,N dan SPN) ke dalam lelehan paduan alumunium ADC12 selama 30 menit dan 5 jam pada temperatur 680 o C SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

7 Tabel 1. Prediksi Fasa dengan EDS, Hasil Pencelupan Baja Perkakas H13 ke dalam Paduan Alumunium ADC12 Sampel Waktu Daerah %Al %Si %Fe %Cr %N Prediksi Fasa I ADC12 II αfe 30 menit III αfe IV αfe V H13 I ADC12 SP II AlxFeySiz III AlxFeySiz IV AlxFeySiz 5 jam Fe2Al5; V FeAl3 VI αfe VII H13 I FexNy II FexNy 30 menit FexNy; III CrxNy N IV FexNy I ADC12 II AlxFeySiz 5 jam III αfe IV αfe V αfe SPN 30 menit 5 jam I FeAl2 II FeAl2 III FexNy; CrxNy IV FexNy; CrxNy V FexNy; CrxNy I ADC12 II ADC12 III ADC12 IV ADC12 V FeAl2 VI αfe VII αfe VIII αfe Berdasarkan data di atas, terbentuk fasa FeAl3-Fe2Al5 pada lapisan intermetalik inner compound layer, fasa AlxFeySiz pada outer compound layer dan fasa AlxFeySiz pada composite layer. Compound layer memiliki kandungan Fe relatif lebih tinggi dibandingkan dengan composite layer. Sedangkan composite layer memiliki kandungan Al yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan compound layer. Hal tersebut terjadi karena compound layer merupakan lapisan yang terbentuk pertama kali hasil difusi atom Fe dari H13 dan atom Al dari aluminium cair, dimana koefisien difusi dari besi menuju aluminium adalah 53 x 10-4 m 2 s -1, lebih besar dari koefisien difusi aluminium menuju besi, 1.8 x 10-4 m 2 s -1 [10]. Sehingga, dapat disimpulkan bahwa atom Fe dari baja H13 lebih banyak berdifusi membentuk compound layer dibandingkan atom Al dari aluminium cair. Kemudian, composite layer merupakan reaksi lanjutan yang menyebabkan terjadinya reaksi antara compound layer dan aluminium cair. Dimana energi aktivasi untuk difusi atom Fe pada fasa Fe2Al5 adalah 107 kj/mol sedangkan difusi atom Al adalah 171 kj/mol [10], sehingga difusi Al dari aluminium cair menuju compound layer membentuk composite layer lebih mendominasi dibandingkan difusi Fe dari H13 melalui compound layer. Pada sampel N fasa intermetalik yang terbentuk mengarah pada AlxFeSiz sedangkan pada sampel SPN fasa intermetalik lebih mengarah pada FeAl2. Seperti telah disebutkan sebelumnya pada sampel dengan lapisan difusi hasil nitridisasi, white layer mengalami dekomposisi pada SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

8 suhu 520 o C dan menghasilkan Fe yang kemudian bereaksi membentuk partikel intermetalik FexAly atau AlxFeySiz. Pada penelitian ini, fasa intermetalik yang terbentuk sangat tipis yaitu hanya ~1-3 m. Partikel intermetalik ini tidak bersifat detrimental terhadap permukaan baja perkakas karena pembentukan CrN selama nitridisasi akan memberikan proteksi sehingga hanya terbentuk sejumlah kecil intermetalik yang kemudian akan terlarut ke dalam lelehan alumunium [11]. Perbedaan fasa intermetalik yang hadir dalam sampel N dan SPN dapat disebabkan oleh perbedaan fasa FeN yang lebih dominan di white layer. Dari penjelasan sebelumnya, telah disebutkan bahwa struktur kristal white layer pada kondisi permukaan dengan perlakuan nitridisasi lebih didominasi oleh senyawa, yang memiliki kadar N lebih tinggi, sedangkan pada kondisi permukaan dengan perlakuan shot peening yang dilanjut dengan nitridisasi white layer lebih didominasi oleh senyawa lebih rendah [7]., yang memiliki kadar N Kesimpulan Hasil nitridisasi baja perkakas H13 di lingkungan atmosfer amonia (50%NH3, 50%N2) selama 5 jam pada suhu 510 o C, menunjukkan kekerasan maksimal rata-rata kondisi permukaan dengan perlakuan shot peening yang dilanjut dengan nitridisasi, 1114 HV,yang lebih besar dibanding dengan kondisi permukaan dengan perlakuan nitridisasi saja, 1033 HV C). Pencelupan baja perkakas H13 ke dalam paduan alumunium ADC12 pada kondisi permukaan dengan perlakuan shot peening menghasilkan fenomena soldering yang disertai pembentukan lapisan intermetalik inner compound layer, outer compound layer, dan composite layer. Sedangkan pada kondisi permukaan dengan perlakuan nitridisasi dan shot peening yang dilanjut dengan nitridisasi hanya terindikasi sejumlah kecil partikel intermetalik tanpa disertai fenomena soldering. Daftar Pustaka [1] V Joshi, Srivastava, A., Shivpuri, R., Investigating ion nitriding for the reduction of dissolution and soldering in die-casting shot sleeves, Surface and Coatings Technology, vol , 2003, pp [2] S Shankar, and D Apelian, Mechanism and Preventive Measures for Die Soldering during Al Casting in a Ferrous Mold Journal of Materials, 2002, pp [3] Q Han, and S Viswanathan, Analysis of the Mechanism of Die Soldering in Aluminum Die Casting, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 34A, 2003, pp [4] S Shankar, and D Apelian, Die Soldering: Mechanism of the Interface Reaction between Molten Aluminum Alloy and Tool Steel, Metallurgical and Materials Transactions, vol. 33B, 2002, pp [5] V Joshi, A Srivastava, and R Shivpuri, Intermetallic formation and its relation to interface mass loss and tribology in die casting dies, Wear, vol. 256, no , 2004, pp [6] B Hashemi, M Rezaee Yazdi, and V Azar, The wear and corrosion resistance of shot peened nitrided 316L austenitic stainless steel, Materials & Design, vol. 32, no. 6, 2011, pp [7] S Kikuchi, and J Komotori, Effect of Fine Particle Peening Treatment prior to Nitriding on Fatigue Properties of AISI 4135 Steel, Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, vol. 2, no. 11, 2008, pp [8] Y Zhu, D Schwam, J F Wallace, and S Birceanu, Evaluation of soldering, washout and thermal fatigue resistance of advanced metal materials for aluminum die-casting dies, Materials Science and Engineering: A, vol. 379, no. 1-2, 2004, pp [9] S Gulizia, Soldering in High Pressure Die Casting (HPDC); Performance Evaluation and Characterisation of Physical Vapour Deposition (PVD) Coatings, School of Engineering and Science, Swinburne University of Technology, Australia, SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

9 [10] Z W Chen, Formation and progression of die soldering during high pressure die casting, Materials Science and Engineering: A, vol. 397, no. 1-2, 2005, pp [11] C tang, Soldering in Magnesium High Pressure Die Casting and its Prevention by Surface Engineering, Industrial Research Institute Swinburne, Swinburne University of Technology, Australia, SENATEK 2015 Malang, 17 Januari