ANALISA KERETAKAN PADA KOMPONEN CAMSHAFT Cahya Sutowo, Ika Kartika, Budi Priyono Pusat Penelitian Metalurgi dan Material - LIPI Kawasan Puspiptek Serpong, Gedung 470, Tangerang 15314 e-mail : csutowo@yahoo.com ABSTRAK Camshaft merupakan salah satu komponen pada engine suatu kendaraan bermotor, komponen ini terbuat dari material besi cor maleabel yang dibuat melalui proses grafity casting. Kegagalan pada komponen ini akan berakibat fatal jika terjadi pada saat engine beroperasi. Pada kasus ini kegagalan diketahui pada saat proses machining (pembubutan), kegagalan pada camshaft tersebut berupa retakan dan patah. Untuk mengetahui penyebab kegagalan tersebut, beberapa karakterisasi dilakukan pada area permukaan retakan berupa pemeriksaan secara visual, metalografi dengan optical microscope dan fraktografi patahan dengan SEM (scanning electron microscope) dan analisi komposisi kimia pada permukaan patahan dengan EDS (energy dispersive spectroscopy) Hasil pengujian menunjukkan retakan atau patahan yang terjadi pada camshaft adalah brittle-ductile fracture dimana pada area ductile fracture terjadi patahan merambat sepanjang grafit dan batas butir ferit dalam komponen tersebut. Patahan pada komponen camshaft menjalar saat proses perlakuan panas (heat treatment). Hal ini terindikasi dengan adanya retakan mikro dilihat dari fraktografi patahan hasil SEM, dan adanya retakan sekunder yang dipicu oleh oksida logam teramati dari hasil metalografi. Kata Kunci : chamshaft, besi cor maleabel, gravity casting, fracture, heat treatment, oksida logam 1. PENDAHULUAN Camshaft merupakan suatu komponen pada engine yang berfungsi untuk menggerakkan katup intake & exhaust berdasarkan putaran crankshaft dengan kata lain komponen camshaft sebagai pengatur waaktu pembukaan dan penutupan katup. Camshat mempunyai dua buah tonjolan (cam) yang memiliki karakteristik masing masing. Pembukaan katup diatur oleh camshaft melalui sentuhan profil cam dengan rocker arm sehingga akan menyebabkan membuka dan menutupnya katup intake dan exhaust. Bahan camshaft biasanya besi tuang melalui proses perlakuan panas (hardening) yang bertujuan untuk meningkatkan ketahanan terhadap keausan ketika bergesekan dengan rocker arm. Camshaft dibuat melalui proses grafity casting dengan material besi cor maleabel FCMP (ferrous casting malleable perlitic), besi cor maleabel merupakan besi cor putih yang telah dilakukan heat treatment sehingga dihasilkan grafit maleabel dengan matrik
perlit. Kegagalan yang terjadi pada komponen camshaft tersebut berupa retak, adanya retak tersebut diketahui pada saat proses machining (pembubutan). Komponen cam shaft yang mengalam retak sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Foto visual komponen camshaft yang mengalami retak. 2. METODE PENELITIAN Untuk mengetahui penyebab kegagalan tersebut, beberapa karakterisasi dilakukan pada area permukaan patahan berupa pemeriksaan secara visual, metalografi, analisa komposisi kimia, pengujian kekerasan. Tahapan penelitian yang dilakukan meliputi pengamatan visual dan fraktografi, pengujian dan analisa pembahasan. Pengamatan visual dan fraktografi baik secara makro visual dengan menggunakan kamera ataupun mikro visual menggunakan SEM (scanning electron microscope) untuk dapat melihat kerusakan pada area permukaan patahan dan untuk mengidentifikasi bentuk patahan, sehingga diketahui jenis dan penyebab kerusakan komponen tersebut. Pengamatan metalografi menggunakan mikroskop optik dilakukan untuk mengamati area disekitar kerusakan pada penampang melintang area yang mengalami kegagalan. Sampel sebelumnya dipreparasi terlebih dahulu dengan diampelas dan dipoles sampai halus untuk selanjutnya dietsa dan terakhir dilakukan pengamatan. Pengujian SEM/EDS (scanning electron microscope / energy dispersive spectroscopy) bertujuan untuk mengetahui kandungan unsur secara kualitatif pada area permukaan patahan serta mengamati jenis patahan dengan menggunakan perbesaran yang lebih tinggi. Pengujian komposisi kimia dilakukan untuk mengetahui apakah material yang digunakan untuk komponen camshaft sudah sesuai dengan standar yang disyaratkan sedangan pengujian kekerasan dilakukan menggunakan metode Brinell (HB 30) dengan
beban 187,5 kgf dan diameter indentor 2,5 mm. Standar yang digunakan adalah (ASTM E 10-98). untuk mengetahui jenis dan standar material yang digunakan Pengujian dilakukan pada area camshaft yang mengalami kegagalan retak atau patah seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Patahan Gambar 2. Komponen camshaft yang mengalami kegagalan 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengamatan fraktografi dilakukan pada penampang komponen camshaft yang mengalami retak atau patah. Dari pengamatan visual makro terlihat pada penampang patahan terbagi atas tiga area yaitu (1) area inisiasi retakan, (3) area penjalaran retak, (2) daerah akhir retakan sebagaimana pada Gambar 3. 1 2 3 Gambar 3. Foto pengamatan visual pada area patahan menunjukkan (1). area inisiasi retakan, (2). area penjalaran retak, (3). area akhir retakan. Hasil fraktografi dengan menggunakan SEM pada Gambar 4 sampai 6, pada permukaan patahan camshaft menunjukkan patahan jenis brittle-ductile fracture. Pada permukaan patahan dengann ciri ductile fracture teramati patahan menjalar sepanjang grafit (irregular graphite), retakan mikro juga teramati pada permukaan patahan.
Gambar 4 menunjukkan foto f fraktografi menggunakan SEM pada permukaan patahan camshaft area 1 menunjukkan retakan menjalar ke arah tengah dari komponen. Retakan pada posisi ini menunjukkan men ciri dari patah getas.. Gambar 4(b) menunjukkan perbesaran dari Gambar ambar 4(a), pada area yang ditandai menunjukkan adanya retakan retakanretakan mikro sepanjang batas butir. b Tengah Pinggir (a) (b) Gambar 4. Foto fraktografi hasil SEM permukaan patahan camshaft pada area 1. Gambar 5. Menunjukkan foto f fraktografi menggunakan SEM pada permukaan patahan camshaft area 2 menunjukkan retakan menjalar sepanjang batas butir. Retakan pada posisi ini menunjukkan ciri dari patah getas, getas Gambar 5(b) menunjukkan perbesaran dari 5(a) (a) pada area yang ditandai. (a) (b) Gambar 5. (a) Foto fraktografi hasil SEM permukaan patahan camshaft area 2. Gambar 6. menunjukkan foto f fraktografi menggunakan SEM pada permukaan patahan camshaft area 3 menunjukkan retakan menjalar sepanjang batas butir ferit dan grafit yang berbentuk iregular. Retakan pada posisi ini menunjukkan ciri dari ductile-brittle fracture; gambar 6(b) menunjukkan perbesaran dari 6(a) (a) pada area yang ditandai.
(a) (b) Gambar 6. Foto fraktografi hasil SEM permukaan patahan camshaft pada area 3. Hasil metalografi pada gambar 7 pada posisi melintang dari permukaan patahan menunjukkan struktur yang terbentuk dari hasil metalografi adalah ferit, perlit dan grafit (irregular graphite). ). Hasil struktur mikro memperlihatkan adanya retakan sekunder disamping retakan primer yang disebabkan oleh penjalaran oksida, oksida, aadanya penjalaran oksida teramati berwarna abu-abu abu pada foto hasil metalografi tersebut. Retak sekunder Gambar 7. Struktur mikro pada arah melintang dari permukaan permukaan patahan komponen camshaft menunjukan fasa ferit, perlt dan grafit. Sepanjang rambatan patahan teramati struktur yang terbentuk adalah ferit dan teramati adanya retakan sekunder. Etsa Nital 2%. Hasil analisa komposisi kimia dengan OES pada tabel abel 1 menunjukkan bahwa komposisi kimia dari material camshaft adalah sesuai bila dibandingkan dengan standar yang ada. Hanya bila ada penambahan atau modifikasi unsur-unsur unsur unsur yang disarankan oleh standar yang ada, unsur Ni dan Mo terlihat masih di bawah standar yang ditentukan.
Karbon ekivalen untuk material camshaft adalah sebesar 3,26% menunjukkan harga yang sesuai untuk pembentukan besi cor maleabel. Tabel 1. Hasil analisa komposisi kimia camshaft dengan OES Unsur (%) Komponen C Si S P Mn Ni* Cr* Mo* Cu* Camshaft 2,789 1,422 0,011 0,004 0,686 0,0142 0,029 0,001 0,018 Std.Malleabel 2,2-2,9 0,9 1,9 0,02-0,20 0,02-0,15 0,15-1,25 0,5-0,8 0,01-0,03 0,35-0,5 1,0% *Unsur yang biasa ditambahkan dalam malleable iron, CE = C + (Si+P)/3 = 3,26 % Hasil SEM-EDS padaa Gambar 9 sampai 11 menunjukkan adanya kandungan unsur O sebagai pembentuk oksida logam. Element Mass% O K 2.63 Al K 2.65 Fe K 94.73 Total 100.00 Gambar 9. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan areaa 1 0,3 mm Element Mass% C K 28.86 O K 8.05 Si K 1.24 Fe K 57.36 Cu K 4.50 Total 100.00 Gambar 10. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan areaa 2.
Element Mass% C K 6.87 O K 15..91 Si K 1.46 Fe K 75..76 Total 100..00 Gambar 11. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan areaa 3. Harga kekerasan rataa rata material camshaft sebagaiana pada Tabel 2 adalah 286 BHN. Tingginya harga kekerasan ini menyebabkan material bersifat getas (brittle) dan memiliki ketangguhan yang rendah (poor of toughness). Tabel 2. Harga kekerasan material camshaft dengan metoda Brinell (HB-30) NO. UJI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 KEKERASAN RATA-RATA HARGA KEKERASAN (HB-30) 284,2 293,0 281,0 281,0 281,0 281,0 285,8 283,4 292,2 297,8 286,0 KETERANGAN BEBAN 187,,5 Kgf, Ø INDENTOR 2,5 mm
KESIMPULAN 1. Material camshaft sesuai dengan standar komposisi material besi cor maleabel hanya pada unsur tambahan, material komponen camshaft ini memiliki komposisi unsur Ni dan Mo yang masih rendah. Range komposisi yang disarankan adalah Ni 0,5-0,8 %berat dan Mo 0,35-0,5 %berat sedangkan kandungan unsur Ni dan Mo pada komponen camshaft masing adalah 0,0142% berat dan 0,001% berat. 2. Patahan yang terjadi pada camshaft adalah brittle-ductile fracture. Pada area ductile fracture, patahan merambat sepanjang grafit dan batas butir ferit. 3. Patahan pada komponen camshaft menjalar saat dilakukan proses perlakuan panas (heat treatment). Hal ini terindikasi dengan adanya retakan mikro dilihat dari fraktografi patahan menggunakan SEM, dan adanya retakan sekunder yang dipicu oleh oksida logam teramati dari hasil metalografi. DAFTAR PUSTAKA [1] Unterweiser P.M., Heat Treater s Guide Standard Practices and Procedures for Steel, American Society For Metals, Metals Park, Ohio 44073, 1994 [2] ASM, Metals Hand Book Vol. 11, Failure Analysis and Prevention, American Society for Metals, Ohio. [3] ASM, Metals Hand Book Vol. 12, Fractography, American Society for Metals, Ohio [4] Standar JIS, Handbook, Ferrous Materials and Metallurgy, Japanese Standards Association. [5] ASM., Wordldwide Guide To Equivalent Irons and Steels, American Society for Metals, Ohio, 1993