Cahya Sutowo*, Ika Kartika, Budi Priyono Pusat Penelitian Metalurgi dan Material - LIPI Gedung 470, Kawasan Puspiptek, Setu, Tangsel
*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
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[1]. Bahan
camshaft biasanya besi tuang melalui proses perlakuan panas (hardening) yang bertujuan
untuk meningkatkan ketahanan terhadap keausan ketika bergesekan dengan rocker arm[2].
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[2]. Kegagalan yang terjadi pada komponen camshaft tersebut berupa retak, adanya retak tersebut diketahui pada saat proses machining (pembubutan). Komponen cam shaft yang mengalami retak sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.
METODE PERCOBAAN
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.
Gambar 2. Komponen camshaft yang mengalami kegagalan 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.
Gambar 3. Foto pengamatan visual pada area patahan menunjukkan(1). area inisiasi retakan,
Hasil fraktografi dengan menggunakan SEM pada Gambar 4 sampai 6, pada permukaan patahan camshaft menunjukkan patahan jenis brittle-ductile fracture. Pada permukaan patahan dengan ciri ductile fracture teramati patahan menjalar sepanjang grafit (irregular graphite), retakan mikro juga teramati pada permukaan patahan.
Gambar 4 menunjukkan foto fraktografi menggunakan SEM pada permukaan patahan camshaft area 1 menunjukkan retakan menjalar ke arah tengah dari komponen. Retakan pada
posisi ini menunjukkan ciri dari patah getas. Gambar 4(b) menunjukkan perbesaran dari
Gambar 4(a), pada area yang ditandai menunjukkan adanya retakan-retakan mikro sepanjang
batas butir.
Gambar 4. Foto fraktografi hasil SEM permukaan patahan camshaft pada area 1
Gambar 5 Menunjukkan foto fraktografi menggunakan SEM pada permukaan
patahan camshaft area 2 menunjukkan retakan menjalar sepanjang batas butir. Retakan pada posisi ini menunjukkan ciri dari patah getas, Gambar 5(b) menunjukkan perbesaran dari
Gambar 5(a) pada area yang ditandai.
Gambar 5. (a) Foto fraktografi hasil SEM permukaan patahan camshaft area 2
Gambar 6 menunjukkan foto 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. 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, adanya penjalaran oksida teramati berwarna abu-abu pada foto hasil metalografi pada Gambar 7.
Gambar 7. Struktur mikro arah melintang dari permukaan patahan camshaft menunjukkan
fasa ferit, perlit 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 1 menunjukkan bahwa komposisi kimia dari material camshaft adalah sesuai bila dibandingkan dengan standar yang ada. Hanya bila ada penambahan atau modifikasi unsur-unsur yang disarankan oleh standar yang ada, unsur Ni dan Mo terlihat masih di bawah standar yang ditentukan. Karbon ekivalen (CE) untuk material camshaft adalah sebesar 3,26% menunjukkan harga yang sesuai untuk pembentukan besi cor malleabel[3].
Tabel 1. Hasil analisa komposisi kimia camshaft dengan OES dan standar malleabel[3]
Komponen Unsur (%)
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%
Hasil SEM-EDS pada Gambar 9 sampai 11 menunjukkan adanya kandungan unsur O sebagai pembentuk oksida logam.
Gambar 9. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan area 1
Gambar 10. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan area 2
Gambar 11. Hasil SEM-EDS pada permukaan patahan area 3
Patahan pada komponen camshaft menjalar saat dilakukan proses perlakuan panas (heat treatment)[5]. Hal ini terindikasi dengan adanya retakan mikro dilihat dari fraktografi
patahan menggunakan SEM (Gambar 9), dan adanya retakan sekunder yang dipicu oleh oksida logam teramati dari hasil metalografi (Gambar 7).
Tabel 2. Harga kekerasan material camshaft dengan metoda Brinell (HB-30)
NO. UJI HARGA KEKERASAN (HB-30) KETERANGAN
1 284,2 BEBAN 187,5 Kgf, Ø INDENTOR 2,5 mm 2 293,0 3 281,0 4 281,0 5 281,0 6 281,0 7 285,8 8 283,4 9 292,2 10 297,8 KEKERASAN RATA-RATA 286,0
Harga kekerasan rata – rata material camshaft sebagaimana pada Tabel 2 adalah 286 BHN. Tingginya harga kekerasan ini menyebabkan material bersifat getas (brittle) dan memiliki ketangguhan yang rendah (poor of toughness)[5].
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-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. DAFTAR PUSTAKA
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Camshaft, diakses September 2015.
2. http://www.slideshare.net/AntonioManicone/engine-materials-for-camshaft-crankshaft, diakses September 2015.
3. Standar JIS, Handbook, Ferrous Materials and Metallurgy, Japanese Standards Association.
4. Unterweiser P.M., Heat Treater’s Guide Standard Practices and Procedures for Steel, American Society For Metals, Metals Park, Ohio 44073, 1994.