Soldering Pada Baja 8407 Supreme Dan Dievar Untuk Pengecoran Paduan
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Gambar 1 memperlihatkan hasil pengujian kekerasan baja yang telah mengalami perlakuan
rekayasa permukaan. Keempat sampel mendapat perlakuan yang berbeda yaitu shot blasting dan shot peening pada material 1S (8407 Supreme SP) dan 1D (Dievar SP), serta perlakuan shot peening disertai dengan nitridisasi selama 10 jam pada 510°C pada sampel 3S (8407 Supreme N-SP) dan
3D (Dievar N-SP). Pengujian dilakukan pada 5 titik yang masing-masing berjarak 50 µm, hal ini dilakukan untuk mengetahui distribusi kekerasan material jika jaraknya semakin jauh dari permukaan. Melalui kedua grafik tersebut, dapat dilihat bahwa semakin jauh jaraknya dari permukaan maka, nilai kekerasannya juga akan semakin berkurang. Pada material yang mengalami proses nitridisasi dan shot peening, nilai kekerasan
yang paling tinggi terdapat dibagian 50 µm dibawah permukaannya yaitu sebesar 1498 HVN pada baja 8407 Supreme dan 1402 untuk baja Dievar.
Gambar 1. Distribusi kekerasan pada (a) 8407 Supreme dan (b) Dievar setelah diberi perlakuan
permukaan
Hal ini menunjukkan bahwa perilaku nitridisasi hanya akan meningkatkan nilai kekerasan sampai batas tertentu, sampai pada titik tertentu nilainya akan sama dengan kekuatan material awal[5]. Efek pengerasan ini terjadi karena adanya nitrogen berdifusi dan terlarut secara interstisi yang bereaksi dengan paduan substitusi membentuk unsur nitrida keras dan terdispersi secara merata sehingga menimbulkan distorsi kisi yang menghalangi pergerakan dislokasi yang meningkatnya kekerasan material [5]. Namun, seiring dengan bertambahnya jarak dari permukaan, material ini cenderung menunjukkan penurunan kekerasan. Dalamnya lapisan yang terbentuk berhubungan dengan lama waktu nitridisasi, semakin lama waktu nitridisasi, maka lapisan yang terbentuk akan semakin dalam. Semakin jauh dari
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
permukaan, nilai kekerasan semakin menurun. Penurunan nilai kekerasan tersebut dikarenakan oleh semakin sedikitnya nitrogen yang berhasil berdifusi menuju inti material. Dikarenakan hal tersebut, efek pengerasan semakin menurun hingga pada suatu titik dimana tidak ada lagi nitrogen yang dapat berdifusi lebih jauh lagi, sehingga semakin dalam, kekerasan menjadi cenderung konstan sama dengan kekerasan material inti yang sama sekali tidak mendapatkan efek perlakuan pengerasan permukaan.
Gambar 2. Prediksi fasa pada struktur mikro hasil pencelupan selama 30 menit pada baja 8407 Supreme (a) SP, (b) N-SP; dan Dievar (c) SP, (d)
N-SP ke dalam Aluminium ADC12
Tabel 1. menunjukkan prediksi senyawa yang terbentuk akibat proses pencelupan baja 8407 Supreme dan Dievar ke dalam paduan aluminium ADC12 selama 30 menit. Prediksi ini dilakukan berdasarkan kadar % unsur-unsur dari pengujian EDS. Prediksi fasa-fasa ini juga diperlihatkan pada struktur mikro yang tertera pada Gambar 2. Secara umum, semakin menjauh dari aluminium, kadar Al semakin berkurang dan begitu juga dengan kadar Fe semakin berkurang dengan semakin menjauh dari permukaan 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. Berdasatkan data yang
diperoleh, fasa α-(Fe,Al,Si) terbentuk pada semua kondisi sampel, baik yang mengalami nitridisasi maupun tidak. Namun, fasa compact intermetallic layer FexAly tidak terbentuk pada semua kondisi
pengerjaan. Hal ini dikarenakan koefisien difusi besi menuju aluminium lebih besi lebih kecil dibandingkan dengan koefisien difusi besi menuju aluminium. Koefisien difusi dari besi menuju aluminium adalah 53 x 10-4 m2s-1, sedangkan
koefisien difusi aluminium menuju besi, 1.8 x 10- 4m2s-1[6]. Berdasarkan hal tresebut, maka dapat
disimpulkan bahwa atom Fe berdifusi lebih cepat ke permukaan baja membentuk lapisan compact intermetallic layer sedangkan broken layer
merupakan reaksi lanjutan antara compact intermetallic layer dengan aluminium cair. Fasa
FexNy dan CrxNy merupakan fasa nitrida yang
terbentuk pada daerah difusi. Fasa ini berada
dibawah permukaan baja dikarenakan atom nitrogen yang berdifusi kedalam baja yang kemudian berikatan dengan unsur pembentuk nitrida.
Tabel 2. merupakan data hasil pencelupan baja perkakas H13 dan Dievar ke dalam Aluminium ADC12 selama 30 menit. Pada waktu pencelupan 30 menit, dapat dilihat bahwa kehilangan berat yang cukup signifikan terjadi pada sampel 1S yang hanya mengalami perlakuan shot blasting dan shot peening. Disisi lain, material yang mendapat
perlakuan sama namun memiliki unsur paduan yang lebih banyak, yaitu sampel 1D, menunjukkan nilai yang tidak signifikan yaitu hanya sebesar 0,09 gram. Terjadinya kehilangan berat disebabkan oleh terjadinya dua mekanisme yang saling berlawanan, yaitu pertumbuhan lapisan intermetalik dan pelarutan lapisan intermetalik[7]. Fe pada permukaan baja mengalami reaksi fisika-kimia dengan bagian antar muka lelehan Aluminium yang disebabkan oleh adanya afinitas antara atom Fe dan Aluminium. Aspek kinetik dari reaksi tersebut mengaktivasi terjadinya pembentukan dan pertumbuhan lapisan intermetalik. Fenomena berbeda ditunjukkan pada daerah lelehan dengan kadar Fe rendah, pada kasus ini, atom Fe akan berdifusi dari permukaan baja cetakan menuju lelehan yang menyebabkan Fe terlarut ke dalam lelehan aluminium. Hal tersebut menyebabkan terjadinya pelarutan lapisan intermetalik. Kehilangan berat pada baja tersebut merupakan indikasi terjadinya mekanisme die soldering yang diakibatkan oleh pergerakan muka difusi liquid- solid.
Pada waktu celup 30 menit, fenomena kehilangan berat berbeda di tiap sampelnya. Perbedaan yang sangat signifikan dapat dilihat pada sampel 1S dan 3S. Pada material 1S yang hanya mendapat perlakuan shot blasting dan shot peening,
terjadi kehilangan berat sampai sebesar 0,775% dari berat awal, sedangkan pada material 3S yang mendapatkan perlakuan nitriding setelah shot blasting dan diberi perlakuan shot peening setelahnya, mengalami kehilangan berat hanya sebesar 0,126% dari berat awal. Semakin tinggi nilai kehilangan berat yang diperoleh, maka menunjukkan bahwa semakin rendah ketahanan material terhadap proses pelarutan.
Berdasarkan hal tersebut, dapat disimpulkan bahwa sampel dengan perlakuan shot blasting, nitridisasi, dan shot peening yaitu sampel
3S dan 3D memiliki ketahanan yang lebih baik
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
terhadap proses pelarutan dibandingkan dengan material sejenis tanpa perlakuan nitridisasi yang mana dapat meminimalisir kehilangan berat akibat proses die soldering.
Tabel 1. Prediksi fasa yang terbentuk pada lapisan soldering hasil pencelupan baja 8407 Supreme dan Dievar ke dalam Aluminium ACD12
Tabel 2. Data kehilangan berat hasil pencelupan baja perkakas H13 ke dalam paduan aluminium ADC12
Analisa lebih lanjut dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4, yang menjelaskan secara keseluruhan lapisan yang terbentuk setelah kedua material dicelupkan ke dalam aluminium ADC 12 selama 30 menit. Pada material yang dilakukan perlakuan shot blasting dan shot peening, kekerasan
awal permukaan material sebelum mengalami proses pencelupan adalah sebesar 536 VHN dan 503 VHN pada baja 8407 Supreme dan Dievar pada jarak 50µm dari permukaan. Berdasarkan hal ini, dapat ditarik kesimpulan bahwa kekerasan permukaan baja 8407 Supreme lebih tinggi dibandingkan dengan Dievar.
Jika ditinjau lebih lanjut terhadap lapisan yang terbentuk dipermukaan kedua baja setelah mengalami proses pencelupan dalam aluminium ADC12 selama 30 menit, dapat dilihat bahwa terbentuk compact intermetallic layer dan broken intermetallic layer dengan ketebalan rata-rata
masing-masing 19,41 µm dan 96,35 µm pada baja perkakas 8407 Supreme dan pada baja Dievar, rata- rata compact intermetallic layer yang terbentuk
memiliki ketebalan 38,37 µm dan broken intermetallic layer 119,76 µm.
Gambar 3. Morfologi Lapisan pada Baja 8407 Supreme. Sampel SP (a) Compact Layer, (b) Broken Layer. Sampel N-SP (a) Compact Layer,
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
Gambar 4. Morfologi Lapisan pada Dievar. Sampel SP (a) Compact Layer, (b) Broken Layer. Sampel
N-SP (a) Compact Layer, (b) Broken Layer. Berdasarkan hal ini, dapat disimpulkan bahwa kekerasan permukaan awal material sebelum mengalami proses pencelupan berpengaruh terhadap ketebalan lapisan intermetalik yang terbentuk seiring dengan meningkatnya waktu pencelupan. Dalam kasus ini, ketebalan compact intermetallic layer yang dimiliki baja Dievar lebih
tinggi 50% dibandingkan dengan baja 8407 Supreme, hal ini mengindikasikan bahwa baja Dievar lebih rentan terhadap fenomena die soldering.
Fenomena berbeda ditunjukkan pada kedua material baja perkakas dengan perlakukan nitridisasi dan shot peening. Kekerasan permukaan
awal baja Dievar lebih rendah dibandingan dengan pada baja 8407 Supreme yaitu sebesar 1402 VHN sedangkan baja 8407 Supreme hanya sebesar 1498 HVN. Jika dilihat dari morfologi yang terbentuk setelah proses pencelupan ke dalam aluminium ADC12 selama 30 menit, pada baja 8407 Supreme terbentuk kedua lapisan intermetalik. Ketebalan rata-rata compact intermetallic layer dan broken intermetallic layer pada material ini masing-masing
sebesar 18,02 µm dan 44,30µm. Sedangkan pada material Dievar, hanya satu lapisan intermetalik yang terbentuk, yaitu broken intermetallic layer
dengan ketebalan rata-rata 81,51µm. Berdasarkan hal ini, dapat disimpulkan bahwa kekerasan permukaan awal material sebelum mengalami proses pencelupan berpengaruh terhadap ketebalan lapisan intermetalik yang terbentuk seiring dengan meningkatnya waktu pencelupan. Pada baja Dievar yang mengalami proses shot peening setelah
nitridisasi memiliki kekerasan permukaan lebih tinggi dibandingkan dengan yang hanya mengalami proses shot peening, berindikasi lebih tahan
terhadap fenomena die soldering, karena pada baja
ini lapisan intermetalik yang terbentuk hanyalah
broken intermetallic layer dan tidak terdapat compact intermetallic layer.
Berdasarkan hal ini, dapat disimpulkan bahwa perlakuan shot peening setelah nitridisasi
dapat meningkatkan kekerasan permukaan untuk kedua material. Peningkatan kekerasan ini berdampak pada ketebalan lapisan intermetalik yang terbentuk. Pada baja 8407 Supreme, ketebalan
compact intermetallic layer dan broken intermetallic layer berkurang masing-masing
sebesar 7,2% yaitu dari dan 54%. Sedangkan pada
material Dievar, perlakuan ini mampu meniadakan pembentukan compact intermetallic layer dan
mengurangi ketebalan broken intermetallic layer
sebesar 32%. Hal ini mengindikasikan bahwa perlakuan shot peening setelah nitridisasi, dapat
meminimalisir pembentukan dari lapisan intermetalik yang terbentuk.
4. Kesimpulan
Perlakuan shot peening setelah nitridisasi dapat meningkatkan kekerasan permukaan untuk kedua material. Pada baja 8407 Supreme, kekerasan permukaan material dengan perlakuan shot peening saja adalah sebesar 536 VHN namun meningkat menjadi 1498 VHN setelah perlakuan shot peening setelah nitridisasi. Sedangkan pada baja Dievar, kekerasan meningkat dari 503 VHN menjadi 1402 VHN dengan perlakuan ini.Kekerasan permukaan sebelum proses pencelupan berdampak pada ketebalan lapisan intermetalik yang terbentuk. Pada baja 8407 Supreme yang memiliki kekerasan paling tinggi (1498 HVN) compact intermetallic layer
yang terbentuk sebesar 19,412 μm, sedangkan pada
baja Dievar dengan kekerasan permukaan paling rendah (503 HVN) memiliki lapisan compact intermetallic layer yang paling tebal yaitu sebesar
38,37 μm.
Kehilangan berat mengindikasikan adanya Fe yang bereaksi dengan aluminium, sehingga ketika dilarutkan dengan NaOH, ada bagian yang ikut terlarut juga. Berdasarkan hasil pengujian SEM-EDS pada proses pencelupan dengan waktu tahan 30 menit menunjukkan lapisan intermetalik yang terbentuk setelah proses shot peening setelah nitridisasi mengalami penurunan dibandingkan dengan material yang hanya diberi perlakuan shot peening. Broken layer yang terbentuk berkurang 54% pada baja 8407 Supreme yaitu dari 96,352µm menjadi 44,302 µm sedangkan pada Dievar berkurang dari 119,76 µm menjadi 81,51 (32%). Sedangkan untuk ketebalan compact intermetallic layer juga mengalami penurunan dari 19,412 µm menjadi 18,022 µm pada baja 8407 S, sedangkan pada Dievar yang diberikan perlakuan shot peening setelah nitridisasi tidak terbentuk compact intermetallic layer. Sedangkan pada pencelupan
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
dengan waktu tahan 30 detik, tidak ada indikasi bahwa lapisan intermetalik terbentuk.
Nitridisasi pada baja 8407 Supreme selama 10 jam menghasilkan kedalaman zona difusi
sebesar 163,78 μm dan pada baja Dievar sebesar 122,78μm. Proses shot peening setelah melakukan
nitridisasi dapat mengurangi ketebalan white layer. Pada baja perkakas 8407 Supreme, lapisan white layer setelah nitridisasi adalah 7,124 µm dan setelah diberi shot peening lapisannya berkurang menjadi 3,5 µm. Sedangkan pada baja perkakas Dievar, lapisan white layer setelah nitridisasi adalah 5,654 µm dan setelah diberi shot peening lapisannya berkurang menjadi 1,0 µm.
Berdasarkan hasil yang diperoleh dari penelitian ini, material yang diberikan perlakuan shot blasting – nitriding – shot peening memiliki ketahanan terhadap die soldering yang lebih baik dikarenakan menghasilkan kekerasan permukaan yang lebih keras sehingga meminimalisir lapisan intermetalik yang terbentuk, dibandingkan dengan hanya dilakukannya proses shot blasting – shot peening.
Daftar Pustaka
[1]. H. Xiaoxia, Y. Hua, Z. Yan et al.(2004).
Effect of Si on the interaction between die casting die and aluminum alloy. Materials Letters, vol. 58, no. 27-28, pp. 3424-3427.
[2]. S. Shankar, and D. Apelian. (2002). Mechanism and Preventive Measures for Die Soldering during Al Casting in a Ferrous Mold. Journal of Materials, pp. 47-54.
[3]. S. Gulizia, Jahedi, M.Z., Doyle, E.D. (2001). Performance evaluation of PVD coatings for high pressure die casting. Surface and Coatings Technology, vol. 140, pp. 200-205.
[4]. Shot Peening Application. (2011). C.-W. Corporation, ed.
[5]. D. Pye. (2003). Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. ASM International. The Materials Information Society. United States
of America : Library Congress cataloging in Publication Data.
[6]. Z. W. Chen. (2005). Formation and progression of die soldering during high pressure die casting. Materials Science and Engineering: A, vol. 397, no. 1-2, pp. 356-
369.
[7]. V. Joshi, Srivastava, A., Shivpuri, R. (2003). Investigating ion nitriding for the reductionof dissolution and soldering in die-casting shot sleeves, Surface and CoatingsTechnology, vol.
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
