UAS Material Selection
Material Tahan Aus untuk Cutting Tools
2012
M.Ekaditya Albar / 1106154305
Metallurgy and Material Engineering, Universitas Indonesia 6/2/2012
2
1. Definisi Material Tahan Aus
Sebelum mengenal tentang material tahan aus atau wear resistant material, kita terlebih dahulu harus mengenal istilah-istilah yang berhubungan erat dengan pembahasan ini. Istilah-istilah tersebut antara lain:
Aus : Kerusakan yang terjadi di permukaan suatu material karena material lain. Friksi : Fenomena gesekan yang terjadi antara satu bagian dengan bagian lain. Lubrikasi : Pelumasan untuk mengurangi friksi pada material yang saling kontak.
Berbagai istilah tersebut di atas merupakan dasar-dasar ilmu dalam tribologi, yaitu suatu ilmu pengetahuan yang mempelajari tentang fenomena material yang mengalami kontak dengan material lainnya. Adanya kontak antar material ini kadang bersifat merugikan karena dapat menyebabkan terjadinya kerusakan di permukaan material dan dapat berakibat failure (kegagalan). Jenis-jenis keausan yang paling sering terjadi antara lain:
Keausan abrasif (material keras merusak material lunak ketika mengalami kontak) Keausan adhesif (pelekatan antara dua material yang kontak karena gaya adesif) Keausan erosi (pergerakan fluida gas atau liquid yang merusak permukaan material)
Material tahan aus merupakan salah satu jenis material yang dikembangkan agar memiliki ketahanan terhadap kondisi operasi yang dapat mengakibatkan terjadinya keausan. Aplikasi apapun memerlukan material yang tahan terhadap aus karena setiap aplikasi pasti memiliki kontak antara material satu dengan yang lainnya. Sifat utama yang harus dimiliki oleh material tahan aus adalah kekerasan yang tinggi.
Abrasive Wear Adhesive Wear
3
2. Jenis-Jenis Material Tahan Aus
Terdapat beberapa jenis material tahan aus yang umumnya berasal dari material logam dan keramik, seperti:
Manganese steel
High-chromium white iron Ni-Hard
Pearlitic chrome moly steel Low alloy steel
Quenched and tempered steel Cobalt alloy
Carbide
Ceramic (Al2O3, Si3N4, SiAlON)
Cubic Boron Nitride
3. Sifat-Sifat Penting Material Tahan Aus
Sifat-sifat penting yang harus dimiliki oleh material tahan aus adalah sebagai berikut: Kekerasan (Hardness) dan kekerasan panas (Hot Hardness)
Material tahan aus diharuskan memiliki kekerasan yang tinggi untuk mencegah terjadinya kerusakan pada material tersebut saat terjadi kontak dengan material lain. Secara logika juga dapat dipahami bahwa material yang keras akan lebih tahan terhadap gesekan jika dibandingkan dengan material yang lunak.
Selain kekerasan secara umum, material tahan aus juga harus memiliki sifat
hot hardness yang tinggi. Sifat ini artinya material tahan aus tetap dapat
mempertahankan kekerasannya walaupun pada suhu tinggi sekalipun. Hal ini dikarenakan ketika kontak antara material terjadi, akan timbul friksi atau gesekan yang disertai dengan pelepasan panas sehingga suhu permukaan kontak pun dapat meningkat drastis.
Ketangguhan (Toughness)
Material tahan aus harus memiliki ketangguhan yang baik agar material tersebut tidak mengalami premature failure (pecah / fracture) saat digunakan. Ketangguhan merupakan kombinasi antara sifat kekuatan dan keuletan dari suatu material. Material yang tangguh tentunya tidak akan cepat mengalami failure ketika mengalami pembebanan atau kontak dengan material lain.
4 Stabilitas Kimia (Chemical Stability)
Material tahan aus harus harus memiliki stabilitas kimia yang baik karena ketika kontak terjadi dan ada kenaikan suhu, maka ada kemungkinan terjadinya difusi atom-atom antara material yang mengalami kontak. Hal ini tentunya tidak diinginkan karena proses difusi atom tersebut dapat menimbulkan segregasi komposisi dan mengubah sifat mekanis material tahan aus.
4. Proses Design dan Kriteria Pemilihan Material
Untuk melakukan desain material tahan aus, kita harus mempertimbangkan berbagai faktor seperti kondisi operasi dan sifat yang dibutuhkan sebelum menentukan material apa yang akan kita gunakan. Pada material tahan aus, terdapat beberapa jenis pembebanan yang dialami pada saat material tersebut digunakan. Jenis-jenis pembebanan tersebut diantaranya:
High Stress Abrasion
5
No Operating Conditions Properties Required Candidate Material
1 High stress dengan pembebanan impact
Ketangguhan tinggi dan mampu mengalami
work-hardening
Austenitic manganese steel
2 Low stress dengan pembebanan sliding
i. Kekerasan tinggi, tidak terlalu mementingkan ketangguhan, mudah diganti
Hardened dan atau heat-treated metals, hardfacing, ceramics
ii. Murah, tidak mementingkan waktu penggantian material
Ceramics, quarry tiles, concretes
iii. Ketahanan aus maksimum Tungsten carbide 3 Gouging wear Ketangguhan tinggi Biasanya logam,
contohnya besi dan baja, hardfacing 4 Lingkungan korosif dan
basah
Ketahanan korosi Stainless metals, ceramics, rubbers, plastics
5 Low stress, kontak dengan
partikel halus, low abrasiveness
Koefisien friksi yang rendah Polyurethane, PTFE,
logam dengan permukaan halus 6 Suhu tinggi Tahan terhadap cracking,
spalling, thermal shocks,
tahan suhu tinggi
Chromium-containing alloys of iron and steel, ceramics
7 Minimum periods of shut-down of plant
Mudah diganti (ease of
replacement)
Material apapun yang dapat dibaut dan tidak mengalami curing 8 Curved, non-uniform
irregular surface and shapes
Salah satu atau kombinasi sifat-sifat di atas
Hardfacing weld metal
6
5. Penggunaan Material
Material tahan aus banyak digunakan untuk alat-alat pada bidang:
Pertambangan (Mining)
Indusri semen
7
Alat-alat berat
Industri otomotif
8
6. Contoh Kasus Pemilihan Material
Pada makalah atau paper ini saya akan membahas salah satu aplikasi material tahan aus, yaitu untuk alat perkakas atau cutting tool.
Aplikasi Cutting Tool
Fungsi Memotong material-material keras serta melakukan proses
machining atau permesinan untuk mendapatkan bentuk akhir
yang diinginkan.
Sifat Material High hardness - hot hardness
High toughness
High wear resistant
Good chemical stability
Proses Manufaktur Hot Isostatic Pressing (HIP)
Berdasarkan kriteria di atas, material untuk cutting tools diharuskan memiliki kekerasan yang tinggi dengan laju aus yang rendah. Untuk mengetahui material mana yang memenuhi katergori tersebut, kita bisa melihat ke material property chart yang membandingkan laju aus dan kekerasan seperti gambar di bawah ini. Berdasarkan chart tersebut, material keramik merupakan material yang paling cocok digunakan untuk cutting
tools.
9 Skema kerja dan sifat yang dibutuhkan dari cutting tools adalah sebagai berikut:
Jika dibandingkan dengan traditional high speed steel dan hard alloys, ceramic sebagai cutting tool memiliki beberapa kelebihan, seperti:
Kekerasan yang tinggi;
Red hardness (hot hardness) yang lebih tinggi; Stabilitas kimia yang lebih baik;
Lebih murah dibandingkan diamond; Stabilitas termal yang lebih baik; Ketahanan impak yang baik;
Berdasarkan sejarahnya, material pertama yang digunakan sebagai cutting tools adalah tungsten carbide (WC) yang dalam perkembangannya dicoba untuk ditingkatkan kekuatannya dengan cara pelapisan dengan hard coating seperti PVD atau CVD. Selain dengan cara itu, penambahan unsur Co juga digunakan untuk meningkatkan kekuatan mekanis cutting tools berbasis WC. Namun, pada masa sekarang material keramik lebih mendominasi sebagai material cutting tools karena para peneliti terus mencoba mengembangkan material yang pada dasarnya merupakan material keras ini dengan meningkatkan ketangguhannya yang selama ini dianggap sebagai kekurangan atau kelemahan dari material keramik.
Saat ini salah satu jenis material keramik yang paling banyak digunakan dan dikembangkan sebagai material cutting tools adalah material alumina (Al2O3). Alumina
dikembangkan sebagai salah satu material advanced ceramic dengan penambahan penguat-penguat tertentu seperti SiC, zirkonia (ZrO2) dan titanium carbide (TiC) untuk
10
Alumina based ceramic cutting tools merupakan material alternatif sebagai
pengganti perkakas karbida dalam proses machining hardened steel. Material jenis ini dapat melakukan proses cutting dengan kecepatan tinggi dan menghasilkan permukaan yang baik. Material ini mengalami tiga jenis mekanisme aus, yaitu abrasive wear,
adhesive wear dan diffusion wear. Klasifikasi material alumina based ceramic cutting tools diantaranya:
Plain oxide alumina ceramic cutting tools (Al2O3 + ZrO2 )
Mixed alumina ceramic cutting tools (Al2O3 + TiC atau TiN)
Whisker reinforced alumina ceramic cutting tools (Al2O3 + SiCw )
Bentuk-bentuk keausan yang terjadi pada material alumina based ceramic cutting tools antara lain:
Flank Wear Crater Wear
11 Beberapa kurva atau material chart yang menunjukkan bahwa ceramic material, khususnya alumina based ceramic cutting tools memiliki keunggulan dibandingakn material lainnya adalah sebagai berikut:
Kurva Free Energy vs Temperature
Berdasarkan kurva di atas dapat terlihat bahwa material alumina (Al2O3) memiliki
nilai energi bebas (ΔG) yang cukup rendah jika dibandingkan material keramik lainnya. Dengan nilai energi bebas yang rendah artinya material alumina sudah berada dalam fasa yang cukup stabil sehingga apalbila ada panas yang mengaktivasi difusi, material ini tetap berada pada fasanya sendiri (tidak mencari fasa lain dengan energi bebas lebih rendah dibanding alumina). Ini berarti material alumina memiliki stabilitas kimia yang cukup baik.
12 Kurva Kekerasan vs Temperature
Kurva Cutting Speed vs Tool Life
Berdasarkan kurva di samping dapat terlihat bahwa material alumina (Al2O3) memiliki
kekerasan yang cukup tinggi seiring dengan kenaikan suhu operasi. Ini artinya material alumina dapat memepertahankan kekuatannya bahkan ketika pada suhu tinggi sehingga memiliki sifat
hot hardness yang baik.
Berdasarkan kurva di samping dapat terlihat bahwa material keramik memiliki umur pakai yang lebih lama pada kecepatan yang sama atau bahkan lebih tinggi. Ini berarti material keramik memiliki endurance yang tinggi sehingga cocok digunakan sebagai cutting tools jika dibandingkan dengan material lain seperti high-speed
13
7. Referensi
Adam Khan, M. and A. Senthil Kumar (2011). "Machinability of glass fibre reinforced plastic (GFRP) composite using alumina-based ceramic cutting tools." Journal of Manufacturing Processes 13(1): 67-73.
Ashby, Mike. (2009). Material and Process Selection Chart. Cambridge University. Askeland, Donald R. (2010). The Science and Engineering of Material 6th
Edition.
Cengage Learning, Inc.
ASM Handbook. (1992). Volume 18: Friction, Lubrication and Wear Technology. ASM International.
ASM Handbook. (1992). Volume 11: Failure (Wear Failure). ASM International. Callister, William D. (2007). Materials Science and Engineering: An Introduction 7th
Edition. John Wiley & sons, Inc.
El Hakim, M. A., M. D. Abad, et al. (2011). "Wear behavior of some cutting tool materials in hard turning of HSS." Tribology International 44(10): 1174-1181.
Mandal, N., B. Doloi, et al. (2011). "Development of flank wear prediction model of Zirconia Toughened Alumina (ZTA) cutting tool using response surface methodology." International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 29(2): 273-280.
North, B. (1987). "Ceramic cutting tools—A review." International Journal of High Technology Ceramics 3(2): 113-127.
Senthil Kumar, A., A. Raja Durai, et al. (2003). "Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools." International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 21(3–4): 109-117.
Senthil Kumar, A., A. Raja Durai, et al. (2006). "The effect of tool wear on tool life of alumina-based ceramic cutting tools while machining hardened martensitic stainless steel." Journal of Materials Processing Technology 173(2): 151-156.
Suharno, Bambang. (2010). Lecture Notes Kuliah Baja Paduan dan Super Alloys. Universitas Indonesia.
Suharno, Bambang. (2012). Lecture Notes Kuliah Desain dan Pemilihan Material. Universitas Indonesia.
Xikun, L., L. Jing, et al. (2007). "Composition, Characteristics and Development of Advanced Ceramic Cutting Tools." Journal of Rare Earths 25, Supplement 2(0): 287-294.
