PENGARUH AUSTEMPER PADA PROSES PEMBUATAN MATERIAL AUSTEMPERED DUCTILE IRON 0.3% Mn

(1)

M.P.I.Vol.1NO.3.Desember 2007,8 -14

PENGARU

H A

U

S

T

E

MPER

PADA PRO

SES

P

EMBU

ATA

N M

AT

ERIA

L

AUSTEMPERED

DUCTILE IRON 0.3% Mn

Mochammad Ismail

Pusat Teknologi Industri Proses BPP Teknologi

Austempered heat treatment on nodular cast iron is in tends to ferrite acicular matrix and austenite metastable results. The ductility more height than as cast. The best Austempered research is obtained on 350°C and 4

hours holding time.

PENDAHULUAN

Kata kunci :Austemper, proses, material, besi tuang

Dengan semakin pesatnya

perkembangan teknologi saat ini makin dibutuhkan jenis material yang mempunyai sifat-sifat khusus. Sehingga setiap negara berlomba-Iomba mengadakan penelitian untuk mencari material-material baru, yang sesuai dengan tuntutan zaman. Adapula pencarian material baru tersebut dengan memperbaiki sifat-sifat dari material yang sudah ada, sehingga diperoleh material yang lebih baik dari aslinya. Diantara upaya untuk memperbaiki sifat-sifat mekaniknya yaitu dengan teknik perlakuan panas. Pada penelitian ini dilakukan perlakuan panas pad a besi tuang nodular (besi tuang yang grafitnya berbentuk bulat), yaitu dengan melakukan penambahan unsur kimia Mn 0.3% pada besi tuang nodular, kemudian dilakukan proses perlakuan panas austemper. Penambahan Mn ini bertujuan untuk mengontrol mikrostruktur, terutama

untuk menstabilkan perlit dan

mempertahankan jumlah karbida dalarn >.

eutektoid. Sedang proses austemper juga bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik terutama untuk memperoleh struktur matriks

ferit asikular dan austenit metastabil dari besi tuang nodular dari kondisi ascast.

Pada proses austemper, besi tuang nodular dipanaskan sampai temperatur

austenit dengan waktu tahan yang cukup untuk membuat austenit homogen, kemudian didinginkan secara cepat (quench) ke temperatur di atas Ms (martensite start) dan dibiarkan sampai transformasi menjadi ferit

asikular dan austenit metastabil selesai.

Sebagai media pendingin yang digunakan adalah garam cair (salt bath) dengan temperatur antara 300°C-450°C.

Dengan demikian didalam matriks dapat dihindari terbentuknya martensit. Hasil

austempering mempunyai kekuatan dan keuletan yang cukup tinggi.

Tujuan dalam penelitian ini adalah untuk melihat pengaruh temperatur austemper dengan waktu tahan 1 jam hingga 5 jam terhadap sifat mekanik besi tuang nodular pada proses pembuatan Austempered Ductile Iron (ADI) dengan Mn 0.3%,

khususnya kuat tarik, impak, kekerasan dan perubahan mikrostruktur.

METODE PENELlTIAN

Langkah pertama dalam penelitian ini adalah menghitung komposisi target yang dikehendaki. Kemudian dengan mengetahui komposisi bahan yang tersedia dan kapasitas dapur peleburan yang akan digunakan, maka dapat dihitung be rat masing-masing komposisi yang akan dilebur untuk mencapai komposisi target.

Peleburan dilakukan dalam dapur induksi dengan menambahkan Mn kedalam dapur pada saat peleburan. Pencairan dilakukan sampai temperatur cair kurang lebih 1500oC. Penimbangan bahan yang akan dilebur disesuaikan dengan perhitungan, seperti pig iron, return scrap, steel scrap dan lain-lain. Kemudian kedalam dapur induksi berturut -turut dimasukkan steel scrap, return scrap,

pig iron dan carburizer. Apabila seluruh logam dan paduan sudah mencair, baru dimasukkan FeMn, FeNi dan FeSi. Setiap saat temperature dapur induksi dimonitor terus. Pada proses ini komposisi logam cair terus diperiksa dengan alat CE meter. Bila komposisi yang diinginkan belum sesuai, maka ke dalam besi cair tersebut dapat

(2)

Pengaruh Austemper Pad a Proses Pembuatan Material Austempered Ductile Iron 0.3% Mn"(Mochammad Ism ail)

ditambah kekurangannya, dan dicek kembali sampai komposisi sesuai dengan yang direncanakan. Slag remover diberikan pada permukaan besi cair untuk menghindari ca cat cor yang disebabkan adanya kotoran-kotoran logam, disamping itu untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi proses inokulasi.

Sedangkan FeMo dan FeMg diberikan

bersamaan pada saat proses magnesium

treatment di dalam ladle, untuk pembentukan grafit bulat.

Selanjutnya dilakukan penuangan dalam cetakan pasir furan yang berbentuk Y-blok dengan standar yang ada. Dari Y-blok inilah dibuat sampel sesuai standar yaitu sampel uji tarik, impak dan untuk pengamatan struktur mikro. Tahap berikutnya dilakukan perlakuan panas terhadap sampel-sampel tersebut.

HASIL PENELlTIAN DAN PEMBAHASAN

Pembahasan akan didasarkan dari kondisi sebelum dilakukan perlakuan panas

(as cast) dan hasil setelah dilakukan perlakuan panas yang kemudian dilakukan uji mekanik dan pengamatan mikrostruktur.

Hasil Uji Komposisi Kimia Dengan

Spektro

Hasil uji komposisi kimia dari besi tuang nodular yang dihasilkan dari peleburan seperti terlihat pada Tabel 1.

Tabel1.

Hasil Uji Komposisi Kimia

Magnesium Unsur Kimia (%)

treatment C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Mg

Sebelum 3.8 2.60 0.30 0.01 0.013 1.2 0.01 0.06

Nodularisasi

Sesudah 3.8 2.66 0.30 0.01 0.01 1.2 0.01 0.60 0.06 0.07

Nodularisasi

Sifat Mekanik Kondisi As Cast (sebelum

dilakukan perlakuan panas)

Dari hasil uji mekanik (masing-masing diwakili oleh 5 sampel uji), yaitu uji tarik (yang sekaligus menghasilkan tegangan luluh dan elongasi), kekerasan dan impak.

Gambar 1 memperlihatkan mikrostruktur as

cast pembesaran 200X dengan struktur matriks perlit dan ferit yang mengelilingi grafit

bulat. Sedang pada Gambar 2

memperlihatkan mikrostruktur as cast,

pembesaran 100X tanpa etsa, dengan grafit bulat yang mempunyai nodularitas lebih dari 90%

Tabel2.

Hasil Uji Mekanik Sarnpel Pada Kondisi As Cast

No sampel Pengujian Tarik (kgf/mm2) Luluh (kgf/mm2) 1 2 3 4 5 Rata-rata 82 83 85 82 84.5 83.6 54 55

57

55 56

55 .

5

Elongasi (%) Kekerasan (HB) Impak (ioule) 4.2 4.8 5 4.0 4.4 4.6 226 230 238

225

235

230.8 4.8 5.0 5.8 4.5 6

5.2

(3)

M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007, 8 - 14

Pengamatan Mikrostruktur Kondisi as cast

Gambar 1. Mikrostruktur As Cast Dengan Matriks Perlit, Mengelilingi Grafit Bulat

Pengamatan

Mikrostruktur

Hasil

Perlakuan Panas

Dengan perlakuan panas dari 3000C s/d

4500C butiran kristal yang diaustemper pada

temperatur 3000C akan lebih halus bila dibandingkan dengan sampel uji yang di austemper pada temperatur 350oC, 4000C

dan 450oC. Jadi semakin besar temperatur

.

"".

"

'

.

lI-

.,

6' {It _ 0

•

••

• _•

•

tit 4t 4it

-•

•

.

••

\

~

•

•• ,:1

•••

_v

'w~ $ ~

• .

Gambar2. Mikrostruktur As Cast

Dengan Grafit Bulat Tanpa Etsa.

austemper yang diberikan, semakin besar pula butir kristal yang terbentuk. Hal ini disebabkan karena pada dasarnya besar kecil butir kristal banyak ditentukan oleh adanya difusi. Semakin banyak atom mempunyai kesempatan berdifusi, semakin besar butir kristal yang terjadi

,'

1 -:

'

~

:

t

-

~

.~

~

~-

.

,

'

.

:

;

.

i

.t

'

2 t

'

;

!

.

,

~~

! Gambar 3. Mikrostruktur Hasil Austemper 3000C

Waktu Tahan 1 Jam Etsa Nital 2% Pembesaran 200X

Dalam hal ini apabila dibandingkan antara temperatur austemper 3000C dengan

4500C dengan waktu tahan yang sama, maka

temperatur austemper 3000C mempunyai

kecepatan pendinginan yang lebih cepat,

Gambar4. Mikrostruktur Hasil

Austemper 3000C

Waktu Tahan 4 Jam Etsa nital 2% Pembesaran 200X

sehingga proses difusi terbatas pad a jarak yang pendek, atau difusi lebih sulit terjadi.

Dengan demikian gerakan atom-atom menjadi lebih terbatas. Akibatnya butiran-butiran kristal yang terjadi akan lebih halus.

(4)

Pengaruh Austemper Pada Proses Pembuatan Material Austempered Ductf{e {ran 0.3% Mn (Mochammad Ism ail)

Sutiran kristal ini akan membesar kembali

apabila sampel uji diberi waktu tahan yang

lebih lama lagi

.

Kalau diamati hasH foto dari

perlakuan

panas

austemper

300°C

dan

400°C perilaku seperti yang telah dijelaskan

tersebut diatas, hanya terlihat sampai waktu

tahan 3 jam. Lebih dari itu,

cementit

telah

mulai terbentuk, hal ini ditunjukkan adanya

bercak

hitam

sedangkan

butiran

putih

semakin berkurang

.

Hal ini disebabkan karena buti

r

an kristal yang

keeil

(austemper

300°C dan 350°C) atomnya

Gambar 5.

Mikrostruktur Hasi!

Austemper 350

Waktu Tahan 5 jam

Atom-atom tersebut membutuhkan waktu

lebih

lama

untuk

bertransformasi

dari

a

usten it

metastabil

menjadi

ferit

dan

cementit

.

Proses ini mulai nampak terlihat

setelah menginjak waktu tahan 5 jam.

HasH Uji Tarik

Si

l

a dibandingkan antara masing-masing

temperatur

austemper

terhadap

kuat

tariknya,

terlihat

bahwa

makin

tinggi

temperatur

austemper

makin

kecil

kuat

tariknya

.

SHa dibandingkan antara masing-

'<,

masing

waktu

tahan

pada

temperatur

austemper

300°C dan 350°C, ternyata kuat

tarik mulai meningkat pada waktu tahan 3

jam

.

Sedang £ada

temperatur

austemper

400°C dan 450 C

,

kuat tarik mulai meningkat

pada waktu tahan 4 jam

.

Kekuatan tarik ini

disebabkan besar kecilnya butiran kristal

.

Semakin kecil but

i

ran kr

i

s

t

alnya semakin

besar kuat tariknya. Perbedaan besar butir ini

disebabkan karena makin besar temperatur

austemper,

makin besar kesempatan atom

karbon untuk berdifus

i

.

lebih mudah berdifusi

.

Austenit

metastabil

lebih cepat bertransformasi menjadi ferit dan

cementit, sehingga dalam jangka waktu 3

jam,

austenit

sudah habis bertransformasi

.

Dengan demikian dalam jangka waktu 4 jam

sudah

terlihat

adanya

pembentukan

cementit

.

Sedang

untuk

temperatur

austemper

400°C dan 450°C butiran kristal

eukup besar, sehingga atom-atornnya sulit

berdifusi

.

Gambar6.

Mikrostruktur Hasil

Austemper

350{)C

Waktu Tahan 1 Jam

Batas butir disalah satu sisi merupakan

tempat mulai terjadinya retak, namun disisi

lain batas butir juga sekaligus merupakan

penghambat

menjalarnya

retak.

Dengan

demikian semakin halus butir kristal semakin

sulit

retak

tersebut

menjalar

sehingga

semakin besar kuat tariknya. Demikian pula

sebaliknya,

semakin

besar

butir

kristal

semakin sedikit penghalang penjalaran retak

sehingga semakin kecil kuat tariknya (Iebih

ductile).

Semakin lama waktu tahan yang

diberikan, maka makin besar butir kristal

yang terjadi, sehingga semakin turun kuat

tariknya

(5)

M.P.1.Vol.1 NO.3. Desember2007, 8-14

140

120 -

-

-.

'

{>: _.,

.

»

-~ ~

V

I

---•

austemp300e

•

austemp 350e I--- austemp 400e x austemp450e E

100

.!§

';

,

80 .

..:

~

60

eu I -eu

40

:::>

~

20 o

2

3

4

5

Holding Time (jam)

Gambar 7.

Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap Kuat Tarik

80 .

-70

1 -

~

...

_

=

2

3 ~~

:

=~

..

t

C

-~_~

:

~~~~=~

=

-

~

f6°

t

-

~

t

=

~~

~

t

=

~

~~Vr

-

l

)5°

t

-

~

~~~~

t

=

~

~~

~

-

-1

:s

40

:3

301 -~ 20 f--- • austemp 350C • austemp 30De austemp 400C 10I---- x austemp 450C o +---+---~----~--~----~ 1 234

Holding Time (jam)

5

Gambar 8.

Grafik Pengaruh Temperatur Austemper Terhadap

Kuat Luluh

Kalau diamati dari hasil foto metalografi (Gambar 4 dan 5) nampak sudah ada transformasi austenit metastabil menjadi

ferit dan cementit, yang dapat dilihat dengan adanya bercak hitam semakin banyak. Dari sini dapat disimpulkan bahwa untuk proses

austemper dengan waktu tahan 4 jam,

austenit sudah habis bertransformasi menjadi ferit dan austenit metastabil. Sebagai mana --"

diketahui bahwa cementit merupakan struktur yang sangat keras, karena kandungan

karbonnya tinggi, semakin banyak

kandungan cementitnya, maka sifat kuat tariknya semakin besar. Dari hasil uji tarik, sekaligus diperoleh hasil tegangan luluh dan elongasi. Dari grafik terlihat bahwa semakin besar temperatur austemper semakin kecil kuat luluhnya, namun elongasinya semakin besar, kecuali yang diaustemper 3000C dan 350oC, pada waktu tahan mulai 4 jam, kuat luluhnya mulai meningkat dan elongasinya menurun.

Kalau dibandingkan kuat tarik hasil

austemper dengan kondisi as cast, maka secara keseluruhan hasil austemper

mempunyai kuat tarik yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena matrik yang diperoleh dari as cast adalah perlit dan ferit yang mengelilingi grafit. Disini perlit merupakan gabungan antara ferit dan cementit yang terjalin secara simultan yang membentuk lamel- lamel ferit dan cementit

secara bergantian. Sedang matrik hasil

austemper adalah ferit asikular dan austenit metastabil yang terbentuk tidak dalam bentuk

lamel-Iamel (waktu tahan sampai 3 jam untuk temperatur austemper 300oC, 3500C dan waktu tahan sampai 4 jam untuk temperatur

austemper 400oC, 450°C). 10 9 8 7 .._._.__..._..._.._. , I'---K'. ....••

-

--

..•...•...

f-

-~ I

--•

austerrp 300C I--

•

austerrp 350C austerrp 400C

x

austerrp 450C .. "iii 5 ~

g'4

~ 3

w

2 1

o

1 234

Holding Time (jam)

5

Gambar 9.

Grafik Pengaruh Temperatur

Austemper Terhadap Elongasi Terbentuknya struktur dari proses

austemper ini terjadi seperti terbentuknya antara perlit dan martensit, yaitu ada proses difusi dan sekaligus juga adanya pergeseran atom, sehingga struktur ini memiliki sifat-sifat kombinasi antara kuat tarik yang tinggi dengan keuletan yang tinggi pula. Kuat tarik yang tinggi ini

diperoleh karena adanya proses

pergeseran atom yang menyebabkan struktur atom tersebut terdistorsi

sehingga lebih tegang. Sedang

komposisinya terdiri dari ferit dan

austenit yang mempunyai keuletan yang cukup tinggi. Sehingga perpaduan ini

menyebabkan hasil austemper

mempunyai ketangguhan yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan hasil as cast.

(6)

Pengaruh Austemper Pada Proses Pembuatan Material Austempered Ductile Iron 0.3% Mn (Mochammad Ismail)

Hasil Uji Kekerasan

Semakin besar temperatur austemper,

kekerasannya semakin menurun. Demikian pula semakin lama waktu tahan, kekerasannya pun semakin menurun. Hal ini ada kaitannya dengan pengaruh perlakuan panas yang mempengaruhi ukuran butir kristal yang telah dijelaskan sebelumnya pada uji tarik.

Namun untuk sampel uji pada proses

austemper temperatur 3000C dan 3500C

dengan waktu tahan yang ke 4 jam, kekerasannya mulai naik. Hal ini disebabkan oleh mulai terbentuknya cementit (Fe3C) yang keras.

Hasil uji kekerasan seperti terlihat pada Gambar 10.

Kalau dibandingkan dengan kekerasan kondisi as cast, hasil austemper ini mempunyai kekerasan yang lebih tinggi.

Hal ini disebabkan karena adanya 2 proses pada saat di austemper yaitu difusi dan pergeseran atom seperti penjelasan pada hasil uji tarik. 380 370 360 iD 350 :I: ~ 340 ~ 330 :;; 320 -" ::! 310 300 290 280

--

r

--

-

:

.

~

-

...•.

--..

.

_..•

~

•

austerro 450C _I

•

austerro 400C I austerro 350C x austerro 300C 2 3 4 5

Holding Time (jam)

Gambar 10.

Austemper Terhadap Kekerasan

HasH Uji Impak

14 12 <, '\

.

• ..

<

,

_.

_\

-

...•....•.•

,

~

.

-..

l

ri

:

austerrp 30De I austerrp 350C austerrp400C I ~usterTP 4.50C

-I

~ 10

'"

g

8 :::> -"_[ ₆ .§ 4 2 o 2 3 4 5 Gambar 11.

AustemperTerhadap Impak

Dari Gambar 11, terlihat bahwa semakin tinggi temperatur austempemya semakin besar pula kuat impaknya. Begitu juga dengan semakin lama waktu tahan yang diberikan akan semakin besar pula kuat impaknya. Hal ini karena semakin besar butiran kristal akan semakin ductile sampel

tersebut, sehingga kekuatan untuk mematahkannya semakin besar.

Disini faktor elongasi lebih dominan menentukan kuat impaknya. Kecuali waktu tahan mulai

3

jam dan mulai 4 jam untuk tem~eratur austemper 300oC, 3500C dan

400 C, 450oC, kuat impaknya turun drastis.

Hal ini disebabkan karena austenit sudah bertransformasi menjadi ferit dan cementit.

Kalau dibandingkan dengan hasil uji impak kondisi as cast nampak hasil uji impak, kondisi austemper lebih tinggi. Kecuali waktu tahan yang diberikan adalah 4 jam pada temperatur 300oC, 3500C dan waktu tahan 5

jam pad a temperatur austemper 400oC, 450oC.

Hal ini juga disebabkan karena pada saat itu austenit metastabil sudah bertransformasi

menjadi ferit dan cementit yang keras.

Sedang kalau waktu tahan yang diberikan hanya sampai

3

jam dan 4 jam untuk

temaperatur austemper 300oC, 3500C dan

400oC, 4500C kuat impaknya lebih tinggi. Hal

ini disebabkan karena hasil austemper

mempunyai keuletan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi as cast.

KESIMPULAN

• Besi tuang hasil proses austemper 3000C

dan 3500C dengan waktu tahan 1, 2 dan 3

jam, sifat mekanik seperti kuat tarik, tegangan luluh dan kekerasan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena semakin banyak austenit bertransformasi menjadi ferit asikular dan austenit

metastabil.

• Pada temperatur austemper 4000C dan

<-, 4500C rata-rata kuat tarik, tegangan luluh

dan kekerasan mengalami penurunan dengan waktu tahan 1,2,3 dan 4 jam. Hal

ini juga karena adanya transformasi

austenit menjadi ferit asikular dan austenit

metastabil.

• Pada waktu tahan 4 dan 5 jam, pada temperatur austemper 3000C dan 3500C

terlihat adanya peningkatan pad a kuat tarik, tegangan luluh dan kekerasan. Kecenderungan ini juga nampak pada sampel yang mendapat perlakuan dengan temperatur austemper 4000C dan 4500C