Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi 1997 /SSN/4/0-2897

AUSTEMPER PHASA GANDA DESI TUANG NODULAR DENGANDAN T ANP A PENAMDAHAN UNSUR TEMDAGA 1

Bustanul Arifin2

ABSTRAKAUSTEMPER PHASA GANDA BESI TUANG NODULAR DENGAN DAN TANPA PENAMBAHAN UNSUR

TEMBAGA. Proses austemper pada besi tuang nodular (8TN) dimaksudkan agar matrik yang semula adalah ferrit dan perl it atau fullperlit berubah menjadi bainit. Perubahan struktur tersebut akan menyebabkan meningkatnya kekerasan dan kuat tarik dengan nilairegangan yang masih baik. Jika pemanasan austenit dilakukan tidak sempuma yakni hanya diantara temperatur A-I dan A-3 (pada phasaferrit dan austenit) atau dibawah temperatur kritis, proses austemper tidak akan terjadi atau berjalan tidak sempuma. Perubahan yangterjadi hanyalah pada struktur austenit, yakni menjadi bainit, sedangkan struktur ferrit pada proses tersebut nampaknya hampir takberubah. Adanya phasa ganda bainit dan ferrit secara bersamaan setelah proses austemper memberikan nilai kuat tarik yang lebih burukdibanding tanpa ferrit, sedangkan nilai regangan pada beberapa kondisi waktu tahan bahkan memberikan nilai yang lebih rendah darikondisi as cast. Dengan adanya penambahan tembaga sebesar 1,3 % pada 8TN menyebabkan matriks as cast menjadi full perlitsehingga proses austemper berlangsung dengan normal, tanpa adanya phasa ferrit.

ABSTRACTDUAL PHASA AUSTEMPER IN SG IRON WITH AND WITHOUT Co ALLOY. The aim of au stemper in spheroidal

cast iron is to change the original microstructure: ferrite and pearlite or full pearlite into bainite. The mechanical properties such ashardness, tensile strength and elongation are increased by changing these microstructure. The progress of austempering process can notbe done properly if the heating temperature of austenite between A-I and A-3 (ferrite and austenite phase) or bellow critical temperature.The change of microstructure is only found in austenite to bainite, while structure of ferrite is found not affected. Tensile strength of thisspheroidal cast iron after heat treatment process containing ferrite structure seems to be decreased compare with only single bainiteexisted. Beside the elongation is decreased at certain holding time compare with as cast condition. Full pearlite structure is considerablyfound in the matrix of nodular cast iron by addition of copper approximately of 1,3 %. So the austemper process can be done properlywithout any ferrite phase existed.

KEY WORD

Austemper, Austenit, Ferrit

PENDAHULUAN meningkat lebih tinggi lagi, antara lain nikel,molibdenum atau tembaga.

TINJAUAN PUSTAKA

Besi tuang sering juga disebut sebagai bajakarbon yang mempunyai graftt (karbon bebas),karena dilihat dari matriksnya kedua material initidak mempunyai perbedaan. Selain adanyakandungan karbon yang cukup tinggi, unsur lainnyayang biasa terdapat di besi tuang adalah silikon,mangan, phospor dan sulfur. Pada beberapa keadaanbesi tuang nodular sangat disukai untuk aplikasitertentu, seperti pada komponen otomotiv, contohnyaadalah poros engkol, batang penggerak dankomponen lain baik yang beroperasi pada temperaturtinggi maupun temperatur kamar.

Sifat besi tuang sangat dipengaruhi olehbentuk, ukuran dan distribusi dari graftt didalam besituang tersebut. Besi tuang kelabu memiliki sifat lebihgetas, hal ini disebabkan karena bentuk grafttnyaserpihan, sehingga ada bagian yang runcing dimanapada bagian tersebut akan terkonsentrasi teganganjika mendapat beban.Akibatnya besi tuang kelabu lebih mudah patahkarena regangan/keuletannya rendah.

Besi Tuang Nodular sejak ditemukan pada1948, saat sekarang ini merupakan material yangbanyak digunakan untuk pembuatan komponenpermesinan diantaranya untuk otomotiv. Besi tuangnodular banyak digunakan karena mempunyaibeberapa keunggulan diantaranya adalah mudah danmurah biaya produksi dibandingkan baja karbon.Kondisi peralatan produksi cukup sederhana, mudahpermesinan, ketahanan terhadap daya tekan, tahanaus dan ketahanan korosi yang lebih baik dari baja.

Dengan pesatnya penggunaan besi tuangnodular ini, telah banyak dilakukan usaha untukmeningkatkan sifat mekanisnya. Sifat mekanis besituang nodular terutama sangat dipengaruhi olehstruktur mikro. Perubahan struktur mikro dapatdilakukan dengan proses perlakuan panas ataudengan proses pemaduan (alloying). Prosesperlakuan panas dilakukan untuk mendapat sifatmekanis yang optimum. Biasanya dilakukan prosesaustemper yang akan menghasilkan struktur akhirbainit. Struktur ini unggul karena .tapatmeningkatkan kuat tarik yang besar tanpa kehilanganregangan yang terlalu ban yak. Seringkali dilakukanpemaduan pada besi tuang nodular agar kekuatannyaI Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 Jurusan Metalurgi Fakultas Teknik Universitas Indonesia

1~7

pendinginannyapendinginan, semakin cepatsemakun banyak phasa perlitnya.

Besi Tuang Nodular MartensitikBesi tuang nodular ini mempunyai

kekerasan, kekuatan clan ketahanan aus yang sangattinggi, tetapi mempunyai keuletan clan ketangguhanyang sangat rendah. Struktur Ir}artensit mempunyaisifat yang sangat keras. Umumnya untukmenghasilkan besi tuang nodular martensitik inidilakukan penambahan unsur tertentu yangkemudian dilanjutkan dengan perlakuan panas,pendinginan cepat clan selanjutnya dilakukantempering untuk meningkatkan keuletan.

Besi Tuang Nodular AustenitikDengan adanya matriks austenitik pada besi

tuang nodular ini, akan dapat dihasilkan besi tuangnodular dengan ketahanan korosi / oksidasi yangbaik, disamping itu juga mempunyai sifat magnetikyang baik serta kekuatan dan kestabilan dimensi

pada temperatur tinggi.

Semen tara ttu besi tuang maleabel mempunyai grafitdengan bentuk agregat (mengelompok seperti

kapas), yang mempunyai regangan cukup bagus(mendekati baja). Besi tuang maleabel ini diperolehmelalui besi tuang putih yang ditemper dalam waktuyang cukup lama.

Besi tuang maleable ini mempunyaiketerbatasan dalam ukuran ketebalan maupundimensi panjangnya. Besi tuang yang mempunyaisifat mekanis terbaik adalah besi tuang nodular,mempunyai grafit dengan bentuk bulat. Teganganyang terjadi tidak terkonsentrasi, melainkanterdistribusi secara merata pada permukaan grafitbulat, sehingga kekuatan tarik dan regangannya

cukup tinggi.Besi tuang nodular dewasa ini telah dapat

menggantikan komponen baja karbon dibidangpermesinan dan otomotiv. Bentuk grafit yang bulatini diakibatkan adanya unsur pembulat grafit yangdisebut nodulariser, yakni Magnesium atau

Cerium[3,4].Akibat bentuk grafit yang bulat ini kekuatan

tarik material dalam kondisi as cast meningkatdibandingkan bentuk grafit yang serpihan dari nilai10-30 Kg/mm2 menjadi hingga 60 Kg/mm2.Regangan besi tuang kelabu hanya berkisar antara1.0 0/0, sementara besi tuang nodular regangannyadapat mencapai hingga 12 0/0.

Besi Tuang Nodular AusternperBesi tuang nodular ini diperoleh rnelalui

proses austernper. Perlakuan austemper itu sendiriadalah dengan tara memanaskan besi tuang sampaitemperatur austenit, selanjutnya dilakukanpendinginan dengan cepat hingga temperatur sekitar3000 C sampai 4000 C, selanjutnya ditahan selamabeberapa waktu kemudian didinginkan diudara.Dengan perlakuan ini akan didapatkan besi tuangnodular dengan regangan dan ketangguhan yangcukup tinggi, serta mempunyai kuat tarik dua kalidari besi tuang nodular pearlitik .

Jenis-jenis Scsi Tuang NodularBesi tuang nodular ini mempunyai jenis

yang bermacam-macam, tergantung dari struktur

matriksnya [2].

Besi Tuang Nodular FerritikBesi tuang Nodular ini matriksnya adalah

refit, mempunyai regangan yang tinggi. Kekuatantarik dan kekuatan luluh besi tuang nodular inisebanding dengan baja karbon rendah. Matriks ferrityang dimilikinya dapat diperoleh dari hasil as-castatau dapat juga melalui proses perlakukan panas

annealing.

Struktur Mikro Besi Tuang Nodular GrafitGrafit ini adalah karbon bebas dalam besi

tuang yang terbentuk melalui reaksi penggrafitan.Grafit mempunyai sifat lunak daD rapuh, mempunyaikekerasan HB sekitar 1, kekuatan tariknya 2 kg/mm2daD berat jenisnya sebesar 2,2 gr/mm3. Total karbondaTi besi tuang sekitar 85 % terbentuk sebagai grafit,sedangkan sisanya terbentuk dalam phasa matriks *).Besi Tuang Nodular Perlitik

Matriks perl it pada besi tuang nodular ini,mcnghasilkan besi dengan ketahanan aus yang baik,kekuatart yang tinggi, tetapi dengan keuletan danketangguhan yang sedang. Besi tuang nodularperlitik ini mempuriyai mampu permesinan yangh"ik

MatriksMatrik besi tuang nodular pada kondisi as

cast adalah ferrit dan perl it, sarna seperti matriks bajakarbon rendah atau medium. Dengan merubahstruktur matriksnya, sifat besi tuang nodular dapatdisesuaikan dengan kebutuhan pemakaian.Perubahan ini dapat dilakukan dengan prosesperlakuan panas atau dengan proses pemaduansewaktlJ peleburan. Matriks dari besi tuang nodularsetelah dilakukan proses perlakuan panasmenghasilkan struktur antara lain adalah : perlit-

Besi Tuang Nodular Ferrit-PerlitUmumnya besi tuang nodular tanpa paduan

pada kondisi as cast, matriksnya mempunyai strukturini sehingga mempunyai sifat diantara besi tuangnodular ferritik dan besi tuang nodular perlitik.Jumlah fraksi ferrit atau perlit tergantung dari

158

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

ainit, martensit-austenit, martensit-bainit, dan lain.lain.

METODE PENELITIAN

Salah satu proses perlakuan panas yangdapat meningkatkan sifat mekanis besi tuang nodularadalah proses austemper. Perlakuan ini meliputiproses austenisasi, pemanasan hingga phasa austenitpada temperatur sekitar 850°C -950°C, kemudian

dilanjutkan dengan pendinginan pada temperatur250°C -500°C dan ditahan selama jangka waktutertentu untuk mendapatkan struktur bainit [5]. Besituang nodular yang telah mengalami prosesaustemper dikenal dengan nama besi tuang nodularaustemper atau Austempered Ductile Iron (AD/).

Perlakuan panas austenisasi dalam hal iniadalah proses pemanasan dari rasa refit dan perlitsehingga bembah menjadi rasa austenit yang jenuhterhadap karbon. Waktu tahan austenisasidimaksudkan agar karbon sempat lamt danbertransformasi di austenit [I]. Transformasipertama yang terjadi adalah perlit menjadi austenitpada temperatur kritis, kemudian disusul denganberkurangnya ferrit dan bertambahnya austenitdengan makin tingginya temperatur pemanasan.Diperlukan waktu yang cukup untuk menjaminbahwa semua rasa telah bembah menjadi austenitdan selumh karbon atau karbida telah lamt dalamaustenit.

Peleburan dilakukan pada dapur induksikapasitas I 000 Kg dim ana proses magnesiumtreatment dilakukan didalam ladel khusus denganmetode sandwich. Untuk besi tuang nodular paduantembaga, digunakan potongan kawat tembaga yangdimasukkan pada saat penuangan besi cair kedalamladel penelitian. Besi cair kemudian dituangkedalam cetakan pasir yang berbentuk Y blok.Sam pel uji tarik dibuat sesuai menurut standardASTM E 8M clan pengamatan struktur mikro sesuaidengan ASTM E 3-80.

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Oari foto struktur mikro as-cast yangdihasilkan (dapat dilihat di lampiran) terlihat bahwadengan penambahan unsur Cu sebanyak 1,3 %menyebabkan matrik 8TN menjadi hampir 100 %perlit, padahal sebelum dilakukan penambahan unsurCu, matrik yang dimiliki 8TN adalah mayoritasferrit (matrik ferit sekitar 60 %). Oari fenomena ininampak unsur Cu adalah perlite promoter

(mendukung pembentukan perlit), yang dapatmengalahkan pengaruh Silikon sebagai ferritepromoter [3]. Kekuatan tarik yang dimiliki oleh8TN as-cast pada penambahan Cu sebanyak 1,3 %dapat meningkatkan kekuatan tariknya sekitar 56,4%, yaitu dari 54,98 kg/mm2 menjadi 85,99 kg/mm2(dapat dilihat di lampiran). Sementara untukregangan, terjadi penurunan sebesar 69,4 % yaitudari 13,4 % menjadi 4,1 %. Keadaan ini bisadimaklumi, karena dengan keberadaan matriknyayang mayoritas ferrit menjadi hampir full perl itmaka akan menyebabkan kenaikan kekuatan tarikclan penurunan regangan. Kekuatan tarik 8TNdengan matriks perl it lebih besar dibandingkanmatrik ferrit, sementara untuk regangan adalahkebalikannya yaitu regangan ferrit lebih besar dariperl it.

Proses austemper dilakukan denganmelakukan pendinginan besi tuang nodular yangtelah diaustenisasi dari sekitar 9000 C menjaditemperatur antara 250°C -500°C secara isothermal.Akibat proses ini terjadi transformasi rasa menjadibainit yang mempunyai kekuatan dan keuletan yang

optimal.

Setelah dilakukan proses austenisasi padatemperatur 8000 C clan 8500 C, foto mikro yangdihasilkan menunjukkan bahwa pada pemanasanBTN pada 8000 C menunjukan belum terjadiperubahan struktur perlit menjadi austenit (lihat dilampiran). Temyata untuk BTN tanpa penarnbahanCu pada pernanasan austenisasi 8000 C kondisipemanasannya rnasih dibawah ternperatur kritis (A-I). Pada akhir proses austernper narnpak bahwa sarnasekali tidak diperoleh struktur bainit, rnelainkanhanya ferrit dan perl it saja. Sedangkan padaternperatur austemper 8500 C tanpa penarnbahan Cudipero!eh tiga struktur yakni : bainit, ferrit sertaaustenit sisa. Nampak jumlah struktur ferrit rnasihtetap dominan. Ini berarti pada proses austenisasimasih terdapat struktur ferrit artinya pemanasan

Transformasi austenit menjadi bainitmeliputi perubahan struktur dan diikuti distribusiatom karbon yang keluar dari austenit yangmengendap sebagai karbida. Transformasi berawaldari inti bainit-ferit dan pada daerah pertemuanantara graftt daD matriks atau daerah interfasa ataudaerah batas butir.

Secara umum reaksi pembentukan bainitpada transformasi austemper terdiri dari dua tahap

yaitu:Tahap pertama adalah proses dekomposisiaustenit (CY') menjadi refit bainit (a) daDaustenit dengan kadar karbon tinggi (CY' HC):

CY' a + CY'HCTahap kedua adalah proses dekomposisi austenitkadar karbon tinggi menjadi rerit bainitik daDsementit:

2.

IV' ~e3(a +

Bentuk bainit dipengaruhi oleh temperaturaustempernya, sehingga bainit dibagi atas bainit atasdan bainit bawah [5].

159

l'rosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

Ternyata penambahan un sur Cu sebanyak 1,3 %selain sebagai perlite promoter, penambah phasaperl it, juga dapat menggeser garis temperatur A3pada grafik eutektoid diagram kesetimbangan Fe-Fe3C ke arab kiri, atau menggeser titik austenisasi kearab kanan seperti pada gambar dibawah ini..

KESIMPULAN

berada pada struktur ferrit dan austenit (antaratemperatur A-I dan A-3). Sementara itu untuk BTNdengan penambahan unsur Cu sebanyak 1,3 %,struktur mikro yang dihasilkan setelah prosesaustemper selesai adalah bainit dan sedikit austenitsisa. Proses austemper pada temperatur 8500 C BTNdengan penambahan unsur Cu 1,3 % prosespemanasannya telah mengalami transformasi yangsempuma menjadi full austenit.

Dari fenomena di atas terlihat bahwapenambahan unsur Cu sebanyak 1,3 % dapatmenggeser garis A3 ke arah kiri atau menyebabkantitik proses austenisasi bergeser ke arah kanan darigrafik eutektoid diagram kesetimbangan Fe-Fe3C.

1 Agar efektif daD efisien dalam proses perlakuanpanas, struktur matriks pada kondisi as castbarns diperhatikan sebelum menentukan

langkah temperatur pemanasan proses perlakuanpanas.Proses austenisasi yang tidak sempuma (masih

mengandung ferrit) pada proses austempermenghasilkan phasa ganda yang menurunkansifat mekanis.

2.

910 CDAFTARPUSTAKA

:8,8OJ,) ramon

I

KomposisiINon Cu

KomposiJi n1,3 % Cu

95 % Perlit

[I] HARDING, R.A., The Use of AustemperedDuctile Iron for Gears, BCIRA, (1986).

[2] MOROUGH, H.J. A Review of Solidoftcation ofCast Iron with Sperulitic Graftt Structure, TheSolidification of Metal, The Iron and SteelInstitute, London.

[3] PEARCE, J.G. and BROMAGE, K., Copper InCast Iron, Copper Development Association,Publication No. 65, Hutchinson & Co. London,(1964).

[4] SURDlA, T. dan KENJI CHIJIWA, TeknikPengecoran Logam, P.T. Pradnya Paramita,Jakarta, (1985).

[5] THELNING, K.E., Steel and Its Heat Treatmet.2nd ed., British Library Cataloging inPublication Data (1984).

Garnbar. .Diagram phasa pert it dengan dan tanpa Cu

160

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

LAMPIRAN

100

80

60

40

,-Nee"OiJ~--rIJE--~ 20

0

1.30%NON Cu

Komposisi Co

Grafik I. Kekuatan Tarik as-cast BTN

13.414121086

420

~

~e'-'0)

r8NONCU~~~--NON

Cu1.30%

Komposisi Co

Grafik 2. Regangan kondisi as-cast BTN

161

Pros;d;ng Pertemuan J/m;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410-2897

100

90

80

70

60

50

40

302010

0

Nee

~:-VJf-~

As-cast

15 30 45

Waktu Austem~r (menit)

Grafik 3. Kekuatan tarik BTN setelah perlakuan austemper

~0--..

Grafik 4. Regangan setelah proses austemper

162

Garnbar3. Foto Struktur Mikro 8TN tanpa penarn-bahan Cu hasil Austemper 800 °c, di-tahan selarna 15 menit, pembesaran 100 X

Garnbar I. Foto Struktur Mikro As Cast BTN tanpapenarnbahan Cu, pembesaran SOX

Gambar 2. Foto Struktur Mikro As Cast BTNpenambahan 1,3 % Cu, pembesaran 50 X

Gambar 4. Foto Struktur Mikro BTN tanpa pen am-bahan Cu basil Austemper 850 °c, di-

163

Prosiding Pertemuan 1/miah Sains Materi /997 /SSN /4/0 -2897

Gambar 5. Foto Struktur Mikro BTN tanpa penam-bahan 1,3 % Cu basil Austemper 850 °c,ditahan selama 15 men it, pembesaran 500 X

164