BAJA PADUAN RENDAH BAINITIK UNTUK PEMBUATANKOMPONEN BAT ANG TORAKJ 71!

Yuswono2 daD Toni Bambang Romijarso1

ABSTRAKBAJA PADUAN RENDA" BAINITIK UNTUK PEMBUATAN KOMPONEN BATANG TORAK. Telah dilakukan

penelitian terhadap pembuatan baja paduan rendah bainitik sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen automotifbatang torak.Baja paduan termasuk baja karbon rendah tanpa kandungan Mo dan Nb dengan komposisi sebagai berikut 0,\50/oC, \,88%Mn,0,80/oCr, 0,\5%V, 0,02%Ti, 0,003%B. Hasil percobaan selama pengerjaan pembuatan batang torak melalui pengerjaan tempaditunjukkan bahwa, baja paduan ini mempunyai mampu tempa yang bagus. Struktur bainitik langsung terbentuk melaluipendinginan di udara terbuka. Hasil uji tegangan tarik dan regangan, setelah pengerjaan rol panas, tempa hammer, dan tempacetakan tertutup, kekuatan yielnya tinggi hingga 989Mpa. Perbandingan harga kekuatan yield dan tariknya (Yr) tinggi lebih besar800/0. Harga kekerasannya 378 HB. Harga uji impak diantara 38,2 J/cm'-58,6J/cm'. Hasil uji mekanik setelah pengerjaan tempa,memenuhi syarat sebagai bahan baku pembuatan komponen togas berat atau komponen penggerak.

ABSTRACTA LOW ALLOY BAINffiC STEEL FOR MANUFACTURING OF CONNECTING ROD PART. Bainitic steel as

raw material for manufacturing of connecting rod automotive parts has been investigated. Its composition is a 0.15%C, 0.25%Si,1.88%Mn, 0.8%Cr, 0.15% V, 0.02% Ti, 0.003%B. According to alloying element contents, it is a low alloy bainitic steel without Moand Nb content, and is low carbon steel classified. Experiment result through forging treatment of the connecting rod manufacturingcan be shown that, low alloy bainitic steel has good forgeability. Bainitic are obtained directly in the air cooling after forgingtreatment. Stress-strain test, samples that are as roll, as hammer forge, and as closed die forging have high yield strength up to 989Mpa, yield strength to tensile strength ratio (Yr) are more higher than 80%. Their hardness and Charpy impact value are up to 378HB and in the range 38.2J/cm2-58.6J/cm2. Because of their mechanical properties, low alloy baintic steel is allowable as rawmaterial for manufacturing of heavy duty and moving part components.

KEY WORDlJainitic, Perlitic, Hammer.

PENDAHULUAN hanya melalui pendinginan di udara terbuka, tanpapengerjaan kejut temper. Oleh karena itupenggunaan baja paduan ini akan menghematbiaya proses. Hasil-hasil yang telah dicapai adalahkarena adanya kandungan unsur-unsur penstabilbainit, yaitu O,3%Mo, O,8%Cr dikombinasikandengan pemadu mirko O,O4%Nb[21. Unsur Mo clanNb relatif mahal, karena jarang tersedia banyakdipasaran. Hasil yang diperoleh dari penelitian iniadalah pembuatan baja paduan rendah bainitiktanpa kandungan Mo clan Nb. Struktur bainitikdiperoleh melalui penambahan Mn lebih besar 1%clan O,8%Cr yang dikombinasikan pemadu mikroO,15%V clan O,O2%Ti. Hal ini mengingat unsur Vclan Ti tersedia di negara kita clan masihmerupakan sumber clara alam yang belum diolah.

Dengan diperolehnya baja paduan rendahbainitik tanpa kandungan Mo clan Nb ini, berartipembuatan jenis baja paduan ini mempunyai masadepan, disamping harga Mn lebih murah jugacadangan unsur V clan Ti ada di negara kita. Olehkarena itu, perolehan baja paduan rendah bainitikini perlu dilanjutkan ke pembuatan komponen jadi,seperti dimanfaatkan sebagai bahan bakukomponen automotifbatang torak. Dalam makalahini akan disajikan proses pembuatan komponenbatang torak, mulai dari pembuatan baja paduansebagai bahan bakunya hingga ke pembuatanbentuk komponen clan basil pengujiannya. Hasilyang diharapkan dari penelitian ini adalah,terpenuhinya suatu persyaratan sifat mekanik yang

Beberapa jenis komponen automotif tugasberat (heavy duty) alan komponen penggerak(moving part) sebagian telah dibuat di dalamnegeri. Walaupun demikian belum diproduksisepenuhnya, karena bahan bakunya masih impor.Dengan kata lain proses pembuatannya belum dibuat daTi hulu ke hilir. Pembuatan komponen jenisini memerlukan persyaratan sifat mekanik yangdisesuaikan dengan fungsinya, antara lain adalahkekuatan yieldnya tinggi di atas 600Mpa, hargakekerasan di atas 200HB, clan harga ipak minimum28 J/cm[I,2}. Oleh karena itu diperlukan bajabainitik yang kekuatan clan harga impaknya

sekaligus tinggi. Seiring dengan berkembangnyaindustri di negara kita khususnya industriautomotif, clan untuk mewujudkan pembuatankomponen secara mandiri, diperlukan penguasaanteknologi pembuatan jenis komponen tersebut daTihulu ke hilir.

Sebagai bahan baku untuk komponen tugasberat clan komponen penggerak telahmenggunakan baja karbon medium (0,35%C-0,45%C). Dalam penggunaan bahan baku jenisbaja ini, untuk memperoleh struktur bainit harusmelaui tahap pengerjaan kejut temper. Baru-baruini telah dikembangkan baja bainitik. Jenis bajayang dimaksud adalah baja paduan rendah dengankandungan karbon sekitar 0,15%. Dengan carapenambahan unsur-unsur terentu, struktur bainitikdiperoleh langsung setelah pengerjaan tempa

, Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 PusIitbang Metalurgi-LIPI

6Q

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 199: /SSN /4/0-2897

diperlukan untuk komponen batang torak clanpembahasan mengenai ketahanan lelahnya.

HIPOTESA

Struktur bainitik dapat diperoleh langsungmelalui pendinginan di udara terbuka setelahpengerjaan tempa tanpa melalui pengerjaan kejuttemper, dengan cara penambahan unsur-unsurpemadu Mn> I % yang dikombinasikan denganpemadu mikro 0,15%V, 0,02%Ti, 0,003%B. Bajapaduan rendah bainitik ini dapat digunakansebagai bahan baku pembuatan komponenautomotif batang torak.

telah digunakan sebagai bahan baku pembuatanbatang torak, kemudian diamati perbedaanstruktur-mikronya. Baja paduan ini dipanasi padasuhu jauh di atas Ar3 yaitu sekitar 1200°C s.d.1 350°C dalam waktu paling sedikit 30 menit,kemudian dilakukan tahap-tahap pengerjaan panassebagai berikut :(a) Rol awal, reduksi hingga 10%,(b) Hammer, reduksi 30%, untuk

pengaturan bentuk silindris,(c) Tempa cetakan tertutup (closed dieforging).Dari masing-masing tahapan tersebut dilakukanpengamatan adanya retakan. Prosedur pengerjaantempa dapat kita lihat pada gambar skematis dibawah ini

CARAPERCOBAAN

PeleburanTungku induksi kapasitas 200 kg digunakan

untuk pembuatan baja paduan rendah bainitik.Sebagai bahan baku adalah skrap baja pelat tipistebilf 3 mm bekas dari pengerjaan punch,komposisi : 0,05% C, 0,2%Si, 0,5% Mn, 0,08% P,0,08% S. Tungku dimuati skrap baja. Setelah bajadi dalam tungku mencair dilakukan penambahanunsur-unsur pemadu. Pengaturan kandungankarbon dilakukan melalui penambahan inokulanSi-C. Kandungan Mn, Cr, V, melalui penambahanpaduan Fe-Mn, Fe-Cr, dan Fe-V. Kandungan Tidan IJ, melalui penambahan paduan master Al- Ti-B. Penambahan Al digunakan untuk deoksidasibaja cair, sementara itu kandungan Ti dan B ikutlarut di dalamnya.Adanya kekurangan kandunganB diatur melalui penambahan Fe-B. Lining tungkuyang digunakan pada percobaan ini adalahalumina. Oleh karena itu fluk penutup permukaanbaja cair adalah CaD, sebab campuran antara CaDdengan Al2O3 titik lelehnya menjadi rendah yaitusekitar I 500°C. Lelehan campuran kedua oksidaini sebagai penutup permukaan baja cair, agarsupaya permukaan baja cair di dalam tungku tidakkontak langsung dengan udara sekelilingnya.Cairan baja dibiarkan di dalam tungku hinggasuhunya mencapai l650°C. Untuk mengurangikandungan sulfur ditambahkan batuan j1ourspare(CaF). Baja cair di dalam tungku dituang ke dalamladet, kemudian dituang kedalam cetakan pasiryang telah disediakan sebelumnya. Hasil ingotberbentuk batangan balok dengan ukuran l20x6x6cm.

Skematis prosedur pengerjaan tempa padapembuatan komponen batang torak.

Gambar

Pengujian MekanikPengujian mekanik [3) dilakukan sesuai

dengan persyaratan sifat-sifat mekanik yangdiperlukan untuk komponen batang torak antaralain:(a) Kekuatan tarik dan regangan, kekuatan yield

diatas 600 MPa,(b) Pengujian impak, harga impak diatas 27

Joule/cm2 pada suhu kamar,(c) Pengujian kekerasan, diatas 200 HB.

Pengujian MetalografiPengujian metalografi yang dilakukan

bertujuan untuk mengetahui pembentukan tirestruktur mikro, dalam hal ini struktut yangditargetkan adalah tire bainitik yang langsungdipetoleh dari hasil coran clan hasil tempa melaluipendinginan di udata terbuka. Disamping itudigunakan pula untuk melihat pembentukanporositas clan retak mikro akibat pengerjaan tol

clan tempa.Prosedur Percobaan Mampu BentukUntuk mengetahui mampu bentuk terhadap

hasil coran baja paduan rendah dilakukanpengerjaan rol panas, hammer, dan tempa. Setelahitu, terhadap hasil contoh setiap tahap pengerjaandiamati kemungkinan adanya retakan. Sebagaipembanding dilakukan pengerjaan tempa terhadapbaja karbon medium yang sudah tersedia yang

HASIL PERCOBAAN

Basil Analisa KimiaHasil analisa kimia yang dilakukan terhadap

material baja paduan rendah ini ditunjukan padaTabel I dibawah ini :

'TI\

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; /997 /SSN /4/0-2897:

Tabel I. Komposisi kimia ba.ia paduan rendah bainitik dan baja perlitik

b. Bentuk silindris basil pengerjaan hammer, diameter35mm

c. Bentuk komponen batang torak hasil tempa dansetelah trimming.

d. Bentuk komponen setelah tempa, sebelum trimming,tampak adanya sirip.

Gambar 2. Bentuk batangan dan komponen daTi basil rol, hammer, tempa, dan trimming.

Komposisi baja bainitik tersebut di atas adalahtermasuk baja karbon rendah clan paduanrendah, kandungan Mn tinggi di atas 1 %, clanpemadu mikro V, Ti clan B. Baja perlitiktermasuk klasifikasi baja karbon mediumdengan kandungan pemadu mikro V.

Hasil Pengamatan MetalografiPengambilan contoh pada komponen

setelah dilakukan proses tempa ditunjukkanbahwa, baja paduan rendah dengan komposisipada Tabel I adalah baja bainitik. Strukturbainitik langsung diperoleh setelah prosespengerjaan tempa melalui prosedur pendinginanyang sangat mudah, yaitu di udara terbuka.Hasil pengamatan strukturmikro dapat dilihatpada Gambar 3. Sebagai pembanding ditunjuk-kan pula strukturmikro baja karbon mediumperlitik melalui media pendingin yang sarnasetelah pengerjaan tempa.

nasil PercobaanTempaBasil-hasil yang dicapai setelah

dilakukan beberapa tahap penempaan dapatdilihat pada Gambar 2. Basil uji tidak merusakmagnafluk dari setiap tahap pengerjaan panastidak ditunjukkan adanya retakan.

71

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

Hasil pengamatan strukturmikro dapat dilihatpada Gambar 4.

Tabel 2 ditunjukkan harga dari sifat mekaniksetelah dilakukan tiap tahap pengerjaan panas.Perolehan kekuatan yieldnya tinggi jauh di alas600Mpa, kekerasannya lebih besar 200 HBN.Semua kurva uji tarik dan regangan pada contohcoran, setelah pengerjaan panas rol, dan tempamenghasilkan kurva kontinyu, tidakditunjukkan adanya regangan Luder. Jadiperbandingan kekuatan yield dan kekuatantariknya (Yr) di alas 80%. Seperti kurva yangditunjukkan pada Gambar 5 adalah basil ujiyang diambil dari bentuk komponen setelah

pengerjaan tempa.

Gambar 3. Struktur mikro baja bainitik, contohdiambil langsung dari komponen,komposisi: 0,15 %C, 1,3 %Mn,0,8%Cr, 0,02%Ti, O,I%V. Matrik:bainit Etsa : nital, 525X.

Gambar 4. Struktur mikro baja perlitik, Etsa : nital,52SX. contohdiambil langsung dari komponen,komposisi : O,4%C, O,23%Si, O,5%Mn, O,16%V.Matrik : perl it. Tanda panahfasa ferit proeutektoid.Etsa : nital, 525X.

PEMBAHASAN

Pengaruh Pembentukan Struktur BainitikTerhadap SiCat Mekanik Setelah Tempa

Terhadap baja paduan rendah ini,unsur yang terkandung didalamnya yaitukandungan 1,88%Mn, O,8%Cr dikombinasikandengan pemadu mikro 0,15%V, 0,O2%Ti,0,003%B bertindak sebagai unsur-unsurpenstabil bainit. Fakta ini ditunjukkanterbentuknya strukturmikro bainit yanglangsung diperoleh melalui pendinginan yanglambat, yaitu di udara terbuka setelahpengerjaan tempa (lihat Gambar 3).

Dari gambar strukturmikro diatas tampakadanya perbedaan tire struktur mikro. Penggu-naan baja karbon medium O,4%C, matriknyaadalah perl it (Gambar 4). Baja paduan rendahmatriknya adalah bainit (Gambar 3)

Hasil Uji MekanikHasil uji mekanik yang dilakukan

dapat di lihat pada Tabel 2 di bawah ini. Pada

Tabel 2. Ha.c;il uji mekanik baja paduan rendah bainitik batang torak.

72

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997

Pembentukan struktur bainitik ini berlangsungpada suhu di bawah AClo Jika hasil percobaan diatas dibandingkan dengan baja karbon mediumdengan kandungan 0,4%C, 0,15% V tipe strukturmikro yang terbentuk akan berbeda. Setelahmelalui proses pengerjaan tempa dan denganperlakuan media pendingin yang sarna di udaraterbuka, tipe struktur mikro yang terbentuk adalahperlitik (lihat Gambar 4). Pembentukan refitproeutektoid berasal dari pertumbuhan rasa refit dibatas butir austenit di atas Aci. Strukturmikro

perlitik walaupun kekuatannya tinggi tetapi hargaimpaknya lebih rendah. Oleh karena itupenggunaan bahan baku terhadap baja karbonmedium, agar supaya struktur bainitik yangdikehendaki terbentuk, harus melalui proses olahpanas kejut temper. Hal ini berarti kandunganunsur-unsur Mn, Cr, V, Ti, B yang sebagaipembentuk bainit tersebut berpengaruh terhadappergeseran kurva CCT. Jadi tipe kurva CCT antarabaja paduan rendah bainitik ini dan baja perlitikadalah tidak sarna.

Padu suhu di bawah Aci waktu reaksi eutektoidtertunda, sedemikian hingga selama pendinginandi udara peri it tidak sempat terbentuk[4] (lihatGambar 6a). Berbeda dengan baja perlitik karenatidak mengandung unsur pembentuk bainit, reaksieutektoid berlangsung dan membentuk perlit (lihatGambar 6b).

Ada hubungan antara struktur mikro yangterbentuk dengan sifat-sifat mekaniknya. Untuktipe strukturmikro perlitik seperti pada baja karbonmedium di atas, perolehan kurva hasil uji tegangantarik dan regangan pada umumnya ditunjukkanadanya daerah regangan LuderbanJ3]. Materialbaja yang mempunyai tipe kurva demikian kurangmemenuhi syarat apabila digunakan sebagai bahanbaku komponen tugas berat atau penggerak,kekuatan yieldnya lebih rendah dari pada bajabainitik. Berbeda dengan baja bainitik, basil ujitegangan tarik regangan menghasilkan kurva yangkontinyu (lihat Gambar 5). Tipe kurva demikianini berpengaruh terhadap peningkatan kekuatanyieldnya dengan harga Yr>80%.

Suhu

Ac]

Ferit-perlit

Bainitik

pendinginandi udaraMs

Waktu ~

a. Baja bainitik

Suhu

Ac)AcI

Pengaruh Pengerjaan Tempa Terhadap SiCatMekanik

Dari basil percobaan ditunjukkan bahwakekuatan yieldnya tinggi jauh diatas 600Mpa yaitu989Mpa, dan kekerasannya lebih besar dari200HBN (lihat Tabel 2). Tidak ada perbedaan sifatmekanik yang mencolok baik pada contoh setelahrol, hammer, maupun setelah tempa. Harga impaklebih tinggi dari yang ditargetkan (>27 J/cm1.Harga impak coran memang rendah akibat adanyaporositas mikro, segregasi, dan adanya strukturdendritik. Pengujian tidak merusak terhadapcontoh baja setalah rol (Gambar 2a), daD hammer(Gambar 2b) tidak ditunjukkan adanya retakan.Demikian juga di bagian sirip setelah tempadengan ketebalan 3mm tidak ditunjukkan adanyaretakan. Kondisi demikian ini menunjukkankebenaran suatu prosedur pembuatan ingot bajapaduan rendah bainitik dari proses peleburan ditungku induksi hingga ke proses tempa, daD bajapaduan yang dihasilkan mempunyai mampubentuk yang bagus.

Dipandang dari aspek sifat ketahanan lelah.Perolehan kekuatan yield yang tinggi ini akanberpengaruh tcrhadap pcningkatan ketahananlelahnyaI6]. Demikian pula perolehan baja bainitikmelalui pendinginan udara ini, ketahanan lelahnxasarna dengan baja bainitik basil kejut temper?].Kemungkinan terbentuknya sisa austenit daTikandungan Mn yang tinggi (> ] %) juga akanmemperbaiki ketahanan lelahnya.

pendinginandi udara

, Wakfu

b. Ba.ja karbonGambar 6. Diagram CCT skematis pada baja bainitik

dan baja karbon medium.

73

Prosiding Pertemuan J/miah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

KESIMPULAN

2.

Penggunaan baja paduan rendah bainitikdengan dengan kandungan Mn, Cr, V clan Timempunyai prospek masa depan. Baja paduanini tanpa kandungan Mo clan Nb. Kedua unsurini harganya relatif mahal clan kadang-kadangjarang ada di pasaran.Baja paduan rendah bainitik ini bisadigunakan sebagai bahan baku komponenautomotif jenis komponen togas berat clan

komponen penggerak.Perolehan struktur bainitik diperoleh langsungmelalui pendinginan di udara terbuka. Berarti,pengunaan baja paduan rendah bainitik inisebagai bahan baku dapat menghemat biayaproses produksi komponen, karena pengerjaankejut temper tidak dilakukan.

3,

DAFTARPUSTAKA

[1] GRASSL K., THOMPSON S.W. andKRAUSS G. New Option forSteel Selectionfor Automotive Applications. SAE TechnicalPaper Series, International Congress andExposition Detroit, Michigan, February 27-March 3, (1989).

[2] KATSUMATA M.,Et al. Microstructure andMechnical Properties of Bainitic ContainingMartensite and Retained Austenite in LowCarbon HSLA Steels. Material Transaction,JIM, vol. 32 August (1991).

[3] ASTM HAN BOOK, designation: A370-82.Stand art Test Methode and definition ofMechanical Testing of Steel Product. (1990).

[4] FANG HONGSENG Et al. Development of aSeries of New Air Cooled Bainitic Steel inChina. HSLA Steels: Processing, Properties,and Applications. Preceeding of The SecondInternational Conference on HSLA Steels,Oct. 28 th-Nov. 2 nd, Beijing, China, (1990).

[5] KRAUSS G. STEELS: Heat Tretment andProcessing Prinsple. ASM International,Materials Park, Ohio 44073, Copy right,Printed in The USA, (1990).

[6] YOSIRO Et al. HSLA Steel Bar For HotForging without Quenching and Tempering.Nippon Steel Technical Report No.30 July,Nippon Steel Cooperation, Printed by SenshuCo.,Ltd, (1986).

[7] MARS G. FONTANA/NORBERT D.GREENE. Corrosion Engineering.International Student Editiol1, Book company,Copy right Mc graw-Hill Series. Aucland,Bogita,Guatemala, (1978).

74