pengaruh komposisi 2,9% dan 3,8% silisium ...pengaruh komposisi 2,9% dan 3,8% silisium terhadap...

PENGARUH KOMPOSISI 2,9% DAN 3,8% SILISIUM TERHADAP

KEKUATAN LELAH BESI COR KELABU

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Persyaratan

Guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T)

Disusun oleh

Arnold Audri Indraprasta Litaay

155214080

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

2019

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

EFFECT COMPOSITION OF 2,9% AND 3,8% SILICIUM ON THE

FATIGUE STRENGTH GRAY CAST IRON

FINAL PROJECT

Submitted as One of Requirements

of Obtaines degree Sarjana Teknik (S.T.)

By:

Arnold Audri Indraprasta Litaay

155214080

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT

TECHNOLOGY AND SCIENCE FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

2019


iii

HALAMAN PENGESAHAN


iv


v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA


vi

PERNYAAT PERSETUJUAN


vii

INTISARI

Topik yang dibahas dalam penelitian ini adalah menganalisis pengaruh

komposisi 2,9% dan 3,8% silisium (Si) terhadap kekuatan lelah dan struktur

mikro-makro besi cor kelabu. Memadukan besi cor kelabu dengan Si dapat

menginisiasi pengintian grafit yang menghasilkan grafit berukuran lebih kecil dan

tersebar lebih merata, sehingga secara teori dapat meningkatkan kekuatan

mekanik dan memperpanjang umur penggunaan besi cor kelabu pada pembebanan

fluktuatif. Pengujian ini didukung dengan data pengujian tarik, pengujian

kekerasan,yang sudah dilakukan sebelumnya.

Pengecoran dilakukan menggunakan cetakan yang dibuat dari pasir alam.

Metode penambahan Si menggunakan metode open ladle. Spesimen dibentuk

menggunakan standar ASTM E8/E8M – 09 untuk uji tarik, ASTM E140 – 52

untuk uji kekerasan, ASTM E466 untuk uji lelah.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi Si yang semakin tinggi

meningkatkan kekerasan sebesar 7,6% menjadi 187,9 HBS; kekuatan tarik

meningkat sebesar 1,3% menjadi 153,6 MPa; batas lelah meningkat sebesar 10%

menjadi 0,55 rasio kekuatan tarik. Struktur mikro pada komposisi 3,8% Si

memiliki grafit tipe A dan grafit tipe B dimana grafit berukuran lebih kecil dan

tersebar lebih merata dibandingkan pada komposisi 2,9% Si yang hanya bergrafit

tipe A. Terdapat porositas pada pengamatan struktur mikro yang disebabkan oleh

uap air dan udara yang terperangkap di dalam pasir cetak selama proses

pengecoran.


viii

ABSTRACT

The topic discussed in this study was to analyze the effect of the

composition of 2.9% and 3.8% silisium (Si) on the fatigue strength and micro-

macro structure of gray cast iron. Combining gray cast iron with Si can initiate

graphite dispersion which results in smaller and more evenly distributed graphite,

that it can increase mechanical strength and extend life of use of gray cast iron at

fluctuating loading. This test is supported by tensile testing data and hardness

testing data, which has been done before

Casting is done using molds made from natural sand. The Si addition

method uses the open ladle method. Specimens were formed using the ASTM E8 /

E8M-09 standard for tensile testing, ASTM E140 - 52 for hardness testing, ASTM

E466 for fatigue test.

The results showed that the higher Si composition increased the hardness

by 7.6% to 187.9 HBS; tensile strength increased by 1.3% to 153.6 MPa; fatigue

limit increases by 10% to 0.55 tensile strength ratio. The microstructure in the

composition of 3,8% Si has type A graphite and type B graphite where graphite is

smaller and more evenly distributed than the composition of 2,9% Si which is

only type A graphite. There is porosity in the microstructure observation caused

by steam water dan air trapped in the sand mold during the casting process.


ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan

rahmat-Nya sehingga tugas akhir dengan judul PENGARUH KOMPOSISI 2,9%

DAN 3,8% SILISIUM TERHADAP KEKUATAN LELAH BESI COR KELABU

dapat diselesaikan dengan tepat waktu. Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu

syarat akademis memperoleh gelas sarjana di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas

Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Penulis menyadari

bahwa masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki dalam penyusunan tugas

akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan adanya kritikan dan saran yang

membangun dari berbagai pihak untuk semakin menyempurnakannya.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada

semua pihak yang telah membantu dalam pembuatan tugas akhir, terlebih kepada:

1. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma

3. Budi Setyahandana, S.T., M.T., dan Dr.Eng I Made Wicaksana Ekaputra,

M.Eng., selaku dosen pembimbing yang telah banyak mendorong dan

memberi masukan untuk menyelesaikan tugas akhir.

4. Bapak Martono, Bapak Intan, dan Bapak Rony selaku laboran yang

memberikan arahan kepada saya selama eksperimen.

5. Papaku tercinta Paulus Litaay, S.E., dan mamaku tersayang Ir. Indria

Melasari yang sangat aku kasihi, menjadi teladan, memberikan dukungan

doa, semangat, dan motivasi yang tiada bandingannya.

6. Kekasihku Wentri Febriasie yang selalu menyemangati dengan kasih,

perhatian, dan senyuman.

7. Rekan sekerja dan seperjuangan selama penyusunan tugas akhir ini Ronald

Mangande, Danu, Ledjar, dan Wisnu.

8. Sahabatku: Clinton, Vandi, Natan, Bondan, Nanda, dan Rinda, yang selalu

mengisi hari-hariku dengan aktivitas yang menarik, penuh suka-duka dan

tawa.


x

9. Teman-teman PMK Apostolos dan pengurus PMK Apostolos 2016/2017

yang telah mengajariku banyak hal dan menjadi keluarga di kampus.

10. Kak Enti, kak Retsy, dan kak Arlen serta seluruh keluarga besar yang selalu

memperhatikan dan mendoakan.

11. Seluruh pemuda/i gereja GKN Gloria atas kesempatan melayani dan menjadi

rekan sekerja dalam komunitas yang memberkati.

12. Dan semua pihak yang tidak mungkin penulis sebutkan satu persatu, yang

telah ikut membantu dalam menyelesaikan tugas akhir.

Semoga tugas akhir ini memberikan manfaat bagi para pembaca.

Terima kasih, Tuhan Yesus memberkati.


xi

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................................ iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ..........................................................................iv

PERNYAAT PERSETUJUAN .......................................................................................vi

INTISARI ...................................................................................................................... vii

ABSTRACT .................................................................................................................. viii

KATA PENGANTAR .....................................................................................................ix

DAFTAR ISI ...................................................................................................................xi

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ....................................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................................. 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................ 2

1.3 Tujuan ............................................................................................................... 3

1.4 Batasan Masalah .............................................................................................. 3

1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................................... 3

BAB II DASAR TEORI ................................................................................................... 4

2.1 Besi Cor ............................................................................................................. 4

2.1.1 Besi Cor Kelabu ......................................................................................... 8

2.1.2 Besi Cor Putih ............................................................................................ 9

2.1.3 Besi Cor Mampu Tempa........................................................................... 10

2.1.4 Besi Cor Nodular ...................................................................................... 10

2.1.5 Pengaruh unsur kimia dalam besi cor: ...................................................... 13

2.2 Pengaruh Perlakuan Panas terhadap Struktur Mikro ................................ 15

2.2.1 Perlit ( + Fe3C) ....................................................................................... 15

2.2.2 Spheroidit ................................................................................................. 17

2.2.3 Bainit ........................................................................................................ 18

2.2.4 Martensit .................................................................................................. 19

2.3 Inokulasi .......................................................................................................... 21

2.4 Silisium (Si) ..................................................................................................... 22

2.5 Proses Pengecoran (Casting Process) ............................................................ 23


xii

2.5.1 Pembuatan Cetakan .................................................................................. 24

2.5.2 Saluran Masuk, Penambahan, dan Karakteristik Pembekuan ................... 25

2.6 Pengujian Tarik .............................................................................................. 26

2.7 Pengujian Lelah .............................................................................................. 30

2.8 Pengujian Kekerasan Brinell ......................................................................... 32

2.9 Tinjauan Pustaka ........................................................................................... 35

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..................................................................... 37

3.2 Alat dan Bahan Penelitian ............................................................................. 38

3.2.1 Bahan yang digunakan ............................................................................. 38

3.2.2. Alat Pengujian .......................................................................................... 39

3.2.3. Alat Pemesinan dan Alat Ukur ................................................................. 40

3.2.4 Alat Pengecoran ....................................................................................... 41

3.2.5 Alat-alat Lain yang Digunakan ................................................................. 43

3.3 Proses Pengecoran .......................................................................................... 45

3.3.1 Persiapan Pengecoran ............................................................................... 46

3.3.2 Proses Pengecoran .................................................................................... 46

3.4 Pembuatan Spesimen ..................................................................................... 47

3.4.1 Spesimen Uji Tarik. .................................................................................. 47

3.4.2 Spesimen Uji Lelah .................................................................................. 47

3.4.3 Spesimen Uji Kekerasan. .......................................................................... 48

3.4.4 Spesimen Pengamatan Stuktur Mikro. ...................................................... 48

3.5 Pengujian Spesimen ....................................................................................... 49

3.5.1 Pengujian Tarik ........................................................................................ 49

3.5.2 Pengujian Lelah ........................................................................................ 49

3.5.3 Pengujian Kekerasan ................................................................................ 50

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN...................................................... 52

4.1. Hasil Penelitian ............................................................................................... 52

4.2. Analisis Uji Kekerasan ................................................................................... 53

4.3. Analisis Uji Tarik ........................................................................................... 54

4.4. Analisis Uji Lelah ........................................................................................... 60

4.5. Analisis Stuktur Mikro .................................................................................. 63

4.6. Analisis Stuktur Makro ................................................................................. 65


xiii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN......................................................................... 66

5.1. Kesimpulan ..................................................................................................... 66

5.2. Saran ............................................................................................................... 66

REFERENSI................................................................................................................... 67

LAMPIRAN ................................................................................................................... 69


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Diagram Fasa Fe-Fe3C ...................................................................... 4

Gambar 2. 2 Unit sel fase-fase (a) austenit, (b) ferit, (c) martensit, dan (d) efek

penambahan persentase berat karbon terhadap dimensi kubus martensit ............... 6

Gambar 2. 3 Struktur mikro skematik yang dihasilkan dari berbagai perlakuan

panas dari diagram fase karbon-karbon, rentang komposisi untuk besi cor

komersial. ................................................................................................................ 7

Gambar 2. 4 Penyebaran grafit serpih ..................................................................... 8

Gambar 2. 5 (a) Struktur mikro besi cor kelabu, sedikit ferit dan matriks perlit

dengan perbesaran 400×. (b) struktur mikro besi cor putih, tampak sementit dan

perlit dengan perbesaran 400×. (c) Struktur mikro besi cor mampu tempa, dietsa

5% nital, tampak matriks ferit dengan perbesaran 125×. (d) Struktur mikro besi

cor nodular dengan perbesaran 250×. ................................................................... 12

Gambar 2. 6 Skema pembentukan lamellar perlit yang dimulainya pengintaian

batas butir .............................................................................................................. 16

Gambar 2. 7 Struktur mikro perlit (a) kasar, (b) halus. ......................................... 17

Gambar 2. 8 Photomicrograph dari baja yang memiliki struktur mikro spheroidit

dengan perbesaran 1000×. Partikel kecil adalah sementit; fase kontinu adalah ferit

............................................................................................................................... 18

Gambar 2. 9 Mikrograf elektron transmisi menunjukkan struktur bainit. Butir

bainit berpindah dari kiri bawah ke sudut kanan atas, yang terdiri dari partikel

Fe3C yang memanjang dan berbentuk jarum dalam matriks ferit. Fase yang

mengelilingi bainit adalah martensit. .................................................................... 19

Gambar 2. 10 Photomicrograph mikrostruktur martensit. Butir yang berbentuk

jarum adalah fase martensit, dan daerah putih adalah austenit yang gagal berubah

selama pendinginan cepat. Perbesaran 1220×. ...................................................... 20

Gambar 2. 11 Prosedur pembuatan cetakan pasir . ............................................... 25

Gambar 2. 12 Kurva tegangan-regangan untuk (a) besi cor tidak murni, (b)

tembaga, (c) transisi ulet-getas pada baja sedang . ............................................... 29

Gambar 2. 13 Skematik diagram uji lelah menggunakan alat uji rotary-bending 30

Gambar 2. 14 Tegangan vs jumlah logaritma siklus putaran ................................ 31

Gambar 2. 15 Kurva S/Su – N umum untuk baja tempa pada titik log-log .......... 32


xv

Gambar 2. 16 Parameter-parameter dasar pengujian Brinell. ............................... 33

Gambar 2. 17 Gambar alat uji (a) alat uji tarik UTC 10 ~ 200 kN Series (b) alat uji

kekerasan Brinell O.M.A.G Affri Italy Mod 100 MR (c) alat uji lelah Rotary

Bending 1800 rpm. ................................................................................................ 34

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian ..................................................................... 37

Gambar 3. 2 Bahan baku. ...................................................................................... 38

Gambar 3. 3 Bongkahan FeSi sebelum dilebur. .................................................... 38

Gambar 3. 4 Autosol ............................................................................................. 39

Gambar 3. 5 Larutan HNO3 100% ........................................................................ 39

Gambar 3. 6 Mesin bubut ...................................................................................... 40

Gambar 3. 7 Jangka sorong ................................................................................... 41

Gambar 3. 8 Tanur Induksi ................................................................................... 41

Gambar 3. 9 Ladle Berkapasitas 40 kg yang Telah Dilapisi Tanah Liat. ............. 42

Gambar 3. 10 (a) Rangka Cetakan, (b) Pasir Cetak, (c) Pola Cetakan ................. 43

Gambar 3. 11 Termokopel .................................................................................... 43

Gambar 3. 12 (a) Timbangan neraca dan (b) timbangan digital ........................... 43

Gambar 3. 13 Gergaji tangan ................................................................................ 44

Gambar 3. 14 Amplas ........................................................................................... 44

Gambar 3. 15 Mikroskop ...................................................................................... 45

Gambar 3. 16 Kain Majun ..................................................................................... 45

Gambar 3. 17 Spesimen uji tarik. .......................................................................... 47

Gambar 3. 18 Sepesimen uji lelah......................................................................... 48

Gambar 3. 19 Gambar spesimen uji kekerasan ..................................................... 48

Gambar 4. 1 Grafik rata-rata nilai BHN besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan

3,8% Si. ................................................................................................................. 54

Gambar 4. 2 Grafik rata-rata kekuatan tarik besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si

dan 3,8% Si............................................................................................................ 57

Gambar 4. 3 Patahan hasil uji tarik besi cor kalabu (a) berkomposisi 2,9% Si (b)

berkomposisi 3,8% Si. ........................................................................................... 57

Gambar 4. 4 Grafik uji tarik besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si (a) percobaan

H1, (b) percobaan H2, (c) percobaan H3. ............................................................. 58


xvi


P1, (b) percobaan P2, (c) percobaan P3. ............................................................... 59

Gambar 4. 6 Grafik rata-rata persentase regangan besi cor kelabu berkomposisi

2,9% Si dan 3,8% Si .............................................................................................. 60

Gambar 4. 7 Grafik hasil uji lelah besi cor kelabu. ............................................... 62

Gambar 4. 8 Struktur mikro besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si ..................... 64

Gambar 4. 9 Struktur mikro besi cor kelabu berkomposisi 3,8% Si ..................... 64

Gambar 4. 10 (a) patahan spesimen uji tarik berkomposisi 3,8% Si (b) patahan

spesimen uji lelah berkomposisi 2,9% Si .............................................................. 65


xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Struktur mikro dari fasa matriks metalik besi cor ................................ 13

Tabel 2. 2 Sifat termal dan mekanis Silisium ...................................................... 22

Tabel 2. 3 Konversi pada diameter indentor ......................................................... 33

Tabel 4. 1 Data uji kekerasan besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan 3,8% Si

............................................................................................................................... 53

Tabel 4. 2 Data uji tarik besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan 3,8% Si ....... 56

Tabel 4. 3 Data pertambahan panjang besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan

3,8% Si. ................................................................................................................. 57

Tabel 4. 4 Data hasil pengujian lelah besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan

3,8% Si .................................................................................................................. 61

Tabel 4. 5 Fungsi regresi logistik hasil pendekatan garis non-linier uji lelah besi

cor kelabu berkomposisi 2,9% Si. ......................................................................... 63

Tabel 4. 6 Fungsi regresi logistik hasil pendekatan non-linier uji lelah besi cor

kelabu berkomposisi 3,8% Si. ............................................................................... 63


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Logam berperan penting dalam pemenuhan kebutuhan manusia sehari-

hari. Sumber bahan baku yang melimpah serta sifat karakteristiknya yang mudah

diaplikasikan menjadi dasar penerapan dan pengembangan jenis-jenis logam.

Salah satu proses pembuatan logam ialah metode pengecoran. Dengan metode ini

bentuk-bentuk rumit, berukuran kecil, dan berukuran besar dapat mudah dibuat.

Seiring dengan perkembangan industri saat ini, besi cor kelabu (grey cast

iron) merupakan logam coran yang semakin sering digunakan pada beberapa

aplikasi. Besi cor kelabu digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi karena

rasio kekuatan atau biaya yang baik. Material ini banyak digunakan diantaranya

sebagai: dudukan atau landasan mesin, blok mesin, pipa, poros hubungan, dan

lain-lain (Vlack, 1991:523). Besi cor kelabu memiliki kelebihan yaitu:

mempunyai kemampuan meredam getaran (Damping Capacity) yang tinggi,

mempunyai kekuatan tekan (Compressive Strength) yang tinggi, dan dalam

keadaan cair mereka memiliki fluiditas tinggi pada suhu casting sehingga mudah

dituang menjadi bentuk yang rumit, dan salah satu yang paling murah dari semua

bahan logam (Calister, 2007: 368). Namun diantara keuanggulan besi cor juga

memiliki kelemahan yaitu tidak memiliki kekuatan mekanis yang baik,

diantaranya: kekuatan tarik yang rendah, keuletan yang rendah (Nil Ductility)

sehingga mudah getas, kekerasan yang rendah, dan ketangguhan yang rendah

(Smallman, 2000:333). Besi cor kelabu juga memiliki ketahanan terhadap korosi

yang lebih baik dibandingkan baja biasa, namun sifat ini masih dapat ditingkatkan

untuk pengaplikasian yang efektif. Untuk mengatasi persoalan di atas maka

dilakukan penambahan komposisi paduan untuk peningkatan kemampuan

mekanis besi cor kelabu yang persentasenya perlu dihitung. Oleh karena itu,

dilakukan eksperimen dimana besi cor kelabu dipadukan dengan material lain

untuk dapat meningkatkan sifat mekanisnya sehingga aplikasinya semakin luas.

Kelelahan adalah penting karena merupakan penyebab terbesar kegagalan

logam, diperkirakan mencakup sekitar 90% dari semua kegagalan logam (Calister,

2007:228). Hal tersebut dikarena material harus mampu menahan beban dinamis


2

yang terjadi sebelum akhirnya patah akibat kegagalan lelah. Suatu material yang

mengalami kegagalan lelah biasanya diawali dengan robeknya permukaan benda

tersebut. Robekan ini lama-kelamaan membentuk retakan sehingga menyebabkan

material rusak (patah). Sedangkan korosi lelah didefinisikan sebagai proses

dimana kegagalan material yang terjadi sebelum waktunya akibat kelelahan dalam

kondisi korosi dan pembebanan siklus berulang yang terjadi secara simultan pada

tingkat tegangan rendah. Kegagalan ini memperpendek umur kerja dari suatu

material dan memperburuk pada sifat mekanis material yang lain.

Memadukan besi cor kelabu dengan silisium (Si) dapat mengubah bentuk

grafit dan memperpanjang umur penggunaan besi cor kelabu pada pengaruh

lingkungan korosi. Persentase penambahan silisium perlu dianalisis untuk melihat

pengaruhnya terhadap sifat mekanis besi cor kelabu terutama pada kegagalan

lelah. Karena pengujian ini merupakan pengerjaan pertama yang penting

dilakukan untuk melihat hampir semua komponen struktural dunia otomotif dan

menetapkan kualifikasi kualitas produk produksi. Pengujian lain seperti pengujian

tarik dan kekerasan sangat berkaitan erat untuk mendukung analisis pengujian

lelah. Selain itu pada perancangan produksi, pengujian-pengujian lain tersebut

juga dilakukan agar faktor keamanan dapat ditentukan sesuai kebutuhan.

Presentase komposisi yang digunakan dapat dipertimbangkan sehingga sesuai

dengan kebutuhan pemakaian dan biaya produksi. Oleh karena itu, berdasarkan

latar belakang di atas maka penelitian yang dilakukan oleh penulis berjudul

“Pengaruh Paduan 2,9% dan 3,8% Silisium terhadap Sifat Mekanis Besi Cor

Kelabu”.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dalam penelitian ini disusun

rumusan masalah antar lain:

1. Bagaimana pengaruh paduan 2,9% dan 3,8% Si terhadap struktur

mikro besi cor kelabu?

2. Bagaimana pengaruh paduan 2,9% dan 3,8% Si terhadap struktur

makro patahan, kekuatan lelah, kekerasan, dan kekuatan tarik besi cor

kelabu?


3

1.3 Tujuan

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui hubungan sifat besi cor kelabu dengan komposisi 2,9%

dan 3,8% Si terhadap perubahan struktur mikro.

2. Menganalisis pengaruh paduan 2,9% dan 3,8% Si terhadap struktur

makro patahan, kekuatan lelah, kekerasan, dan kekuatan tarik besi cor

kelabu.

1.4 Batasan Masalah

Batasan-batasan yang digunakan pada penelitian ini antara lain sebagai

berikut:

1. Pengecoran dilakukan dengan menggunakan cetakan yang terbuat dari

pasir alam.

2. Spesimen uji tarik dan uji lelah tidak di-annealing dan polishing.

3. Metode penambahan Si yang digunakan adalah open ladle.

4. Pengujian sifat mekanis yang dilakukan adalah pengujian lengkung

lelah, pengujian kekerasan, dan pengujian tarik disertai pengamatan

stuktur mikro.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

1. Dapat menambah kasanah ilmu pengetahuan tentang pegaruh

penambahan 2,9% dan 3,8% Si pada material besi cor kelabu.

2. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi bahan untuk

diaplikasikan pada pembuatan komponen alat berat dibidang pertanian

oleh pengusaha.

3. Hasil dari penelitian ini dapat dikembangkan dan diuji apakah dapat

dikembangkan untuk pemenuhan kebutuhan industri dan lainnya.


4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Besi Cor

Menurut M.Martienssen dan H.Warliomont (2005:268) besi cor

merupakan bagian dari paduan multikomponen besi – karbon – silisium yang

memadat sesuai sistem eutektik Fe-C. Baja dan besi tuang diwakili oleh sistem

biner besi-karbon. Besi murni komersial mengandung karbon hingga 0,008% C,

baja hingga 2,11% C, dan besi cor hingga 6,67% C, meskipun sebagian besar besi

cor mengandung kurang dari 4,5% C (Kalpakjian, 2013:107). Kandungan Si

dalam besi cor antara 1% - 3%. Kandungan C dan Si yang relatif tinggi

mempengaruhi pemadatan, baik sesuai dengan kesetimbangan metastabil yang

melibatkan Fe3C atau sesuai dengan kesetimbangan stabil yang melibatkan grafit,

tergantung pada elemen paduan lanjut, perlakuan leleh, dan laju pendinginan.

Paduan eutektik dari besi dan karbon memiliki suhu cair ± 1147 , dapat dilihat

dari diagram fasa Fe-Fe3C pada Gambar 2.1. Pada titik ini menguntungkan proses

produksi karena besi cor menjadi mudah dicairkan, pemakaian bahan bakar lebih

irit, dan dapur peleburan lebih sederhana (Vlack, 1991:519). Dalam sistem besi

karbon, karbon dalam bentuk grafit secara termodinamika lebih stabil

dibandingkan sementit. Namun, besi cor lebih kompleks dari paduan dari paduan

eutektik sederhana.

Gambar 2. 1 Diagram Fasa Fe-Fe3C (Calister, 2007:290)


5

Sebagian dari diagram fase besi-karbon disajikan pada Gambar 2.1. besi

murni, setelah pemanasan, mengalami dua perubahan dalam struktur kristal

sebelum meleleh (Calistter, 2007:290). Pada suhu kamar bentuk stabil, yang

disebut ferit, atau besi alfa, memiliki struktur kristal Body Centered Cubic (BCC).

Ferit mengalami transformasi polimorfik menjadi austenit FCC, atau besi , pada

912○C. Austenit ini bertahan hingga 1394

○C, di mana suhu austenit FCC kembali

ke fase BCC yang dikenal sebagai ferrite, yang akhirnya meleleh pada 1538○C.

Semua perubahan ini terlihat di sepanjang sumbu vertikal kiri diagram fase.

Menurut Calister (2007:291), karbon merupakan pengotor interstisial

dalam besi dan membentuk larutan padat dengan masing-masing fase dan fase

ferit, dan juga dengan austenit, seperti yang ditunjukkan oleh fase fase , dan

bidang fase tunggal pada Gambar 2.1. Larutan padat interstisial terbentuk

karena atom karbon memiliki ukuran yang lebih kecil (kurang dari 59%) dari

ukuran atom pelarut. Atom karbon akan menyisip pada struktur kristal besi hingga

batas tertentu, sesuai Gambar 2.1. Pada setiap fasa dalam sistem besi – karbon

memiliki sifat dan bentuknya masing-masing yang dijelaskan sebagai berikut:

o Ferit ( ) merupakan modifikasi struktur besi murni pada suhu ruang.

Dalam BCC ferrite, hanya sedikit konsentrasi karbon yang dapat larut;

kelarutan maksimum adalah 0,022% berat pada 727○C (Kalpakjian,

2013:107). Kelarutan terbatas dijelaskan oleh bentuk dan ukuran posisi

interstitial BCC, yang membuatnya sulit untuk mengakomodasi atom

karbon. Meskipun hadir dalam konsentrasi yang relatif rendah, karbon

secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik ferit. Fasa besi-karbon ini

relatif lunak dan ulet serta dapat dibuat ferromagnetik pada suhu di bawah

768○C, dan memiliki kerapatan 7,88 g/cm

3, dalam keadaan murni kekuatan

tariknya kurang dari 310 MPa (Vlack, 1991:377).

o Austenit ( ) merupakan modifikasi besi menjadi stuktur kubik pusat sisi

atau Face Centered Cubic (FCC). Austenit tidak bersifat feromagnetik

pada suhu manapun. Austenis mudah dibentuk pada suhu stabilnya yaitu

antara 912○C hingga 1396

○C (ibid.). Kelarutan maksimum karbon dalam

austenit, 2,14% berat, terjadi pada 1147○C. Kelarutan ini adalah sekitar

100 kali lebih besar dari maksimum untuk BCC ferit, karena posisi


6

interstitial FCC lebih besar. Struktur pada fasa murni hanya mampu

menampung atom karbon sebanyak ±6% pada suhu 912○C, pada fasa Fe3C

mampu menampung hingga ±9% atom karbon.

o Besi ( ) bukan merupakan kelanjutan bentuk besi yang paling stabil

karena matrik atau fasa berubah kembali berbentuk BCC pada suhu diatas

1394○C (Vlack, 1991:378). Campuran khusus terdiri dari dua fasa dan

terbentuk sewaktu austenit dengan komposisi eutektoid bertransformasi

menjadi ferit dan karbida besi (sementit) disebut sebagai perlit.

o Karbida (sementit) sendiri merupakan fasa disaat komposisi karbon

melebihi batas daya larut besi (0,77 wt%) dalam bentuk Fe3C (Calister,

2007:292). Fe3C bersifat jauh lebih keras dibandingkan austenit dan ferit,

tetapi karbida tidak dapat menyesuaikan diri dengan adanya konsetrasi

tegangan sehingga kurang kuat (Vlack, 1991:379). Kekuatan beberapa

baja sangat ditingkatkan oleh kehadiran sementit. Sementit adalah

metastabil; artinya, ia akan tetap sebagai senyawa tanpa batas pada suhu

kamar. Namun, jika dipanaskan hingga antara 650○C dan 700

○C selama

beberapa tahun, secara bertahap akan berubah atau berubah menjadi besi

alfa dan karbon, dalam bentuk grafit, yang akan tetap pada pendinginan

berikutnya ke suhu kamar.

Gambar unit sel dari fase-fase diatas tersaji pada Gambar 2.2.

Gambar 2. 2 Unit sel fase-fase (a) austenit, (b) ferit, (c) martensit, dan (d) efek

penambahan persentase berat karbon terhadap dimensi kubus martensit

(Kalpakjian, 2013:108)


7

Besi cor memiliki sifat fisis atau mekanis yang berbeda-beda, dipengaruhi

oleh struktur metalografi unsur paduannya seperti karbon, silisium, mangan,

fosfor, dan belerang. Paduan di atas menghasilkan reaksi grafitisasi, yaitu grafit

yang terbentuk dalam besi cor karena karbida besi (Fe3C) tidak sepenuhnya stabil

(Vlack, 1991:520). Silisium dan suhu tinggi mempengaruhi kestabilannya,

sehingga menghasilkan bentuk grafit yang berbeda-beda dalam besi cor. Bentuk

grafit ini sangat memengaruhi kekuatan, kekerasan, kemampuan mesin

(machinability), ketahanan aus dan lain sebagainya yang telah dilebur kembali

dalam dapur upola atau dapur jenis lainnya. Bentuk grafit sendiri selain

ditimbulkan oleh paduannya juga ditimbulkan oleh laju pendinginan material,

tebal coran, perlakuan panas, perlakuan saat cairan.

Pengklasifikasian besi cor berdasarkan struktur mikro dan perlakuan panas

seperti yang tersaji pada Gambar 2.3 dibedakan dalam empat golongan besar,

yaitu:

Gambar 2. 3 Struktur mikro skematik yang dihasilkan dari berbagai perlakuan

panas dari diagram fase karbon-karbon, rentang komposisi untuk besi cor

komersial (Calister, 2007:370).


8

2.1.1 Besi Cor Kelabu

Untuk sebagian besar besi tuang ini, grafit ada dalam bentuk serpihan

(mirip dengan serpih jagung), yang biasanya dikelilingi oleh matriks -ferit atau

perlit (Calister, 2007:367); biasa disebut sebagai struktur mikro lamellar,

Gambar 2.5.a. Komposisi besi cor kelabu umumnya memiliki 3,0–3,5%C,

1–2,75%Si, 0,4–1,0%Mn, 0,15–1,0%P, 0,02–0,15%S, dan sisnya Fe. Perpatahan

besi cor berwarna keabu-abuan sehingga jenis besi cor ini disebut besi cor

kelabu (Amstead, 1993: 56). Sebagian besar permukaan perpatahan melintasi

grafit sehingga permukaanya berwarna keabu-abuan. Grafit lamellar terbentuk

dalam logam sewaktu membeku.

Secara mekanis, besi cor kelabu relatif lemah dan tegangan sebagai

konsekuensi dari mikrostrukturnya; ujung serpihan grafit tajam dan runcing, dan

dapat menjadi titik konsentrasi tegangan saat tegangan tarik eksternal diterapkan

(Calister, 2007:367). Bentuk grafit lamellar tampak seperti garis-garis hitam.

Pada deformasi plastis, bentuk grafit ini mendorong awal terbentuknya retakan

interal. Semakin halus dan merata serpih grafit maka kekuatan logam semakin

tinggi. Selain itu, dengan adanya serpih-serpih ini, besi cor kelabu merupakan

peredam getaran yang sangat baik. Istilah tekniknya kapasitas peredamannya

tinggi. Besi cor kelabu didominasi oleh unsur paduan C dan Si. Menurut

Smallman (2000: 333) keuletan dapat ditingkatkan dengan menambahkan sedikit

elemen pembentuk karbida (Cr,Mo) yang memperkecil ukuran serpih grafit dan

memperhalus perlit.

Gambar 2. 4 Penyebaran grafit serpih (Surdia, T. dan Saito. S, T. 2005: 115)

Gambar 2.4 menunjukkan penyebaran (distribusi) serpih grafit pada besi

cor menurut klasifikasi American Casting Association. A menunjukkan serpih

grafit yang mempunyai panjang medium terdistribusi sebarang. B merupakan

butiran grafit halus yang disebabkan sel eutektik yang dilakukan pendinginan


9

sangat cepat dan dikelilingnya dilanjutkan serpih grafit; biasanya terdapat di

permukaan coran dimana laju pendinginan lebih cepat dibandingkan bagian lain.

Grafit ini memiliki keuletan yang sangat rendah. C merupakan grafit primer

mengkristal kasar yang akan memberikan sifat-sifat mekanis yang rendah. D

merupakan seluruh grafit yang halus karena pendinginan lanjut. Grafit ini

dinamakan grafit eutektik atau grafit panas lanjut, sehingga besi cor mempunyai

kekuatan yang tinggi tetapi kurang ulet. E merupakan grafit yang terdistribusi

diantera austenit primer yang tumbuh besar. Hal ini terjadi karena kadar karbon

tidak terpenuhi.

2.1.2 Besi Cor Putih

Menurut Amstead, dkk (1993:57), besi cor putih mempunyai karbon

berbentuk sementit (terikat sebagai karbida, Fe3C). Disebut besi cor putih karena

bidang perpatahan mengkilat berwarna putih yang dihasilkan oleh konstituen

getas. Besi cor ini dibuat dengan komposisi kimia yang tidak jauh berbeda dari

besi cor kelabu, hanya saja laju pendinginannya cepat. Dengan laju pendinginan

yang tinggi, besi cor putih cenderung menstabilkan sementit, serta keberadaan

pembentuk karbida. Karbida bersifat keras, sehingga besi cor putih yang banyak

mengandung karbida sulit di lakukan permesinan (Amstead, dkk, 993:57).

Daerah yang berwarna putih pada stukur mikro sementit dan daerah yang

berwarna gelap adalah perlit, tersaji pada Gambar 2.5.b.

Untuk besi cor silisium rendah (mengandung kurang dari 1,0% berat Si)

dan laju pendinginan cepat, sebagian besar karbon ada sebagai sementit bukan

grafit (Calister, 2007:371). Bagian tebal mungkin hanya memiliki lapisan

permukaan besi putih yang "dingin" selama proses pengecoran; bentuk besi abu-

abu di daerah interior, yang sejuk lebih lambat. Penambahan elemen

pembentukan-grafit (Si dan Ni) menghasilkan besi cor kelabu, dan apabila Si

lebih besar dari 3% maka meski diterapkan pendinginan cepat tetap terbentuk

besi cor kelabu. Menurut Smallman (2000:333), elemen pembentuk grafit

tersebut, khususnya Si, mengubah komposisi eutetektik yang diterapkan dengan

menggunakan karbon-ekivalen atau derajat eutectic (Sc) besi cor, yaitu total %C

+ (%Si + % P)/3. Umumnya besi cor putih dimanfaatkan sebagai bahan baku


10

besi cor mampu tempa, dan sementit dalam coran diuraikan melalui anil

(Calister, 2007:371).

2.1.3 Besi Cor Mampu Tempa

Besi cor mampu tempa dibuat dari besi cor putih dengan komposisi kimia

1.75–2,3%C, 0,85–1,2%Si, 0,4>%Mn, 0,2>%P, 0,12>%S, dan sisnya Fe

(Amstead, 1993: 57). Proses pembuatannya dikenal dengan nama duplexs, yaitu

menggunakan dua dapur berdampingan selama proses berlangsung. Besi cor

kemudian disimpan dalam pot dan diletakan dalam dapur anil dengan sirkulasi

panas dengan suhu 815 sampai 1010 selama 3 sampai 4 hari (Amstead, 1993:

58). Selama proses ini karbida besi berubah menjadi nodul grafit temper atau

“gumpalan” dalam matriks besi murni (Gambar 2.5.c). Grafit ini tidak memiliki

tepi-tepi tajam seperti serpih grafit. Benda cor mampu tempa mempunyai daya

tahan terhadap kejutan dan mudah dilakukan proses pemesinan.

Besi cor mampu tempa dihasilkan dari dekomposisi selama perlakuan-

panas tetapi tidak mencukupi untuk menghasilkan serpih grafit ketika

pengecoran (Smallman, 2000:334). Besi cor mampu tempa putih dapat dibuat

dengan memanaskan coran dalam lingkungan oksida. Dalam penampang tipis,

karbon karbon mengalami oksidasi dan terbentuk ferit. Dalam penampang tepat,

ferit dibagian luar secara bertahap membentuk klaster grafit dalam matriks ferit-

perlit dekat bagian dalam. Besi cor mampu tempa hitam dibuat dengan anil besi

cor putih dalam tumpukan netral, yaitu dicampur dengan terak besi-silikat.

Selama pemanasan sementit berubah menjadi nodul grafit berbentuk rosette

dalam matriks ferit. Dalam proses ini efek retak serpih grafit yang merugikan

dapat dihilangkan dan dihasilkan besi cor dengan kombinasi sifat mampu cor

dan mampu mesin seperti besi cor kelabu. Oleh karena itu, besi mampu tempa

hitam digunakan secara meluas dalam rekayasa dan pertanian dimana diperlukan

benda dengan bentuk yang rumit serta kekuatan yang memadai.

2.1.4 Besi Cor Nodular

Besi cor nodular adalah jenis besi cor mampu tempa yang kuat dan ulet.

Besi cor ini sering digunakan untuk material pipa-pipa, rol penggiling, cetakan,

komponen mekanik, komponen-komponen untuk tungku, dan kontruksi teknik

sipil. Karbon yang terbentuk berbentuk nodul grafit yang diperoleh dengan


11

menambahkan magnesium seperti nikel – magnesium atau magnesium tembaga

– besi silisium dalam besi cor kelabu cair, tersaji pada Gambar 2.5.d. Jumlah

magnesium yang dibutuhkan tergantung pada kadar belerang yang ada. Mula-

mula kadar belerang diturunkan dengan cara mengubahnya menjadi sulfida

magnesium. Sisa magnesium yang ada dapat merubah bentuk grafit menjadi

bentuk nodular. Besi cor nodular umumnya digunakan dalam kondisi tuang (as-

cast). Waktu anil yang diperlukan jauh lebih singkat dibandingkan dengan waktu

anil besi cor mampu tempa. Karena mutu besi cor nodular jauh lebih baik, bahan

ini dapat digunakan untuk membuat poros engkol dan berbagai suku cadang

mesin lainnya. Besi cor nodular, seperti besi tuang kelabu dapat mengubah laku

panas menjadi ferit, perlit, atau martensit temper.

Sifat mekanis besi cor dapat ditingkatkan tanpa merusak sifat cor dan

pemesinan yang sudah baik yaitu dengan memproduksi grafit sferulitik

(Smallman, 2000:334). Nodul sferulitik-sferis terdiri dari sejumlah kristal grafit

yang tumbuh dalam arah radial dari satu nukleus dengan bidang tegak lurus pada

sumbu pertumbuhan radial. Cara pertumbuhan seperti ini terjadi dalam besi cor

kelabu dengan menambahkan sejumlah kecil Mg atau Ce pada logam cair yang

mengubah energi antarmuka antara grafit dan cairan didalam ladel. Grafit yang

terbentuk memberikan derajat konsetrasi tegangan yang kecil. Dengan demikian

coran berpenampang tebal dan sulit dimaleabilisasi dapat diperoleh kekuatan,

ketangguhan, dan keuletan yang baik, sehingga dapat menggantikan produk baja

cor dan produk baja tempa untuk aplikasi tertentu.


12

(a)

(c)

(b)

(d)

Gambar 2. 5 (a) Struktur mikro besi cor kelabu, sedikit ferit dan matriks perlit

dengan perbesaran 400×. (b) struktur mikro besi cor putih, tampak sementit dan

perlit dengan perbesaran 400×. (c) Struktur mikro besi cor mampu tempa, dietsa

5% nital, tampak matriks ferit dengan perbesaran 125×. (d) Struktur mikro besi

cor nodular dengan perbesaran 250×. (Smallman, 2000:334 dan Amstead,

1993:58)

Banyaknya kandungan C menentukan klasifikasi dasar besi cor. Menurut

warna dari perpatahan permukaannya, besi cor yang memiliki banyak Fe3C

disebut besi cor putih, yang memiliki banyak grafit disebut besi cor kelabu.

Ditambah lagi, bentuk partikel fasa grafit dan struktur mikro dari fasa matriks

metalik diperhitungkan karena kedua hal tersebut turut mengkarakterisasi sifat

mekanik besi cor. Rincian struktur mikro dari fasa matriks metalik tersaji pada

Tabel 2.1.


13

Tabel 2. 1 Struktur mikro dari fasa matriks metalik besi cor (Martienssen.M,

2005:268)

Numb. Commercial

designation

Carbon-rich

phase Matrix

a Fracture

Final structure

after

1 Gray iron Lamellar

graphite P Gray Solidification

2 Ductile iron Spheroidal

graphite F, P, A

Silver-

gray

Solidification or

heat treatment

3 Compacted

graphite iron

Compacted

(vermicular)

graphite

F, P Gray Solidification

4 White iron Fe3C P, M White Solidification or

heat treatmentb

5 Mortled iron Lamellar Gr

+ Fe3C P Mottled Solidification

6 Malleable iron Temper

graphite F, P

Silver-

gray Heat treatment

7 Austempered

ductile iron

Spheroidal

graphite At

Silver-

gray Heat treatment

Keterangan:

a F, ferit; P, Perlit; A, austenit; M, martensit; At, Austempered (bainit).

b Besi cor putih tidak biasa dilakukan perlakuan panas, kecuali untuk mengurangi

tegangan internal dan untuk melanjutkan transformasi ke matrix austenit.

2.1.5 Pengaruh unsur kimia dalam besi cor:

2.1.5.1 Karbon: Besi cor yang mengandung >2% karbon termasuk

kelompok besi cor, besi cor kelabu mengandung 3-4% karbon. Kadar

karbon tergantung pada jenis besi kasar, besi bekas dan karbon yang

diserap dari kokas selama proses peleburan. Sifat fisis logam, selain

tergantung pada jumlah kadar karbon, tergantung pula pada bentuk karbon

tersebut. Mofologi grafit tergantug pada laju pendinginan dan kadar

silisium. Kadar silisium yang tinggi memperbesar kemungkinan

pembentukan grafit. Grafit meningkatkan kemampuan pemesinan.

Kekerasan dan kekuatan besi meningkat dengan bertambahnya kadar

karbon. Sifat besi cor dapat diubah melalui perlakuan panas (Amstead,

1993:59).

2.1.5.2 Silisium: Silisium dibawah kadar 3,25% bersifat menurunkan

kekerasan dan kekuatan tarik besi cor (ibid.). Kadar silisium menentukan


14

berapa bagian dari karbon yang terikat dengan besi dan berapa bagian

yang masih berbentuk grafit (atau kabon bebas) setelah tercapai keadaan

seimbang. Hal ini berarti kelebihan silisium (kadar di atas 3,25%)

membentuk ikatan yang membuat besi cor semakin keras. Untuk benda

coran yang kecil dianjurkan untuk menggunakan kadar silisium yang

tinggi tetapi sebaliknya untuk benda coran yang besar, kadar yang

dianjurkan lebih rendah.

Besi tuang kelabu berkadar silisium rendah mudah untuk perlakuan

panas. Saat silisium menjadi paduan material lain dianjurkan

menggunakan kadar silisium yang tinggi untuk benda coran kecil, karena

silisium yang menghilang selama proses peleburan berjumlah ≈10%

(ibid.). Silisium mengakibatkan dekomposisi karbida menjadi besi dan

grafit serta meningkatkan jumlah ferrit. Untuk memperoleh paduan yang

tahan asam dan tahan korosi, kadar silisium yang dianjurkan pada besi cor

antara 14% sampai 17% Si dan kadar silisium yang dianjurkan pada besi

cor kelabu antara 4% sampai 7% Si (M. Martienssen, 2005:271). Kadar

silisium yang tinggi ( ±2% Si) membentuk grafit dengan mudah sehingga

Fe3C tidak terbentuk. Dapat dilihat pada reaksi berikut:

Fe3C Si

3 Fe + C(gr)

Sejak C dan Si merupakan unsur yang dominasi pemadatan dan struktur

mikro besi cor, unsur tersebut perlu dihitung kesetimbangannya.

Penambahan unsur Si (Silisium) dihasilkan Sementid yang terurai menjadi

Fe (ferit atau perlit) dan C (grafit).

2.1.5.3 Mangan: Dalam jumlah rendah tidak memiliki pengaruhnya yang

signifikan, tetapi dalam jumlah di atas 0,5% mangan bereaksi dengan

belerang membentuk sulfida mangan. Ikantan ini rendah bobot jenisnya

dan dapat larut dalam terak. Mangan merupakan unsur deoksidasi,

pemurni sekaligus meningkatkan fluiditis, kekuatan dan kekerasan besi.

Bila kadar ditingkatkan,kemungkinan terbentuknya ikatan kompleks

dengan karbon meningkat dan kekerasan besi cor akan naik. Mangan yang

hilang selama proses peleburan berkisar antara 10 sampai 20% (Amstead,

1993: 59).


15

2.1.5.4 Belerang: Sangat merugikan, oleh karena itu selama proses

peleburan selalu diusahakan untuk mengikat belerang tersebut, antara lain

dengan menambahkan feromangan. Belerang yang menyebabkan

terjadinya lubang-lubang (blow holes) membentuk ikatan dengan karbon

dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan tuang besi

cor. Setiap kali kita melebur besi cor kadar belerang meningkat sebesar

0,03%, belerang ini berasal dari bahan bakar (ibid.).

2.1.5.5 Fosfor: Fosfor dapat meningkatkan fluiditas logam cair dan

menurunkan titik cair. Fosfor yang biasa digunakan hanya sampai 1%

dalam benda cor kecil dan benda cor yang mempunyai bagian-bagian yang

tipis. Sedangkan, benda cor besar jauh lebih sedikit memerlukan fluiditas

tambahan sehingga tidak memerlukan kadar fosfor yang tinggi. Sewaktu

peleburan umumnya terjadi peningkatan kadar fosfor sampai 0,02%. Unsur

fosfor sulit beroksidasi, kecuali bila dipenuhi beberapa persyaratan

tertentu. Fosfor juga membentuk ikatan yang dikenal dengan naman

steadit, yaitu campuran antara besi dan fosfida. Ikatan ini keras, rapuh, dan

mempunyai titik cair yang lebih rendah. Steadit mengandung fosfor

sebanyak 10%. Dengan demikian besi dengan 0,5% fosfor mengandung

sekitar 5% steadit (ibid).

2.2 Pengaruh Perlakuan Panas terhadap Struktur Mikro

Perlakuan panas adalah pemanasan dan pendinginan terkontrol yang

menjadi dasar modifikasi struktur mikro. Efek dari perlakuan panas

mempengaruhi sifat mekanik logam bergantung pada paduan, komposisi dan

struktur mikro, tingkat kerja dingin sebelumnya, dan tingkat pemanasan dan

pendinginan selama perlakuan panas. Secara luas, sistem besi – karbon dapat

divariasikan dengan adanya energi kinetik yang mendorong perubahan struktur

mikro dan sifat matarial selama perlakuan panas.

2.2.1 Perlit ( + Fe3C)

Setelah pendinginan, austenit yang memiliki komposisi karbon terlarut

antara fase ferit (0,022% berat C) dan sementit (6,7% berat C) melakuakan

redistribusi karbon dengan difusi sehingga terbentuk lapisan dan Fe3C yang


16

bergantian dalam bentuk perlit (Calister, 2007:294). Secara skematik struktur

perlit digambarkan pada Gambar 2.6. Austenit untuk transformasi perlit hanya

terjadi jika paduan didingin kan hingga di bawah eutektoid dengan waktu yang

diperlukan.

Ketebalan lapisan masing-masing fasa ferit dan sementit pada stuktur

mikro juga mempengaruhi sifat mekanik material. Kombinasi grafit yang tebal

dan memiliki jarak antar grafit, itu disebut sebagai perlit kasar, tersaji pada

Gambar 2.7.a. Namun jika kombinasi grafit tipis dan rapat, disebut struktur

mikro perlit halus, tersaji pada Gambar 2.7.b. Perbedaan antara keduanya

tergantung pada laju pendinginan melalui suhu eutektoid, yang merupakan

tempat reaksi di mana austenit berubah menjadi perlit. Jika laju pendinginan

relatif tinggi (seperti di udara), perlit halus diproduksi; jika pendinginan lambat

(seperti dalam tungku), perlit kasar dihasilkan (Kalpakjian, 2013:112).

Tingkat penguatan secara substansial lebih tinggi pada perlit halus karena

area batas fasa yang lebih besar per satuan volume material. Batas fasa berfungsi

sebagai penghalang untuk gerakan dislokasi dalam banyak cara yang sama

seperti batas butir. Perlit halus memiliki lebih banyak batas yang harus dilewati

dislokasi selama deformasi plastis. Ditambah lagi, fasa sementit yang kuat dan

kaku sangat membatasi deformasi fasa ferit lunak di daerah yang berdekatan

dengan batas butir. Dengan demikian, penguatan dan pembatasan gerak dislokasi

yang lebih besar pada perlit halus menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang

lebih besar dibandingkan perlit kasar (Calister, 2007).

Gambar 2. 6 Skema pembentukan lamellar perlit yang dimulainya pengintaian

batas butir (Sumber: https://books.google.co.id/books?isbn=9792955860).


https://books.google.co.id/books?isbn=9792955860

17

Gambar 2. 7 Struktur mikro perlit (a) kasar, (b) halus (Calister, 2007: 328).

2.2.2 Spheroidit

Ketika perlit dipanaskan sampai tepat di bawah suhu eutektoid dan

kemudian ditahan pada suhu tersebut untuk jangka waktu 18-24 jam (Calister,

2007:329) atau disebut sebagai aniling subkritis, maka lamellar sementit berubah

menjadi bentuk bulat tidak sempurna, lihat Gambar 2.8. Berbeda dengan bentuk

pipih dari sementit, yang bertindak sebagai penguat tegangan, spheroidit

(partikel bola) kurang mengalami konsentrasi tegangan dibandingkan dengan

perlit karena bentuknya yang bulat. Akibatnya, struktur ini memiliki

ketangguhan yang lebih tinggi dan kekerasan yang lebih rendah daripada

struktur perlit. Dalam bentuk ini, mataerial dapat dilakukan pengerjaan dingin,

karena ferit ulet memiliki ketangguhan tinggi dan partikel karbida karbida

mencegah inisiasi retak di dalam material (Kalpakjian, 2013:112)


18

Gambar 2. 8 Photomicrograph dari baja yang memiliki struktur mikro spheroidit

dengan perbesaran 1000×. Partikel kecil adalah sementit;

fase kontinu adalah ferit (Calister, 2007: 330)

2.2.3 Bainit

Bainit memiliki struktur yang lebih halus (lebih kecil dari α-ferit dan Fe3C

partikel) yang pada umumnya lebih kuat dan lebih keras dari perlit, namun

memiliki kombinasi kekuatan dan keuletan yang diinginkan. Stuktur ini melalui

proses hampir sama reaksi perlit dan martensit, hanya saja lebih melibatkan

pencampuran yang fasa ferit and sementit. Bainit terbentuk sebagai jarum atau

pelat tergantung pada transformasi isothermal dan transformasi laju pendinginan.

Transformasi ini terjadi pada temperatur antara transformasi perlit dan

transformasi martensit. Transformasi bainit mencangkup perubahan struktur

diikuti dengan distribusi ulang karbon yang berpresipitasi sebagai karbid. Hal ini

tidak seperti transformasi perlit yang mencangkup distribusi ulang karbon diikuti

dengan perubahan struktur dan transformasi martensit menjangkup perubahan

struktur saja. Struktur mikro dari bainit begitu halus sehingga pengamatanya

menggunakan mikroskop elektron, tersaji pada Gambar 2.9. Lebih lanjut, tidak

ada bentuk fasa proeutectoid dengan bainit (Calister, 2007:342).


19

Gambar 2. 9 Mikrograf elektron transmisi menunjukkan struktur bainit. Butir

bainit berpindah dari kiri bawah ke sudut kanan atas, yang terdiri dari partikel

Fe3C yang memanjang dan berbentuk jarum dalam matriks ferit. Fase yang

mengelilingi bainit adalah martensit (Calister, 2007:329).

2.2.4 Martensit

Menurut Kalpakjian (2013), martensit adalah stuktur mikro yang paling

kuat dan keras, namun paling rapuh sehingga keuletannya diabaikan. Ketika

austenit didinginkan pada kecepatan tinggi, seperti dengan quenching dalam air,

struktur FCC berubah menjadi struktur BCT (Body-Centered Tetragonal).

Martensit berbentuk seperti jarum yang terbentuk dari paduan besi-karbon

austenit yang dengan cepat didinginkan ke suhu yang relatif rendah, tersaji pada

Gambar 2.10. Kekerasannya bergantung pada kadar karbon, hingga 0,6 wt%.

Kekuatan dan kekerasan martensit tidak dianggap terkait dengan mikrostruktur

karena mikrostuktur yang dihasilkan tidak homogen. Transformasi martensit

terjadi hampir seketika karena melibatkan, bukan proses difusi, tetapi

mekanisme slip (dan deformasi plastik), yang merupakan fenomena tergantung

waktu yang menghambat gerakan dislokasi, dan ke sistem slip yang relatif

sedikit untuk struktur.


20

Gambar 2. 10 Photomicrograph mikrostruktur martensit (Calister,2007:332). Butir

yang berbentuk jarum adalah fase martensit, dan daerah putih adalah austenit yang

gagal berubah selama pendinginan cepat. Perbesaran 1220×.

Materi mengalami perubahan volume karena perbedaan kepadatan yang

dihasilkan dari transformasi fasa. Ketika austenit berubah menjadi martensit,

volumenya meningkat (dan karenanya densitasnya menurun) sebanyak 4%.

Ekspansi dan gradien termal hadir di bagian yang di-quench, menyebabkan

tekanan internal di dalam tubuh. Mereka dapat menyebabkan bagian-bagian

tertentu mengalami distorsi (perubahan dimensi yang tidak dapat diubah pada

bagian selama perlakuan panas) atau bahkan retak selama perlakuan panas

(Kalpakjian, 2007:112).

Mempertahankan Austenite. Jika suhu di mana paduan di-quenching tidak

cukup rendah, hanya sebagian dari struktur diubah menjadi martensit. Sisanya

dipertahankan austenit, yang terlihat sebagai daerah putih dalam struktur,

bersama dengan martensit yang gelap dan membutuhkan. Austenit yang ditahan

dapat menyebabkan ketidakstabilan dan retakan dimensi, dan menurunkan

kekerasan dan kekuatan paduan (ibid, 113).

Martensit Tempered. Martensit ditempa untuk meningkatkan sifat

mekaniknya. Tempering adalah proses pemanasan dimana kekerasan berkurang

dan ketangguhan ditingkatkan. Martensit tetragonal berpusat pada tubuh

dipanaskan sampai suhu menengah, biasanya 150°C – 650°C, di mana ia terurai


21

menjadi mikrostruktur dua fase yang terdiri dari kubik -ferit BCC dan partikel

kecil sementit. Fase sementit bersifat keras telah terdispersi merata pada fase

ferit yang akan memperkuat ferit di sepanjang batas, dan batas ini juga bertindak

sebagai hambatan untuk gerakan dislokasi selama deformasi plastis. Namun

dengan meningkatnya waktu tempering dan suhu, kekerasan martensit menurun.

Hal ini disebabkan partikel sementit menyatu dan tumbuh, serta jarak antara

partikel dalam matriks ferit ini meningkat seiring semakin kurang stabil dan

partikel karbida yang lebih kecil larut (Kalpakjian, 2007:113).

2.3 Inokulasi

Inokulasi merupakan metode penambahan berbagai bahan nukleasi asing

yang efektif untuk membentuk pusat nukleasi heterogen dalam lelehan, mencagah

pelewatan-dingin (under cooling), dan menghasilkan struktur berbutir halus dan

merata. Kekuatan besi cor sangat dipengaruhi oleh jumlah, bentuk, dan distibusi

grafit (Surdia, T. dan Saito. S, T. 2005: 116). Under cooling menyebabkan mudah

terbentuknya besi cor putih selama masa pemadatan (ibid, 119). Penghalusan

struktur butiran berarti menyebarkan elemen-elemen pengotor pada permukaan

batas butir yang lebih luas dan umumnya sifat mekanik serta mampu cor

meningkat. Namun kebutuhan untuk penghalusan batas butir pada operasi

pengecoran tidak begitu penting apabila struktur pengecoran mengalami

perlakuan panas. Bahan nukleasi harus tersebar merata, harus tahan, dan harus

dapat dibasahi oleh lelehan superpanas (Smallman, 2000:50).

Pada besi cor yang memiliki kekuatan tarik tinggi, dengan kekuatan tarik

diatas 30 kgf/mm2, harga derajat eutektik harus kecil. Namun derajat eutektik

yang kecil menimbulkan fluiditas yang buruk sehingga mudah terbentuk rongga-

rongga, tegangan sisa, dan cacat-cacat lainnya. Oleh karena itu, inokulasi dengan

menambahkan kalsium silisium atau besi silisium sesaat sebelum penuangan

cairan logam menghasilkan grafit yang halus terdistribusi merata pada matriks

perlit.


22

2.4 Silisium (Si)

Menurut Larbi, 2010 silisium merupakan suatu unsur yang banyak terdapat

di alam (sekitar 28% massa) setelah oksigen, namun tidak terjadi secara bebas di

alam melainkan berikatan dengan oksigen terutama untuk membentuk oksida

silika dan silika. Pembentukan Si secara komersial dilakukan dengan reduksi SiO2

dengan karbon atau CaC2 dalam tungku pemanas listrik untuk memperoleh

kemurnian yang sangat tinggi. Tungku peleburan biasanya terdiri dari silika dalam

bentuk kuarsa kental atau batu kuarsit, kokas atau batu bara, dan serpihan kayu.

Kokas bertindak sebagai agen pereduksi dan serpihan kayu berfungsi untuk

meningkatkan porositas muatan. Kehadiran Si sangat efektif menunda presipitasi

karbida pada sistem besi – karbon.

Silisium merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol Si dan nomor

atom 14 pada tabel periodik. Silisium termasuk dalam bahan semikonduktor yang

dicirikan dengan lebar celah energi 1.7 eV untuk silisium amorf dan 1.12 eV

untuk silisium Kristal (Pearce, 2007). Celah energi adalah jumlah energi

minimum yang diperlukan elektron untuk dapat membebaskan diri dari keadaan

terikat. Pengaruh temperatur terhadap celah energi saat bahan mengalami variasi

temperatur mengakibatkan perbedaan karakteristik arus tegangan pada bahan

semikonduktor (Jorena, 2008). Sifat-sifat fisika-kimia dan mekanik yang

diinginkan dari silisium diantaranya reaktivitas tinggi untul sel surya, sifat

pengikatan yang sangat baik, kemurnian yang relatif tinggi, kekuatan mekanis

yang sangat baik membuat bahan ini berguna dalam berbagai teknologi, dan sifat-

sifat lainya tersaji pada Tabel 2.2

Tabel 2. 2 Sifat termal dan mekanis Silisium (Larbi, 2010:9)

Sifat Nilai

Berat atom (g / mol) 28,085

Kepadatan atom (atom / cm3) 5,22 x 1022

Titik lebur (oC) 1410

Titik didih (oC) 2355

Kepadatan (g / cm3) 2.329

Panas fusi (kJ / g) 1,8

Panas penguapan pada titik leleh (kJ / g) 16

Persen kontraksi saat meleleh (%) 9.5


23

2.5 Proses Pengecoran (Casting Process)

Proses Pengecoran meliputi: pembuatan cetakan, persiapan dan peleburan

logam, penuangan logam cair kedalam cetakan, pembersihan coran, dan proses

daur ulang media cetak. Proses pengecoran ini adalah proses fleksibel dan

berkemampuan tinggi, sehingga merupakan proses dasar yang terpenting dalam

pengembangan industri logam dan mesin. Laju Produksi yang meningkat,

penyelesaian permukaan yang lebih baik, toleransi dimensi yang ketat, dan sifat

mekanis yang lebih baik menjadikan metode-metode dalam melakukan

pengecoran menjadi penting. Metode proses pengecoran secara garis besar

dibedakan atas proses pengecoran dan proses pencetakan. Proses pengecoran tidak

menggunakan tekanan sewaktu mengisi rongga cetakan, sedangkan proses

pencetakan logam cair ditekan agar mengisi rongga cetakan.

Ada dua cara pengecoran dengan menggunankan cetakan pasir. Pembagian

dilakukan berdasarkan jenis pola yang digunakan, yaitu pola yang dapat

digunakan berulang-ulang dan pola sekali pakai. Pada penggunaan pola cetakan

berulang-ulang, pasir dipadatkan di sekitar pola yang kemudian dikeluarkan.

Rongga yang terjadi kemudian diisi dengan rongga cair menghasilkan benda cor.

Pola sekali pakai dibuat dari polisteren atau bahan lain yang setara dan tidak

dikeluarkan. Pada waktu cetakan dituang ke dalam, maka pola tersebut menguap.

Cetakan pasir yang digunakan pada penelitian ini adalah cetakan pasir

kering (dry-sand casting). Cetakan dibuat dari pasir yang kasar dengan bahan

pengikat. Pasir ini harus dipanaskan dalam dapur sebelum digunakan, tempat

cetakan terbuat dari logam. Cetakan dari pasir kering tidak meyusut sewaktu kena

panas dan bebas dari gelembung udara. Bahan ini sering digunakan untuk

pembuatan baja.

Pasir yang digunakan harus memiliki sifat-sifat yang baik untuk

pengecoran. Pasir harus mampu melepaskan gas dan uap yang terbentuk dalam

cetakan (permeabilitas). Pasir juga harus kuat menahan gaya kohesi akibat

penuangan logam cair. Pasir harus tahan terhadap suhu tinggi. Ukuran butiran

pasir harus sesuai dengan sifat permukaan yang dihasilkan. Sifat-sifat pasir ini

berubah akibat tercampur dengan kotoran atau karena pengaruh suhu sehingga

perlu diperhatikan.


24

2.5.1 Pembuatan Cetakan

Menurut Amstead (1993:83), cetakan dibuat dalam rangka cetak (flask)

yang terdiri dari dua bagian, bagian atas disebut kup dan bagian bawah disebut

drag, tersaji pada Gambar 2.11. Pak kotak cetak terdiri dari tiga bagian, bagian

tengah disebut cheek. Kedua bagian kotak cetakan disatukan pada tempat

tertentu dengan lubang dan pin.

Pada prosedur pembuatan cetakan, pertama-tama belahan pola diletakan

diatas papan kayu yang rata. Kemudian rangka cetak bawah (drag) diletakan

diatas kayu. Drag diisi penuh dengan pasir kemudian dimampatkan secara

manual atau dengan mesin, tergantung pada besar kecilnya cetakan. Bila pasir

kurang padat, cetakan mudah rusak pada waktu pengerjaannya atau surak akibat

aliran logam cair. Bila terlalu padat gas dan uap sulit menguap, hal ini dapat

menyebabkan cacat dalam benda coran. Setelah pemampatan selesai, pasir yang

berlebih diratakan, tersaji pada Gambar 2.11.A.

Cetakan bagian bawah kemudian dibalik, dengan demikian kup dapat

dipasangkan dan cetakan diselesaikan. Sebelum dibalik, pasir silika kering

ditaburkan dan diatasnya diletakan papan. Pasir ini mencegah melekatnya pasir

di kedua bagian cetakan serta memperkuat ikatan antar partikel. Kemudian kup

diletakan diatas drag dan pasak (pin) dipasang sehingga tidak terjadi pergeseran.

Pada bagian atas perlu dibuat alur turun yang merupakan aluran pengalir logam

cair untuk masuknya logam cair dan memudahkan pelepasan gas sewaktu

penuangan. Kemudian kup diisi pasir, dipadatkan dan diberi lubang atau saluran

keluarnya gas, tersaji pada Gambar 2.11.B.

Langkah terakhir sebelum pengecoran dimulai adalah mengeluarkan pola

dan pin alur turun. Pertama-tama pin saluran turun dikeluarkan, kemudian dibuat

cawan tuang pada ujung alur turun sehingga terjadi lubang yang agak besar

utntuk menuang logam cair. Kup kemudian dilepaskan dan dibalik. Sebelum

belahan pola dilepas, pasir disekitar rongga diseka dengan kain lembab untuk

menjaga agar tepi-tepi rongga cetak tidak rontok, tersaji pada Gambar 2.11.C.

Untuk mengimbangi penyusutan logam, pada kup dibuat lubang yang memuat

logam cadangan, lubang ini disebut riser atau penambah. Permukaan cetakan


25

Gambar 2. 11 Prosedur pembuatan cetakan pasir (Amstead, 1993:82).

dibasahi, diseka atau ditaburi serbuk pelapis (tepung silisium dan grafit dengan

komposisi tertentu sesuai jenis logam yang dicor).

Setelah benda cetakan membeku dan mendingin, sampai suhu penuangan

yang wajar, cetakan dibongkar. Tempat pembongkaran mempunyai sarana

ventilitas yang baik dan penangkap debu. Pasir bekas dikumpukan untuk

diteruskan ke tempat pengolahan pasir dimana pasir dikeringkan dari uap gas

untuk digunakan kembali. Coran besi dan baja tertutup lapisan pasir dan terak

sehingga lebih sulit dibersihkan dibandingkan benda coran buka besi. Sehingga

saluran masuk dan penambahan pada coran besi mudah ditanggalkan, tetapi pada

coran baja diperlukan pemotongan dengan nyala las atau mesin potong. Selain

itu benda coran juga dapat dibersihkan dengan penyemprot pasir dan mesin

tumbling (mesin putar balik).

2.5.2 Saluran Masuk, Penambahan, dan Karakteristik Pembekuan

Sistem saluran masuk (gating sistem) untuk mengalirkan logam cair ke

dalam rongga cetakan, terdiri dari cawan tuang, saluran turun, pengalir, dan

saluran masuk tempat logam mengalir memasuki rongga cetakan. Fungsi saluran

masuk perlu dirancang dengan mempertimbangkan faktor-faktor berikut:

C


26

a. Aliran logam hendaknya memasuki rongga cetakan pada bagian dasar

harus meminimalisir turbulensi. Hal ini perlu diperhatikan, khususnya

pada benda tuang yang kecil.

b. Pengikisan dinding saluran masuk dan permukaan rongga cetak harus

ditekan dengan mengatur aliran logam cair atau dengan menggunakan

pasil kering.

c. Aliran logam cair yang masuk harus diatur sedemikian sehingga terjadi

solidifikasi terarah.

d. Usahakan agar slag, kotoran atau partikel asing tidak dapat masuk ke

dalam rongga cetakan.

Penyusutan terjadi bila logam membeku dan bila solidifikasi tidak diatur

dengan baik dapat terjadi penyusutan yang cukup besar. Umumnya rongga

penyusunan terjadi didaerah dimana pembekuan logam cair paling akhir, atau

daerah yang paling tinggi suhunya. Seharusnya solidifikasi dikendalikan

dengan cara modifikasi desain cetakan sehingga rongga hanya terjadi disaluran

turun, saluran masuk atau penambahan. Mengendalikan solidifikasi dapat juga

menggunakan bahan kimia eksotermik dekat benda coran sehingga di daerah

tertentu tetap panas atau memasang cil (batang logam) sehingga panas dapat

disalurkan dengan cepat..

2.6 Pengujian Tarik

Menurut Calister (2007:133), uji tarik adalah pengujian yang dilakukan

untuk mengetahui besar beban tarik maksimal yang mampu ditahan oleh

spesimen. Beban tarik maksimal didapatkan dengan cara memberikan beban

instan (dengan sel beban) yang meningkat secara perlahan dan konstan hingga

spesimen terdeformasi dan akhirnya patah, sementara pertambahan panjang

spesimen dihitung akibat deformasi. Dari pengujian ini dijabarkan menjadi kurva

tegangan-regangan (ibid) atau kurva beban-elongasi (Smallman, 2000:214). Alat

pengujian yang digunakan tersaji pada Gambar 2.17.a. Standar pengujian yang

digunakan ASTM E8/E8M – 09.

Kurva tegangan-regangan sebagai hasil dari pengujian ini diperoleh dari

besarnya tegangan terhadap besarnya regangan yang terjadi. Tegangan sendiri


27

merupakan gaya tahan intern dari suatu material yang bekerja pada luasan

tertentu. Pada tegangan rendah, deformasi bersifat elastis, begitu juga sebaliknya

(reversible), dan mengikuti hukum Hooke, yaitu tegangan berbanding lurus

dengan regangan. Tegangan tertinggi untuk daerah hubungan proporsional antara

tegangan-regangan disebut sebagai batas proporsional (Dieter, 1990:280).

Konstanta proporsional yang mengkaitkan tegangan dan regangan disebut

modulus elastisitas. Modulus elastisitas menjadi dasar kekakuan suatu material.

Modulus elsatisitas ini dapat berupa modulus young (E), modulus geser atau

kekakuan ( ), atau modulus curah (K) bergantung pada sifat regangan yang

merupakan tarik, geser, atau kompresi hidrostatik. Rasio Poisson ( ) merupakan

rasio kontraksi lateral terhadap regangan longitudinal untuk tegangan tarik

uniaksial. Modulus young, modulus geser, modulus curah, dan rasio poisson

memiliki hubungan sebagai berikut:

(2.5.1)

Dimana: Py = beban luluh.

= luasan permukaan mula-mula.

= regangan elastis

Dalam hal ini limit elastis tidak bisa dijadikan definisi tegangan yang jelas.

Tetapi pada besi tidak murni dan baja karbon rendah, titik awal terjadinya

deformasi plastis ditandai dengan penurunan beban secara tiba-tiba. Hal ini

menunjukkan bahwa adanya titik luluh bawah dan titik luluh atas. Prilaku luluh

merupakan karakteristik beberapa jenis logam, khususnya yang memiliki struktur

BBC dan mengandung sejumlah kecil elemen larut. Untuk material yang tidak

memiliki titik luluh yang jelas, maka berlaku definisi konvensional menganai titik

awal deformasi, yaitu: tegangan uji 0,1%. Kemudian ditarik garus sejajar dengan

bagian elestis kurva tegangan-regangan dari titik regangan 0,1%.

Dari pengujian tarik didapat banyak informasi. Informasi pertama

mengenai nilai kekuatan tarik (TS = beban maksimum/luas pernampang awal) dan

keuletan (persen reduksi penampang atau persen perpanjangan) material.

Pengecilan diameter penampang material uji terjadi di daerah panjang ukur serta

deformasi terpusat hingga terjadi patahan. Penyusutan luas penampang

memberikan informasi mengenai regangan yang terlokalisir dan menjadi indikator


28

yang lebih baik dibandingan regangan saat putus terhadap panjang ukur. Hal ini

dapat diukur dengan membandingkan luas permukaan akibat penyusutan (Ao –

A1) dengan luas permukaan awal (Ao).

Tegangan sesungguhnya ( ), sama dengan P dibagi luas benda uji A pada

tahap regangan tertentu. Regangan total sesungguhnya terjadi ketika terjadi

deformasi dari panjang awal lo hingga panjang akhir l1 adalah ∫

. Kurva tegangan-regangan sesungguhnya sama dengan hubungan

Ludwig, yaitu:

(2.5.2)

Dimana, n = koefisien pengerasan kerja (-0,1 sampai 0,5).

k = koefisien kekuatan.

PUTS = beban maksimal

A0 = luasan permukaan

Kestabilan plastis, atau penciutan, terjadi apabila peningkatan regangan

tidak menghasilkan penambahan beban pada spesimen sehingga menghasilkan

kondisi kestabilan, dirumuskan dengan:

Selama deformasi, volume dianggap konstan, sehingga dirumuskan:

diperoleh

(2.5.3)

Untuk mengukur regangan plastis yang terjadi dapat dihitung dengan

menggunakan rumus:

(2.5.4)

Dimana, = regangan total yang terjadi pada bahan akibat uji tarik.

= regangan plastis


29

Gambar 2. 12 Kurva tegangan-regangan untuk (a) besi cor tidak murni, (b)

tembaga, (c) transisi ulet-getas pada baja sedang (Smallman, 2000:215).

Spesimen uji tarik juga memberikan informasi mengenai jenis perpatahan yang

terjadi. Informasi ini diperoleh dari data percobaan uji tarik, dimana benda uji

mengalami beban aksial yang semakin besar sampai benda uji itu patah. Beban

dan perpanjangan diukur berkali-kali selama dilakukan pengujian dan dinyatakan

sebagai tegangan rata-rata serta regangan rata-rata sesuai dengan persamaan

dalam persamaan 2.4.2. dan 2.4.3.

Dasar tentang sifat mekanis logam ulet atau getas diperoleh dari percobaan

uji tarik, tergantung pada kemampuan untuk mengalami deformasi plastis atau

tidak, tersaji pada Gambar 2.12. Menurut Dieter (1993:9) keuletan yang memadai

merupakan suatu pertimbangan yang penting, karena keuletan memberikan

kesempatan kepada bahan untuk distribusi-ulang tegangan setempat. Penentuan

batas elastistitas (batas proporsional) dilihat dari garis lengkung tegangan-

regangan ketika mulai menyimpang dari kelinierannya. Kemiringan garis

lengkung tegangan-regangan di daerah ini disebut modulus elastisitas (E).

Sedangkan titik dimana batas elastis logam mulai dilampau disebut titik luluh

(yeild point).

Dari pengujian tarik juga didiperoleh kemampuan suatu bahan menyerap

energi pada daerah plastis yang disebut sebagai ketangguhan. Salah satu cara

menyatakan ketangguhan adalah meninjau luasan daerah dibawah kurva

tegangan-regangan.


30

2.7 Pengujian Lelah

Kelelahan adalah bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur yang

mengalami tegangan dinamis dan berfluktuasi, tersaji pada Gambar 2.13 (Calister,

2007:227). Fenomena ini mungkin terjadi pada tingkat tegangan jauh lebih rendah

dari kekuatan tarik atau luluh untuk beban statis. Pengujian lelah menunjukkan

batas daya tahan atau batas kelelahan bahan terhadap tegangan dengan periode

konstan yang biasanya diterapkan dengan cara tekuk, torsi, tarik, atau kompresi.

Beberapa bahan tidak memiliki batas daya tahan; dan sebaliknya, tegangan yang

diizinkan harus dilaporkan sehubungan dengan jumlah siklus pemuatan. Menurut

Smallman (2000), metode siklus balik dan berulang (seperti “push-pull’)

merupakan pegujian yang sering dijumpai karena paling mudah dilakukan.

Calister (2007:230) mengungkapkan, serangkaian pengujian dimulai

dengan memberikan amplitudo tegangan maksimum yang relatif besar ( ),

biasanya pada dua pertiga dari kekuatan tarik statis, pada spesimen hingga

spesimen patah. Prosedur ini diulangi pada spesimen lain yang secara progresif

mengurangi amplitudo tegangan maksimum hingga tercapai jumlah siklus

tegangan tertentu. Kurva S-N dibentuk dari data yang diplot sebagai tegangan (S)

versus logaritma dari jumlah siklus hingga terjadi kegagalan (N) untuk masing-

masing spesimen. Nilai S biasanya diambil sebagai amplitudo tegangan pada

pembebanan statis (Persamaan 2.5.2).

Momen puntir ditahan oleh tegangan-tegangan geser yang terbentuk pada

penampang lintang (Dieter, 1993:343). Kurva S-N pertama kali dibentuk dengan

menghitung momen puntir mula-mula yang dikenakan pada spesimen. Dari

momen puntir, tegangan mula-mula yang cukup besar ditetapkan untuk memulai

pengujian.

Gambar 2. 13 Skematik diagram uji lelah menggunakan alat uji rotary-bending

(Calister, 2007:230)


31

(2.6.1.)

Dimana: = tegangan geser (kg/mm2)

MT = momen puntir (kg.mm)

D = diameter (mm)

Seperti yang tersaji pada Gambar 2.14, semakin besarnya tegangan,

semakin kecil jumlah siklus material yang mampu ditahan sebelum tersaji

kegagalan. Kegagalan lelah untuk baja karburisasi diketahui secara langsung batas

lelahnya namun baja dekarburisasi diketahui batas lelahnya dengan perhitungan

statistika sesuai batas lelah yang dibutuhkan (Smallman, 2000:218). Pada saat

kurva S-N menjadi horizontal pada nilai N yang lebih tinggi atau ada tingkat

tegangan yang membatasi maka disebut sebagai batas kelelahan (fatigue limit)

atau batas ketahanan (endurance limit). Jika tegangan yang diberikan dibawah

batas kelelahan, maka kegagalan tidak akan terjadi (infinite). Sesuai dengan tujuan

teknis, bahan disebut infinite ketika siklus mencapai lebih besar atau sama dengan

satu juta siklus (Bannantine, 1989:2). Batas kelelahan berkisar antara 35% dan

60% dari kekuatan tarik (Calister, 2007:230). Pengujian lelah dilakukan dengan

mengganakan standar ASTM E466, gambar alat tersaji pada Gambar 2.17.c.

Gambar 2. 14 Tegangan vs jumlah logaritma siklus putaran (Smallman,

2000:218).


32

Gambar 2. 15 Kurva S/Su – N umum untuk baja tempa pada titik log-log

(Bannantine, 1989:4)

Menurut Bannantine (1989), tingkat tegangan bolak-balik yang sesuai

dengan jumlah antara seribu hingga satu juta siklus putar (N) dapat diperkirakan

dari perbandingan dengan kekuatan tarik maksimalnya (S/Su). Begitu juga

sebaliknya, jumlah siklus pasti terjadinya kegagalan akibat pembebanan antara

seribu hingga satu juta siklus dapat ditentukan. Garis yang menghubungkan titik

ini dan batas ketahanan adalah perkiraan yang digunakan untuk garis S/Su – N

jika tidak ada data kelelahan aktual dari material. Sehingga, umur lelah dapat

diperkirakan sebagai jumlah siklus yang akan terjadi pada tingkat tegangan yang

ditentukan (Calister, 2007:230), seperti yang tersaji pada Persamaan 2.6.2.

(2.6.2.)

Ekponen C dan b dari curva S-N ditetapkan menggunakan dua buat titik yang

telah ditentukan, seperti yang dicontohkan pada Gambar 2.15.

Keterangan: = tegangan pada siklus ke-1000

Se = batas ketahanan (endurance limit)

2.8 Pengujian Kekerasan Brinell

Pengujian kekerasan dilakukan dengan mengukur ketahanan benda uji

terhadap deformasi berupa lekukan yang terjadi pada permukaan spesimen akibat

pembebanan tertentu. Alat pengujian kekerasan menggunakan indentor yang

berbentuk bola baja berdiameter 10 mm pada pemberian beban 3000 kg. Untuk

matarial yang lunak digunakan pembebanan yang lebih kecil sesuai konversi

penerapan beban pada Tabel 2.3, sehingga diameter jejak terukur tidak terlalu

dalam. Pemberian beban diterapkan selama waktu tertentu, biasanya 30 detik,


33

kemudian diameter diukur menggunakan mikroskop berdaya rendah. Nilai

kekerasan didapat dari rata-rata pengukuran diameter pada beberapa kali

indentasi, gambar pengujian Brinell tersaji pada Gambar 2.16 (Dieter, 1993).

Gambar 2. 16 Parameter-parameter dasar pengujian Brinell (Dieter, 1993:330).

Nilai kekerasan dapat dihubungkan dengan kekuatan luluh atau tarik

logam, karena selama indentasi logam mengalami deformasi plastis sehingga

terjadi regangan dengan presentasi tertentu. Nilai kekerasan Vickers (VPN) dan

Brinell (BHN) didefinisikan sebagai besarnya pembebanan dibagi dengan luas

jejak indentror dalam satuan kg/mm2. Digunakan standart ASTM E140-52 selama

pengujian. Brinell menggunakan indentor berbentuk cukung, dengan nilai :

BHN =

√

(2.7.1)

Dimana, d = diameter jejak (mm)

D = diameter intentor (mm)

P = beban yang diberikan (kg)

Tabel 2. 3 Konversi pada diameter indentor (sumber: buku praktikum ilmu logam

USD, hal 9)

Diameter Indentor

D (mm)

Beban

P (kg)

30 D2 10 D

2 5 D

2

10 3000 1000 500

5 750 250 125

2,5 187,5 65,5 31,25

Untuk mendapat hasil yang konsisten, maka ratio d/D dipertahankan

konstan dan kecil. Alat uji tersaji pada Gambar 2.17.b.


34

(a) (b)

(c)

Gambar 2. 17 Gambar alat uji (a) alat uji tarik UTC 10 ~ 200 kN Series (b) alat uji

kekerasan Brinell O.M.A.G Affri Italy Mod 100 MR (c) alat uji lelah Rotary

Bending 1800 rpm.


35

2.9 Tinjauan Pustaka

Martienssen (2005:263) mengungkapkan pada besi yang memiliki

ketahanan tinggi terhadap korosi memiliki persentase berat silisium antara 14,0 –

17,0%wt, sedangkan besi cor kelabu yang memiliki ketahanan tinggi jika

kandungan silisium antara 4,0 – 7,0%wt. Menurut Ferro (2012), semakin banyak

grafit chuck sebagai hasil komposisi silisium yang tinggi mengurangi secara

signifikan baik tegangan tarik maksimal maupun pemanjangan fraktur; tetapi itu

tidak mempengaruhi tegangan leleh besi cor, jika dibandingkan dengan spesimen

yang hanya mengandung grafit nodular.

Wendong Xue dan Yan Li (2016) telah meneliti pengaruh inokulan FeSi75

(kandungan Si 75%) pada besi cor kelabu serta membandingkannya dengan

inokulan SiC. Hasil penelitian menunjukkan bahwa inokulan SiC dan inokulan

FeSi75 konvensional yang baru menghasilkan sifat-sifat yang lebih baik dari besi

lebur di atas besi lebur asli yang tidak diinokulasi. Inokulan menghasilkan partikel

grafit yang lebih kecil, mengurangi kecenderungan untuk membentuk rongga

penyusutan dan porositas selama pemadatan besi cair, menurunkan tingkat

pendinginan, mengurangi pembentukan inklusi non-logam, dan meningkatkan

sifat mekanik (dari besi cor). Setelah inokulasi, jumlah tonjolan-tonjolan grafit

(ridges) yang terdistribusi baik dan merata meningkat secara signifikan. Ini

menunjukkan bahwa isi grafit tipe A dalam matriks meningkat dan ukuran grafit

menjadi lebih kecil, yang membantu menyebarkan tekanan terkonsentrasi dan

mengurangi efek robeknya serpihan grafit besar dan panjang (dalam menginduksi

fraktur matriks).

K. Edalati, F. Akhlaghi, dan M. Nili-Ahmadabadi (2004) telah meneliti

pengaruh temperatur penuangan (1350○C hingga 1500

○C, dengan interval 50

○C)

besi cor kelabu cair pada sendok (ladle) yang sebelumnya telah dimasukan

inokulan FeSi75 dan SiC untuk dibiarkan melelah didalam sendok. Penelitian

tersebut menunjukkan, inokulasi berdampak positif pada peningkatan suhu

likuidus, peningkatan suhu eutektik, peningkatan fluiditas, dan peningkatan

kekerasan bersama-sama dengan penurunan suhu undercooling sehingga

dihasilkan ukuran butiran yang halus dan penyebaran grafit menjadi lebih

seragam. A. Basuki, R. Suratman,dan T. Surdia (1986) telah meneliti mengenai


36

pembuatan besi cor nodular dengan penambahan magnesium (Mg) sebagai bahan

nodularisasi. Mg dicampurkan menggunakan metode open ladle. Metode ini

mengasilkan efisiensi tercampurnya Mg sebesar 20 – 30%. Th. Willidal, W.

Bauer, dan P. Schumacher (2005) juga telah khusus meneliti kekuatan lelah besi

cor kelabu dengan kandungan silisium antara 1,68 – 2,18%wt, dihasilkan bahwa

batas lelah material ini berkisar antara 20 - 40% UTS-nya.


37

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Proses penelitian yang dilakukan tersaji pada Gambar 3.1.

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian

Mulai

Pengamatan Stuktur Mikro

makro dan Benda Uji

Pembuatan Cetakan

Pengecoran Bahan

Besi Cor Kelabu Berpaduan

Silisium 2,9 %

Besi Cor Kelabu Berpaduan

Silisium 3,8 %

Pembongkaran dan pembersihan

coran

Pengujian Mekanis 1. Pengujian Kekerasan

dengan metode Brinell 2. Pengujian Tarik 3. Pengujian Lelah

Hasil Penelitian dan Analisa Data

Pembahasan dan Pembuatan

Bab IV

Selesai


38

3.2 Alat dan Bahan Penelitian

3.2.1 Bahan yang digunakan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini, antara lain:

1. Bahan Baku

Bahan baku yang digunakan pada penelitian ini adalah baja tua (scrap

steel) dan besi tua (scrap iron). Gambar bahan baku tersaji pada Gambar

3.2.

Gambar 3. 2 Bahan baku.

2. Besi Silisium (FeSi)

Bahan silisium yang digunakan pada penelitian ini didapat dalam

bentuk FeSi dengan kemurnian silisium 75%. Bahan ini didapat dari PT.

Aneka Adhilogam Karya (AAK) Ceper. Gambar FeSi tersaji pada Gambar

3.3.

Gambar 3. 3 Bongkahan FeSi sebelum dilebur.

3. Autosol

Autosol digunakan sebagai bahan untuk mengkilapkan dan

membersihkan material logam. Bahan ini digunakan dengan cara

menggosokan permukaan material logam pada kain majun putih sebelum

dilakukan pengamatan stuktur mikro. Gambar autosol tersaji pada Gambar

3.4.


39

Gambar 3. 4 Autosol

4. Larutan HNO3 100%

HNO3 digunakan sebagai larutan etsa. Larutan etsa digunakan untuk

mengikis bagian permukaan logam yang tak terlindungi. HNO3

menciptakan desain permukaan yang timbul tenggelam pada logam

sehingga struktur mikro dapat terlihat dari pemantulan cahaya yang tidak

rata. Gambar larutan HNO3 100% tersaji pada Gambar 3.5.

Gambar 3. 5 Larutan HNO3 100%

3.2.2. Alat Pengujian

Alat pengujian yang digunakan selama penelitian ini antara lain:

1. Pengujian Kekerasan.

Alat uji kekerasan digunakan untuk menguji ketahanan material

terhadap deformasi plastis akibat penekanan oleh indentor yang berbentuk

bola. Alat uji kekerasan yang digunakan adalah alat uji BRINELL

O.M.A.G. AFFRI ITALY MOD 100MR. Alat ini dapat dilihat di

Laboratorium Ilmu Logam Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

Spesimen yang disediakan berjumlah dua buat dari masing-masing

komposisi benda uji.


40

2. Pengujian Tarik

Alat uji tarik digunakan untuk mengetahui kekuatan tarik dan regangan

dari suatu bahan uji. Mesin uji tarik yang digunakan adalah UTC 10 ~ 200

kN Series. Mesin ini dapat dilihat di Laboratorium Ilmu Logam Teknik

Mesin Universitas Sanata Dharma. Spesimen yang disediakan berjumlah

lima buat dari masing-masing komposisi benda uji.

3. Pengujian Lelah

Alat uji lelah digunakan untuk melihat jumlah siklus yang dapat

diterapkan pada benda uji dengan pembebenan tertentu. Pembebanan pada

spesimen uji yang secara khusus dipersiapkan untuk uji coba. Pembebanan

diterapkan dimulai dari 0,8 UTS, kemudian diperkecil dengan selang

beban tertentu. Mesin uji lelah yang digunakan adalah Rotary Bending

Fatigue Testing Machines 1800 rpm. Mesin ini dapat dilihat di

Laboratorium Ilmu Logam Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

3.2.3. Alat Pemesinan dan Alat Ukur

Alat permesinan dan alat ukur yang digunakan selama penelitian ini antara

lain:

1. Mesin Bubut

Mesin bubut digunakan untuk membuat spesimen ujian tarik dan uji

lelah. Mesin bubut yang digunakan terdapat di Lab. Ilmu Logam Teknik

Mesin Universitas Sanata Dharma. Gambar mesin bubut dapat dilihat pada

Gambar 3.6.

Gambar 3. 6 Mesin bubut


41

2. Jangka Sorong

Jangka sorong digunakan untuk mengukur benda uji hasil pengecoran

dan hasil pemesinan. Jangka sorang ini memiliki ketelitian 0,1 mm.

Gambar jangka sorong dapat dilihat pada Gambar 3.7.

Gambar 3. 7 Jangka sorong

3.2.4 Alat Pengecoran

Alat pengecoran yang digunakan selama penelitian ini antara lain:

1. Tanur Induksi.

Proses peleburan dan pencampuran material logam menggunakan tanur

induksi jenis krus berkapasitas 1 ton dengan frekuensi rendah. Tanur

Induksi yang digunakan terdapat di PT. Aneka Adhilogam Karya (AAK)

Ceper. Gambar tanur induksi tersaji pada Gambar 3.8.

Gambar 3. 8 Tanur Induksi

2. Ladle

Ladle digunakan sebagai tempat penampung sementara larutan padat

dari tanur induksi hingga didistribusikan ke cetakan pasir yang sudah

dibuat. Ladle mula-mula yang digunakan berkapasitas 1000 kg. kemudian

didistribusikan kedalam ladle-ladle kecil berkapasitas 40, selanjutnya

dituang kedalam cetakan. Ladle dilapisi dengan tanah liat pada bagian


42

dalam. Sebelum digunakan, ladle tersebut dipanaskan untuk menghindari

kecacatan produk akibat suhu ladle yang dingin. Gambar ladle tersaji pada

Gambar 3.9.

Gambar 3. 9 Ladle Berkapasitas 40 kg yang Telah Dilapisi Tanah Liat.

3. Cetakan

Cetakan yang yang digunakan termasuk dalam cetakan pasir basah.

Cetakan ini terdiri dari pasir kwarsa (pasir alam) yang ditambahkan sedikit

air kemudian diaduk secara merata dan didiamkan selama beberapa menit.

Ukuran pasir ini berkisar antara 10 – 100 . Rangka cetakan berukuran

40 cm × 20 cm dan terbuat dari kayu. Pola cetak terbuat dari kayu yang

diukir oleh pengrajin di daerah Ceper. Gambar cetakan tersaji pada

Gambar 3.10.

(a) (b)

(c)


43

Gambar 3. 10 (a) Rangka Cetakan, (b) Pasir Cetak, (c) Pola Cetakan

3.2.5 Alat-alat Lain yang Digunakan

1. Termokopel

Termokopel digunakan untuk mengukur suhu tanur selama proses

peleburan. Gambar termometer dapat dilihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3. 11 Termokopel

2. Timbangan

Timbangan digunakan untuk mengukur berat bahan baku dan silisium

sebelum digunakan dalam peleburan. Timbangan neraca digunakan untuk

mengukur berat bahan baku sedangkan timbangan digital digunakan untuk

mengukur berat silisium. Gambar timbangan digital tersaji pada Gambar

3.12.

(a) (b)

Gambar 3. 12 (a) Timbangan neraca dan (b) timbangan digital


44

3. Gergaji Tangan

Gergaji tangan digunakan untuk memotong hasil pengecoran yang

telah selesai secara manual. Gambar gergaji tangan tersaji pada Gambar

3.13.

Gambar 3. 13 Gergaji tangan

4. Amplas

Amplas digunakan untuk menghaluskan permukaan benda uji sebelum

dilakukan pengamatan struktur mikro. Amplas yang digunakan dari ukuran

80 , 120 , 250 , 500 , 650 , 1000 , dan 1500 . Gambar

amplas tersaji pada Gambar 3.14.

Gambar 3. 14 Amplas

5. Mikroskop

Mikroskop yang digunakan adalah mikroskop tipe upright. Mikroskop

ini untuk mengamati perubahan struktur mikro yang terjadi dan mengukur

besarnya deformasi plastis yang disebabkan oleh penekanan indentor pada

pengujian kekerasan. Mikroskop yang digunakan adalah Mikroskop

Metallurgi UNION Japan. Alat ini dapat dilihat di Lab. Ilmu Logam

Universitas Sanata Dharma. Gambar mikroskop tersaji pada Gambar 3.15.


45

Gambar 3. 15 Mikroskop

6. Kain Majun

Kain majun digunakan untuk mengeringkan spesimen yang telah dietsa

sebelum dilakukan peengamatan stuktur mikro. Kain ini berwarna putih.

Gambar kain majun tersaju pada Gambar 3.16.

Gambar 3. 16 Kain Majun

3.3 Proses Pengecoran

Terdapat beberapa langkah proses pengecoran yang harus dilakukan, antara

lain: persiapan, pelaksanaan pengecoran, dan pembuatan benda uji. Proses

persiapan melipuli persiapan alat dan bahan. Proses pengecoran dilakukan

meliputi peleburan sampai penuangan material. Pengecoran ini dilakukan di

Polman Ceper menggunakan tanur induksi. Proses pembuatan benda uji meliputi

pembuatan sampel sampai siap digunakan.


46

3.3.1 Persiapan Pengecoran

Sebelum melakukan pengecoran, beberapa hal yang harus

dipersiapkan terlebih dahulu, yaitu:

1. Mempersiapkan bahan baku dan FeSi.

2. Membuat pola cetakan.

3. Mempersiapkan cetakan untuk tempat penuangan material.

4. Mempersiapkan tanur induksi yang hendak digunakan.

5. Menimbang FeSi untuk menghitung kebutuhannya dalam ladle

berkapasitas 40 kg agar sesuai dengan komposisi yang

dibutuhkan. Kemudian bongkahan FeSi dihaluskan agar mudah

tercampur didalam ladle selama penuangan dari tanur induksi

sebelum dituang ke cetakan.

3.3.2 Proses Pengecoran

Langkah-langkah pengecoran dilakukan sebagai berikut:

1. Memasukan bahan baku ke dalam tanur induksi.

2. Menyalakan tanur induksi dengan mempertahankan tetap pada

suhu 1287○C selama 45 menit.

3. Setelah matarial tercampur, tanur induksi dimatikan dan logam

cair ditung ke dalam ladle besar berkapasitas 750 kg kemudian

diberikan limestone (batu kapur) sehingga terak terangkat dan

menggumpal kepermukanan.

4. Terak yang sudah menggumpal disingkapkan kemudian larutan

padat dituang ke dalam ladle kecil berkapasitas 40 kg yang

sudah dimasukan FeSi.

5. Setelah beberapa saat larutan padat ini dituang kedalam cetakan

pasir.

6. Setelah larutan padat memadat (± 10 menit) cetakan dibongkar

dan benda hasil penuangan dikeluarkan.

7. Hasil penuangan didinginkan dengan udara secara perlahan

sesuai suhu kamar.


47

3.4 Pembuatan Spesimen

3.4.1 Spesimen Uji Tarik.

Hasil pengecoran berupa silinder sesuai dengan cetakan yang

digunakan. Hasil dari pengecoran akan dipotong dengan ukuran 15 mm ×

150 mm (diameter × panjang) sebelum dilakukan proses machining. Benda

uji yang telah dipotong kemudian di-machining menjadi spesimen. Proses

machining dilakukan dengan mesin bubut sesuai standart ASTM E8/E8M

– 09, seperti yang tersaji pada Gambar 3.17.

Gambar 3. 17 Spesimen uji tarik.

Keterangan ukuran:

3.4.2 Spesimen Uji Lelah

Hasil pengecoran berupa silinder sesuai dengan cetakan yang

digunakan. Hasil dari pengecoran akan dipotong dengan ukuran 15 mm ×

90 mm (diameter × panjang) sebelum dilakukan proses machining. Benda

uji yang telah dipotong kemudian di-machining menjadi spesimen. Proses

machining dilakukan dengan mesin bubut sesuai standart ASTM E466 –

07, seperti yang tersaji pada Gambar 3.18


48

Gambar 3. 18 Sepesimen uji lelah.

Diameter dalam (D) = 6 mm

Panjang ukur (L) = 18 mm

Radius filet (R) = 48 mm

3.4.3 Spesimen Uji Kekerasan.

Spesimen uji kekerasan diperoleh dari pemotongan hasil

pengecoran secara melintang menjadi dua bagian dengan ketebalan yang

sama yaitu 12 mm. Kemudian salah satu sisi permukaan benda diratakan

dengan kertas amplas untuk penekanan indentor. Amplas yang digunakan

dari ukuran 80 , 120 , 250 , 500 , 650 , 1000 , dan

1500 . Setelah permukaan rata, benda uji dipoles dengan autosol sampai

mengkilat. Gambar spesimen uji kekerasan disajikan pada Gambar 3.19.

Gambar 3. 19 Gambar spesimen uji kekerasan

Keterangan ukuran:

Diameter (Di) : 15 mm

Tebal (t) : 11,3 mm

3.4.4 Spesimen Pengamatan Stuktur Mikro.

Spesimen pengamatan stuktur mikro memiliki ukuran yang sama,

perlakukan pengamplasan yang sama, dan pemberian autosol yang sama

dengan uji kekerasan. Setelah spesimen mengkilat, spesimen dietsa dengan

larutan HNO3 selama 15 detik. Kemudian spesimen dimasukan kedalam

Di t


49

larutan alkohol 70% sambil digoyang-goyangkan untuk menghilangkan

larutan etsa. Setelah beberapa saat, spesimen diangkat dan dikeringkan

menggunakan kain majun. Gambar spesimen untuk pengamatan struktur

mikro disajikan pada Gambar 3.19.

3.5 Pengujian Spesimen

Pengujian bahan dilakukan untuk mengetahi sifat-sifat fisis suatu bahan itu

sendiri. Dalam pengujian ini, spesimen dibagi berdasarkan tiga pengujian bahan,

antara lain:

3.5.1 Pengujian Tarik

Pengujian tarik adalah menarik spesimen uji secara terus menerus

dengan gaya yang bertambah besar secara perlahan-lahan hingga akhirnya

patah. Dari pengujian ini diketahui besar tegangan maksimal dan regangan

maksimal yang dapat dialami spesimen. Urutan proses pengujian lelah

dijabarkan sebagai berikut:

1. Spesimen uji dipasang secara vertikal pada alat uji dan dijepit

pada cekam penjepit pada bagian atas dan bawah alat uji.

2. Alat uji diatur pada pemberian beban tarik dengan kecepatan 10

mm/detik.

3. Spesimen ditunggu hingga patah, selama pengujian data yang

didapat kemudaan diambil dan dicatat, meliputi penambahan

beban (P) dan penambahan panjang ( ).

4. Setelah patah, spesimen diukur menggunakan jangka sorong

untuk melihat deformasi plastis akibat beban tarik.

5. Hasil beban tarik maksimal dan kekuatan tarik spesimen

dicatat.

3.5.2 Pengujian Lelah

Pengujian fatigue bending adalah pengujian kekuatan lelah dengan

cara memberikan beban putar (bending) tertentu hingga material tersebut

patah. Pemberian beban divariasi mulai dari beban rendah sampai beban

yang besar. Proses kerusakan fatigue bending dimulai dari pembebanan

berulang pada bahan yang akan diuji selama waktu tertentu sehingga


50

terbentuk regangan plastis pada daerah konsentrasi tegangan. Regangan

plastis ini akan memicu terbentuknya inisiasi sehingga akhirnya patah..

Hasil dari dua variasi komposisi logam kemudian dibuat kurva S/Su – N .

Urutan proses pengujian lelah dijabarkan sebagai berikut:

1. Spesimen uji dipasang secara horizontal dan dijepit pada

cekam penjepit yang menghubungkan poros yang digerakan

oleh motor listrik.

2. Memberikan beban pada poros penjepit sesuai konfersi

tegangan geser.

3. Menyalakan mesin uji dan hitung lamanya benda uji berputar

hingga patah.

4. Setelah benda uji pada, matikan mesin uji kemudian catat

jumlah siklus putar dan waktu yang pengujian.

5. Ganti spesimen uji dan ubah beban pada poros penjepit.

6. Ulangi langkah 1 sampai 5.

7. Lakukan langkah sebelumnya sebanyak 6 kali sehingga kurva

S/Su – N dapat valid.

3.5.3 Pengujian Kekerasan

Uji kekerasan Brinell sesuai metode yang dianjurkan oleh J. A.

Brinell. Pengujian dilakukan dengan cara memberikan beban pada

material dengan menggunakan indentor berbentuk bola dari bahan baja.

Pola injakan terbentuk dari deformasi plastis yang terjadi pada

pembebanan tertentu menunjukkan nilai kekerasan material tersebut.

Urutan proses pengujian lelah dijabarkan sebagai berikut:

1. Spesimen uji yang telah disiapkan dilakukan penekanan

menggunakan indentor sebanyak 3 titik pada satu matarial.

2. Penekanan indentor dilakukan dengan memakai bola baja

berdiameter 2,5 mm dengan tekanan 187,5 kg selama 30 detik.

Hasil dari penekanan membentuk lekukan pada permukaan

spesimen.

3. Lekukan pada permukaan benda uji diukur menggunakan

mikroskop cahaya berdaya rendah.


51

4. Ganti spesimen dan ulangi langkah 1 sampai 3 pada material

berbeda.

5. Data hasil pengukuran dicatat.

3.5.4 Pengamatan Struktur Mikro

Pengamatan sturktur mikro menggunakan lensa okuler HWF 15×

dan lensa objektif M20/0,4 dengan total perbesaran 300×. Spesimen uji

yang sudah disiapkan diletakan pada mikroskop serta diamati. Gambar

struktur mikro yang telah tampak disimpan sebagai data pengamatan.


52

BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Penelitian

Komposisi yang digunakan pada pengecoran besi cor kelabu mengikuti

standart komposisi FC 25 yaitu sebesar 2% Si dan 3,4% C terbaca pada

spektrometer selama proses peleburan. Penambahan Si sebesar 1 kg untuk

mencapai komposisi 4% Si dan 2 kg untuk mencapai 7% Si dimasukkan ke dalam

ladle berkapasitas 40 kg. Perhitungan awal Si didasarkan batuan Si yang

ditambahkan adalah murni yaitu 100% Si, namun Si dalam batuan ternyata

dicampuran dengan Fe dengan komposisi umum yang digunakan Fe 25% dan Si

75%. Komposisi yang tidak sesuai ini menyebabkan penurunan komposisi Si pada

spesimen uji. Komposisi yang telah dihitung ulang dengan penyesuaian FeSi yang

dicampurkan sebesar 3,9% Si untuk penambahan 1 kg FeSi dan 5,8% Si untuk

penambahan 2 kg FeSi. Hasil uji komposisi yang dilakukan di PT. ITOKOH

CEPERINDO menunjukkan komposisi Si pada campuran 1 kg Si adalah 2,9% dan

komposisi Si pada campuran 2 kg Si adalah 3,8%. Komposisi Si pada besi cor

kalabu ini sangat berbeda jauh dari yang diharapkan. Si yang bercampur

membantu pemisahan Fe dari Fe3C sehingga lebih banyak perlit terbentuk. Si

yang tidak tercampur dalam larutan padat masih berbentuk SiO2 dan terbakar,

sehingga keluar dalam bentuk asap sisa peleburan. Hal ini menunjukkan efisisensi

Si yang tercampur dalam besi cor kelabu sebesar 48%.

Spesimen uji yang telah dingin mengalami perubahan komposisi karbon

menjadi 4,75% C pada spesimen yang berkomposisi Si lebih rendah dan 5,35% C

pada spesimen yang berkomposisi Si lebih tinggi. Dari persentasi komposisi besi

cor yang ada, besi cor masuk dalam katagori besi cor hipereutektik dimana

persentase karbon lebih besar dari komposisi eutektiknya (4,12% C). Hal ini

terjadi karena selama proses peleburan kurang homogennya larutan padat.

Perubahan komposisi ini berdampak pada sifat mekanis besi cor kelabu. Paduan

lain yang terdapat dalam besi cor kelabu ini, antara lain: S, Al, Ni, Nb, Cr, V, Mn,

Mo, W, P, Cu, Ti, N, B, Pb, Sb, Ca, Mg, Sn, dan Co.

Besi cor kelabu diuji tanpa menggunakan proses normalizing. Penambahan Si

selama proses peleburan termasuk dalam pre-treament sehingga tidak perlu


53

dilakukan perlakuan normalizing untuk meningkatkan sifat mekanis. Hasil

perhitungan dan pengamatan ditampilkan dalam bentuk tabel, grafik dan gambar.

4.2. Analisis Uji Kekerasan

Pengujian kekerasan dilakukan pada setiap spesimen dengan 3 titik

pembebanan yang berbeda. Setiap komposisi disiapkan 2 spesimen untuk

dilakukan uji kekerasan. Data uji kekerasan disajikan pada Tabel 4.1 dan Gambar

4.1.

Tabel 4. 1 Data uji kekerasan besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan 3,8% Si

Komposisi

Si

D

(mm)

d

(mm)

P max

(kg)

Kekerasan

Brinell (BHS)

2,9%wt

2,5 1,08 187,5 194,6

2,5 1,1 187,5 187,2

2,5 1,12 187,5 180,2

2,5 1,16 187,5 167,3

2,5 1,16 187,5 167,3

2,5 1,18 187,5 161,3

Rata-rata 176,3

Standar Deviasi 13,1

3,8%wt

2,5 1,1 187,5 187,2

2,5 1,1 187,5 187,2

2,5 1,1 187,5 187,2

2,5 1,08 187,5 194,6

2,5 1,08 187,5 194,6

2,5 1,1 187,5 187,2

Rata-rata 189,7

Standar Deviasi 3,82


54

2,9 3,80

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Kek

eras

an (

BH

N)

Komposisi Si (% wt)

Gambar 4. 1 Grafik rata-rata nilai BHN besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan

3,8% Si.

Dari hasil pengujian kekerasan didapat bahwa besi cor kelabu yang memiliki

komposisi 3,8% Si lebih keras karena memiliki nilai BHN lebih besar

dibandingkan besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si. Persebaran data untuk

komposisi Si yang lebih tinggi sebesar 2% dan untuk komposisi Si yang lebih

rendah sebesar 7,4%. Hal ini didapat dari perbandingan standar deviasi dengan

nilai kekerasan rata-rata yang menunjukkan data hasil pengujian 3,8% Si lebih

seragam dibandingkan 2,9% Si.

4.3. Analisis Uji Tarik

Pengujian tarik dilakukan dengan 3 spesimen uji pada masing-masing

komposisi. Dari pengujian ini, beban mula-mula untuk pengujian lelah ditentukan.

Penentuan tegangan luluh dilakukan dengan metode offset. Garis linier ditarik dari

sumbu x yang sejajar dengan kemiringan data grafik uji tarik yang masih konstan.

Setiap grafik memiliki persamaan garis lurus Y = a + bx yang berbeda-beda. Dari

metode ini diperoleh data regangan elastis dan regangan plastis. Data pengujian

yang dibentuk disajikan dalam: data uji tarik disajikan pada Tabel 4.2, data

perbandingan nilai UTS tersaji pada Gambar 4.2, dan data pertambahan panjang

disajikan pada Tabel 4.3.


55

Nilai tegangan dan modulus elastisitas pada Tabel 4.2 didapat dari Persamaan

2.5.2 dan Persamaan 2.5.1 dimana nilai regangan elastis yang dipakai sesuai

dengan nilai hasil perpotongan garis linier dari metode offset dengan garis pada

grafik. Besi cor kelabu berkomposisi 3,8% Si memiliki nilai tegangan yang lebih

tinggi dibandingkan besi cor kelabu berkomposisi 2,9% sehingga lebih mampu

menahan beban. Namun, nilai tegangan ini lebih kecil dibandingkan nilai

tegangan pada standar FC 25. Hal ini disebabkan kareana tingkat porositas yang

tinggi yang disajikan pada Gambar 4.8 hingga Gambar 4.10. Besi cor kelabu

berkomposisi 3,8% Si memiliki nilai modulus elastisitas yang lebih tinggi

dibandingkan besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si sehingga material tersebut

lebih kaku.

Nilai regangan plastis pada Tabel 4.3 mengalami perbedaan yang siginfikan

jika dihitung secara aktual dengan menggunakan jangka sorong ( ) dan

secara pemaparan dari hasil uji tarik pada grafik ( grafik) dengan Persamaan

2.5.4. Perbedaan ini diakibatkan oleh klep penjepit spesimen kurang menahan

dengan erat pada saat pemberian beban tarik. Perpatahan yang terjadi akibat

dislokasi slip adalah patahan getas, tersaji pada Gambar 4.3. Patah getas dilihat

dari permukaan patahan yang rata dan tidak adanya perubahan bentuk spesimen.

Patah getas juga ditunjukan dari letak titik UTS dan titik spesimen saat patah

terletak pada titik yang sama, tersaji pada Gambar 4.4 dan Gambar 4.5. Nilai rata-

rata regangan plastis aktual dan regangan plastis pada grafik menunjukkan hasil

yang sama bahwa besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si lebih terdeformasi plastis

dibandingakan besi cor kelabu berkomposisi 3,8% Si. Nilai regangan besi cor

kelabu berkomposisi 2,9% Si lebih besar dibandingkan yang berkomposisi 3,8%

Si, tersaji pada Gambar 4.6.


Tabel 4. 2 Data uji tarik besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si dan 3,8% Si

Komposisi

Si ID.

D

(mm)

Lo

(mm)

P max

(kg)

A

(mm2)

(MPa)

2,9%wt

H1 6 35,8 463,7 28,3 1,14 3,18 5,68 16,4 55,7 160,9 245,2

H2 6 35,4 413,3 28,3 1 2,82 3,01 14,6 29,5 143,4 242,0

H3 6,05 36 434,7 28,7 1,01 2,81 7,47 15,1 73,3 148,3 232,9

Rata-rata 1,05 2,94 5,39 15,4 52,8 150,9 240,0

3,8%wt

P1 6 35,5 448,2 28,3 0,83 2,33 7,21 15,8 70,8 155,5 254,3

P2 5,95 36 402,9 27,8 0,77 2,13 5,87 14,5 57,5 142,1 256,4

P3 6,05 36 477,4 28,7 1,16 3,23 6,30 16,6 61,8 162,9 216,5

Rata-rata 0,917 2,56 6,46 15,7 63,4 153,5 242,4

𝜀

(%)

∆L grafik

(mm)

𝜎𝑦

𝑘𝑔 𝑚𝑚2

𝜎

𝑘𝑔 𝑚𝑚2

𝜎𝑦

MP

𝜎 MP

56


57

Gambar 4. 2 Grafik rata-rata kekuatan tarik besi cor kelabu berkomposisi

2,9% Si dan 3,8% Si.

Tabel 4. 3 Data pertambahan panjang besi cor kelabu berkomposisi

2,9% Si dan 3,8% Si.

Komposisi

Si Nama

Lo

(mm)

grafik

(mm)

grafik

(mm)

2,9%wt

H1 35,8 1,14 0,23 0,91 0,03

H2 35,4 1 0,12 0,88 0,1

H3 36 1,01 0,32 0,69 0,1

Rata-rata 1,05 0,22 0,83 0,08

3,8%wt

P1 35,5 0,83 0,28 0,55 0,05

P2 36 0,77 0,22 0,54 0,1

P3 36 1,16 0,28 0,87 0,05

Rata-rata 0,92 0,26 0,65 0,07

(a) (b)

Gambar 4. 3 Patahan hasil uji tarik besi cor kalabu (a) berkomposisi 2,9% Si (b)

berkomposisi 3,8% Si.

150,9 153,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2.9 3.8

Rat

a-ra

ta K

ekuat

an T

arik

(MP

a)

Komposisi Si

(%wt)

mm 𝑙𝑝 aktual ∆L grafik

(mm)


58

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Str

ess

(MP

a)

Strain

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

Str

ess

(MP

a)

Strain

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

Str

ess

(MP

a)

Strain


H1, (b) percobaan H2, (c) percobaan H3.

(a)

(c)

(b)


59

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Str

ess

(MP

a)

Strain

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

Str

ess

(MP

a)

Strain

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165

Str

ess

(MP

a)

Strain

Gambar 4. 5 Grafik uji tarik besi cor kelabu berkomposisi 3,8% Si (a)

percobaan P1, (b) percobaan P2, (c) percobaan P3.

(a)

(c)

(b)


60

Gambar 4. 6 Grafik rata-rata persentase regangan besi cor kelabu berkomposisi

2,9% Si dan 3,8% Si

4.4. Analisis Uji Lelah

Beban mula-mula pada pengujian lelah dapat dihitung dengan terlebih dahulu

mencari tegangan geser menggunakan Persamaan 2.6.1. Tegangan geser yang

digunakan dengan rasio 0,8 dari tegangan tariknya. Tegangan geser ditentukan

pada besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si sebesar 12,37 kg/mm2 dan pada besi

cor kelabu 3,8% Si sebesar 12,53 kg/mm2. Beban mula-mula ini dirumuskan

sebagai berikut:

Besi cor kelabu berkomposisis 2,9% Si

=

2 = 2

Beban = 2

2

Beban = 2,623 kg

Besi cor kelabu berkomposisis 3,8% Si

=

2 = 2

Beban = 2

2

Beban = 2,656 kg

2,94

2,56

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

2.9 3.8

Rat

a-ra

ta p

erse

nta

se r

egan

gan

𝜀 (%

)

Komposisi Si

(%wt)


61

Pembebanan mula-mula yang ditetapkan pada spesimen uji sebesar 2,6 kg untuk

besi cor kelabu 2,9% Si dan 2,65 kg untuk besi cor kelabu 3,8% Si. Setelah beban

mula-mula didapat maka pembebanan diturunkan sesuai rasio pada Tabel 4.4.

untuk mengetahui batas lelah material tersebut.

Tabel 4. 4 Data hasil pengujian lelah besi cor kelabu berkomposisi

2,9% Si dan 3,8% Si

2,9% Si 3,8% Si

Beban

(kg)

Rasio

Kekuatan

Tarik

(S/Su)

Umur

Hingga

Patah

(siklus)

Beban

(kg)

Rasio

Kekuatan

Tarik (S/Su)

Umur

Hingga

Patah

(siklus)

2,6 0,8 44000

2,65 0,8 277033

42242 283952

2,3 0,7 60560

2,3 0,7 299372

48996 519169

2 0,6 111247

2 0,6 822800

109644 890750

1,8 0,55 1,30E+06

1,8 0,55

2,35E+06

988791 2,0E+06

1,65 0,5

2,13E+06 1,05E+07

2,20E+06 1,12E+07

1,07E+07 1,65 0,5

≥ 2,35E+06

1,01E+07 ≥ 2,01E+06

Dari Tabel 4.4, batas lelah (fatigue limit) didapat dengan rasio

pembebanan 0,5 untuk besi cor kelabu 2,9% Si dan 0,55 untuk besi cor kelabu

3,8% Si. Semua spesimen yang dikenakan rasio pembebanan lebih besar dari

batas kelelahan telah patah akibat beban fluktuatif. Spesimen yang dikenakan

pembebanan sesuai rasio pembebanan batas lelah tidak patah hingga sepuluh juta

siklus. Jika spesimen dikenakan pembebanan yang lebih kecil dari batas lelah

maka spesimen mampu menahan siklus pembebanan berulang hingga tak

terhingga.

Data pada Tabel 4.4 kemudian dibuat garis pendekatan untuk

memperkirakan kekuatan lelah akibat beban fluktuatif dengan menggunakan

pendekatan regresi logistik, tersaji pada Tabel 4.5 dan Tabel 4.6. Pedekatan ini


62

digunakan karena nilai adjuctive R-square atau disingkat adj. R-square ≥ 0,9.

Adj. R-square menunjukkan kemampuan pendekatan garis untuk

menginterpretasikan data variabel bebas (umur hingga patah) terhadap variabel

terikat (rasio kekuatan tarik) sehingga dapat diperkirakan umur lelah saat

mengalami pembebanan tertentu. Jika adj. R-square bernilai 1 ,berarti garis yang

dibentuk sempurna dalam menginterpretasikan data. Grafik uji lelah tersaji pada

Gambar 4.7.

Dari hasil pengujian lelah, besi cor kelabu 3,8% Si memiliki kekuatan

lelah yang lebih baik dibandingkan besi cor kelabu 2,9% Si. Hal ini dilihat pada

nilai tegangan yang sama, jumlah siklus yang dihasilkan lebih besar pada

komposisi 3,8% Si. Peningkatan batas kelelahan terjadi karena besi cor kelabu

3,8% Si lebih keras dibandingkan besi cor kelabu 2,9% Si. Peningkatan nilai

kekerasan dan kekuatan tarik berbanding lurus dengan kekuatan lelah besi cor

kelabu 3,8% Si untuk menahan tegangan geser.

10000 100000 1000000 1E7 1E80,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Besi Cor Kelabu 2,9% Si

Besi Cor Kelabu 3,8% Si

Logistic Fit dari Besi Cor Kelabu 2,9% Si

Logistic Fit dari Besi Cor Kelabu 3,8% Si

Rasio

Kekuata

n T

arik (

S/S

u)

Umur Hingga Patah (Siklus)

Gambar 4. 7 Grafik hasil uji lelah besi cor kelabu.


63

Tabel 4. 5 Fungsi regresi logistik hasil pendekatan garis non-linier uji lelah besi

cor kelabu berkomposisi 2,9% Si.

Equation y = A2 + (A1-A2)/(1 + (x/x0)^p)

Adj. R-Square 0,94721

Variabel Value Standard Error

Rasio Kekuatan Tarik A1 167,19815 155753,265


Rasio Kekuatan Tarik x0 220,9889 170972,212

Rasio Kekuatan Tarik p 1,21803 1,25299

Tabel 4. 6 Fungsi regresi logistik hasil pendekatan non-linier uji lelah besi cor

kelabu berkomposisi 3,8% Si.

Equation y = A2 + (A1-A2)/(1 + (x/x0)^p)

Adj. R-Square 0,90036

Variabel Value Standard Error



Rasio Kekuatan Tarik x0 561778,126 173693,4145

Rasio Kekuatan Tarik p 3,00171 2,05346

4.5. Analisis Stuktur Mikro

Struktur mikro hasil pengecoran besi cor kelabu menunjukkan sedikit

perbedaaan. Pada komposisi 2,9% Si, besi cor kelabu menunjukkan morfologi

grafit tipe–A, tersaji pada Gambar 4.8. Grafit tipe–A menunjukkan grafit yang

mempunyai dimensi yang panjang serta terdistribusi sebarang. Pada komposisi

3,8% Si, besi cor kelabu menunjukkan morfologi grafit tipe–A dengan sedikit

berkecenderungan kepada grafit tipe–B, tersaji pada Gambar 4.9. Grafit tipe–B

menunjukkan grafit halus yang memusat yang disekelilingnya dilanjutkan oleh

grafit lamellar. Sebagian besar morfologi permukaan tersusun dari grafit dan

perlit. Namun, besi cor kelabu 2,9% Si menunjukkan adanya lebih banyak fasa

sementit. Hal ini menunjukkan selama pemadatan, tingkat pendinginan tinggi dari

udara diterapkan pada spesimen. Besi cor kelabu 3,8% Si memiliki ukuran grafit

yang lebih kecil. Porositas tampak pada gambar mengurangi sifat mekanis besi

cor kelabu.


64

Gambar 4. 8 Struktur mikro besi cor kelabu berkomposisi 2,9% Si

Gambar 4. 9 Struktur mikro besi cor kelabu berkomposisi 3,8% Si

Sementit

Grafit

Perlit Porositas

Sementit

Grafit

Tipe-B

Perlit

Porositas

Grafit

Tipe-A


65

4.6. Analisis Stuktur Makro

Dari pengamatan struktur makro, lubang-lubang kecil (pori) terlihat pada

permukaan spesimen, tersaji pada Gambar 4.10. Hal ini terjadi karena pada proses

penuangan besi cor kelabu menggunakan pasir alam dalam kondisi lembab dan

tidak dibuat lubang keluaran udara, sehingga terdapat uap air dan udara yang

terperangkap dalam cetakan. Uap air dan udara mendesak spesimen di selama

proses pemadatan. Pori ini berdampak pada menurunnya kekuatan tarik dan

kekerasan yang terjadi karena inisiasi retakan lebih mudah terbentuk. Hal ini

menjadikan nilai kekuatan tarik dan kekerasan tidak sesuai dengan standar

pengecoran FC 25. Dari pori pada permukaan spesimen, pori pada bagian dalam

spesimen dimungkinkan terjadi. Oleh kerena itu, spesimen dalam tugas akhir ini

berjumlah 2 kali lebih banyak dari data akurat yang dipaparkan di atas.

Sebagian besar spesimen uji tarik dan uji lelah memiliki perpatahan di dekat

pengerjaan fillet dimensi spesimen, tersaji pada Gambar 4.10. Hal ini dikarenakan

tegangan sisa hasil pembubutan terdapat pada bagian tersebut. Ada spesimen uji

lelah yang kurang center pada pengerjaan pembubutan. Hal ini memperkecil umur

lelah, sehingga adanya data spesimen yang tidak seragam dengan material lain

yang tidak dimasukkan sebagai data pengujian lelah.

Kandungan Si mempengaruhi warna spesimen. Spesimen yang memiliki

komposisi Si lebih banyak berwarna lebih terang, tersaji pada Gambar 4.10.a. Hal

ini sama seperti saat di dalam tungku peleburan, kandungan Si selama peleburan

besi cor kelabu lebih bercahaya.

Gambar 4. 10 (a) patahan spesimen uji tarik berkomposisi 3,8% Si (b) patahan

spesimen uji lelah berkomposisi 2,9% Si

(a

)

(b

)

Pori

Pori


66

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari penelitian yang dilakukan terhadap kekuatan lelah besi cor kelabu

berkomposisi 2,9% Si dan 3,8% Si, maka diperoleh beberapa kesimpulan antara

lain:

1. FC 25 berkomposisi 2,9% Si menunjukkan morfologi grafit tipe–A

sedangkan FC 25 berkomposisi 3,8% Si menunjukkan morfologi grafit

tipe–A dengan sedikit berkecenderungan kepada grafit tipe–B. Permukaan

besi cor kelabu terdiri dari fase perlit, fase sementit, dan grafit. Komposisi

2,9% Si menunjukkan fase sementit yang lebih banyak dibandingkan

komposisi 3,8% Si. Pori terdapat pada struktur mikro kedua komposisi.

2. Komposisi Si yang lebih tinggi mempengaruhi sifat mekanis besi cor

kelabu, antar lain: kekerasan meningkat sebesar 7,6% menjadi 187,9

BHS, kekuatan tarik meningkat sebesar 1,3% menjadi 153,6 MPa,

modulus elastisitas meningkat sebesar 1% menjadi 242,4 MPa, dan batas

lelah meningkat sebesar 10% menjadi 0,55 rasio kekuatan tarik.

5.2. Saran

Agar diperoleh hasil yang lebih maksimal, maka beberapa saran yang baik

untuk dilakukan antara lain:

1. Memberikan ulir pada bagian spesimen yang dicengkram oleh grip,

sehingga tidak terjadi penambahan regangan akibat spesimen tergelincir

atau slip.

2. Menambah spesimen uji lelah, sehingga data yang dihasilkan lebih

banyak.


67

REFERENSI

Amstead, B.H., Philip F. Ostwaid, dan Myron L.Begeman. 1993. Teknologi

Mekanik Jilid 1. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Bannantine, J. A., Jess J. C., dan James L. H. 1989. Fundamentals of Metal

Fatigue Analysis. Englewood Cliffs: New Jersey.

Basuki, A., Rochim S., dan Tata S. 1986. PEMBUATAN BESI COR

NODULAR DAN METODA OPTlMASlNYA. Jurnal Mesin ITB Vol 5,

No 1 & 2.

Callister, W. D. 2007. Materials Science and Engineering. John Wiley & Sons,

Inc: USA.

Dieter, G. E. 1993. Metalurgi Mekanik. (Jilid 1). Terjemahan oleh: Sriati Djaprie.

Jakarta: Penerbit Erlangga.

Dieter, G. E. 1992. Metalurgi Mekanik. (Jilid 2). Terjemahan oleh: Sriati Djaprie.

Jakarta: Penerbit Erlangga.

Edalati K., F. Akhlaghi, dan M. Nili-Ahmadabadi. 2004. Influence of SiC and

FeSi addition on the characteristics of gray cast iron melts poured at

different temperatures. Journal of Materials Processing Technology 160

(2005) 183–187. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.06.007.

Ferro, P, P.Lazzarin, dan F. Berto. 2012. Fatigue properties of ductile cast iron

containing chunky graphite. Vol. 554, 30 September 2012, Pages 122-128.

http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2012.06.024

Kalpakjian, S., and Steven R.S. 2013. Manufacturing Engineering and

Technology. Pearson Publications: Singapore.

Larbi, K.K. 2010. Tesis berjudul “Synthesis of High Purity Silicon from Rice

Husks”. Department of Materials Science and Engineering. University of

Toronto.

Martienssen, M., dan H. Warliomont. 2005. Springer Handbook of Condensed

Matter and Materials Data. Germany: Springer Berlin Heidelberg.

Pearce,J.M, dkk. 2007. Optimization of Open-Circuit Voltage in Amorphous

Silicium Solar Cells with Mixed Phase (Amorphous + Nanocrystalline) p-

Type, Journal of Applied Physics 101, 114301.

http://dx.doi.org/10.1063/1.2714507.


http://journals.itb.ac.id/index.php/jtms/issue/view/470

http://journals.itb.ac.id/index.php/jtms/issue/view/470

https://www.sciencedirect.com/science/journal/09215093/554/supp/C

68

Smallman, R. E., dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa

Material. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Surdia, T. dan Saito, S. 2005. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: Pradnya

Pramita.

Vlack, L. H. V. 1991. Ilmu dan Teknologi Bahan (Ilmu Logam dan Bukan

Logam). Terjemahan oleh: Sriati Djaprie. Penerbit Erlangga: Jakarta.

Willidal. Th, W. Bauer, dan P. Schumacher. 2005. Stress/strain behaviour and

fatigue limit of grey cast iron. Materials Science and Engineering A 413–

414 (2005) 578–582. doi:10.1016/j.msea.2005.08.200.

Xue, W. dan Yan Li. 2016. Pretreatments of gray cast iron with different

inoculants. Journal of Alloys and Compounds S 0925 – 8388 (16) 32085 –

0. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.07.052


69

LAMPIRAN


70


pengaruh komposisi 2,9% dan 3,8% silisium ...pengaruh komposisi 2,9% dan 3,8% silisium terhadap...

Documents