Optimalisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (lwanSetyadi)

OPTIMALlSASI PENCAPAIAN TARGET KOMPOSISI PADAPEMBUATAN BAJA SKD 61 MELALUI PENGGUNAAN

SCRAP BESI COR

Iwan Setyadi

Pusat Teknologi Industri Proses,Deputi Teknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa

BPPT

Abstract

Until at the moment, the tool steel especially SKD 61 is importproduct that made by steel making processes, so its price is enoughexpensive. Indonesia has some small industries (IKM) center of casting;ones potential of them is in eeper-Klaten.

In the frame of IKM improvement, it had developed processtechnology to make tool steel (SKD 61) by foundry processes. Theaccurate material balance design with using return product of IKM (ironcasting scrap) has been success to make tool steel SKD 61 that suitablewith SKD 61 chemical composition standard from JIS. Using iron castingscrap is better than using pure carbon material (carburizer), especially forcarbon percentage target achievement.

Kata kunci : Optimalisasi, baja SKD 61, scrap besi cor

PENDAHULUAN

Salah satu jenis baja paduan yangbanyak digunakan dalam industri manufakturadalah jenis baja perkakas (tool steel). Bajaini dalam implementasinya digunakan untukcetakan (dies) atau pahat (tools) seperti padadie casting, plastic injection, press maupuntempa, dan deep drawing.

Baja perkakas mempunyai karakteristikkhusus antara lain tahan terhadap abrasi,tahan terhadap beban kejut, tahan terhadaptemperatur tinggi, tahan terhadap distorsi danmempunyai kemampuan memotong yangtinggi.

Karena baja perkakas juga masuk kedalam kelompok baja spesial, makaharganya pun lebih mahal dibandingkandengan baja karbon biasa, yaitu 2-9 kaliharga baja karbon. Hal disebabkan karenabahan baku pembentuk baja tersebut jugamenggunakan unsur paduan yang cukupmahal seperti chrom (er), molybdenum (Mo)dan proses teknologinyan lebih komplek .Disamping itu sampai saat ini pasokan bajaperkakas di Indonesia hampir seluruhnyamasih impor.

Salah satu jenis tool steel yang banyakdipakai oleh industri manufaktur adalah jenisSKD 61 (JIS) atau H13 (AISI) untuk aplikasipada die casting maupun pada prosesISSN 1410-3680

penempaan (forging). Pada prosesmanufaktur tersebut, jenis baja ini digunakanuntuk cetakan (dies). Baja ini memilikikekuatan & ketangguhan serta sifatkekerasan yang baik dan juga cocok untukproses pengerjaan panas (hot working).

Sebagai upaya mengembangkan produksubsitusi impor dan sekaligusmemberdayakan industri kecil pengecoran,maka telah dilakukan penelitian danpengembangan produk baja cor yang setaradengan baja SKD 61 yang memanfaatkanbahan baku srap dan unsur paduan lainnya.

Dalam tulisan ini dibahas upayapenelitian dan pengembangan yang terkaitoptimalisasi pencapaian target komposisi(khususnya kadar karbon) dalam pembuatan

.......baja cor yang setara dengan baja SKD 61dengan menggunakan scrap besi cormenggantikan material karbon murni(carburizer), terutama dalam hal pencapainkandungan karbon (e).

TINJAUAN PUST AKA DAN METODE

Tinjauan PustakaBaja Perkakas Tahan Panas

Baja perkakas tahan panas (hot work toolsteel) dikembangkan untuk memenuhi

1

M.P.I. Vol.1 NO.3.Desember 2007. 1 - 7

kebutuhan operasi manufaktur yangmelibatkan kombinasi panas. tekan danabrasi. Kandungan utamanya adalah karbon,yang memiliki prosentase karbon tingkatmedium (0,35-0,45%). Kandungan lain yangmembantu pemenuhan sifat-sifat yangdiminta adalah chromium (Cr), tungsten (W),molybdenum (Mo) dan vanadium (V) yangjumlah keseluruhannya sekitar 6-25%.

Baja ini memiliki red hardness yang baikdan akan tetap memiliki kekerasan yangtinggi (- 50 HRC) setelah sekian lamaberada pad a temperatur 500 - 550 QC. Limapersen krom yang bergabung dengan silikonmemberikan perlindungan terhadap oksidasipad a kondisi tersebut.

Aplikasi untuk : hot work tool steeldiantaranya sebagai bahan baku komponen(part) untuk die casting atau ekstrusialuminium dan magnesium, plastic injectionmolding, compression and transfer maId.Adapun jenis yang paling ban yak digunakansebagai material cetakan adalah tipecromium hot work tool steel, khususnya H13(AISI) yang setara dengan SKD-61 (JIS).

Komposisi Kimia Standar JIS Untuk SKD61

Salah satu standarisasi material jenislogam~ang banyak digunakan dalam industriadalah JIS (Japan Industrial Standart),disamping standar lain seperti AISI(American Iron and Steel Institute).

Tabel1.Komposisi Kimia SKD 61

Berdasarkan JIS

Komposisi %

C 0,32 - 0,42

Si 0,80 - 1,20

Mn Max.0,5

P Max.0,03

S Max.0,03

Cr 4,50 - 5,50

Mo 1,00-1,50

V 0,80 - 1,20

JIS mengeluarkan standarisasi komposisikimia untuk jenis baja cetakan tahan panasSKD 61 dalam batasan interval komposisiyang cukup berarti, sehingga dalampembuatannya ada fleksibilitas. Pada Tabel 1berikut dapat dilihat prosentase komposisi

2

kimia yang disyaratkan oleh JIS untuk SKD61.

Bahan dan Metode

Pemilihan Alat Bahan Baku1. Steel scrap. Carburizr &Paduan2.Steel scrap. Return

FCD Scrap. & Paduan

Perancangan MaterialBalance SKD 61

-Uji Komposisi

Gambar 1.Metode Penelitian

Sesuai dengan skema yang terdapatpada Gambar 1, tahapan penelitian yangdilakukan untuk membuat produk baja corsetara SKD 61, adalah sebagai berikut :a) Pemilihan bahan baku yang akan dilebur.

Bahan baku yang digunakan sebagianbesar sama, yaitu scrap baja dan unsurpaduan yang berupa Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-V, dan Fe-Mo.Sedangkan bahan baku yang berbedaadalah bahan baku pembentuk kadarkarbon dalam baja, dalam hal ini:« Alternatif pertama dengan carburizer

(berupa serbuk karbon 90%).« Alternatif kedua dengan scrap besi

cor nodular (FCD scap).b) Uji Komposisi.

Uji komposisi dilakukan terhadap bahanbaku yang akan digunakan. Komposisikimia yang benar akan mempermudahpenyusunan material balance.

ISSN 1410-3680

Optimalisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (IwanSetyadi)

c) Pengelompokan bahan baku.Pengelompokan bahan baku didasaripad a hasil uji komposisi kimia.Pengelompokan ditujukan untukmempermudah dan menghindarikeraguan dalam proses charging.

d) Perancangan material balanceKapasitas tungku induksi yang digunakandalam perancangan ini adalah 290 kg.Sedangkan looses yang dimaksudmeliputi looses cairan dan looses unsurpaduan.Komposisi target harus ditentukanterlebih dahulu guna mendapatkanperhitungan analisa komposisi lade!.Sedangkan perhitungan awal dimulai dariunsur paduan dengan target komposisiyang paling besar. Disamping itu hasilperhitungan analisa komposisi ladelharus berada dalam batasan intervalprosentase yang disyaratkan olehstandar JIS untuk SKD 61.

e) Proses peleburan.Karakteristik tungku induksi yang akandigunakan dan ketersediaan energi listrikyang ada menjadi perhatian dalamproses peleburan . Penimbangan berat

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil

a) Produk Hasil Pengecoran

bahan baku yang sesuai denganperhitungan material balance sebelumcharging juga merupakan salah satufaktor yang sangat menentukan.Dilakukan 2 kali proses peleburan.Peleburan pertama menggunakanmaterial karbon murni (carburizer),sedangkan peleburan kedua denganmenggunakan scrap besi cor nodulardisamping bahan baku lainnya.

f) Pengujian komposisiSetelah semua bahan baku lebur dansebelum proses penuangan (tapping),dilakukan uji komposisi cairan. Perananuji komposisi di sini sangat penting untukmembuktikan kesesuaian perancanganmaterial balance dengan komposisicairan yang dibuat.

g) AnalisisAnalisa yang dilakukan ditekankan padapencapaian target komposisi kimia yangsesuai dengan standar SKD 61 danbagaimana hubungannya dengan keduajenis bahan baku yang digunakan.

(a) (b)

Gambar 2.Foto Produk Hasil Pengecoran

(a) Berupa Bakalan Berbahan Baku Carburizer,(b) Berupa Prototipe Plunger Sleeve Berbahan Baku Scrap Besi Cor

ISSN 1410-3680 3

M.P.I. Vol.t NO.3. Desember 2007, 1 - 7

b) Hasil Uji Komposisi Kimia Bahan Baku

Tabel2.Komposisi Kimia

Nama Komposisi Kimia (%)

Material C Si Mn P S Cr Mo V

Steel Scrap BK 2 0.036 0.050 0.209 0.013 0.009 0.015 0.003 0.001

Ret. Scrap (FCD) 3.596 1.237 0.291 0.011 0.002 0.030 0.013 0.002

Carburizer 90.000

Fe Mn HC 6.500 1.000 65.000 0.400 0.020

Fe Mn LC 0.457 67.000

Fe Si 0.120 70.000

Fe Mo LC 0.120 65.000

Fe Cr He 7.000 1.500 0.040 0.015 65.000

Fe Cr LC 0.640 70.000

FeV 0.200 75.000

Nickel

Copper

CaSi 0.100 55.000

c) Material Balance SKD 61 (Menggunakan Carburizer)

Tabel3.Material balance SKD 61 (menggunakan carburizer)

Noma Berat Komposisi Kimia (%)Material % Kg C Si Mn P S Cr Mo V

Steel Scrap 88.049 255.341 0.032 0.044 0.184 0.011 0.008 0.013 0.003 0.001ReI. Scrap (FCD) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Carburizer 0.328 0.950 0.295 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Fe Mn LC 0.492 1.428 0.002 0.000 0.330 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Fe Si 1.138 3.300 0.001 0.797 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Fe Mo LC 1.838 5.331 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.195 0.000Fe Cr LC 6.828 19.800 0.044 0.000 0.000 0.000 0.000 4.779 0.000 0.000FeV 1.328 3.850 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.996

Total 100.000 290.000 0.379 0.841 0.514 0.011 0.008 4.793 1.198 0.997

Losses cairan 3.000 8.700

Estimate Losses-10.000 -5.000 -10.000 -0.500 -0.500 -5.000 -5.000 -5.000unsur

Total-0.038 -0.042 -0.051 0.000 0.000 -0.240 -0.060 -0.050

lossesLadle 0.341 0.799 0.463 0.011 0.008 4.553 1.138 0.947Analysis

Foundry 0.340 0.800 0.500 0.030 0.030 5.000 1.250 1.000Target max. max. max.

JIS 281.300 0.320 0.800 0.500 0.030 0.030 4.500 1.000 0.800Target 0.420 1.200 mox. mox. mox. 5.500 1.500 1.200

4 ISSN 1410-3680

Optimalisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (IwanSetyadi)

d) Material Balance SKD 61 (Menggunakan FCD scrap)

Tabel4.Material Balance SKD 61 (menggunakan FCD scrap)

Nama Berat Komposisi Kimia (%)Material % Kg C Si Mn P S Cr Mo V

Steel Scrap 80.078 232.225 0.029 0,040 0.167 0.010 0.007 0.012 0.002 0.001

Re!. Scrap (FCD) 8.791 25.495 0.316 0.109 0.026 0.001 0.000 0.003 0.001 0.000

Fe Si 1.138 3.300 0.001 0.797 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Fe Mo LC 1.838 5.330 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.195 0.000

Fe Cr LC 6.828 19.800 0.044 0.000 0.000 0.000 0.000 4.779 0.000 0.000

FeV 1.328 3.850 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.996

Totol 100.000 290.000 0.395 0.945 0.193 0.011 0.007 4.794 1.198 0.997

Losses cairan 3.000 8.700

Estimate Losses-10.000 -5.000 -10.000 -0.500 -0.500 -5.000 -5.000 -5.000

unsurTotal

-0.039 -0.047 -0.019 0.000 0.000 -0.240 -0.060 -0.050losses

Ladle 0.355 0.898 0.174 0.011 0.007 4.554 1.138 0.947Analysis

Foundry 0.340 0.800 0.500 0.030 0.030 5.000 1.250 1.000Target max. max. max.

JIS 281.300 0.320 0.800 0.500 0.030 0.030 4.500 1.000 0.800Target 0.420 1.200 mox. mox. mox. 5.500 1.500 1.200

Tabel5.Hasil Uji Komposisi Kimia Cairan Bakalan SKD 61 Yang Dibuat dan Perbandingannya

Dengan Standar JIS beserta Ladel Analysis

Nama Komposisi Kimia ("la)

Material C Si Mn P S Cr Mo V

Bakalan SKD61 0.289 0.77 0.484 0.0165 0.0153 5.25 1.35 0.954(Carburizer)

Ladel Analisis 0.341 0.99 0.463 0.011 0.008 4.553 1.138 0.947-c.,

Bakalan SKD61 0.41 0.87 0.17 0.025 0.001 4.69 1.15 0.99(FCD Scrap)

Ladel Analisis 0.355 0.898 0.174 0.011 0.007 4.554 1.138 0.947

SKD 61 (JIS) 0,32 - 0,42 0,80 - 1,20 Max.0,5 Max.0,03 Max.0,03 4,50 - 5,50 1,00-1,50 0,80 - 1,20

Pembahasan

Banyak faktor yang mempengaruikualitas produk cor jenis baja perkakassetara dengan SKD 61. Mulai dari kualitasbahan baku yang telah diuji komposisi

kimianya, perancangan material balanceserta prosedur pelaksanaan (SOP)peleburan dan penuangan.

Dalam riset yang telah dilakukan,semua prosedur yang meliputi pengujiankomposisi kimia bahan baku (Ta bel 2) dan

ISSN 1410-3680 5

M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007, 1 - 7

perancangan material balance (Tabel 3 & 4)telah dilaksanakan sesuai prosedur. Padariset ini yang diteliti adalah perbandingankualitas produk cor setara SKD 61 yangdibuat dengan menggunakan carburizermaupun menggunakan besi cor skrap (FCDscrap), terutama terkait dengan pencapaiankomposisi kimia khususnya kandungankarbon (C).

Dari hasil riset terlihat bahwa pengaruhpenggunaan jenis bahan baku ikut berperandalam pencapaian target komposisi kimiaproduk cor yang dihasilkan, disamping faktorlain, seperti keakuratan komposisi materialbahan baku itu sendiri.

Dalam pembuatan baja perkakas corsetara SKD 61 (JIS), diketahui bahwapengunaan FCD scrap lebih baikdibandingkan dengan carburizer sebagaibahan baku utama pembentuk kandungankarbon, dengan catatan bahwa komposisikimia masing-masing bahan baku telah diujidan perancangan material balance telahdilakukan dengan benar.

6

I:.•~ 3

""I:.•~2

·o~~--~~~~~~~~~\ C·SiMl PS CrMoV

• / Komposisi Kimia

Gambar 3.Grafik Komposisi Kimia

Produk Baja Perkakas Cor(Pakai Carburizer, Pakai FCD'Scrap, dan

standar minimum JIS)

Dari Tabel 5 dan Gambar 3 diketahui bahwapenggunaan FCD scrap dapat mencapaikandungan karbon sebesar 0,41 % yangberarti masuk interval kandungan karbonyang disyaratkan JIS yang berkisar 0,32 -0,42%. Capaian inipun melebihi ladelanalisis (hasil rancangan material balance)yang hanya 0,355%. Sedangkan bilamenggunakan karburizer capaian karbonyang diperoleh hanya 0,289 %. Capaian ini

6

lebih rendah 0,031% dari syarat minimumkandungan C yang dikeluarkan oleh JIS danjuga tidak mencapai rancangan materialbalance (Iadel amalisis) yang dibuat yaitusebesar 0,341% C. Sementara itu capaianunsur kimia yang lain dapat dipenuhi olehkedua jenis bahan baku, FCD scrapmaupun carburizer. Semua dapat dilihatjelas pad a Tabel 5 dan Gambar 3.

Tidak tercapainya target kandungankarbon yang dihasilkan dari bahan bakucarburizer diduga adanya looses karbonpada saat proses peleburan/chargingberlangsung. Penambahan carburizer (90%C) pada saat temperatur yang tinggi,menyebabkan ada karbon yang hilangkarena sebagian habis terbakar. Oleh karenajumlah keseluruhan material tetapsedangkan ada sebagian karbon yangterbakar, sehingga menyebabkan ada unsurlain yang prosentase jumlahnya mengalamikenaikan.

Kejadian akan berbeda kalaumenggunakan besi cor skrap (FCD scrap).Karbon yang digunakan bukan karbon murnitetapi berupa grafit yang terselubung didalam besi cor itu sendiri, sehingga efeklooses karena terbakar pada saat chargingdapat dihindari

Secara umum capaian kandungankarbon akan mempengaruhi nilai kekerasan(hardness) produk cor. Apabila targetcapaian komposisi karbon as-cast bajasetara SKD 61 tidak terpenuhi, maka targetnilai kekerasannyapun tidak akan pernahoptimal didapat, walaupun dalam keadaantelah dilakukan proses laku pan ashardening & tempering.

KESIMPULAN

• Kualitas produk baja perkakas setara-... SKD 61 ditentukan oleh bahan baku

yang telah diuji komposisi kimianya,perancangan material balance sertaprosedur pelaksanaan (SOP) peleburandan penuangan.

• Penggunaan besi cor skrap (FCD scrap)dalam pembuatan baja perkakas setaraSKD 61 terbukti optimal dalammemenuhi target kandungan karbonsesuai standar JIS dibandingkanmenggunakan carburizer.

ISSN 1410-3680

Optima.lisasi Pencapaian Target Komposisi Pada Pembuatan Baja SKD 61 Melalui Penggunaan Scrap Besi Cor, (IwanSetyadi)

DAFTAR PUST AKA RIWAYAT PENULlS

1. Mangonon,P.L., The Principles ofMaterials Selection for EngineeringDesign, Prentice-Hall International, Inc.,London, 1999.

2. Smith,W.F., Principles of MaterialsScience and Engineering, Third Edition,McGraw-Hill,1997.

3. Kalpakjian,S., ManufacturingEngineering and Technology, Addison-Wesley Publishing Company, Canada,1998

4. . , Alloy Tool Steel,Standardization JIS, 1983

Iwan Setyadi, lahir di Bukittinggi pada 28Oktober 1969. Menamatkan pendidikan S1di ITS Surabaya dalam bidang Teknik Mesin,kekhususan Metalurgi tahun 1993 dan S2 diUniversitas Indonesia dalam bidang TeknikMetalurgi, kekhususan Metalurgi Manufakturtahun 2001. Saat ini bekerja sebagai stafPusat P2TIP, Deputi Teknologi IndustriProses Rancang Bangun dan Rekayasa.Penulis merupakan peneliti utama padakegiatan Program Unggulan PemberdayaanIKM Pengecoran untuk Pengembangan BajaCetakan.

7ISSN 1410-3680