Studi Pengaruh Normalisasi Terhadap Slfat Mekanik don Tegangan S;sa padaBesi Cor Nodular FCD 60( Muhamnuid Hlkam)

STUDI PENGARUH NORMALISASI TERHADAP SIFAT MEKANIKDAN TEGANGAN SISA PADA BESI COR NODULAR FCD 60

Muhammad Hikaml,DonantaDhaneswara1dan NursetiadiPamungkaslIJurusan Fisika FMIPA Universitas Indonesia, Depok 16424

2JurusanMetalurgi Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424

ABSTRAK

STUDI PENGARUH NORMALISASI TERHADAP SIF AT MEKANIK DAN TEGANGAN SISA PADA BESI

COR NODULAR FCD 60. Pads proses pengecoran besi cor nodular FCD 60 ads kemungkinan terjadi tegangan sisa yang tinggi

karena pads saat pendinginan terjadi gradien termal antara permukaan daD inti. Proses normalisasi pads besi cor nodular FCD 60,meliputi pemanasan awal padatemperatur 600 °C dengan penahanan selama 30 men it, untuk menghindari terjadinya cracksebagai akibat temperatur kejut. Kemudian pemanasan austcnisasi pada temperatur 900 °C dengan penahanan selama 60 menit,untuk kemudian dilakukan pending inan di udara terbuka hingga tempcratur kamar. Pengukuran tegangan slsa berdasarkan padsdata difraksi sinar-x pads perubahanjarak bidang kisi yang bersangkutan antara kondisi as cast dengan kondisi hasil normalisasi.Hasil akhir dari penelitian ini memperlihatkan, besi cor nodular FCD 60 dengan perlakuan normalisasi mengalami kenaikan UTS(ultimate tensile strength) dari 76,97 kg/mm2 menjadi 96,55 kg/rom atau sebesar 25,4 %, dan e (regangan) dari 5,46% menjadi7,60% atau sebesar 39,2 % daD kekerasan dari 252 BHN menjadi 275 BHN atau sebesar 9, 1 %, dengan teljadi penurunan tegangan

mikro or sebesar 209,524xlO3 psi dengan nilai renggangan E. sebesarO,Ol2397.

ABSTRACT

STUDY OF THE NORMALIZATION EFFECT TO THE MECHANICAL PROPERTIES AND RESIDUALSTRESS OF NODULAR IRON CAST FCD 60. In the casting process of nodular iron FCD 60, a residual stress could occurin the cooling period due to thermal gradient between the surface and the core. Normalisation process of the nodular iron castincludes pre-heating at 600 °Cheld for 30 minutes to avoid cracking due to abrupt temperature change; followed by austenationheating at 900 °C held for 60 minutes, and finally cooling in open air. Residual stress measurement is conducted base on x-raydiffraction data at the corresponding hkl-planes, measured as cast and after normalisation.. The result shows that the UTS(ultimate tensile strength) of nodular iron cast FCD 60 with normalisation increasedfrom 76.97 kg/mm2to 96.55 kg/mm or about25.4 %, and the strain (e) increased from 5.46%to 7.60% or about 39.2 % while its hardness also increase from 252 BHN to 275BHN or about 9.1 %. And the contrary, the micro stress °y decreased about 209.524x103 psi with strain E.0.012397.

Kata kunci: Strain Mikro, Besi Cor Nodular, XRD

PENDAHULUAN

Besi cor nodular, setelah mengalami austemperdikenal sebagai Austempered Ductile Iron (AD))!I]banyak digunakanuntukmembuatkomponen-komponenkendaraan bermotor seperti pores engkol (crankshaft),katup mesin (valve), juga merupakan komponen-komponen pads bidangkonstruksi,pertanian daDmiliter.Material ini memerlukan sifat-sifat mekanis yang balkseperti kekuatan, keuletan, daDketangguhanyang tinggitanpa harus disertai penurunan kemampuan mesin. Bilahal ini telah dicapai tidak tertutup kemungkinan untukbeberapa waktu mendatang ADI akan dapat menggeserperanan baja. Austenitekarbontinggicukup stabildalamzat ini, sedangkan pads baja austenite SiBSyangterbentuk tidak stabil.

Pads proses pengecoran besi cor nodular FCD 60

ads kemungkinan terjadi tegangan SiBSyang tinggikarena pacta Bast pendinginan terjadi gradien termalantara permukaan daD inti. Tegangan SiBSini aksumerugikan karakteristik mekanik besi cor nodular. Padsmakalabinidilaporkanhasil penelitianteganganSiBSyangterjadi pads besi cor nodular hasil proses pengecoran(as-cast) dibandingkan dengan besi cor nodular setelabmengalami proses perlakuan panas normalisasi.

Untuk tujuan tersebut, telah dilakukan beberapaproses perlakuan daDpengujian sebagai berikut:. Proses perlakuan panas berupa normalisasi dengan

suhu Austenisasi 900 °C dengan waktu taban 60menit , dengan pre-heat pads temperatur 600 °C daDpenahanan selama 30 menit.

. Pengujian tarik standar ASTM A 536-84.

. Pengujian kekerasan mikro dengan metode Vickers(VHN) daDmakro dengan metode Brinnell (BHN).

.."..

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 OktobeT 1999 ISSN 1411-2213

.

.Pengambilan foto mikrostroktur.Pengukuran tegangan sisa (residual stress) denganmetodedifraksi sinar-x

PERCOBAAN

Langkah-langkah dalam penelitian inidilaksanakan dengan mengikuti alur kegiatan sepertidalamGambar I berikutini

Gamba,.1. DiagramaUrpenclitian

Sampel awal yang berupa Y-blok difrais dandibubut untuk mendapatkan bentuk sampel uji yangdiinginkan; masing-masing dibuat sampel uji tariksebanyak 6 buah. sampel uji kekernsan 2 buah dan sampeluji foto mikro sebanyak 2 buah daD sampel pengujiantegangan sisa sebanyak 6 buah.

Sampel pengujian dibuat di LaboratoriumMekanik Politeknik ill, Depokyang terdiri dari sampeluji tarik untuk temperatur ruang berdasarkan standarASlM A536-84, sampelfotomikrodansampelkekerasan.

Karenatidakadadimensiyang merupakanstandarinternasional, maka untuk sampel pengujian kekerasandan foromikropada penelitianini telahdigunakansampelberbentuk kubus dengan ukuran masing-masing rusuk1ern.

Proses Perlakuan Panas [6]

ProsesPerlakuan panas seluruhnya dilakukan dilaboratorium HST dan Metalografi Jurusan MetalurgiFfUI yang meliputiprosesNormalisasidaDpendinginandengan udara terbuka.Prosesperlakuan ini meliputipre-heat hinggatemperatur 600°Cdengan penahanan selama30 meDii, selanjutnya dipanaskan hingga temperatur900°C dengan penahanan selama 60 meDii,kemudiansampel dikeluarkan daTi dapur untuk selanjutnyamengalami pendinginan udara hingga temperatur kamar.

Pengujian Tarik

Pengujian tarik ini dilakukan dengan sampelberdasarkanstandarASTMA.536-84.Mesinuji tarikyangdigunakan adalah mesin uji tarik Galdabini denganspesifikasibebanmaksimum60ton, kecepatanpenarikan

20 mm/min yang terdapat pada LMK PT.PLN(persero),DurenTiga, Kalibata.Penarikan dilakukan sampaibendauji putus. Kekuatan tarik benda dirumuskan sebagaibeban maksimum dibagi dengan luas penampang awalbenda uji.

pa= -

AD

Sedangkan nilai elongasi didapatkan dari petbandinganpanjang gauge length akhir dengan panjang gaugelength awal.

LI - Lae= xlOO%La

Untuk masing-masing sebelum daD sesudahperlakuan panas, sampel uji tarik yang digunakansebanyak3 buah, dengan nilai kekuatan tarik yangdiambil adalah nilai rata-rata dari ketiga sampel uji tariktersebut.

Pengujian kekerasan

Pengujiankekerasandi1akukanda1amduametodeyaitusecaraMikro VickersdanMakro Brinnell.Langkahpertama dalam pengujiankekerasan ini adalah persiapansampel dengan mengamplasnya menggunakan amplas200#,400#,600#, dan 1200#.Proses ini bertujuan agarjejak dari indentor dapat dilihat secara jelas denganmikroskop optik. Setelah itu dilakukan penjejakan padapermukaansampel.

Pengujian kekerasan makro (Brinnell)

Penjejak yang digunakan adalah bola bajadengan diameter (0) 3 rom. Beban yang digunakan187,5kg.

Pengujian Tegangan Sisa

Pengujian tegangan sisa ini dilakukan padalaboratorium XRD Jurusan Metalurgi FfUI. Prosedurpengujian sebagaiberikut:a. Sampelpadapengujianmetodasinal-x ini dibedakan

atas tiga bagian yaitu sampel permukaan sisi atas,sisi kanan, sisi kiri dari material besi cor nodularFCD.(j().

b. Sampel dipasangkan pada sampel holder daDkemudian holder tersebut diletakkan pada mesindifraktometer,dan selanjutnyadilakukanpengukuransinar-x pada selang sudut 28 = 20°sampai80°.

c. Dari pengukuran tersebut kita dapatkan basiltampilan grafik lntensitas vs sudut 28 (file.RD) daDselanjutnya dengan program Rietveld FileConvertion atau dengan program Microsoft PC-APD, akankita dapatkanfile.Dlyangberisikandata-data pada saatpeak yang meliputi nilai-nilai sudut28, d spacing, peak width, Relative Intensitas daDBack Relative Intensitas.

d. Perhitungan micros/rain daDresidual stress denganmenggunakan rumus :

Studi Pengaruh Normali.rasi Terhadap Sifat Mekanik don Tegangan Sisa pada Resi Cor Nodular FCD 60( Muhammad Hikam)

dn - doB = A [9]z uO

disini Szmrupakan regangan mikro, dnada1ahjarak bidangkisi (hkl) dengan tegangan dan do merupakan jarak

bidang kisi (hkl) tanpa tegangan sedangkan,

E dn-docr =- - ( [9]Y v do

disini c:radalah tegangan sisa, E merupakan modulusY

young, daD v adalah Poisson :.rratio

BASIL PENELITIAN

Sifat Mekanik

Data hasil pengujiantarik secaralengkapdisajikandalamTabell.

Tabell. Data pengujian tarik

Keterangan: HTN; Hasil perlakuan panas normalisasi

Kekuatan Tarik maksimum (Ultimate Tensile Strenf!th)

Kekuatan tarik maksimum dari masing-masing

sampel besi cor nodular FCD -60 hasil perlakuan panasnonnalisasi dalam penelitian ini lebih tinggi dibandingkanpadakondisi as-cast.

Secara terperinci, nilai UTSmtaoratabesi cor nodularFCD-60 basil nonnalisasi =96,55 kglmm2 sedangkan pada

kondisi ascast = 76,97 kglmm2.Jadibesarnyakenaikankekuatan tarik maksimum besi cor nodular basilnormalisasi pada penelitian ini adalah sebesar 25,4%dibandingkan kondisi as cast.

UllmoteT SlrongthBTNFCCeo

::'

IIAscast D/'bmtilasi I

Gambar 2. Diagram batang kekuatan tarik maksimumBTN FCD-60

Kenaikan nilai kekuatan tarik maksimumbesicornodular basil normalisasi pada penelitian ini terutamadisebabkanolehadanya perbaikan secara mikrostruktur,dalam hat ini adalah dengan adanya penghalusan perlitdaD jarak antara lamel perlit yang lebih rap at,dibandingkan pada kondisi cor.

Dengan semakin halus pettit yang terbentuk daDsemakin rapat jarak antara lamel pettit, maka akan semakintinggi nilai kekuatan tarik [7],dikarenakan pergerakan-pergerakan dislokasi yang besar alan terhambat.

ElongC!§l

Elongasi besi cor nodular FCD-60 mempunyaihubungan berbanding lurus dengan kekuatan tarikmaksimumnya. Sebagaimana dapat dilihat padaGambar 3, nilai elongasi untuk ketiga sampel besi corSecara terperinci, elollgasi besi cor nodular basilnormalisasi = 7,60% , sedangkan pada kondisi as cast =5,46%. Jadi persentase kenaikan elongasinya adalahsebesar 39,2% dibandingkan kondisi as cast. Nodularhasil normalisasi lebih tinggi dibandingkan kondisi ascast.

.;;;

~:Ko~UJ

10.00%,

5.00%,.

Gambar 3. Diagram batang elongasi BTN FCD-60

Kekerasan

a. Kekerasan Mikro

Kekerasan mikro ini bertujuan untuk mengetahuikekerasan matriks dari besi cor nodular tanpa terpengaruhkekerasan grafit. Secara umum kekerasan rnikro besi cornodular basil perlakuan panas normalisasi meningkatdibandingkan pada kondisi as cast, kecuali pada titik xlgambar kekerasan mikro basil perlakuan nonnalisasi lebihrendah dibandingkan kondisi as cast. Titik x I,x2,x3, daDx4 (hingga kedalaman 5 mm dari permukaan) pada gambartersebut menunjukkan urutanjarak daTipermukaan yaituxl sebagaijarakyangterdekathinggax4 merupakanjarakyang terjauh.

b. Kekerasan Makro

Nilai kekerasan makro inilah yang menggambarkan

nilai kekerasan sesungguhnya daTibesi cor nodular. Padapenelitian ini, secara keseluruhan titik pada sampel yangdiambil nilai kekerasannya (Gambar 5), menunjukkkan

peningkatan yang cukup berarti untuk nilai kekerasanbesi cor nodular basil normalisasi di bandingkan dengan

pada kondisi as cast.

Sampel UTS UTS... Elongasi Elongasi.",

(Kglmm2) (Kglmm2) (%) (%)

As Cast I 76,98 6,40

As Cart2 76,67 76,97 4,20 5,46

As Cast 3 77,26 5,80

JITN 1 94,39 6,50

JITN2 89,54 92,55 7,20 7,60

JITN3 93,73 9,10

Studi Pengaruh Normalisasi Terhadap Sifat Mekallik dun Tegangan Sisa pada Besi Cor Nodular FCD 60(Muhammad Hikam)

Foto mikrostruktur BTNFCD-60.Etsa . M= 500 X.

Foto inilah yang merupakan penampakan basilnormalisasi besi cor nodular yang terpenting padapenelitian ini. Pada kondisi as cast terlihatmatriks perlitdengan jarak lamel-Iamel sementit yang besar, clanpersentase refityang cukup besar,termasukyang bera~adiantara lamel-Iamel sementit dalam perlit. Sedangkahpada kondisi basil normalisasi terlihat matriks perli~mendominasi seluruh mikrostruktur besi cor nodular, ,dengan refit berada pada sekitar batas butir (atmosfer)perlit (feritproeutectoid [ID.Padabasilnormalisasiinilahjarak antar lamel sementit semakin rapat (perlit semakinhalus), sebagai akibat kenaikan persentase' sementitdalam perlit. Peningkatan kehalusan perlit ini besarkemungkinannya disebabkan oleh penambahan unsurSn kedalam besi cor [2]. Disamping itu penambahan Snjuga akan mencegah proses pembentukan refit disekitargrafit[3]sebagaimana tidak tampaknya refit padasekitargrafit dalam fotomikrostruktur.

Gambar 6. Foto mikrostruktur 8TN FCD 60 etsa nital2%, pembesaran 500x

Foto mikrostruktur bagian tepi. Etsa NitaI2%. Perbesaran200 X

Foto ini adalah merupakan foto bagian tepi besicor nodular basil normalisasi dengan sebuah bekaspenjejak piramid (metoda Vickers). Dari fotomikrostruktur terlihat bahwa, pada daerah tepi tersebutpersentasematriksrefitsangatbesardibandingkanmatriksperlit, sehingga kekerasan mikro yang dihasilkan padadaerah ini(matriksini) lebihrendahdibandingkandengankekerasan mikro pada daerah yang lebih dalam(persentaseperlit yang sangattinggi). Terbentuknyarefitpada permukaan ini sangat besar kemungkinandisebabkan oleh adanya unsur Sn sehingga refit tidakterbentuk disekitar grafit [3],disamping itujuga terdapatkemungkinan terdesaknya refit dalam perlit, sebagaiakibat rapatnya jarak antar lamel sementit pada perlit.Ferit yang terdesak ini pada saat pendinginan akanmenujuke permukaan material.

Tegangan Sisa

Tegangan sisa dihitung dengan menggunakan

perumusanmengenai regangaitmikro:

I. Ez= dn- d,/ d" (reganganmikroarabz)\2. cr =- £Iv. (d - d / d) (tegangan arab Y= arab x,\ y n (} (}

padatan isotropik [4] )

Dengan nilai-nilai modulus Young E = 169 Gpa(2~5xI06 psi) danpoisson 's ratio v= 0,29, didapat dari E

=2G(/+v)standar nSG5502tahun 1972,menggunakankeel blocks 25 mill.

Teg@gan sisa sisi atas

Dari data dalam Tabel 4. didapatkan crysisi atas<XI adalah sebesar - 0,2093 I x 106 psi clan cr sisi atas <x2y

sebesar -O,209368x I06 psi. Sehingga nilai rata-rataperubahan tegangilO sisa sisi alas sebesar -0,209339x106 psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilaitegangan sisa sesudah normalisasi mengalami,penurunan). Jadi nilai tegangan sisa sisi atas pada besicor basil normalisasi mengalami penurunandibandingkankondisi as-cast sebesar 209,339x IOJpsi.

Table 4. Data tegangan sisa sisi alas

Keterangan: AC =As cast, HTN = hasil perlakuan panasnormalisasi. Nilai rata-rata Ez = 0,012387

Teg@gan sisa sisi kanan

Dari data dalam Tabel5. diatas kita dapatkan crsisi kanan <xladalah sebesar - 0,20925x106 psi daDd'sisi kanan <x2sebesar-0,2 I0546x 106psi. y

Sehingga akan kita dapatkan nilai rata-rataperubahan tegangan sisa sisi kanan sebesar -0,209898x1O6psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilaitegangan sisa sesudah normalisasi mengalamipenurunan). Jadi nilai tegangan sisa sisi kanan pada besicor basil normalisasi mengalami penurunandibandingkankondisi as-cast sebesar 209,898x I03psi.

Teg@gan sisa sisi kiri

Dari data dalam Tabel 6 diatas kita dapatkan crysisi kiri <xI adalah sebesar - 0,209 I 04x 106psi clan cr sisiykiri <x2sebesar -0, 209566x I06psi.

Sehingga akan kita dapatkan nilai rata-rata

139

&" CT.1 (10. psi) &, CT.2 (10. psi)

0.002493 -0.2107 0.002506 -0.21175

0.002463 -0.20811 0.002464 -0.20817

0.002457 -0.20763 0.002482 -0.20976

0.002504 -0.21159 0.002478 -0.20941

0.002468 -0.20852 0.002459 -0.20775

;.~~

f It,IPros/ding Pertemuan IlmJah IlnUl Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99

Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

Tabel 5. Data tegangan sisa sisi kanan

Nilai rata-rata E,= 0,0 [242

perubahan tegangan sisa sisi kiri sebesar -0,2093 35xl 06psi. (tanda - menunjukkan bahwa nilai tegangan sisasesudah normalisasi mengalami penurunan). Jadi nilaitegangan sisa sisi kiri pacta besi cor basil normalisasimengalami penurunan dibandingkan kondisi as-castsebesar209,335x 103psi.

Tabel 6. Data tegangan sisa sisi kiri

Nilai rata-rata E, = 0,0[23865

KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan terhadapkarakteristik mekanik clan tegangan sisa pactabesi cornodular FCD 60 basil normalisasi, didapat beberapakesimpulan :1. Perlakuan panas normalisasi pactabesi cor nodular

FCD60 akanmeningkatkankekuatantarikmaksimumsebesar25,4%,yaitudartkondisias ~astUTS= 76,97kg/mm2 menjadi UTS = 96,55 kg/mm2 setelahnormalisasi.

2. Elongasi besi cor nodular FCD 60 akan meningkatsebesar 39,2% setelah mengalami normalisasi,dimana pactakondisi as cast e = 5,46 % menjadi e =7,60 % pactakondisi basil normalisasi.

3. Kekerasanbesicor nodular FCD60 akan meningkatsebesar 9, I % setelah mengalami normalisasi darikondisi as cast kekerasan awal 252 BHN menjadi275 BHN pactakondisi normalisasi.

4. Perlakuan panas normalisasi pactabesi cor nodularFCD 60 akan menyebabkan penurunan tegangansisa sebesar 209,524x1O3 psi (147,344 kg/mm2)dibandingkan pacta kondisi as cast, dimana nilai

~ ~...

penurunan tegangan sisa tersebut merupakan faktorterbesar terjadinya peningkatan UTS sebesar 25,4% clan e sebesar 39,2 %.

DAFT AR ACUAN

[l]. AVNER, S.H., Introduction to Physical Metallurgy,McGraw-Hili International Editions, Singapore, 1974.

[2]. ELWOOD, E.C., Tin Effect on Structure andProperties on Flat and Nodular Cast Iron, AFSTransaction, 1959

[3]. HUGHES, I.C.H., Ductile Iron, BCIRA International

Centre for Metal Technology, UK, 1979[4]. PC-APD Manual Book, Philips Analytical X-ray,

1990

[5]. PEARCE, J.G., clanBROMAGE, K., Copper in CastIron, Copper Development Association, Hutchinson& Co, London, 1964

[6]. RUNDMAN, K., Heat Treating of Ductile Iron, ASMHandbook Vol. 4., Ohio, 1978

[7]. SMALLMAN, R.E., Metalurgi Fisik Modern, Edisi. keempat, PT. Gramedia, Jakarta, 1985

[8]. LAUB, JR, Cast Austemper Ductile Iron, AdvancedCast Products Inc, Meadville, Pa, 1994

[9]. CULLITY, B. D., Elements oj}f-ray Diffraction, 2ndEdition, Addison-Wesley Se~~s in Metallurgy andMaterials, 1978 .

s, oy1 (10. psi) s, 0".2 (10. psi)

0.002479 -0.2095 0.00247 [ -0.2088

0.002494 -0.2[072 0.00251 [ -0.2[22

0.002482 -0.20975 0.002502 -0.2[ [44

0.002498 -0.2[ 105 0.002478 -0.20941

0.002429 -0.20522 0.002496 -0.2[088

S, 0".1 (10. psi) s, oy 2 (10. psi)

0.002471 -0.20879 0.002488 -0.2[023

0.002513 -0.2[232 0.002457 -0.20758

0.002455 -0.20744 0.002467 -0.2085

0.0025 -0.21128 0.002502 -0.21142

0.002434 -0.20569 0.002486 -0.2101