1

PENGARUH STANNUM (Sn) TERHADAP KEKERASAN DAN

STRUKTUR MIKRO BESI COR NODULAR FCD700-A

(PRODUK CAMSHAFT)

Ir. Sadino, M.T 1, Sigit Tri Wicaksono, S. Si, M. Si

1, Reza Pahlevi

2 1Staff Pengajar Teknik Material dan Metalurgi ITS,

2Mahasiswa Teknik Material dan

Metalurgi ITS e-mail : material@its.ac.id

ABSTRAK

Besi cor nodular merupakan paduan dari besi dan karbon dengan kadar karbon yang

lebih tinggi dari 2,0%, kadar karbon yang biasa digunakan sekitar 2,5 – 4,0 %.

Pengklasifikasian besi cor ditentukan oleh struktur mikronya yang sangat dipengaruhi oleh

kandungan karbon dalam paduan. FCD700A adalah besi cor nodular yang memiliki

kekuatan tarik 700 Mpa dan matriks strukturnya berupa pearlite. Pada aplikasinya FCD700A

digunakan untuk pembuatan camshaft mesin mobil.

Stannum (Sn) adalah salah satu unsur yang digunakan dalam pembuatan besi cor

nodular FCD700A. Stannum memiliki titik cair 231,93 oC dan titik didih 2602 oC. Pengaruh

Sn dalam besi cor nodular adalah sebagai pembentuk matriks pearlite (ASM handbook).

Dari hasil pengujian kekerasan dan struktur mikro pada sampel FCD700A dengan

variasi kadar Sn 0.015%, 0,027%, 0,028%, 0,030%, 0,032% dan 0,034% didapatkan nilai

kekerasan terbesar pada 0,028% Sn sebesar 293 HV dan nilai terkecil pada 0,015% Sn

sebesar 242 HV dengan matriks pearlite pada struktur mikronya.

Kata kunci : besi cor nodular, stannum, pearlite, kekerasan, struktur mikro.

ABSTRACT

Nodular cast iron is an alloy of iron and carbon with a carbon content higher than

2.0%, carbon levels used are about 2.5 - 4.0%. Classification of cast iron is determined by the

microstructure that highly influenced by the carbon content in the alloy. FCD700A is nodular

cast iron which has a tensile strength of 700 Mpa and the matrix structure of pearlite. In the

application, it’s used to manufacture camshaft engine.

Stannum (Sn) is one of the elements used as alloy in the manufacture of nodular cast

iron FCD700A. Stannum have melting point at 231,93 oC and boiling point at 2602 oC. The

influence of Sn in nodular cast iron is a very potent pearlite former (ASM handbook).

From the results of hardness testing and micro structure of the sample FCD700A

with Sn composition variety 0015%, 0.027%, 0.028%, 0.030%, 0.032% and 0.034% obtained

the largest force value at 0.028% Sn of 293 HV and the smallest value at 0.015% Sn for 242

HV with microstructure of pearlite matrix.

Keyword : nodular cast iron, stannum, pearlite, kekerasan, microstructure.

2

1. PENDAHULUAN

Dengan semakin majunya teknologi

industri di Indonesia, penggunaan besi cor

nodular secara umum semakin dibutuhkan

dikalangan industri. Besi cor nodular banyak

digunakan dalam pembuatan komponen

konstruksi (arms, sprockets, tool holder)

maupun komponen otomotif (camshaft,

crankshaft, gear, bosh). Besi cor nodular

memiliki bentuk grafit berupa bola-bola

kecil (nodul), hal ini yang membedakan besi

cor nodular dengan besi cor lainnya serta

sifat mekanik yang dimiliki mendekati baja.

Salah satu jenis dari besi cor nodular adalah

FCD700A yang memiliki kekuatan tarik 700

N/mm2 dan struktur matriksnya berupa

pearlite. Salah satu aplikasi dari FCD700A

adalah camshaft.

Pada penelitian ini digunakan besi

cor nodular FCD700A produk camshaft

dengan kadar Sn 0.025 – 0.035 %. Pengujian

yang akan dilakukan antara lain : pengujian

kekerasan (Hardness) dan pengamatan

struktur mikro dengan menggunakan

miokroskop optik (Metallography). Dengan

dilakukannya penelitian ini, diharapkan

dapat diketahui pengaruh dari penambahan

Sn terhadap sifat mekanik dan struktur

mikro.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2. 1 Camshaft

Camshaft adalah sebuah alat yang

digunakan dalam mesin torak untuk

menjalankan valve poppet. Dia terdiri dari

batangan silinder. Cam membuka katup

dengan menekannya, atau dengan

mekanisme bantuan lainnya, ketika mereka

berputar. Cara kerjanya, camshaft akan

berotasi didalam mesin secara terus menerus

selama mesin mobil dalam keadaan hidup.

Bentuk camshaft berupa batangan

besi dengan panjang tertentu yang memiliki

bentuk khusus dan terdapat beberapa

tonjolan landai pada badannya yang disebut

camnose. Karena kerja dari camshaft yang

bersinggungan langsung terhadap valve

poppet, maka diperlukan kekerasan yang

tinggi serta sifat tahan aus yang baik.

Sifat mekanik pada camshaft adalah

seperti ditunjukkan oleh Tabel 2.1 berikut:

Table 2. 1 Karakteristik Camshaft

Sifat Mekanik Camshaft

Hardness 209 - 303 BHN

Tensile Strength 700 N/mm2

2.2 Klasifikasi Besi Cor

Pengklasifikasian besi cor

ditentukan oleh struktur metalografinya

yang sangat dipengaruhi oleh kandungan

karbon dalam paduan. Karbon dalam besi

cor dapat berupa sementit (Fe3C) atau

karbon bebas (grafit). Bentuk dan distribusi

grafit akan mempengaruhi sifat fisik dan

mekanik besi cor.

Secara umum besi cor dapat

dikelompokkan berdasarkan keadaan dan

bentuk karbon yang terkandung di dalamnya

menjadi empat golongan adalah sebagai

berikut :

a. Besi tuang putih (white cast iron) dimana seluruh karbon berupa

sementit.

b. Besi tuang mampu tempa

(malleable cast iron), dimana

karbonnya berupa temper karbon,

dengan matriks pearlite dan ferrite.

c. Besi tuang kelabu (grey cast iron),

dimana karbonnya berupa grafit

berbentuk flake (serpih) dengan

matriks ferrite dan pearlite.

d. Besi tuang nodular (nodular cast

iron), diman karbonnya berupa

nodular graphite berbentuk bola

dengan matriks ferrite dan pearlite.

(Avner,1987)

2. 2. 1. Besi Tuang Nodular (Ductile Iron)

Besi tuang nodular didapatkan

dengan menambahkan beberapa unsur

selama proses pembekuan seperti

magnesium ataupun cerium maka dapat

mengubah bentuk dari graphite besi tuang

menjadi bulat (spheroidal). Berubahnya

bentuk graphite dari besi tuang tersebut

3

berpengaruh terhadap sifat mekaniknya.

Dengan bentuk yang lebih spheroidal maka

besi tuang tersebut akan memiliki keuletan

(ductility) 5 sampai 20 kali lebih tinggi jika

dibandingkan besi tuang yang memiliki

graphite berbentuk flake. Besi tuang jenis

ini yang seringkali disebut sebagai Ductile

Iron atau Nodular Cast Iron. Stuktur matriks tergantung pada

komposisi dan laju pendinginan. Matriks

yang terdiri dari ferrit dan sedikit pearlit

dinamakan besi tuang nodular ferritik.

Struktur tersebut memiliki keuletan,

ketangguhan dan machinability paling

tinggi. Struktur matrik yang sebagian besar

terdiri dari pearlite dapat diperoleh dari

normalising dengan temperatur pemanasan

8700C-900

0C kemudian didinginkan dengan

media udara. Besi tuang nodular pearlitic

memiliki kekuatan lebih tinggi daripada

ferritic tetapi keuletannya lebih rendah.

2. 2. 2. Pembekuan pada Besi Cor

Nodular

Pada besi cor nodular pembekuan

grafit nodul dimulai pada temperatur yang

lebih tinggi dari temperatur eutektik

austenite grafit serpih, pada karbon

ekuivalen yang sama. Dalam hal ini grafit

bulat dikelilingi oleh austenit. Sehingga

hanya ada satu fasa (austenit) yang kontak

dengan cairan eutektik.

Pertumbuhan grafit nodul ini

terdapat dua pendapat yaitu :

1. Grafit yang tumbuh karena selalu

mencabang sehingga membentuk

nodul seperti pada Gambar 2.2

dibawah ini:

Gambar 2.8 Grafit nodul akibat percabangan

2. Terbentuk gelembung gas,

kemudian grafit menempati

rongga tersebut. Seperti

ditunjukan pada Gambar 2.3

dibawah ini :

Gambar 2.9 Pertumbuhan grafit nodul dari

gelembung gas

Keterangan :

A. Gelembung gas C. Logam cair

B. Serabut grafit D. Besi yang sudah dipadatkan

2. 3 Stannum

Stannum (Sn) atau yang biasa

disebut dengan timah, biasanya digunakan

tanpa atau dengan paduan lain.

Struktur atom Sn

(http://environmentalchemistry.com/) :

Atomic Radius: 1.72Å

Atomic Volume: 16.3cm3/mol

Covalent Radius: 1.41Å

Cross Section (Thermal Neutron

Capture) a/barns: 0.626

Crystal Structure: Tetragonal

Atomic Mass Average : 118.71

Sifat Mekanik Sn

(http://environmentalchemistry.com/) :

Titik Penguapan : 2543K 2270°C

4118°F

Modulus Elastisitas:

Bulk : 58.2/GPa

Rigidity : 18.4/GPa

Youngs : 49.9/GPa

Heat of Vaporization : 295.8kJ/mol

Titik Cair : 505.21K ; 232.06°C;

449.71°F

Bentuk Fisik (at 20°C & 1atm) : Solid

Fasa yang terbentuk antara Fe

dengan Sn dapat dilihat pada Gambar 2.4

berikut :

4

Gambar 2.4 Diagram Fasa Fe-Sn

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Hasil Percobaan

3.1.1 Hasil Pengujian Komposisi Kimia

Pengamatan hasil pengujian

komposisi kimia digunakan untuk

memastikan komposisi kimia dari spesimen

yang akan diuji dan prosentase Stannum

yang divariasikan pada masing-masing

spesimen.

Hasil pengujian komposisi kimia

pada masing-masing spesimen dengan

prosentase Sn yang berbeda dapat dilihat

pada Tabel 3.1 berikut:

Tabel 3.1 Hasil Pengujian Komposisi Kimia

Setelah melakukan pengujian,

apabila hasil komposisi unsur Sn belum

memenuhi target yang diinginkan maka

perlu ditambahkan unsur tersebut sesuai

perhitungan dibawah:

Penambahan Sn = %Sn x S kg

YR Sn

Dimana,

S = Banyaknya scrap yang

ditambahkan (kg)

YR = Yield Ratio Sn. (80%-85%)

%Sn = prosentase Sn yang

diinginkan.

Sn yang ditambahkan ke dalam

furnace berbentuk butiran dengan

diameter 1- 4 mm dengan

kemurnian diatas 99%.

3.1.2 Hasil Pengujian Kekerasan

Grafik K ekeras an R ata - R ata

243.5

279.825

293 289.8

278.35 276.65

220

240

260

280

300

320

0.015 0.027 0.028 0.03 0.032 0.034

% S n

HV

Gambar 3.1 Grafik kekerasan rata-rata

3.1.3 Hasil Pengujian Struktur Mikro

Pengamatan Struktur mikro

dilakukan untuk memperoleh informasi yang

lebih detail tentang struktur yang ada pada

material dimana kadar Sn yang

ditambahkan bervariasi antara 0.027%;

0.028%; 0.30%; 0.032%; 0.034%.

Pengamatan struktur mikro dilakukan pada

perbesaran 100X terhadap spesimen tanpa

etsa dan specimen yang di-etsa dalam

larutan 4% Nital.

3.1.3.1 Hasil Pengujian Dengan Etsa

Gambar 3.2 Struktur mikro Sn 0.015%,

85% nodularity, 118 pcs/mm2, (M=50X)

Grafit

Pearlite

5

Gambar 3.3 Struktur mikro Sn 0.027%, 85%

nodularity, 180 pcs/mm2, (M=50X)

Gambar 3.4 Struktur mikro Sn 0.028%, 90%

nodularity, 181 pcs/mm2 , (M=50X)

Gambar 3.5 Struktur mikro Sn 0.030%, 85%

nodularity, 192 pcs/mm2 , (M=50X)

Gambar 3.6 Struktur mikro Sn 0.032%, 85%

nodularity, 231 pcs/mm2 , (M=50X)

Gambar 3.7 Struktur mikro Sn 0.034%, 85%

nodularity, 218 pcs/mm2 , (M=50X)

3. 2 Pembahasan

3.2.1 Analisa Komposisi Kimia

Berdasarkan Hasil Pengujian

Komposisi Kimia keenam specimen.

Dengan toleransi standard untuk produk

Camshaft, masing-masing unsur utama

dianggap konstan, kecuali unsur Stannum

yang pada penelitian ini divariasi

berdasarkan persen beratnya, dimana jika

komposisi unsur stannum lebih kecil atau

sama dengan 0.015 % komposisi tersebut

tidak memberikan pengaruh yang signifikan

seperti tampak pada Table 3.2 dibawah ini

Tabel 3.2 Hasil Standarisasi Komposisi Spesimen

3.2.2 Analisa Kekerasan

Nilai kekerasan pada kelima

spesimen masuk dalam standar produk

kecuali sampel dengan 0.015% Sn.

Berdasarkan pada Gambar 4.3 dapat dilihat

kenaikan nilai rata – rata kekerasan yang

cukup signifikan dan diketahui nilai

kekerasan rata-rata tertinggi terdapat pada

spesimen dengan kadar Stannum 0,028%.

Pada Gambar 3.1 terlihat penurunan nilai

rata – rata kekerasan setelah nilai rata – rata

kekerasan sebesar 293 HV pada 0.028% Sn.

Grafit

Grafit

Grafit

Grafit

e

Grafit

Pearlite

Pearlite

Pearlite

Pearlite

Pearlite

6

Gambar struktur mikro spesimen

dengan % ferrit paling sedikit dapat dilihat

pada Gambar 3.2. Stannum adalah unsur

yang berperan dalam peningkatan jumlah

pearlite dalam besi cor nodular. Pearlite

adalah suatu mixture dari cementite dan

ferrite yang mampu meningkatkan

kekerasan pada besi cor nodular, Wahid

Suherman, 1987.

Pada spesimen uji dengan kadar

Stannum 0,015% menunjukkan nilai

kekerasan terkecil dimana pada kondisi ini

specimen memiliki kadar ferit terbesar.

Walaupun spesimen uji ini masih masuk

dalam standard namun komposisi ini tidak

aman, karena sangat mendekati nilai bawah

kekerasan standar produk yaitu 220 HV,

sehingga dikhawatirkan saat aplikasinya,

Camshaft tidak akan bertahan lama.

Pada Gambar 3.1 terjadi fenomena

dimana nilai kekerasan setelah 0.028% Sn

turun walaupun tidak secara signifikan.

Berdasarkan dari perhitungan nodule count,

hal ini dapat disebabkan oleh banyaknya

jumlah grafit yang dapat menyebabkan

material FCD700A 0.03%Sn, 0.032% dan

0.034% yang mempunyai nodule count 192

pcs/mm2, 231 pcs/mm

2 , 218pcs/mm

2 .

Jadi fenomena penurunan kekerasan

pada 0.03%Sn, 0.032%Sn dan 0.034%Sn

disebabkan oleh banyaknya jumlah grafit

yang cenderung berukuran kecil yang

mempunyai sifat mekanik lunak sehingga

mampu menurunkan kekerasan namun

menaikkan elongation dilihat dari sudut

pandang ukuran grafit yaitu memberikan

sifat elongation yang lebih tinggi untuk

ukuran nodule yang lebih kecil. Pada

Gambar 3.1 terlihat 0.015%Sn dengan

jumlah nodule 118 pcs/mm2

mempunyai

nilai kekerasan terkecil, hal ini disebabkan

oleh struktur matrik yang masih berupa

ferrite-pearlite dibandingkan dengan

0.027%, 0.028%, 0.030%, 0.032% dan

0.034%Sn yang matriksnya pearlitie dengan

sedikit ferrite.

4.2.3 Analisa Struktur Mikro

4.2.3.1 Analisa Grafit

Analisa grafit dilakukan dengan

pengujian struktur mikro dengan etsa pada

Gambar 3.2 sampai Gambar 3.7. Hal ini

dilakukan untuk mengetahui persentase

grafit, ukuran, dan bentuk grafit dari produk

Camshaft ini.

Bentuk grafit pada keenam

spesimen seluruhnya menunjukkan bentuk

nodular sehingga tidak ada perbedaan sifat

mekanik ditinjau dari sudut pandang ini.

Namun ada pengaruh khusus pada ukuran

grafit yaitu memberikan sifat elongation

yang lebih tinggi untuk ukuran nodule yang

lebih kecil.

4.2.3.2 Analisa Matriks

Hasil pengamatan struktur mikro

pada spesimen uji yang telah dietsa dengan

larutan nital 4 % menunjukkan

terbentuknya matrik pearlitie di seluruh

permukaan spesimen. Pembentukan matrik

pearlite dipengaruhi oleh kemampuan

stannum yang sangat potensial

meningkatkan matrik pearlite di dalam besi

cor nodular FCD 700A, semakin banyak

presentase pearlite pada besi cor sehingga

kekuatan mekanik khususnya kekerasan

FCD700A semakin meningkat.

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengujian dan

analisa data yang telah dilakukan maka

diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

1. Prosentase kadar Stannum akan

mempengaruhi kenaikan presentase

matriks pearlite pada material

FCD700A. Hal ini dapat dilihat

pada foto struktur mikro dengan etsa

(Gambar 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, dan

3.7) dan perhitungan menggunakan

nodule count.

7

2. Stannum memiliki pengaruh dalam

menaikkan kekerasan material

FCD700A. Nilai kekerasan tertinggi

terdapat pada spesimen dengan

kadar Stannum 0.028% sebesar 293

HV dan kekerasan terendah dimiliki

oleh spesimen 0.015%. sebesar 242

HV (Gambar 3.1).

DAFTAR PUSTAKA

Avner, Sidney H. 1974. Introduction to

Physical Metallurgy. Singapore :

Fong and Sons Printers Pte, Ltd.

Banga, T.R, R.L. Agarwal. 1981. Foundry

Engineering. New Delhi : Khanna

Publisher.

Gupta, Prof. R.B. 1989. Foundry

Engineering. New Delhi : Satya

Prakashan

Surdia, Tata dan Kenji Chijiwa. 2006.

Teknik Pengecoran Logam.

Jakarta : PT Pradya Paramitha.

Suherman, Ir.Wahid. 1987. Pengetahuan

Bahan. Surabaya : Institut

Teknologi Sepuluh Nopember.

ASM Metals Handbook Vol 15.1992.

Casting

ASM Metals Handbook Vol 7.1972. Atlas

of Microstructure of Industrial

Alloy.

JIS Handbook G 5502. 2001.

Spheroidal Graphite Cast iron

JIS Handbook Z 2244. 2003.

Vickers Hardness Test

Kovacs, Bela V. 1982. Method For

Increasing Mechanical Properties

In Ductile Iron By Alloy

Additions. United State Patent

Documents.

http://en.wikipedia.org/wiki/Tin_dioxide

http://environmentalchemistry.com/yogi/peri

odic/Sn.html

http://www.ductile.org/didata/Section3/3part

2.htm#Effect%20of%20Matrix

http://www.gordonengland.co.uk/hardness/

hardness_conversion_1m.htm