Pengaruh Ketebalan Untuk White Cast Iron Low Chrome And Low Nikel Terhadap Kekerasan, Keausan, Serta Struktur Mikro Untuk Aplikasi Di Dalam Ball Grinding
SUMIRAT. U, Yusril, HERMAWAN. S Pendidikan Teknik Mesin Universitas Pendidikan Indonesia Bandung, Indonesia Teknik Mesin Institut Teknologi Nasional Bandung, Indonesia Jl, Dr. Setiabudi No.229 Bandung 40154 Jl. PHH. Mustafa No.23 Bandung 40124 e-mail : sumiratuum@gmail.com

## ABSTRAK
Grinding Ball adalah salah satu komponen dalam mesin ball mill yang berfungsi untuk menggerus batuan mineral  menjadi  partikel  yang  sangat  halus.  Apabila  grinding  ball  tersebut  dapat  dibuat  di  Indonesia, diharapkan harganya bisa lebih murah sehingga biaya produksi semen dapat diturunkan, harga semen lebih terjangkau, dan  kesejahteraan rakyat dapat ditingkatkan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan prototype grinding ball pada ball mill sehingga dapat mensubtitusikan impor dari negeri serta  dapat  memproduksi  sendiri  di  dalam  negeri  dan  bersaing  dengan  produk  impor.  Pengembangan prototype grinding ball untuk aplikasi pada mesin ball mill menggunakan bahan material white cast iron dengan melalui proses  pengecoran.  Pengembangan ini bertujuan untuk mengetahui  sifat material yang dalam hubunganya dengan sifat fisis dan mekanik melalui pengujian uji impak, kekerasan, serta struktur mikro. Hasil uji kekerasan  menunjukan nilai kekerasan untuk spesimen  uji keras 273,65 HB dan untuk spesimen uji impak 334,379 HB. Hasil uji impak menunjukan Harga impak 2,64 J/mm².
Kata Kunci : grinding ball, ballmill, white cast iron.

## ABSTRACT
Grinding Ball is one of the components in a ball mill machine that functions to grind mineral rock into very fine particles. If the grinding ball can be made in Indonesia, it is hoped that the price will be cheaper so that cement production costs can be lowered, cement prices are more affordable, and people's welfare can be increased. The purpose of this research is to develop a prototype grinding ball in a ball mill so that it can substitute foreign  imports and can produce domestically and  compete with imported products. The development  of  the  grinding  ball  prototype  for  the  ball  mill  machine  application  uses  white  cast  iron material through a casting process. This development aims to determine the properties of the material in relation to physical and mechanical properties through impact, hardness, and microstructure tests. The hardness test results showed the hardness value for the hard test specimen 273,65 HB and for the impact test specimen 334,379 HB. The impact test results show the impact price is 2,64 J/mm².
Keyword : grinding ball, ball mill, white cast iron

## JURNAL REKAYASA ENERGI DAN MEKANIKA – Vol. 01 No. 01 (2021)
1. Pendahuluan
Material logam yang memiliki unsur Fe sebagai pembentuk dasarnya dapat dibedakan menjadi baja dan besi cor.  Baja merupakan logam yang terbentuk dari paduan unsur Fe dan unsur C (besi dari karbon), di mana fraksi maksimum dari unsur karbon di dalam baja adalah 2,1 % sedangkan besi cor adalah logam yang terbentuk dari paduan unsur besi (Fe) dan unsur karbon (C)  dimana  kadar  karbon  (C)  pada  besi  cor  diatas  2,1  %.  Karbon  bebas  dari  baja  akan membentuk karbida besi, sedangkan pada besi cor akan membentuk grafit yang memiliki sifat getas [2] . Namun tidak semua jenis besi cor memiliki grafit salah satunya besi cor putih ( White Cast Iron ), dimana besi cor putih tidak memiliki grafit dan sifatnya hampir sama dengan baja karbon tinggi. Di samping kedua unsur di atas, dalam baja terdapat pula unsur-unsur lain dalam jumlah kecil, seperti Mangan (Mn), Silicon (Si), Fosfor (P), Belerang (S). Dapat juga dipadu dengan unsur-unsur paduan seperti Chromium (Cr), Nikel (Ni), Wolfram (W), Molibden (Mo) dansebagainya, dan dapat divariasi menurut kebutuhan [3].
Grinding  Ball adalah  salah  satu  komponen  dalam  mesin ball  mill yang  berfungsi  untuk menggerus batuan mineral menjadi partikel yang sangat halus. Grinding ball tersebut terbuat dari  logam  yang  disyaratkan  mempunyai  karakteristik  keras  (tahan  aus)  sekaligus  tangguh (tidak mudah pecah) dan tahan korosi untuk menanggung beban dan lingkungan selama proses penggilingan batuan. [5]
Material grinding ball memiliki persyaratan berupa nilai kekerasan yang tinggi serta ketahanan aus yang baik. Berdasarkan spesifikasi grinding ball menurut SNI-1069, material grinding ball yang terbuat dari material besi tuang dengan paduan krom tinggi memiliki kekerasan tertinggi sebesar 600 BHN/59 HRC. [4]
Ketebalan dari suatu material dapat memberikan pengaruh terhadap perubahan harga kekerasan dan struktur mikronya. Pengaruh ketebalan besi cor terhadap harga kekerasannya adalah ketika terdapat perubahan ketebalan pada besi cor maka akan terjadi perubahan pada struktur mikro dan kekerasannya. Semakin tipis besi cor maka kekerasannya akan semakin tinggi karena besi cor yang tipis menghasilkan jumlah fasa perlit yang semakin banyak. [6].

## 2. Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan metoda eksperimental, yaitu melalui pembuatan spesimen serta menerapkan  beberapa  pengujian  terhadap  spesimen  tersebut  untuk  mendapatkan  parameter yang diperlukan untuk melakukan analisa. Penelitian ini diawali dengan studi literatur, yang didapat dari jurnal penelitian yang terkait dengan Grinding ball . Berdasarkan studi literatur, kemudian  dilakukan  pengambilan  sampel  bahan grinding  ball import  dari  India  dan  China sebagai  bahan  pembanding  dalam  penelitian  ini.  Bahan grinding  ball ini  selanjutnya  diuji dengan uji spectrometer untuk mengetahui komposisi kimianya. Komposisi kimia dari material impor ini perlu diketahui untuk memastikan bahwa material tersebut masuk ke dalam kategori White cast Iron , yaitu memiliki kandungan karbon diatas 2,1 %. Disamping uji spectrometer, material impor ini juga diuji struktur mikro serta kekerasannya
Material yang menjadi objek dalam penelitian ini adalah bahan white cast iron hasil proses pengecoran  sendiri.  Pembuatan  spesimen  diawali  dengan  pemilihan  bahan  dan  dilanjutkna dengan proses pengocoran untuk mendapatkan material white cast iron dengan komposisi Cr rendah. Spesimen ini kemudian diuji dengan beberapa pengujian, yaitu uji kekerasan, impak dan struktur mikro. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk melihat karakteristik dari bahan white cast iron serta mengukur kelayakan bahan tersebut untuk diaplikasikan pada grinding ball mesin ball mill. Berdasarkan data hasil pengujian, dilakukan analisa dan menyimpulkan hasil  dari  pengujian  material grinding  ball .  Kesimpulan  yang  didapatkan  nantinya  akan dijadikan sebagai acuan untuk melakukan proses produksi di dalam negeri.

## 2.1 Komposisi Kimia
Penentuan komposisi kimia grinding ball ini dilakukan untuk membuat spesimen pengujian dengan  membuat  komposisi  kimia  yang  nantinya  dibandingkan  dengan  unsur  kimia  pada material grinding ball impor. Proses yang dilakukan untuk mengetahui kandungan komposisi yang  terdapat  pada  material grinding  ball impor  adalah  dengan  cara  pengujian  uji spectrometer .
Pengujian spectrometer atau  uji  komposisi  berfungsi  untuk  mengetahui  komposisi  yang terdapat pada material. Dari hasil pengujian spectrometer , diperoleh unsure-unsur kimia yang terdapat pada grinding ball impor yang berasal dari India yaitu :
Tabel 1. Komposisi Grinding ball India Unsur Persentase komposisi (%) C 2,55 Si 0,75 S 0,013 P 0,07 Mn 0,1 Ni 0,05 Cr 16,17
Setelah  hasil  komposisi  diketahui maka  data tersebut  dapat  dijadikan  sebagai  acuan  untuk proses pengecoran spesimen yang nantinya dapat dijadikan bahan untuk pembuatan prototype grinding ball dengan cara menurunkan kadar komposisi kandungan Cr tersebut seperti pada tabel 1 dan tabel 2
Tabel 2. Unsur Kimia Komposisi 1 Unsur Persentase komposisi (%) C 2,1 Si 0,7 S 0,08 P 0,07 Mn 0,1 Ni 1,5 Cr 1,5 Tabel  3. Unsur Kimia Komposisi 2 Unsur Persentase komposisi (%) C 3,2 Si 0,8 S 0,1 P 0,07 Mn 0,2 Ni - Cr 2,5

## 2.2 Pengujian Yang dilakukan
a. Pengujian Kekerasan
Salah satu sifat  mekanik material  yang penting adalah kekerasan ( Hardness ). Uji kekerasan dengan menggunakan alat uji kekerasan Rockwell hardness tester (ASTM E-18), seperti yang terlihat pada gambar 1. Kekerasan menyatakan ketahanan suatu material terhadap deformasi plastis  atau  deformasi  permanen  pada  permukaan,  semakin tahan material  tersebut terhadap
deformasi plastis maka material tersebut semakin keras. Deformasi plastis adalah perubahan bentuk material secara permanen. Specimen uji keras terlihat pada gambar 2.

## Gambar 1. Alat Uji Kekerasan Rockwell
Gambar 2. Spesimen Uji Keras
b. Pengujian Uji Impak
Prinsip kerja uji impak yaitu benda kerja ditempatkan di bantalan/landasan untuk menerima pukulan  dari  massa  yang  bergerak  (bandul)  yang  memiliki  energi  yang  cukup  untuk mematahkan  spesimen.  Dimana  mesin  harus  mampu  membaca  energi  yang  diserap  oleh spesimen sampai rusak.
Logam  dapat  mengalami  perubahan  sifat  dari  ulet  menjadi  getas.    Perubahan    ini    disebut dengan  penggetasan  ( embrittlement ).  Gejala  ini  dapat  diamati  dari  bentuk  patahan  yang berubah dari patah ulet menjadi  patah getas dan  juga  bisa  dilihat  dari  harga  impak  yang diperoleh. Faktor utama perubahan sifat ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan, temperatur yang rendah, regangan yang rendah dan jenis material [1].
Gambar 3. Alat uji impak
Gambar 4. Spesimen Uji Impak
Hasil  dari  proses  pengecoran  Y-block  dipotong  untuk  dibuat  spesimen  untuk  uji  impak berdasarkan standar ASTM E-23. Mesin uji impak yang digunakan terliahta pada gambar 3 dan spesimen uji impak terlihat pada gambar 4
c. Pengujian Analisis Struktur Mikro
Pengujian  struktur  mikro  dilakukan  untuk  mengetahui  struktur  mikro grinding  ball , korelasinya dengan komposisi kimia serta kemungkinan proses heat treatment yang dilakukan. Pengujian  struktur  mikro  dilakukan  menggunakan  mikroskop  optik  dengan  berbagai perbesaran. Specimen untuk uji ASM terlihat pada gambar 5 sedangkan alat uji ASM terlihat pada gambar 6.

## Gambar 5. Spesimen Uji ASM
Sebagaimanan umumnya analisa struktur mikro, specimen untuk melakukan analisa struktur mikro  disiapkan  dengan  beberapa  tahapan.  Tahap  pertama  adalah mounting ,  yaitu pembingkaian  spesimen  dengan  menggunakan  resin.  Specimen  yang  telah  dibingkai selanjutnya  digerinda  dan  diampelas  agar  didapatkan  permukaan  yang  halus.  Tahap selanjutnya  adalah  pemolesan  yang  bertujuan  untuk  menghilangakn  goresan-goresan  yang masih tersisa dari proses pengampelasan. Tahap akhir dari persiapan spesimen analisa struktur mikro adalah proses etsa, yaitu mereaksikan permukaan dengan larutan kimia tertentu agar muncul struktur mikro sehingga dapat diamati dengan mikroskop.
Analisa  struktur  mikro  dilakukan  dengan  menggunkana  mikroskop  optik  yang  dilengkapi dengan kamera beserta satu roll film berwarna. Specimen uji diletakkan pada meja uji ( anvil ) pada posisi tegak lurus dengan lensa untuk mendapatkan gambar yang paling jelas dan  akurat. Alat yang digunakan pada pengujian ASM ini adalah olympus metallurgical microscope dan olympus photomicrographic system, seperti yang terliaht pada gambar 6.
Gambar 6. Alat Uji ASM
3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Hasil Pengujian Uji Kekerasan
Pengujian Uji Kekerasan spesimen dilakukan untuk mengetahui kekerasan specimen hasil dari pengecoran sebagai dampak dari komposisi unsur kimia baru dan akan dibandingkan dengan material impor untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal.

## Gambar 7. Grafik Harga Kekerasan Tebal 30 mm VS Titik Spesimen

## Gambar 8. Grafik Harga Kekerasan Tebal 10 mm VS Titik Spesimen
Gambar 7 dan gambar 8 memperlihatkan harga kekerasan dari hasil pengujina kekerasan pada spesimen dari bahan grinding ball impor dan spesimen dari hasil pengecoran dengan ketebalan 10mm dan 30mm. Pengukuran kekerasan dilakukan pada 3 titik untuk setiap spesimen. .

## Gambar 9. Grafik Perbandingan Harga Kekerasan Tebal 10 mm VS 30 mm
Gambar  9  memperlihatkan  perbandingan  harga  kekerasan  hasil  pengujina  kekerasan  pada spesimen  hasil  pengecoran  dan  harga  kekerasan  dari  spesimen  bahan  impor.  Pada  grafik tersebut dapat dilihat perbedaan harga kekerasan dengan spesimen dengan ketebalan 30 mm dan spesimen dengan ketebalan 10 mm. pengujian kekerasan yang dilakukan menunjukkan bahwa  harga  kekerasan  rata-rata  tertinggi  pada  specimen  dengan  ketebalan  30  mm  adalah sebesar  281,531 HB dan harga kekerasan rata-rata tertinggi untuk spesimen dengan ketebalan 10 mm mencapai 348,451 HB. Hal ini terjadi karena pada spesimen dengan ketebalan yang lebih kecil (lebih tipis) memiliki fasa perlit.  Hal ini sesuai dengan hasil dari anailisa struktur mikro, dimana struktur perlit serta karbida menjadi bertambah banyak dan rapat, seperti yang terlihat pada gambar 11, gambar 12, gambar 13, gambar 14, gambar 15, gambar 16, gambar 17, gambar 18.
Jika dibandingkan dengan bahan impor, maka harga kekerasan dari bahan untuk ball mill yang dibuat  dengan  proses  pengecoran  dalam  penelitian  ini  belum  mampu  mencapai  harga kekerasan dari bahan impor

## 3.2 Hasil Pengujian Uji Impak
Hasil uji impak dari spesimen hasil pengecoran dan spesimen dari bahan impor terlihat pada gambar  10.    Grafik  pada  gambar  10  memperlihatkan  bahwa  terdapat  harga  impak  dari specimen hasil pengcoran yang mampu menyamai harga impak dari bahan impor yaitu sebesar 4,76 J/mm².
Gambar 10. Grafik Perbandingan Harga Impak Titik Spesimen VS Spesimen Impor

## 3.3 Hasil Pengujian Struktur Mikro
Pengujian struktur mikro ini dilakukan paling akhir, yaitu setelah pengujian kekerasan dan pengujian impak. Proses pengujian struktur mikro ini dilakukan untuk melihat bentuk struktur dan  fasa  dari  material  hasil  pengecoran white  cast  iron .  Bentuk  struktur  dan  fasa  material sangat erat kaitannya dengan sifat mekanik dari material. Struktur mikro yang terlihat pada material akan menjadi bukti penguat bagi sifat mekanik yang dimiliki olehh suatu material. Hasil dari uji analisis struktur mikro terilhat pada gambar 11, gambar 12, gambar 13, gambar 14, gambar 15, gambar 16, gambar 17, dan  gambar 18.
Gambar 11.  Hasil Uji ASM
Tebal 10 mm (Inokulan) Gambar 12.  Hasil Uji ASM Tebal 30 mm (Inokulan) Gambar 13.  Hasil Uji ASM Tebal 10 mm (Non Inokulan)
Gambar 14.  Hasil Uji ASM
Tebal 30 mm (Non Inokulan)
Pada gambar diatas dapat dilihat bahawa hasil uji ASM untuk material yang dicampur inkulan lebih  terlihat  terdapat  karbida  berwarna  putih,  austenit  berwarna  titik  hitam,  dan  titik  hitam austenit  akan  berubah  menjadi  martensit  seiring  terjadinya  proses  abrasive  sehingga  akan menghasilka sifat kekerasan yang tinggi.

## 4. Kesimpulan dan Saran

## 4.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang didapatkan dari penelitian yang telah di lakukan adalah sebagai berikut:
 Untuk saat ini material white cast iron low Cr and low Ni yang  diteliti tidak memenuhi persayaratan karena nilai kekerasannya masih di bawah bahan impor.
 Untuk meningkatkan kekerasan harus dilakukan proses lanjut dengan perlakuan panas agar harga kekerasannya meningkat.
 Dari hasil yang sudah didapatkan, diketahui bahwa ketebalan sangat berpengaruh terhadap kekerasan,  yang  mana  semakin  tipis  ketebalannya  maka  harga  kekerasannya  semakin tinggi.

## 4.2 Saran
Penelitian  ini  diharapkan  bisa  dilakukan  ke  tahap  selanjutnya,  yaitu  dari  segi  peningkatan kekerasan sehingga dapat memenuhi nilai standar yang dipersyaratkan untuk produksi grinding ball di dalam negeri dengan kualitas baik dan harga yang murah. Hal ini sangat penting untuk dicapai agar perusahaan semen di Indonesia tidak lagi melakukan impor bahan untuk membuat grinding ball .
Gambar 15.  Hasil Uji ASM Tebal 10 mm (Inokulan) Gambar 16.  Hasil Uji ASM Tebal 30 mm (Inokulan) Gambar 17.  Hasil Uji ASM Tebal 10 mm (Non Inokulan)
Gambar 18.  Hasil Uji ASM
Tebal 30 mm (Non Inokulan)
5. DAFTAR RUJUKAN
[1]  Adam, K. (2011). Faktor Perpatahan dan kelelahan pada kekuatan bahan material. ILTEK. Volume 6. Nomor 12.
[2]  Ditter, G.E.(1993). Metalurgi Mekanik. (jilid I dan 2), Erlangga, Jakarta.
[3]  Irwan, Y. (2016). Material Teknik . Jurusan Teknik Mesin. Institut Teknologi  Nasional. Bandung
[4]  Shofi,  A.  (2013).    Karakteristik  Struktur  Mikro  dan  Sifat  Mekanik  Besi  Tuang  Putih Paduan  Krom  Tinggi  Hasil Thermal  Hardening Untuk  Aplikasi Grinding  Ball .  LIPI. Lampung
[5]  Sumirat, U. (2020). Pengembangan Material Grinding Ball Pada Ball Mill Yang Terbuat Dari White Cast Iron dan Diaplikasikan Pada Pabrik Semen. Institut Teknologi Nasional. Bandung
[6]  Surojo,  E.  (2012).  Studi  Pengaruh  Komposisi  Kimia  dan  Ketebalan  Coran  Terhadap Struktur Mikro Besi Cor Pada Kasus Pembuatan Besi Cor Vermicular. Jurusan Teknik Mesin. Universitas Sebelas Maret. Surakarta.