Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Terbentuknya White Layer pada Proses Milling Austempered Ductile Iron (ADI)
Rusnaldy * , Yusuf Umardani, Jovian Bernard, Diva Tsamara Putra Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Soedarto, SH, Tembalang-Semarang 50275 Indonesia
* Email: rusnaldy@yahoo.com

## 1. Pendahuluan
Austempered  ductile  irons (ADI)  adalah  salah  satu  jenis  besi  cor  yang  telah  banyak  dikembangkan  seiring dengan  meningkatnya  aplikasi  ADI  di  bidang  rekayasa  seperti  untuk  roda  gigi, crankshaft , connecting  rod dan komponen-komponen  di  peralatan  berat  dan  transportasi.  Hal  ini  disebabkan  karena  ADI  memiliki  kombinasi  sifat mekanik yang baik seperti kekuatan yang tinggi, keuletan, ketangguhan, ketahanan lelah dan ketahanan aus yang lebih baik bila dibandingkan dengan besi cor lainnya [1-3]. Disamping itu ADI juga memiliki rasio kekuatan-berat yang baik, ketahanan  aus  dinamik,  mudah  dibuat  (manufacturability)  dan  mudah  dicor  (castability)  [4].    Sifat  mekanik  ADI tergantung  pada  kondisi  proses  perlakukan  panas  yang  pernah  diterima,  ukuran  dan  distribusi  grafit  serta  cacat-cacat yang  ada  pada  struktur  mikronya  [5-6].  Untuk  mendapatkan  ADI, ductile  iron yang  baik  kualitasnya  menjadi persyaratan sebelum dilakukan proses austemper.

## Abstract
Machining  processes  cause  a  white  layer  at  the  surface  of  a  work  piece.  A  white  layer  is  a  featureless layer that typically forms on  machined steel surfaces and appears white when observed under an optical microscope  after  standard  metallographic  preparation.  A  white  layer  is  known  to  be  a  function  of  the cutting conditions and its thickness ranges from a few microns to a few tens of microns. A white layer is generally a hard phase and leads to the surface becoming brittle causing crack permeation and product failure. This layer has been reported in a wide range of materials, from mild steels to nickel-based super alloys. This paper reports on an investigation of white layer formation for a range of cutting speeds, feeds and depth of cut  in milling of Austempered Ductile Iron (ADI). To produce ADI, ductile irons  were first austenitized in furnace at 900 o C for 1 hour and then they were quenched in salt bath at 375 o C for 1 hour. The machined specimens were analysed using a optical microscope with software Lumenera Infinity 1 to measure  the  thickness  of  white  layer  dan  a  micro  hardness  tester.  The  present  results  reveal  that  white layers  were  formed  on  the  machined  surfaces  of  ADI.  The  machined  surface  showed  an  increase  in hardness  with  respect  to  the  bulk  material.  The  effects  of  cutting  speeds,  feeds  and  depth  of  cut  on thickness and micro hardness of  white layers are reported in this paper.
Keyword : White Layer, Milling, Austempered Ductile Iron, Cutting Speed, Feed and Depth of Cut

## Abstrak
Proses permesinan dapat menyebabkan terbentuknya white layer pada permukaan benda kerja. White layer adalah  lapisan  tipis  tanpa  memiliki  fitur  yang  jelas  yang  terbentuk  pada  permukaan  benda  kerja  hasil proses  permesinan  dan  terlihat  berwarna  putih  di  bawah  pengamatan  mikroskop  optik  setelah  dilakukan proses  metalografi  yang  standar. White  layer yang  terbentuk  merupakan  fungsi  dari  kondisi  proses permesinan  dan  tebal  lapisan  ini  sebesar  beberapa  mikron  hingga  beberapa  puluh  mikron. White  layer adalah fasa yang keras dan cenderung menjadi getas yang dapat menjadi penyebab iniasi timbulnya retak dan kegagalan pada produk. White layer dilaporkan terbentuk pada proses permesinan pada banyak logam, dari baja (mild steels) hingga logam superalloy paduan nikel. Pada makalah ini dilaporkan hasil penelitian terbentuknya white layer akibat proses milling austempered ductile iron (ADI) dengan variasi kecepatan potong,  kecepatan  makan  dan  kedalaman  potong.  ADI  dibuat  dengan  cara  memanaskan ductile  iron ke temperatur  austenit  di  dalam  suatu  tungku heat  treatment pada  temperatur  900 o C  selama  1  jam  dan kemudian dimasukkan ke dalam larutan garam yang bertemperatur 375 o C selama 1 jam. Permukaan ADI hasil proses milling dianalisa dengan menggunakan mikroskop optik dengan bantuan software Lumenera Infinity 1 untuk mengukur ketebalan white layer ` yang terbentuk dan alat uji kekerasan mikro. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa white layer juga terbentuk di permukaan milling yang dilakukan pada ADI. Peermukaan benda kerja (white layer) ternyata memiliki kekerasan yang lebih tinggi bila dibanding logam induknya (bulk material). Pengaruh kecepatan potong, kecepatan makan dan kedalaman potong dilaporkan dan didiskusikan dalam makalah ini.
Kata kunci : White Layer, Milling, Austempered Ductile Iron, Kecepatan Potong, Kecepatan Makan dan Kedalaman Potong
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Karena ADI memiliki kekuatan yang tinggi dan keuletan yang baik, pada saat dilakukan proses pemesinan pahat potong sering mengalami keausan, baik flank wear maupun crater wear . Sehingga dari beberapa percobaan yang telah dilakukan, ADI termasuk material yang memiliki machinability yang kurang baik [7].
Saat  ini  perhatian  orang  terhadap  hasil  proses  pemesinan  tidak  hanya  terfokus  kepada  tingkat  keausan  pahat, kekasaran  permukaan  dan  gaya  potong  yang  terjadi,  namun  juga  pada  terbentuknya white  layer . White  layer adalah lapisan  putih  yang  biasanya  terbentuk  pada  permukaan  logam  dan  tampak  putih  ketika  diamati  di  bawah  mikroskop optik setelah persiapan metalografi standar. Oleh karena itu lapisan ini sering disebut sebagai lapisan etsa putih dalam beberapa  literatur.  Dari hasil  penelitian menunjukkan  bahwa white layer terbentuk dari  hasil  proses  permesinan pada benda  kerja  yang terbuat  dari  baja  [8-14],  paduan nikel  [15]  dan  paduan  titanium  [16]. White  layer berukuran  sangat tipis dan memiliki sifat-sifat sebagai berikut,  lebih keras dibanding logam induknya, mengandung tegangan sisa tekan dan  tarik,  dapat  mengurangi  ketahanan  fatik  dan  umur  pakai  komponen  serta  bersifat  getas  [17].    Namun,  sepanjang penulis  tahu,  belum  ada  hasil  penelitian  tentang  terbentuknya white  layer pada  permukaan  benda  kerja  hasil  proses permesinan  dari austempered  ductile  iron (ADI).  Oleh  karena  itu,  tujuan  dari  studi  ini  adalah  untuk  melihat  apakah white  layer juga  terbentuk  pada  ADI  dan  kemudian  melakukan  pengamatan  melalui  proses  metalografi,  pengukuran dimensi serta melakukan uji kekerasan pada white layer tersebut

## 2. MetodePenelitian

## 2.1 Material Benda Kerja
Material benda kerja yang digunakan dalam studi  ini adalah besi cor nodular (Nodular Cast Iron/Ductile Iron ) ) FCD  50.  Untuk mendapatkan austempered ductile iron (ADI), ductile  iron dilakukan  proses  perlakuan  panas  dengan memanaskan  benda  kerja  FCD  50  pada  temperatur  900 o C  dan  ditahan  selama  1  jam  dalam  suatu  tungku  pemanas. Kemudian benda kerja dipindahkan ke dalam tungku lain yang berisi larutan garam KNO3 yang bertemperatur 375 o C selama 1 jam dan didinginkan di udara.

## 2.2 Proses Milling
Dimensi  benda  kerja  yang  digunakan  pada  studi ini adalah 50  x  50  x  30  mm.  Mesin Milling yang digunakan adalah Aciera F4 Milling Machine. Sedangkan pahat yang digunakan untuk memotong permukaan benda kerja  adalah jenis  pahat end  mill yang terbuat  dari  karbida  yang memiliki  diameter  sebesar  20 mm  dan 4 flute .  Parameter  proses milling dapat di lihat pada tabel 1. Proses milling yang dilakukan tanpa menggunakan cairan coolant .
Tabel 1 . Parameter Proses Milling Percobaan ke - Parameter Kecepatan Potong (m/menit) Kecepatan Makan (mm/tooth) Kedalaman Potong (mm) 1 15 0,05 0,1 2 15 0,075 0,2 3 15 0,1 0,3 4 20 0,05 0,2 5 20 0,075 0,3 6 20 0,1 0,1 7 25 0,05 0,3 8 25 0,075 0,1 9 25 0,1 0,2

## 2.3 Pengamatan dan Pengujian
White  layer yang  terbentuk  diamati  dengan  menggunakan  mikroskop Meiji  Techno IM7200.  Sementara kekerasan  dari white  layer tersebut  diuji  dengan  menggunakan Mitutoyo  HM-210  Digital  Micro-Hardness  Tester ( Vickers Hardness Test ), di mana indentor yang digunakan adalah intan serta beban yang diberikan sebesar 0,3 kgf.

## 3. Hasil danPembahasan
Struktur mikro benda kerja ADI dapat dilihat pada Gambar 1. Dari gambar tersebut terlihat adanya grafit bulat atau nodul  yang  dikelilingi  oleh  fasa  ferit  yang  berwarna  putih.  Disamping itu  juga  terlihat adanya  fasa  ausferit  yang terang  dan  bainit  pada  bagian  yang  gelap.  Rata-rata  ukuran  grafit  bulat  yang  dihasilkan  adalah  47,81  µm.  Sementara nilai  kekerasan  dari  ADI  yang  dihasilkan  sebesar  331-415  HV.  Nilai  kekerasan  seperti  ini  masuk  dalam  kategori medium dan tidak menyebabkan laju keausan yang tinggi pada pahat potong.
Dari  hasil  pengamatan,  untuk  semua  parameter  proses  permesinan  yang  digunakan  menghasilkan  lapisan  tipis white layer dipermukaan benda kerja (lihat Gambar 2). White layer telah dikarakterisasi oleh beberapa peneliti sebagai area  dengan  ukuran  butir  yang  sangat  halus,  sangat  getas  dan  banyak  mengandung  tegangan  sisa  (18).  Ini mengindikasikan  terjadinya  deformasi  plastis  dengan strain  rate yg  tinggi.  Sehingga  ketebalan white  layer juga  akan dipengaruhi oleh parameter proses permesinan.
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Gambar 1 . Struktur mikro ADI
Gambar 2. White layer yang terbentuk di permukaan benda kerja setelah dilakukan proses permesinan

## 3.1 Ukuran white layer
Tebal white  layer yang  terbentuk  di  permukaan  benda  kerja  diukur  dengan  menggunakan software  Lumenera Infinity  1. Pengukuran  ketebalan  dilakukan  pada  perbesaran  mikroskop  100x.  Contoh  cara  pengukuran  dapat  dilihat pada Gambar 3 dan hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 2.
Pengaruh parameter proses permesinan terhadap ketebalan white layer yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 4  –  5.  Gambar  4  menunjukkan  pengaruh  kecepatan  potong  terhadap  tebal white  layer yang  terbentuk  di  permukaan benda kerja. Pada gambar terlihat dengan naiknya kecepatan potong dari 15 m/min ke 20 m/min tebal white layer juga meningkat dari 98,18  m ke 171,89  m. Namun ketika kecepatan potong meningkat dari 20 m/min ke 25 m/min tebal white layer berkurang menjadi 149,70  m.
Menurut  Pang  dkk. temperatur  pemotongan  berpengaruh pada  ketebalan white  layer yang  terbentuk  [19].  Pada kecepatan  potong  rendah  hingga  menengah,  temperatur  yang  terjadi  pada  benda  kerja  lebih  besar  dibanding  dengan temperatur  yang  terjadi  pada  geram.  Proses    pemanasan  yang  tinggi  dan  pendinginan  yang  cepat  pada  benda  kerja mengakibatkan  peningkatan  tebal white  layer yang  terbentuk.  Pada  kecepatan  potong  yang  tinggi,  temperatur pemotongan  lebih  besar  terjadi  pada  geram  yang  dihasilkan  dibanding  pada  benda  kerja,  sehingga white  layer yang terbentuk menjadi lebih tipis.
Gambar 5 menunjukkan pengaruh kecepatan makan terhadap tebal white layer yang terbentuk. Tebal white layer terlihat  meningkat  dengan  naiknya  kecepatan  makan  dari  0,05  mm/tooth  menjadi  0,1  mm/tooth  dengan  persentase peningkatan sebesar 266%. Hal ini mungkin terjadi mengingat cutting area juga akan meningkat dengan bertambahnya kecepatan makan. Namun hal ini tidak berlaku bagi peningkatan kedalaman potong (lihat Gambar 6). Cutting area akan naik  dengan meningkatnya  kedalaman  potong.  Hasil  yang didapat  seharusnya  adalah  ketebalan white layer akan naik seiring  dengan  meningkatnya  kedalaman  potong  yang  dilakukan.  Hasil  ini  perlu  dikaji  lebih  teliti  lagi  di  masa  yang akan datang.
Tabel 2. Hasil Pengukuran Ketebalan White Layer Parameter Rata-rata Hasil Pengukuran (µm) 1 57,267 2 69,622 3 167,644 4 55,578 5 147,033 6 313,044 7 75,011 8 165,833 9 208,267
Gambar 4. Pengaruh Kecepatan Potong Terhadap Ketebalan White Layer yang Terbentuk
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Gambar 5. Pengaruh Kecepatan Makan Terhadap Ketebalan White Layer yang Terbentuk
Gambar 6. Pengaruh Kedalaman Potong Terhadap Ketebalan White Layer yang Terbentuk

## 3.2 Kekerasan white layer
Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan alat uji kekerasan mikro Mitutoyo HM-210 Digital Micro- Hardness Tester dengan pembebanan menggunakan indentor   intan sebesar 0,3 kgf. Pengujian kekerasan dilakukan di bagian white  layer dengan  masing-masing  sebanyak  tiga  kali  pada  setiap  permukaan  spesimen.  Hasil  pengujian kekerasan  pada white  layer untuk  semua  parameter  proses  permesinan  dan  kekerasan logam  induk  dapat  dilihat  pada Gambar  7.  Dari  grafik  tersebut  terlihat  bahwa white  layer selalu  lebih  keras  dibandingkan  logam  induknya.  Hal  ini dapat dipahami karena proses terbentuknya white layer adalah karena proses deformasi plastis yang melibatkan strain rate dan temperatur pemotongan yang tinggi disertai proses pendinginan yang cepat.
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Gambar 7 Grafik Perbandingan Nilai Kekerasan antara White Layer dan Logam Induk
Gambar  8-10  adalah  grafik  hasil  pengujian  kekerasan  pada white  layer dengan  variasi  kecepatan  potong, kecepatan  makan  dan  kedalaman  potong.  Dari  ketiga  grafik  yang  ditampilkan  terlihat  bahwa  baik  kecepatan potong, kecepatan makan dan kedalaman potong akan mempengaruhi nilai kekerasan white layer yang terbentuk, dimana  naiknya  semua  parameter  tersebut  akan  meningkatkan  nilai  kekerasan white  layer .    Namun  peningkatan nilai kekerasan white layer dengan naiknya  kecepatan  potong  dan  kedalaman  potong  tidaklah  terlalu  besar,  yaitu sebesar  2,6%  untuk  kenaikan  kecepatan  potong  dan  3,4%  untuk  peningkatan  kedalaman  potong.  Sementara  itu naiknya kecepatan makan dari 0,05 mm/tooth menjadi 0,1 mm/tooth membuat kekerasan white layer naik sebesar 12,6%.  Dari  hasil  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  kecepatan  makan  adalah  parameter  yang  signifikan  terhadap kenaikan nilai kekerasan dari white layer .
Gambar 8. Pengaruh Kecepatan Potong Terhadap Nilai Kekerasan White Layer yang Terbentuk
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187
Gambar 9. Pengaruh Kecepatan Makan Terhadap Nilai Kekerasan White Layer yang Terbentuk
Gambar 10. Pengaruh Kedalaman Potong Terhadap Nilai Kekerasan White Layer yang Terbentuk
4. Kesimpulan
Dari hasil eksperimen yang diperoleh terlihat bahwa white layer juga terbentuk pada proses permesinan dengan menggunakan  benda  kerja Austempered  Ductile  Iron (ADI).  Tebal  dan  tipisnya white  layer yang  terbentuk dipengaruhi  oleh  parameter  proses  permesinan,  yaitu  kecepatan  potong,  kecepatan  makan  dan  kedalaman  potong. Pada  mulanya,  naiknya  kecepatan  potong  menyebabkan  kenaikan  tebal white  layer ,  namun  setelah  itu  kenaikan kecepatan  potong  membuat  turunnya  ketebalan white  layer .  Sementara  itu  peningkatan  kecepatan  makan menyebabkan  ukuran white  layer menjadi  semakin  tebal.  Hal  yang  berbeda  dihasilkan  pada  parameter  kedalaman potong, dimana pada awalnya peningkatan kedalaman potong membuat white layer menjadi lebih tipis, namun setelah itu  kenaikan  kedalaman  potong  membuat  peningkatan  ketebalan white  layer .  Dari  hasil  uji  kekerasan  mikro  yang dilakukan,  dapat  disimpulkan  bahwa white  layer memiliki  nilai  kekerasan  yang  lebih  besar  dibanding  dengan  nilai kekerasan  logam  induknya.  Kenaikan  pada  semua  parameter  proses  permesinan  menyebabkan  peningkatan  nilai kekerasan white  layer yang  terbentuk.  Peningkatan  kekerasan  yang  signifikan  terjadi  pada  peningkatan  parameter kecepatan makan, yaitu sebesar 12,6%. Sementara untuk parameter proses permesinan yang lain hanya menunjukkan kenaikan nilai kekerasan yang kecil.
Rusnaldy, dkk. / ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 180-187

## Daftar Pustaka
[1] Hatate  M,  Shiota  T,  Takahashi  N,  Shimizu  K.  Influence  of  graphite  shapes  on  the  wear  characteristics  of austempered cast iron. Wear 2001;251:885–9.
[2] Rebasa N, Dommarco R, Sikora J. Wear resistance of high nodule count ductile iron. Wear 2002;253:855–61.
[3] Magalhaes L, Seabra J. Wear and scuffing of austempered ductile iron gears. Wear 1998;215:237–46
[4] S.Samaddar,  T.Das,  A.K.Chowdhury, M.Singh, Manufacturing of Engineering components with Austempered Ductile Iron – A Review, Materials Today: Proceedings 5 (2018) 25615–25624
[5] K. Aslantas, S.Tasgetiren, Y. Yalcın. Austempering retards pitting failure in ductile iron spur gears. Engineering Failure Analysis 11 (2004) 935–941
[6] K.  Aslantas¸  S.Tas¸getiren  A  study  of  spur  gear  pitting  formation  and  life  prediction  Wear  257  (2004)  1167– 1175
[7] P. Parhad, V. Dakre, A. Likhite, J. Bhatt, The impact of cutting speed and depth of cut on cutting force during turning of austempered ductile iron, Materials Today: Proceedings 19 (2019) 663–669
[8] H. Hassanpour, M. H. Sadeghi, A. Rasti, S. Shajari, Investigation of surface roughness, microhardness and white layerthickness in hard milling of AISI 4340 using minimum quantitylubrication, Journal of Cleaner Production 120 (2016) 124-134
[9] Z.  Fangyuan,  D.  Chunzheng,  S.  Wei,  J.  Kang,  Effects  of  cutting  conditions  on  the microstructure and residual stress of white and dark layers in cutting hardened steel, Journal of Materials Processing Tech. 266 (2019) 599– 611
[10]   G.  C.  Niea,  X.  M.  Zhang,  D.  Zhang,  H.    Ding,  An  experimental  study  of  the  white  layer  formation  during cryogenic assisted hard machining of AISI 52100 steel, Procedia CIRP 77 (2018)223–226.
[11]   Z.  F.  Yuan,  D.  C.  Zheng,  W.  M.  Jie,  S.  Wei,  White  and  dark  layer  formation  mechanism  in  hard  cutting  of AISI52100 steel, Journal of Manufacturing Processes 32 (2018) 878–887
[12]   A.  Alok,  M.  Das,  White layer  analysis  of  hard  turned  AISI  52100  steel  with  the  fresh  tip  of  newly  developed HSN 2 coated insert, Journal of Manufacturing Processes 46 (2019) 16–25
[13]   M.  Neslušana,  J.  Uríčeka,  A.Mičietováa,  P.  Minárikb,  M.Píškac,  M.Čilliková,  Decomposition  of  cutting  forces with  respect  to  chip  segmentation  and  white  layer  thickness  when  hard  turning  100Cr6,  Journal  of Manufacturing Processes 50 (2020) 475–484
[14]   W.  Zhang,  K.  Zhuang,  Effect  of  cutting  edge  microgeometry  on  surface  roughness  and  white  layer  in  turning AISI 52100 steel, Procedia CIRP 87 (2020)53–58
[15]   Z.  Chen,  M.  H.  Colliander,  G.  Sundell,  R.  L.  Peng,  J.  Zhou,  S.  Johansson,  J.  Moverare,  Nano-scale characterization of white layer in broached Inconel 718, Materials Science & Engineering A 684 (2017) 373–384
[16]   M.  Brown,  P.  Crawforth,    R.  M'Saoubi,  T.  Larsson,  B.  Wynne,  A.  Mantle,  H.  Ghadbeigi,  Quantitative characterization  of  machining-induced  white  layers  in  Ti–6Al–4V,  Materials  Science  &  Engineering  A  764 (2019) 138220
[17]   M.Brown,  H.Ghadbeigi,  P.  Crawforth,  R.M’Saoubi,    A.Mantle,    J.McGourlay,  D.Wright,  Non-destructive detection of machining-induced white layers in ferromagnetic alloys, Procedia CIRP 87 (2020)420–425
[18]   Kwong,    J.,    Axinte,    D.A.,    Withers,    P.J.,    The    Sensitivity    of    Ni-based    Superalloy    to    Hole    Making Operations:    Influence    of    Process    Parameters    on    Subsurface    Damage   and   Residual   Stress.    Journal    of Materials  Processing  Technology (2009),209:3968–3977
[19]   Pang,  J.Z.,  Wang,  M.J.,  Duan,  C.Z.,  White  Layer and  Surface  Roughness  in  High  Speed  Milling  of  P20  Steel, Advanced Materials Research (2007), Vol. 24-25: 45-54