Jurnal Teknologi Bahan dan Barang Teknik Vol. 12, No. 1, Juni 2022: 1-6 e-ISSN: 2715-9116 DOI: 10.37209/jtbbt.v12i1
Email:fajar.nurjaman@lipi.go.id DOI: http://dx.doi.org/10.37209/jtbbt.v12i1.209

## PENGARUH PENAMBAHAN KROMIUM PADA Ni - HARD 2 TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN STRUKTUR MIKRO

## THE EFFECT OF CHROMIUM ADDITION TO Ni - HARD 2 ON MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE
Partogi A.F. Aritonang 1 , Tumpal Ojahan 1 , Fajar Nurjaman* 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Malahayati, Indonesia
2 Research Unit for Mineral Technology, Indonesian Institute of Sciences
Diterima: 4 Maret 2022 Direvisi: 9 April 2022 Disetujui: 6 Juni 2022

## ABSTRAK
Pengaruh penambahan kromium pada material Ni-Hard 2 (kondisi as-cast ) terhadap sifat kekerasan, impak, laju  keausan,  dan  struktur  mikro  telah  dipelajari dalam  penelitian  ini.  Material Ni-Hard  2 paduan  kromium  dibuat dengan  melebur scrap besi, ferrochrome dan ferronickel menggunakan  tungku  induksi  frekuensi  tinggi  hingga temperatur 1450-1500°C. Selanjutnya logam cair tersebut dituang ke dalam cetakan pasir, hingga diperoleh sampel berukuran Ø20x100 mm. Nilai kekerasan tertinggi dan laju keausan optimum (terendah) diperoleh pada material Ni- Hard 2 dengan penambahan 12% kromium, yaitu sebesar 42,3 HRC dan 0,48 x 10 -6 mm 3 /mm. Nilai impak optimum diperoleh pada material Ni-Hard 2 dengan penambahan 7% kromium, yaitu sebesar 54,8 J/cm². Hasil dari pengamatan foto struktur mikro material pada kondisi as-cast memiliki struktur fasa berupa austenit, ferit, dan karbida.
Kata Kunci : Ni-Hard 2 , kromium, struktur mikro, kekerasan, impak, laju keausan.

## ABSTRACT
The effect of chromium addition on hardness, impact, wear rates, and microstructure of Ni-Hard 2 in as-cast condition  has  been  investigated  clearly.  Ni-Hard  2  with  chromium  addition  was  made  by  melting  the  iron  scrap, ferrochrome, and ferronickel in a high-frequency induction furnace at 1450-1500°C. The hot metal was then poured into the green sand mold to obtain samples with Ø20x100 mm. The highest hardness and optimum wear rates were resulted from Ni-Hard 2 with 12 wt.% of chromium addition, i.e., 42.3 HRC and 0.48 x 10 -6 mm 3 /mm, respectively. The optimum impact  value was obtained from Ni-Hard 2 with 7 wt.% of chromium addition, i.e.,54.8 J/cm². From microstructure analysis, the austenite, ferrite, and carbides on this Ni-Hard 2 were observed.
Keywords: Ni-Hard 2, chromium, microstructure, hardness, impact, wear rates.

## PENDAHULUAN
Ni-Hard adalah nama genetik besi cor putih dengan  penambahan  unsur  paduan  kromium  dan nikel  untuk  meningkatkan  kekerasan dan ketahanan  abrasi  dari  material  besi  tersebut.  Ada tiga  jenis Ni-Hard dengan  komposisi  berbeda, yaitu Ni-Hard 1 dan Ni-Hard 2 dengan kandungan 3,3% ( resp . 2,6%) C, 4% Ni, 2% Cr, serta Ni-Hard 4 dengan  kandungan 3% C, 9% Cr, 5% Ni, 2% Si. Struktur  yang  terbentuk  pada  material Ni-Hard terdiri dari martensit ( as-heat treated ) dan karbida yang  mempunyai  kekerasan  minimum  600  BHN [1].  Material Ni-Hard yang  digunakan  sebagai bahan baku industri harus memenuhi persyaratan komposisi  dan  kekerasan  menurut  Standar
Industri  Indonesia  (SII),  yaitu SII-0789-83  (SNI- 1069) [2].
Keausan adalah proses hilangnya sejumlah lapisan  permukaan  material  karena  ada  gesekan antara permukaan padatan dengan permukaan lain akibat  interaksi  mekanik.                  Di  Indonesia, kerugian  yang  disebabkan  oleh  keausan  dalam dunia  industri  semen  diantaranya  kehilangan efisiensi  kinerja  karena  terjadi  penurunan  dan kekuatan diakibatkan oleh laju keausan komponen logam  yang  tinggi,  kerugian  produksi  selama pekerjaan  terhenti  akibat  perbaikan  dan  biaya pengganti  komponen  yang  aus  tersebut  [3]. Ketahanan aus tidak hanya terkait dengan struktur mikro  matriks,  tetapi  juga  tergantung  pada  tipe dan  karakteristik  karbida  (ukuran,  morfologi,
distribusi, dan orientasi). Ketahanan aus dapat di tingkatkan  dengan  meningkatkan  jumlah  karbida eutektik dalam paduan, namun hal tersebut dapat mengurangi nilai ketangguhan [4].
Peningkatan  ketahanan  aus  material Ni- Hard dapat  dilakukan  dengan  memodifikasi komposisi  kimia,  seperti  penambahan  titanium, tungsten,  niobium,  vanadium,  molibdenum  dan kromium,  yang  umumnya  dilakukan  untuk membentuk  karbida  atau  memperbaiki  fasa karbida.
Sebelumnya  telah  dilakukan  penelitian terkait  pengaruh  kandungan  nikel  dan  kromium terhadap  kekerasan  dan  keuletan  besi  cor  putih martensit  [5].  Pada  penelitian  tersebut  jumlah nikel  yang  ditambahkan  sebanyak  4,4%  dan kromium sebanyak 2,2%, selain itu juga dilakukan perlakuan panas dengan suhu 450°C-500°C yang ditahan  selama  1,5-4  jam  yang  selanjutnya didinginkan  dengan  media  pendingin  udara bertemperatur  175°C.  Selanjutnya  dilakukan proses  pemanasan  kembali  pada  temperatur 275°C-300°C dan di tahan di dalam tungku selama 4-16  jam.  Dari  hasil  penelitian  tersebut  didapat bahwa  penambahan  nikel  sebanyak  4,4% berpengaruh  pada  transformasi  struktur  kristal dendrit  primer  pada  martensit  dalam  matriks karbida  eutektik  menjadi  martensit  primer  dan bainit  dalam  matriks  perlit.  Sedangkan  pengaruh penambahan kromium sebanyak 2,2% menstabilkan  karbida  yang  akan  mempengaruhi fasa-fasa primer.
Peneliti  lainnya  juga  telah  mempelajari tentang pengaruh penambahan kromium terhadap sifat  mekanik  dan  struktur  mikro  pada  besi  cor nodular 400 [6]. Dari penelitian tersebut diperoleh
bahwa  penambahan sedikit unsur kromium dapat meningkatkan  nilai  kekuatan  tarik  namun menurunkan  elongasi  dan  meningkatkan  nilai kekerasan.  Peningkatan  sedikit  unsur  kromium tidak  memberikan  efek  yang  signifikan  dalam meningkatkan jumlah perlit dan nodularity .
Umumnya  kromium  adalah  unsur  yang sering digunakan untuk paduan besi tuang karena memiliki kemampuan untuk meningkatkan ketahanan  terhadap  korosi  dan  oksidasi.  Pada penambahan dalam jumlah sedikit, kromium dapat meningkatkan  kekerasan  pada  besi  tuang. Pengaruh  penambahan  unsur  kromium  dalam material Ni-Hard  2 belum  banyak  dilakukan dalam penelitian. Oleh karena itu dalam penelitian ini  akan  dipelajari  pengaruh  penambahan  unsur kromium  terhadap  sifat  mekanik  (kekerasan, impak, dan keausan), struktur mikro (menggunakan  mikroskop  optik)  dan  identifikasi fasa  (menggunakan  uji  XRD)  pada Ni-Hard  2 pada kondisi as-cast .

## METODE PENELITIAN

## Material
Material yang digunakan pada penelitian ini merupakan  besi  tuang  putih Ni-Hard  2 (ASTM Class I Type B ) yang dapat dilihat pada Tabel 1. Logam Ni-Hard    2 dibuat  dengan  cara  melebur scrap besi, serta material paduan ( ferronickel , dan ferrochromium )  dalam  tungku  induksi  frekuensi tinggi  hingga  temperatur    1450-1500°C.  Logam cair yang diperoleh selanjutnya dituang ke dalam cetakan  pasir,  dengan  ukuran  benda  cetak Ø20x100 mm.
Tabel 1. Komposisi Logam Ni - Hard 2 (ASTM Class I Type B ) dan Ni - Hard 2 Paduan Kromium Spesimen Komposisi Kimia % C Si Mn S P Ni Cr Mo
Ni - Hard 2 ASTM Class II Type B Ni-Hard 2 + 5% Cr Max. 2,9 2,07 0,3-0,7 0,56 0,3-0,7 0,24 Max. 0,15 0,39 Max. 0,30 0,08 3,3-5,0 4,3 1,4-2,4 5,75 0-0,4 0,2 Ni-Hard 2 + 7%  Cr 2,44 0,79 0,29 0,4 0,08 4,14 7,16 0,05 Ni-Hard 2 + 12%Cr 2,76 0,8 0,23 0,31 0,09 4,7 12,26 0,05
Jurnal Teknologi Bahan dan Barang Teknik Vol. 12, No. 1, Juni 2022: 1-6 e-ISSN: 2715-9116 DOI: 10.37209/jtbbt.v12i1
(a) (b)
Gambar 1. Grafik Sifat Mekanik Ni-Hard 2 dengan Variasi Penambahan Unsur Kromium: (a) Kekerasan dan Impak; (b) Laju Keausan

## Pengujian
Pada  studi  penelitian  ini  dilakukan pengujian  berupa  pengujian  sifat  fisik  dan  sifat mekanis,  diantaranya  adalah:  (1)  Pengujian kekerasan menggunakan rockwell (HRC) dengan merek Starrett 3814,  dilakukan  pada  3  kali pengujian  dengan  lokasi  yang  berbeda;  (2) Pengujian  impak  menggunakan  metode Charpy , dilakukan  3  kali  pengujian  dengan  sampel  yang sama;  (3)  Pengujian  keausan  menggunakan metode Ogoshi ,  dilakukan  dengan  pembebanan 3,16 kg dan jarak pengausan 100 m; (4) Pengujian struktur  mikro  menggunakan  mikroskop  optik dengan merek Nikon Eclipse MA 100, dilakukan identifikasi  dengan  pembesaran  100x,  200x  dan 500x; (5) Pengujian identifikasi fasa menggunakan  XRD  dengan  merek Panalytical X’pert 3 Powder.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil uji kekerasan material Ni-Hard 2 (Gambar  1(a)),  paduan  kromium  sebanyak  12% memiliki  nilai  kekerasan  tertinggi.  Kromium dapat meningkatkan nilai kekerasan pada material Ni-Hard 2  dikarenakan  atom  kromium  akan menyusup  secara  substitusi  pada  struktur  kristal material Ni-Hard 2  yang  menyebabkan  dislokasi pada  struktur  kristal.  Makin  banyak  kromium yang  larut  pada paduan,  maka  makin  tinggi nilai kekerasan paduan tersebut. Mekanisme pengerasan  kromium  ini  disebut  dengan Solid Solution Hardening [7].
Berdasarkan data yang diperoleh dari grafik pengujian  impak  di  atas  (Gambar  1(a))  dapat dilihat bahwa nilai impak sedikit meningkat pada
material Ni-Hard 2 dengan kandungan 7% Cr dan menurun  tajam  pada  material Ni-Hard 2  dengan penambahan  12%  Cr.  Pada  dasarnya  nilai kekerasan  berbanding  terbalik  dengan  nilai ketangguhan,  akan  tetapi  pada  hasil  pengujian impak  material Ni-Hard 2  paduan  7%  memiliki nilai  impak  tertinggi.  Hal  tersebut  dapat  dilihat pada struktur mikro yang terdapat pada spesimen Ni-Hard 2  dengan  unsur  kromium  7%  yang memiliki  struktur  butir  yang  rapat  sehingga mengakibatkan  nilai  kekerasan  dan  nilai  impak yang tinggi (Gambar 2).
Berdasarkan  data  yang  diperoleh  dari Gambar  1(b),  dapat  dilihat  nilai  laju  keausan material Ni-Hard 2  paduan  kromium  makin meningkat  (atau  ketahanan  ausnya  berkurang) seiring  dengan  bertambahnya  paduan  kromium dalam  material Ni-Hard 2  pada  kondisi as-cast . Nilai  keausan  terendah  akan  memberikan ketahanan aus yang paling baik. Dari Gambar 1(b) tampak  bahwa  material Ni-Hard 2  dengan kandungan  kromium  sebesar  12%  memiliki ketahanan aus yang paling baik yaitu sebesar 0,48 x10 -6 mm 3 /mm,  material Ni-Hard 2  dengan kromium  12%  memiliki  nilai  kekerasan  yang paling  tinggi  material  lainnya  dengan  nilai kekerasan  42,3  HRC.  Menurut  Ratia  [8], kekerasan adalah sifat yang paling penting untuk meningkatkan  kemampuan  suatu  baja  dalam ketahanan aus dikarenakan goresan. Makin keras material  tersebut,  makin  sulit  media abrasive untuk  melakukan  penetrasi  dan  menggores material  tersebut.  Mekanisme  pengerasan  yang terjadi  disebabkan  oleh  pembentukan  unsur karbida  kromium.  Saat  proses  solidifikasi,  unsur karbon dalam  dendrit  matriks  austenit cenderung
berikatan dengan kromium menghasilkan karbida kromium  (Cr 7 C 3 ).  Keberadaan  karbida  dalam matriks  pada  material  besi  tuang  mengandung kromium  dapat  memberikan  peningkatan  yang signifikan terhadap nilai kekerasan dan ketahanan aus [9].
Pada  gambar  struktur  mikro  (Gambar  2), dapat dilihat bahwa fasa yang terbentuk dari   ke- 3  spesimen  tersebut  adalah    fasa  austenit,  fasa karbida  kromium  (M 3 C  dan  M 7 C 3 )  dan  fasa karbida eutektik (M 7 C 3 ). Karbida eutektik adalah karbida  yang  terbentuk  pada  saat  reaksi dekomposisi  larutan  besi  cair  yang  mengandung karbon tinggi pada temperatur 1147°C.
Dari hasil pengujian struktur mikro seperti ditunjukkan dalam Gambar 2(a), material Ni-Hard 2 dengan  penambahan  kromium  5%  memiliki struktur  fasa  berupa  austenit , karbida  kromium (M 7 C 3 )  dan  karbida  kompleks  (M 3 C).  Struktur fasa  ini  diperkuat  oleh  hasil  dari  pengujian identifikasi  fasa  XRD  yang  dapat  dilihat  pada Gambar  3(a)  yang  menyatakan  bahwa  puncak intensitas  fasa  yaitu  austenit  sebesar  29,1%,
karbida  kompleks  M 3 C  sebesar  56,9%  dan  ferit sebesar 1,2%.
Dari  hasil  pengamatan  uji  struktur  mikro pada material Ni-Hard 2 dengan paduan kromium sebesar  7%  terdapat  fasa  austenit  dan  karbida eutektik  (M 7 C 3 )  dan  fasa  ferit,  ditunjukan  pada Gambar  2b.  Keberadaan  struktur  fasa  tersebut diperkuat oleh hasil pengujian XRD seperti pada Gambar 3(b), yang menunjukkan bahwa beberapa puncak intensitas fasa, diantaranya adalah austenit sebesar  90,2%,  karbida  eutektik  (M 7 C 3 )  sebesar 9,0%  dan  ferit  sebesar  0,8%.  Pada  pengamatan struktur  mikro  dapat  dilihat  bahwa    material Ni - Hard 2  dengan  paduan  kromium  7%  memiliki butir  atom  yang  rapat  dan  juga  terdapat  fasa karbida  eutektik  (M 7 C 3 )  sehingga  material tersebut  memiliki  nilai  ketahanan  impak  yang paling  baik.  Hal  tersebut  juga  diperkuat  oleh penelitian  sebelumnya  yang    mengatakan  bahwa dengan  adanya  karbida  eutektik  yang  memiliki bentuk  struktur  mikro  pipih  dan  berbentuk  halus dapat  meningkatkan  nilai  impak  dan  ketahanan aus,  akan  tetapi  sedikit  mempengaruhi  nilai kekerasan [10].
. (a) 5% (b) 7% (c) 12%
Gambar 2. Struktur Mikro Ni-Hard 2 Paduan Kromium(Pembesaran 200x)
Gambar 3. Grafik hasil Pengujian Identifikasi Fasa  pada Spesimen Ni-Hard 2 Paduan Kromium Kondisi As-Sast: (a) 5%, (b) 7%, (c) Cr 12%
Dari  hasil  pengamatan  struktur  mikro  pada material Ni - Hard 2 dengan paduan kromium 12% seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  2(c) terdapat  fasa  austenit  dan  fasa  karbida  kromium (M 7 C 3 ).  Keberadaan  fasa  tersebut  juga  diperkuat oleh  hasil  pengujian  XRD  seperti  pada  Gambar 3(c),  yang  menunjukkan  beberapa  puncak intensitas  fasa,  diantaranya  adalah  karbida kromium  (M 7 C 3 )  sebanyak  58,4%,  austenit sebanyak 41,3%, dan fasa ferit hanya 0,3%.
Banyaknya jumlah paduan kromium sebesar 12%  mengakibatkan material Ni - Hard 2 memiliki nilai kekerasan yang tinggi, sebagaimana diperkuat oleh penelitian sebelumnya  yang  mengatakan  bahwa  larutnya kromium pada fasa karbida akan menaikkan nilai kekerasan  serta  melunakkan  kestabilan  austenit [5].
Material Ni-Har d  2  umumnya  memiliki nilai kekerasan lebih dari 50 HRC pada kondisi as- cast [11]. Rendahnya nilai kekerasan dari material Ni-Hard yang  digunakan  dalam  penelitian  ini dikarenakan  tingginya  kandungan  sulfur  yang melebihi  batas  maksimum  yang  disyaratkan, sebagaimana  ditunjukkan  dalam  Tabel  1.  Unsur sulfur  memberikan  dampak  negatif  terhadap kekuatan  material  besi  dan  baja  [12],  akibat terbentuknya  senyawa  besi  sulfida  (FeS). Umumnya  pengurangan  kandungan  sulfur  dalam material baja dilakukan melalui proses desulfurisasi,  salah  satunya  melalui  penambahan senyawa  kalsium  oksida  (CaO).  Selain  itu, peningkatan  nilai  kekerasan  material Ni-Hard juga  dapat  dilakukan  melalui  proses  perlakuan panas.
Tabel 2. Nilai Senyawa Hasil Identifikasi Fasa Spesimen Ni-Hard 2 Paduan Kromium
pada Kondisi As-Cast Fasa (% berat) Ni-Hard 2 paduan kromium kondisi as-cast 5% 7% 12% Austenit 29,1 90,2 41,3 Ferit 1,2 0,8 0,3 M 7 C 3 12,8 9,0 58,4 M 3 C 56,9 - -

## KESIMPULAN
Pengaruh  penambahan  kromium  pada spesimen  kondisi as - cast sangat  berpengaruh terhadap    ukuran butir (struktur mikro), dimana semakin  banyak  persentase  penambahan  unsur kromium  maka  ukuran  butirnya  akan  semakin halus sehingga akan mempengaruhi  nilai
kekerasan,  impak,  dan  keausan.  Nilai  kekerasan paling  optimal  dimiliki  oleh  spesimen  12% kromium  yaitu  sebesar  42,3  HRC,  kemudian untuk  nilai  impak  terbaik  berada  pada  spesimen 7% kromium, yaitu sebesar 54,8 J/cm 2 , dan untuk nilai  laju  keausan  terbaik  pada  spesimen  12% kromium sebesar 0,48 x 10 -6 mm 3 /mm, dan untuk fasa yang terbentuk saat spesimen kondisi as - cast
adalah  fasa  austenit,  ferit,  dan  karbida.  Karbida yang  terbentuk  adalah  karbida  M 3 C,  karbida kromium, dan karbida eutektik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. H.  Farge,  “Practices  and  Procedures  for Irons and Steels” in Heat Treater’s Guide . United  State  of  America:    Material  Park,
1982. pp.31.
[2]. Standar  Industri  Indonesia,  “Bola  Pelumat Logam  Ferro:  SII-0789-83  (SNI-1069),” Januari, 1983.
[3]. R. Kartikasari, R. Soekrisno, M. N. Ilman, “Karakteristik ball mill import pada industri semen di Indonesia,” Jurnal Teknik Mesin , vol. 9, pp. 18-24, 2007.
[4]. M.  Mohammadnezhad,  V.  Javaher,  M. Shamanian, Naseri & M. Bahrani, “Effects of  vanadium  addition  on  microstructure, mechanical  properties  and  wear  resistance of Ni-Hard 4 white cast iron,” Material and Design , vol. 49, pp.  888-893, 2013.
[5]. A.  N.  Setyo,  “Pengaruh  kandungan  nikel dan  chromium  terhadap  kekerasan  dan keuletan  besi  cor  putih  martensit,” Jurnal Penelitian Inovasi , vol. 20, pp. 77-86, 2003.
[6]. M.  Doloksaribu,  ”Pengaruh  kromium terhadap  sifat  mekanik  dan  struktur  mikro pada  besi  cor  nodular  400,” Jurnal  Metal
Indonesia , vol. 38, pp. 8-13, 2017.
[7]. J.  E.  Brady,”Kimia  Universitas  Asas  dan Struktur. Jakarta: Binarupa Aksara, 1985.
[8]. Ratia,”Development  of  abrasion  resistant Ni-Hard 4 cast iron,” Jurnal Teknik Mesin , vol. 7, pp. 833-836, 2015.
[9]. F.  Nurjaman,  B.  Suharno,  W.  Astuti,  M. Aryati,”Karakteristik grinding  ball impor asal India dan China,” Prosiding SENAMM V, pp. 78-84, 2012.
[10]. Z.  Zhao,  J.  Liu,  H.  Tang,  X.  Ma,  and  W. Zhao,  “  Effect  of  Mo  addition  on  the microstructure and properties of WC-Ni-Fe hard  alloys,” Journal  of  Alloys  and Compounds , vol. 646, pp. 155-1, 2015.
[11]. B.  L.  Rizov,  ”Some  results  from  the investigation of effect of heat treatment on properties of Ni-Hard cast  irons” International  Journal  of  Engineering Research and Development , vol. 13, pp. 30- 35, 2017.
[12]. F.  Nurjaman,  E.  B.  Saputra,  E.  B.,  D. Ferdian,  &  B.  Suharno,”  2018.  Effect  of slag basicity in ferromanganese production using  medium-grade  manganese  ore  from East  Java-Indonesia,” Mineral  Processing and  Extractive  Metallurgy ,  vol.  127,  pp. 121-126, 2018.