## OPTIMASI TEMPERATUR INTERFACE PADA PELAPISAN ULANG NI-HARD 1

## DENGAN METODE GRAVITY CASTING
Kus Hanaldi 1 , Wiwik Purwadi 2 , Friya Kurnia Nurzaenal 3
1,2,3 Politeknik Manufaktur Negeri Bandung E-mail : adihanaldi@gmail.com 1 , wiwik@polman-bandung.ac.id 2

## Abstrak
Grinding roll adalah salah satu jenis bimetallic casting , terdiri dari dua jenis material yang disatukan dengan  metoda  pengecoran.  Grinding  roll  memiliki  dua  sifat  material  yang  berbeda,  bagian  luar grinding  roll  harus  keras  karena  akan  menghancurkan  material  tambang  atau  batuan  yang kekerasannya  mencapai  9,3  mohs.  Bagian  dalam  grinding  roll  haruslah  lunak,  selain  untuk  proses permesinan  untuk  pemasangan,  juga  digunakan  untuk  meredam  getaran  yang  terjadi  akibat  proses penggilingan.  Pada  penggunaannya,  lapisan  luar  grinding  roll  ini  akan  mengalami  penipisan.  Tujuan dari penelitian ini untuk memperbaiki balok Ni-Hard 1 dengan melapisinya menggunakan material Ni- Hard  1 cair  dengan  variabel  bebas  temperatur interface .  Metodologi  penelitian  ini  adalah  balok Ni- Hard 1 yang akan dilapisi ( die blank ) dipanaskan oleh aliran (flushing ) Ni-Hard1 cair pada permukaan die  blank  yang  dilapisi.  Volume  cairan flushing ditampung  pada  bak  pembuangan.  Rancangan  yang telah  ditentukan  disimulasikan  menggunakan  perangkat  lunak solidcast  8.2 untuk  mengetahui temperatur interface ,  lalu  dilakukan  percobaan  di  lapangan  dan  ikatan  yang  terjadi  dianalisa  dengan pengujian  mikrostruktur,  komposisi,  dan  kekerasan.  Hasil  dari  penelitian  ini  adalah  teknologi  untuk melapisi Ni-Hard  1 dengan  material Ni-Hard  1 yang  pada  permukaan  gabungannya  terjadi  ikatan. Hasil  penelitian  yang  dilakukan  menunjukkan  metode  perbaikan  dengan gravity  casting dapat diaplikasikan pada benda Grinding roll, dengan variabel temperatur interface yang harus dicapai antara 887 o C - 1198 o C, flushing time antara 10 - 20 detik, dengan temperatur pouring antara 1438 o C - 1468 o C.
Kata Kunci : grinding roll, ni-hard 1, gravity casting, die blank, flushing

## Abstract
Grinding roll is one type of product made by the method of bimetallic casting. The product consists of two types of material that held together with foundry process. Grinding roll has two kinds of different material properties, outer grinding roll should be hard because it would destroy the mine or rock with material hardness at 9.3 mohs. The inside of the grinding roll should be soft,  for machining process , and  also  for  dampen  the  vibration  caused  by  the  grinding  process.  In  use,  the  outer  layer  of  the grinding roll will be thinned. The purpose of this study to fix the beam Ni-Hard 1 by coating using a material  Ni-Hard  1  with  variable  temperature  liquid  interface.  The  methodology  of  this  study  is  the beam of Ni-Hard 1 to be coated (called die blank) is heated by the flow of liquid metal Ni Hard1. This process  is  called  flushing.  The  volume  of  flushing  fluid  is  accommodated  at  the  disposal  basin.  The design,  which  has  been  determined,  simulated  using  software  (solidcast  8.2)    to  determine  the temperature of interface, and then carried out experiments in the workshop.The bond was analyzed by testing the microstructure, composition, and hardness. Results from this study is the technology to coat Ni-Hard 1 with material Ni-Hard 1 that bonding occurs at the surface. Results of research showed that surface  fixing  with  gravity  casting  method  can  be  applied  at  Grinding  roll,  with  the  temperature variable  interface  that  must  be  achieved  between  887  °  C  –  1198  °  C,  flushing  time  between  10-20 seconds, with a pouring temperature of 1438 ° C – 1468 ° C.
Keywords : grinding roll, ni-hard 1, gravity casting, die blank, flushing

## I. PENDAHULUAN
Pada umumnya perbaikan  lapisan  luar Grinding roll yang  mengalami  penipisan  lapisan  pada  permukaan kerjanya  menggunakan  metode  pengelasan.  Metode  ini memerlukan waktu  yang relatif  lama dan  menghasilkan jenis ikatan fusi sehingga hasil perbaikan dengan proses pengelasan  memiliki  daya  tahan  yang  lebih  rendah daripada grinding roll yang baru hasil casting. Perbaikan  dengan  proses gravity  casting yang memanfaatkan flushing cairan  pada  permukaan  kerja diharapkan terjadi  ikatan  difusi  pada interface . Ikatan difusi  dikendalikan  oleh  tiga  parameter  proses  yang penting,  yaitu  :  suhu,  tekanan,  dan  waktu  penahanan, tiga  parameter  tersebut  saling  berkaitan  dalam  artian memiliki  efek  satu  sama  lain.  Suhu  ikatan  harus  antara 50% sampai 70% dari titik leleh salah satu material yang titik lelehnya terendah [1] Ikatan  difusi  menawarkan  banyak  keuntungan  terutama pada  kekuatan  ikatan  yang  hampir  sama  dengan  logam dasar  dan  struktur  mikro  di  daerah  ikatan  yang  persis sama dengan logam induk.[2] Penelitian ini fokus untuk mengetahui  temperatur interface yang  tepat  untuk melapisi ulang Ni-Hard 1 oleh material Ni-Hard 1.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
Bimetallic  casting dirancang  untuk  memungkinkan menyambung  dengan  mengandalkan  efek  pengelasan, dan  bagian  yang  terbuat  dari  besi  cor  kromium  untuk mendapatkan  kekerasan  tinggi  dan  ketahanan abrasive , namun  keterbatasan  dari  metode  ini  adalah  kebutuhan untuk  memanaskan die  blank yang  ditempatkan  dalam cetakan. metode ini dilakukan dengan bentuk dua sistem saluran seperti pada gambar 1 dan gambar 2. [3]
Gambar  1. Teknologi bimetallic  layer  casting dengan menggunakan  2  sistem  saluran  :  1-lapisan cast  iron (layer) ,  2-rongga  cetak  (pemanas),  3-plat  baja (die blank) , 4 & 5-saluran.
Gambar  2. Teknologi bimetallic  layer  casting dengan menggunakan bak pembuangan.

## III. METODE

## III.1. Penentuan Variabel Penelitian
Variable  yang  akan  di  tetapkan  adalah  sebagai berikut:
a. Variabel tetap - Material die blank & layer : Ni-Hard 1
Tabel 1 Komposisi kimia Ni Hard 1 [4] Unsur kadar (%) C 3,0-3,6 Si 0,3-0,5 Mn 0,3-0,7 S max 0,15 P max 0,15 Ni 3,3-3,8 Cr 1,5-2,6 Mo* 0-0,04 - Temperatur cor ( o C) : 1430 – 1470 - Jenis pasir cetak : Greensand - Dimensi rangka cetak (mm) : 570×440×200 - Rancangan b. Variabel bebas
Variabel  bebas  pada  penelitian  ini  adalah  temperatur interface .
III.2. Penentuan Alternatif Rancangan
Gambar 3. Alternatif rancangan
Rancangan  2  terpilih  karena  area interface pada die blank menerima panas langsung dari cairan logam yang dicor. Turbulensi  hanya  terjadi  sampai  rongga  layer penuh  sehingga  resiko  erosi  cetakan  sangat  rendah. Proses flushing optimal  karena  aliran  yang  laminar  di area interface dan  temperatur  tertinggi  terdapat  di  area interface. Ada  proses  pemanasan  awal  sebelum  terjadi flushing akibat  dari  pengisian  rongga  pelapis  yang berada  di  bagian  bawah.  Bak  pembuangan  pada rancangan  dapat  digantikan  dengan ladle, cairan  yang seharusnya mengisi bak buang dialirkan ke luar cetakan lalu  masuk  ke ladle. Cairan  logam  yang  di  tampung pada ladle dapat  di  kembalikan  ke  tanur  untuk  proses pouring selanjutnya,  sehingga  menghemat  energi  listrik proses  peleburan.  Karena  rancangan  2  yang  terpilih maka  temperatur interface dikontrol  oleh  lamanya proses flushing.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1. Rancangan Benda dan Sistem Saluran
Gambar 5. Visual 3D hasil rancangan
Perancangan  dimensi die  blank dan  pelapis dipengaruhi oleh kebutuhan aktual dimensi grinding roll yang akan diperbaiki/dilapisi dimana memiliki perbandingan  ketebalan  1  :  1  antara  bagian outer  layer yang terkikis dengan ketebalan grinding  roll yang akan dilapisi. Dimensi bak pembuangan ditentukan berdasarkan  ukuran  rangka  cetak  yang  akan  digunakan, bak  pembuangan  di  rancang  sebagai  bagian  lepas  agar lebih  efektif  dan  efisien.  Dimensi  sistem  saluran ditentukan dari hasil perhitungan casting keseluruhan.
IV.2.Hasil Simulasi
FlushingTtime Terhadap Temperatur Interface
Simulasi pengecoran menggunakan perangkat lunak solidcast  8.2 dilakukan  untuk  mengetahui  temperatur interface yang  terjadi  akibat  dari  penggunaan flushing time yang  berbeda.  Hasil  simulasi  digunakan  sebagai parameter  batas  atas  dan  batas  bawah  variabel  bebas flushing time pada penelitian ini.
Gambar  6. Hasil  simulasi flushing  time terhadap temperatur interface
Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  50%  TL (Temperatur  Likuidus)  sebagai  syarat  terjadinya  ikatan difusi  tidak  dapat  dicapai  tanpa flushing .  Pada  saat flushing  time 5  detik,  temperatur interface yang  terjadi
Rancangan 2 (Terpilih)
Rancangan 3
adalah 829,2 o C (67,7 TL) maka dari itu flushing time 5 detik  dijadikan  batas  bawah  pada  penelitian  ini.  Pada saat flushing  time 25 detik,  temperatur interface yang terjadi  diatas  temperatur  likuidus  yaitu  1275 o C  (TL  = 1225 o C). maka dari itu, flushing time 25 detik dijadikan batas atas pada penelitian ini.

## IV.3. Pola
Pola  digunakan  sebagai  alat  bantu  untuk  membuat rongga  cetak  pada  cetakan  pasir.  Setelah  proses pemadatan pasir cetak, pola tersebut dicabut / dilepaskan dari  cetakan  pasir  yang  kemudian  akan  meninggalkan rongga cetak.
Berikut  ini adalah gambar dari pola  yang digunakan pada penelitian ini:
Gambar 7. Pola sistem saluran, die blank, pelapis, dan bak pembuangan

## IV.4. Cetakan
Pasir  cetak  yang  digunakan  pada  percobaan  ini adalah green sand, selain ketersediaan yang banyak dan harga  yang  murah,  pasir  jenis  ini  memiliki  daya  hantar panas  yang  rendah,  sehingga  pemanasan  area interface lebih  efektif.  Gambar  tampak  atas  dari  cetakan  adalah sebagai berikut:
IV.5. Benda Cor ( Casting )
Setelah  cetakan  dicor  menggunakan  material Ni- Hard  1 dan  didinginkan  didalam  cetakan,  kemudian cetakan  dibongkar  dengan  menggunakan shake  out machine . Selanjutnya cetakan dibersihkan menggunakan  mesin shootblasting, setelah  itu  bagian bagian  benda  dipisahkan  dari  sistem  saluran  dan  bak pembungan  menggunakan  gerinda  tangan  pemotong, lalu diratakan menggunakan gerinda tangan perata.
Gambar  benda  cor  sebelum  dipisahkan  dari  sistem saluran disajikan pada gambar 9 berikut ini:

## Gambar 9 benda cor yang dihasilkan
IV.6.  Hasil  Data  Logger  Pada  Percobaan  Dengan Flushing Time 5 Detik
Gambar 10. Grafik temperatur pada percobaan flushing time 5 detik
Dari  hasil  percobaan  yang  disajikan  pada  gambar 10,  dengan flushing  time 5  detik  didapatkan  temperatur interface 937 o C (76,57 % TL) dicapai 143 detik setelah cairan  logam  pertama  kali  dicor  pada  cetakan.  Waktu difusi terjadi selama 370 detik (6,167 menit).
IV.7. Hasil  Data  Logger  Pada  Percobaan  Dengan Flushing Time 25 Detik
Gambar 11. Grafik temperatur pada percobaan flushing time 25 detik Dari hasil percobaan dengan flushing time 25 detik yang  disajikan  pada  gambar  11,  temperatur interface dicapai  detik  ke  34  pada  temperatur  1344 o C  (melebihi
Cawan tuang Saluran Pola die blank & pelapis Pola bak pembuangan berupa bagian lepasan 90,6mm Cetakan bagian atas Cetakan bagian bawah 570mm
470 mm
440mm Thermo couple
TL = 1225 o C indikasi die blank mencair ). Waktu difusi terjadi selama 719 detik (11,98 menit).
IV.8. Penyimpangan Temperatur Interface Terhadap Flushing Time Hasil Simulasi vs Aktual
Data  logger yang  digunakan  hanya  memiliki  4  slot thermocouple, sedangkan  dalam sebuah  cetakan diperlukan dua thermocouple yang ditempatkan pada die blank dan pada pelapis, sehingga data logger hanya bisa mengukur  untuk  2  cetakan.  Oleh  karena  keterbatasan alat,  pada  percobaan  ini, thermocouple ditempatkan hanya pada cetakan dengan flushing time 5 dan 25 detik. Penempatan thermocouple pada  batas  bawah  dan  batas atas  penelitian  ini  bertujuan  agar  hasil  temperatur interface yang  dibaca  oleh data  logger dapat  dibuat linear,  karena  hasil  simulasi  menggunakan solidcast juga  menunjukkan  hubungan flushing  time dengan temperatur interface berupa regresi linear yang memiliki nilai r 2 = 0,9012 (keterkaitan positif kuat). Grafik  penyimpangan  temperatur interface hasil simulasi  dengan  hasil  percobaan  (linear)  disajikan  pada gambar 12 berikut ini:
Gambar  12 Penyimpangan  temperatur interface hasil simulasi dengan hasil percobaan (linear)
IV.9. Mikrostruktur Pada Flushing Time 5 Detik
Gambar 13 Penampang potong dan struktur mikro pada flushing time 5 detik
Potongan  hasil  gerinda  tampak  garis interface di sepanjang  penampang  potong  dan  tidak  tampak  pada
area ingate .  Setelah  sampel  diampelas,  dipoles,  dietsa menggunakan  nital  3%  selama  5  detik  dan  di  lihat  di bawah  mikroskop,  pada  area ingate tidak  tampak  garis sambungan  difusi.  Pada  area  yang  tampak  garis  pada interface, tampak  seperti  terjadi  ikatan  antara die  blank dan  pelapis.  Untuk  memastikan  terjadi  atau  tidaknya ikatan  difusi  pada  garis interface tersebut,  dilakukan pengujian  menggunakan  SEM (Scanning  Electron Microscope) . Hasil SEM menunjukkan bahwa pada area tersebut  tidak  terjadi  ikatan,  terdapat gap antara die blank dan layer yang dipenuhi oleh pengotor.
IV.10 . Mikrostruktur Pada Flushing Time 10,15 dan 20 Detik
Gambar 14 Penampang potong dan struktur mikro pada flushing time 10 detik
Gambar  15. Penampang  potong  dan  struktur  mikro pada flushing time 15 detik
Gambar  16. Penampang  potong  dan  struktur  mikro pada flushing time 20 detik
Dari  hasil  potongan  kemuadian  dilakukan  proses gerinda pada sampel dengan flushing time 10 – 20 detik yang disajikan pada gambar 14,15,16 tidak tampak garis interface  antara die  blank dan  pelapis.  Terlihat  ikatan yang  sangat  baik,  orientasi  struktur  mikro  tampak
menyatu  antara die  blank dan  pelapis.  Pertumbuhan koloni  eutektik  baik edgewise  growth atau cooperative growth menyatu  dengan  baik,  material  tersebut  seperti dibuat dengan cara satu kali proses pengecoran,
IV.11 . Mikrostruktur Pada Flushing Time 25 Detik
Gambar 17 Penampang potong dan struktur mikro pada flushing time 25 detik
Pada  gambar  17  terlihat die  blank mencair  akibat menerima  panas  dari  proses flushing. Pada  gambar  11 grafik  hasil pengukuran data  logger menunjukkan pada detik  ke  34 die  blank berada  pada  temperatur  1344 o C (melebihi  TL  =  1225 o C)  sehingga  indikasi die  blank mencair  terbukti  oleh  hasil  percobaan  yang  dilakukan. Setelah  dilakukan  pengujian  mikrostruktur  di  area die blank yang  tidak  mencair,  tampak  ikatan  yang  identik dengan percobaan pada flushing time 10 – 20 detik.

## IV.12. Pengujian kekerasan
Dari  hasil  pengujian  kekerasan  pada  keseluruhan sampel,  menunjukkan  bahwa  hasil  kekerasan  sampel berada  pada  batas  kekerasan  standar  (56  –  63  HRC). Temperatur interface yang  dipengaruhi  oleh flushing time tidak  mempengaruhi  kekerasan  sampel,  sehingga originalitas  material  dapat  terjaga.  Hasil  pengujian kekerasan disajikan pada tabel 2 berikut ini:
Tabel 2. Hasil pengujian kekerasan

## V. PENUTUP
Kesimpulan Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  pelapisan ulang Ni-Hard  1 dengan  metoda grafity  casting dapat dilakukan  pendekatan  pada  benda  asli grinding  roll dengan variabel temperatur interface yang harus dicapai antara  1038 o C  ( flushing  time 10  detik)  –  1242 o C ( flushing  time 20  detik),  karena  ketika  temperatur interface 937 o C  ( flushing  time 5  detik)  hanya  terjadi
ikatan  di  sebagian  kecil  sampel,  sedangkan  pada  saat temperatur  interface  1344 o C  ( flushing  time 25  detik) die  blank yang  dilapisi  mencair.  Temperatur pouring antara 1438 o C – 1468 o C agar memberikan energi panas yang cukup untuk memanaskan die blank. selain itu juga untuk  menjaga keenceran cairan  logam,  jika temperatur cor terlalu rendah dapat menyebabkan pelapis membeku terlalu  cepat  sehingga  proses flushing tidak  optimal. Dari hasil pengujian struktur mikro pada sampel dengan flushing time 10 – 20 detik antara die blank dan pelapis terjadi  ikatan  yang  sempurna,  tidak  tampak  garis  difusi pada  area interface, pertumbuhan  koloni  eutektik, edgewise dan cooperative growth saling berikatan. Hasil pengujian  kekerasan  dan  struktur  mikro  menunjukkan hasil  sesuai  dengan  standar,  kekerasan  56-63  HRC dengan matriks karbida eutektik, dan martensit.

## VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] Mahendiran, G., V. Balasubramanian, T. Sethilvelan.  (2011).  Mechanical  and  metallurgical properties of diffusion bonded AA2024 aluminium alloy  and  commercial  grade  copper.  Elixir International Journal, Elixir Mech. Engg. 38, 4283- 4289.J.  Moran,  Michael  and  Shapiro,  H.N., Fundamentals
[2] Rusnaldy.  (2001).  DIFFUSION  BONDING  :  AN ADVANCED OF MATERIAL PROCESS. ROTASI – Volume 3 Nomor 1
[3] Cholewa,  M.,  T.  Wrobel,  S.  Tenerowicz.  (2010). Bimetallic layer castings. Journal of Achievments in Materials  and  Manufacturing  Engineering,  volume 43, issue 1/2010
[4] NIDI,  NI-HARD  Material  Data  and  Applications. NIDI Publisher.
[5] ASM  Handbook  Volume  15  :  Casting  (1998), ASM International
[6] Laird,  George.,  Gundlach,  Richard.,  dan  Klaus Röhrig  (2000):  Abrasion  Resistant  Cast  Iron Handbook, American Foundry Society
[7] Vincent  Gaspersz,  (1995):  Teknik  Analisis  Dalam Penelitian Percobaan, Tarsito Bandung
[8] Walton,  Charles  F.,  Opar,  Timothy  J.(1981): Iron Castings Handbook , Iron Casting Society, Inc.