## Analisa Mampu Las Material besi Tuang Memanfaatkan Elektroda Nikel
(Studi Kasus komponen Cylinder Head Pc750se-7 Yang Mengalami Fretting)
K. A. Widi, W. Sujana, T. Rahardjo
1) Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Nasional malang Email : aswidi@lecture.itn.ac.id

## Abstrak
Tujuan  pengembangan  metode  ini  adalah  berdasarkan  studi  kasus  dilapangan dimana ditemukan banyak sekali komponen barbahan baku besi tuang yang yang sudah tidak bisa dimanfaatkan lagi. Tidak berfungsinya komponen-komponen tersebut sebagian besar diakibatkan karena terjadi kekegagalan produk baik saat diaplikasikan maupun saat proses  manufaktur  pembuatannya.  Dengan  demikian,  peneliti  mencoba  mencari  solusi terhadap  permasalahan  tersebut  yaitu  dengan  mencari  metode  manufaktur  yang  tepat, efisien  dan  praktis  untuk  dikembangkan  dalam  memperbaiki  kegagalan  yang  umumnya terjadi  pada  komponen  tersebut.  Adapun  kegegalan  yang  sering  terjadi  diantaranya adalah kegegalan akibat retak dan freeting.
Besi  cor  memiliki  kadar  karbon  yang  tinggi  (lebih  dari  2  wt%)  sehingga mempunyai  sifat  mampu  las  (weldability)  yang  kurang  baik.  Pada  penelitian  ini  akan memanfaatkan  komponen  cylinder  head  PC750SE-7  yang  terbuat  dari  besi  cor  kelabu FC250  yang  mengalami  kegagalan  fretting.  Tingkat  kegegalan  ini  akan  diamati memanfaatkan  pengujian  tidak  merusak  (NDT)  dengan  metode  dye  penetrant.Produk gagal  tersebut  selanjutnya  akan  dilakukan  analisa  dengan  menerapkan  metode pengelasan. Pengamatan akan dilakukan pada sifat mekanis berupa kekerasan pada base metal, HAZ (heat affected zone), PMZ (partially melted zone), weld metal, hasil lasan pada permukaan dan retak  las, serta struktur mikro. Proses pengelasan menggunakan SMAW (shielded metal arc welding) dengan elektroda nikel CIN-1 dengan proses perlakuan panas preheat  200 0 C  dan  PWHT  (post  weld  heat  treatment)  600 0 C.  Untuk  meningkatkan kemampulasan, pada penelitian ini juga memanfaatkan proses normalisasi setelah proses pengelasan. Pengamatan juga akan dilakukan berupa kekerasan dan SEM/EDAX.
Dari pengamatan, kekerasan antara weld metal dan base metal tidak jauh berbeda yaitu 24,36 HRC dan 27,32 HRC. Kekerasan pada PMZ sebesar 769,72 HV. Hasil pada permukaan hasil lasan baik karena tidak adanya indikasi crack/retak dan porositas yang diuji dengan dye penetrant. Berdasarkan hasil pengamatanstruktur mikro terlihat matriks yang terbentuk berupa perlit dengan grafit berupa flake(serpih) yang tipis dan panjang. Struktur mikro pada PMZ terbentuk eutektik  ledeburit dan pada HAZ terbentuk struktur martensit. Sedangkan struktur mikro pada weld metal terdiri dari matriks austenit dengan persebaran partikel grafit yang merata.
Kata Kunci : Nitriding, Anealing, Normalising, Baja, Besi Tuang, SEM/EDAX

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan  ilmu  pengetahuan dan teknologi saat ini sangat mempengaruhi kehidupan  manusia  yang  secara  langsung  di berbagai bidang, terutama di bidang kontruksi  dan  pemesinan.  Sebagai  contoh besi  cor,  besi  cor  ( cast  iron )  adalah  besi- karbon dan silikon dengan kadar C lebih dari 2% (ASM Handbook Vol.1). Besi cor banyak digunakan  dikomponen  otomotif  maupun mesin  sebagai  contoh cylinder  head. Oleh karena  itu,  tak  heran  dari  beberapa cylinder head yang  mengalami  kerusakan  seperti fretting.  Fretting adalah  sebuah  fenomena yang  terjadi  antara  dua  permukaan  yang saling terhubung, dengan adanya getaran dan menerima  beban siklik dari engine sehingga menyebabkan objek yang terhubung mengalami  pengikisan  dan  menimbulkan coakan.  Salah  satu  cara  perbaikan  adalah dengan pengelasan. Besi cor mempunyai sifat mampu  las  ( weldability )  yang  rendah sehingga  perlu  prosedur  pengelasan  yang benar. Pengelasan yang digunakan menggunakan metode SMAW dengan menggunakan elektroda nikel dengan perlakuan preheat dan  PWHT  ( Post  Weld Heat Treatment ).

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengelasan (welding)
Pengelasan ( welding ) adalah salah satu teknik penyambungan logam dengan cara mencairkan sebagian logam induk dan logam pengisi  dengan  atau  tanpa  tekanan  dan dengan  atau  tanpa  logam  penambah  dan menghasilkan  sambungan  yang  kontinyu.
Secara konvensional cara-cara
pengklasifikasian pada waktu ini dapat dibagi dalam  dua  golongan,  yaitu  klasifikasi berdasarkan  cara  kerja  dan  berdasarkan energi  yang  digunakan.  Diantara  kedua klasifikasi tersebut diatas, terlihat klasifikasi berdasarkan cara kerja lebih banyak digunakan.  Perincian  lebih  lanjut  dari klasifikasi  ini  dapat  dilihat  pada  tabel dibawah ini.
2.2.  Las  SMAW  (Shielded  Metal  Arc
Welding)
SMAW ( Shielded Metal Arc Welding )  adalah  proses  las  busur  manual dimana  panas  pengelasan  dihasilkan  oleh
busur  listrik  antara  elektroda  terumpan berpelindung  flux dengan  benda kerja kerja. Energi panas yang digunakan untuk mencairkan  logam  berasal  dari  elektroda mampu mencapai 60000C. Pola pemindahan logam  cair  sangat  mempengaruhi  sifat mampu  las  yang  tinggi  bila  pemindahan terjadi  dengan  butiran  yang  halus.  Pola pemindahan  cairan  dipengaruhi  oleh  besar kecilnya arus dan komposisi dari bahan flux yang  digunakan.  Berdasarkan  jenis  arusnya, pengelasan  ini dibagi atas arus  AC dan DC, dimana  arus  DC  dibedakan  atas straight polarity (polaritas lurus) dan reverse polarity (polaritas terbalik). Sedangkan  mesin  lasnya terbagi  atas  dua  jenis  yaitu constant  current (arus  tetap)  dan constant  voltage (tegangan tetap).
Gambar 1 Las Busur dengan Elektroda Terbungkus
SMAW  adalah  proses  las  busur listrik  paling  sederhana  dan  paling  serba guna.  Karena  sederhana  dan  mudah  dalam mengangku  peralatan  dan  perlengkapannya, membuat  proses  SMAW  ini  mempunyai aplikasi  luas  mulai dari perbaikan perpipaan sampai jalur perpipaan, dan lain-lain. SMAW bisa  dilakukan  pada  berbagai  posisi  atau lokasi  yang  bisa  dijangkau  dengan  sebatang elektroda. Sambungan-sambungan pada daerah  dimana  pandangan  mata  terbatas masih bisa dilas dengan cara membengkokkan  elektroda.  Proses  SMAW digunakan  untuk  mengelas  berbagai  macam logam ferrous dan non ferrous, termasuk baja karbon  dan  baja  paduan  rendah,  baja  tahan karat,  paduan-paduan  nikel,  besi  cor  dan beberapa paduan tembaga.
Meskipun  SMAW  adalah  proses pengelasan  dengan  daya  guna  tinggi,  proses ini mempunyai beberapa karakteristik dimana  laju  pengisiannya  lebih  rendah dibandingkan  proses  pengelasan  semi- otomatis  atau  otomatis.  Panjang  elektroda
tetap dan pengelasan harus dihentikan setelah sebatang  elektroda terbakar  habis.  Slag  atau terak  yang  terbentuk  harus  dihilangkan  dari lapisan  las  sebelum  lapisan  berikutnya didepositkan.  Dibutuhhkan  juru  las  yang sangat  terampil  untuk  dapat  menghasilkan pengelasan berkualitas.

## 2.3. Besi Cor (Cast Iron)
Pada  umumnya  besi  cor,  seperti halnya  baja  yang  pada  dasarnya  adalah paduan antara besi (Fe) dengan zat arang (C) dengan  kadar  C  lebih  dari  2%  (ASM Handbook  Vol.1).  Semakin  tinggi  kadar karbon  yang  ada  pada  besi  cor  akan menyebabkan besi cor rapuh/getas. Selain itu besi  cor  juga  mengandung  silikkon  (Si), mangan  (Mn),  phospor  (P),  dan  sulfur  (S). selain itu juga terdapat unsur-unsur lain yang ditambahkan  untuk  mendapatkan  sifat-sifat tertentu.  Dari  warna  patahannya  dapat dibedakan 3 jenis besi cor yaitu besi cor putih yang  terdiri  dari  struktur  ledeburit  (coran keras),  struktur  campuran  antara  perlit dengan  ledeburit  yang  disebut  besi  cor meliert  dan  struktur  perlit  dan  ferit  serta ledeburit  masih  terdapat  sejumlah  unsur karbon  dalam  bentuk  koloni  ferit  yang disebut besi cor kelabu. Jenis dari ketiga besi cor tersebut sangat tergantung dari kandungan  dan  komposisi  antara  C  dan  Si serta  laju  pendinginannya  dimana  laju pendinginan  yang  tinggi  menghasilkan struktur  besi  cor  putih  sedangkan  laju pendinginan  lambat  akan  menghasilkan pembekuan kelabu.
3. METODOLOGI PENELITIAN

## 4. HASIL  DAN PEMBAHASAN

## Data Hasil Pengujian Komposisi
Pengujian komposisi bertujuan untuk mengetahui kandungan unsur pembentuk  yang  ada  pada cylinder  head PC750SE-7  yang  mengalami  kerusakan  ini. Pengujian ini dilakukan menggunakan spectrometer .  Pengujian  dilakukan  di  PT. Ispat  Indo  Surabaya.  Dengan  diketahuinya kandungan  yang  terdapat  pada  material  ini bisa  berguna  untuk  mengetahui  sifat  dan karakteristik  material  serta  prosedur  untuk memperbaikinya agar tidak adanya kecacatan pada  hasil  perbaikan.  Berikut  data  hasil pengujian komposisi dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1 Hasil uji komposisi
Dari  hasil  pengujian  komposisi diketahui  kandungan  karbon  yang  cukup tinggi  yaitu  3.65%C.  Hal  ini  menyebabkan material yang keras dan getas, menyebabkan mampu  lasnya  menjadi  rendah  karena  sifat material    tersebut.  Material  yang  keras  dan getas  ini  rawan  mengalami crack apabila salah  dalam  prosedur  pengelasan.  Karena material  yang  keras  dan  getas  memiliki konsentrasi tegangan yang tinggi. Data Hasil Pengujian Kekerasan Setelah melakukan penelitian, pengamatan,  pengukuran  serta  pengujian pada spesimen dengan menggunakan alat uji kekerasan yaitu portable hardness tester dan alat  uji  kekerasan micro  vickers pada  empat daerah  yang  berbeda,  yaitu  daerah  logam induk ( base metal ) , HAZ ( heat affected zone ),
C % Mn % P % S % Si % 3.65 0.477 0.034 0.057 1.
95
V % Ca % Mo
% Co % B % W % 0.0031 0.00033 0.22 0.0009 0.00045 0.0053 Sn % Al % Cr % Cu % Ni % Nb % 0.036 0.005 0.27 0.75 0.014 0.00 2
PMZ( partially  melted  zone ),  dan  logam  las ( weld  metal ).  Pengambilan  data  pada  uji kekerasan dilakukan dengan 5 titik indentasi pada masing-masing bagian kemudian diambil rata-ratanya, maka didapat data pada tabel 2 sebagai berikut. Tabel 2 kekerasan pada logam induk sebelum dilakukan perlakuan Titik uji Cylinder Head (HRC) 1 25,8 2 28,8 3 26,7
4 25,8 5 23,5 Rata”  26,12 (Sumber: Pengujian langsung dengan menggunakan portable hardness tester)
Pengujian kekerasan sebelum proses perbaikan  adalah  untuk  mengetahui  apakah ada  perubahan  kekerasan  akibat  dari operasional  kerja  mesin  selama  (±14.000 jam).  Kemudian  setelah  proses  pengujian dilakukan  lagi  pengujian  kekerasan  dengan hasil sebagai berikut pada tabel 3.
Tabel 3 tabel kekerasan cylinder head setelah pengelasan NO Base metal (HRC) PMZ (HV) Weld metal (HRC) 1 26,9 527,5 18,3 2 26,4 913,2 31,5 3 28,2 810,6 23,3 4 28 921,3 21,5 5 27 676,0 27,2 Rata”  27,32 769,72 24,36 (Sumber:  Pengujian  langsung  dengan micro vickers) Analisa Data Hasil Pengujian Kekerasan Berdasarkan  data  pengujian  yang telah dilakukan di PT. Komatsu Remanufacturing  Asia dan  Lab.  Pengujian Bahan  Universitas  Brawijaya.  Pengujian yang  dilakukan  dengan  mengukur  nilai kekerasan pada daerah base metal , HAZ, dan weld  metal. Nilai  kekerasan  dapat  dilihat pada  tabel  2  sebelum  perlakuan  yaitu 26,12 HRC kemudian kekerasan meningkat setelah dilakukan perbaikan yaitu yaitu 27,32 HRC . Nilai kekerasan pada weld metal lebih rendah disebabkan logam penggunaan logam pengisi dari  paduan  nikel  yang  memiliki  keuletan
yang  tinggi.  Pada  daerah  matriks  austenit dengan  persebaran  partikel  grafit  yang merata . Kekerasan  pada weld  metal tetap mempertimbangkan kekerasan gray cast iron dan  masih  masih  masuk  dalam  kategori kekerasan gray  cast  iron. Logam  las  ini sengaja  digunakan  karena  bertujuan  untuk meredam  tegangan  thermal  yang  terjadi selama  proses  pengelasan  dan  menghindari struktur  yang  keras  di  HAZ  ataupun  PMZ.. Selain  itu  elektroda  nikel  juga  baik  untuk penahanan  korosi  ketika cylinder  head kembali dioperasikan.
Pada  daerah weld  metal nilai kekerasan yang didapat sebesar 24,36 HRC . Dengan  kekerasan  sebesar 24,36 HRC ini apabila  dikonversi  kedalam  satuan  BHN maka berkisar 242-252 BHN . Nilai kekerasan  ini  apabila  dibandingkan  dengan nilai kekerasan besi cor FC250 dan data dari ASTM  40  masih  masuk  dalam  range kekerasan gray cast iron yaitu 180-302 BHN . Sehingga  target  untuk  memenuhi  syarat kekerasan  dengan  menggunakan  elektroda nikel ini terpenuhi. Struktur pada weld metal dapat diperlihatkan pada gambar 25.
Untuk  nilai  kekerasan  pada  PMZ dan  HAZ  belum  bisa  dibahas  dan  menjadi acuan  karena  pada  saat  pengujian  hasil  dari alat pengujian tidak relevan.
Data Hasil Pengujian Dengan Dye
Penetrant
Pengujian  ini  dilakukan  untuk mengetahui  adanya  indikasi crack atau porositas  pada  bagian  permukaan cylinder head .  Alat  uji  yang  digunakan  adalah spotcheck dye  penetrant merupakan  salah satu pengujian tidak merusak ( Non
Destructive  Test ).  Berikut  ditunjukkan  pada gambar 20 cylinder head sebelum dilakukan pengujian.
Gambar 20 Foto permukaan cylinder head setelah proses cutting
Dari gambar masih terlihat
perbedaan  warna  antara  logam  induk  ( base
metal )  dengan  logam  lasnya  ( weld  metal ) walaupun  telah  dilakukan  proses cutting dengan  mesin  milling.  Hal  ini  disebabkan karena perbedaan material antara base metal dan weld metalnya sehingga untuk penyeragaman warna sulit didapatkan. Yang terpenting  adalah  permukaan  tersebut  sudah sangat rata dan diukur dengan dial indikator. Logam  las  dan  logam  induk  sulit  untuk diseragamkan  warnanya  karena  perbedaan material yang digunakan. Sebelum dilakukan penyemprotan  dengan  penetrant  permukaan harus dibersihkan dulu dengan thinner/cleaner.  Selanjutnya  disemprotkan penetrant  secukupnya  seperti  terlihat  pada gambar dibawah 21.
Gambar 21 Foto permukaan cylinder head
setelah diberi penetrant
Diamkan  beberapa  saat  hingga cairan  penetrant  meresap  merata.  Kira-kira sekitar  ±15  menit,  semakin  lama  dibiarkan maka  semakin  bagus  karena  cairan  benar- benar  meresap.  Tahapan  ini  sangat  penting sebagai  penentu  keberhasilan  pengujian. Selanjutnya  pemberian  developer  seperti gambar dibawah 22.
Gambar 22 Foto permukaan cylinder head setelah diberi developer
Dari  gambar  22  terlihat  bahwa  tidak ada  indikasi crack pada permukaan cylinder head .  Hal  ini  dibuktikan  dengan  masih mulusnya  serbuk  developer  yang  berwana putih  menempel  di  cylinder  head.  Apabila ada  indikasi  crack  maka  akan  muncul  garis merah  akibat  akibat  daricairan  penetrant tersebut.  Dengan  kata  lain  penggunaan elektroda berbasis nikel terbukti efektif untuk mencegah  porositas  maupun crack pada
permukaan cylinder  head ini.  Hanya  saja perlu  diuji  struktur  mikro  untuk  mengetahui hasil sambungan las pada daerah didalamnya.

## Pengujian Struktur Mikro

## Hasil Pengujian Struktur Mikro
Pengujian  ini  dilakukan  untuk mengetahui  struktur  yang  terbentuk  setelah semua  proses  yang  diberikan.  Pengujian struktur  mikro  terletak  pada  daerah  logam induk ( base metal ), HAZ ( heat affected zone ), logam las ( weld metal ). Dari hasil pengamatan  diperoleh  data  hasil  pengujian struktur mikro sebagai berikut:
----------- = fusion line
Gambar 24 Struktur mikro pada base metal, haz, dan weld metal (Perbesaran 400x)
----------- = fusion line Gambar 25 Struktur mikro pada base metal, haz, dan weld metal (Perbesaran 400x) Weld metal HAZ Base metal HAZ PMZ Weld metal
Analisa Hasil Pengujian Mikro Pengujian struktur mikro (metalografi)  dilakukan  di  Lab.  Pengujian Bahan Universitas Brawijaya Malang. Pengamatan  yang  dilakukan  pada  struktur mikro dilakukan dengan pengambilan gambar pada daerah base metal , HAZ, PMZ, dan weld metal dan daerah batas antara HAZ, PMZ  dengan weld  metal ( fusion  line ).
Berdasarkan  jurnal  penelitian  yang  berjudul on  the  weldability  of  grey  cast  iron  using nickel  based  filler  metal yang  setelah dilakukan  perbandingan  hasilnya  hampir sama  walaupun  ada  perbedaan  prosedur perbaikannya. Dijelaskan ada 4 bagian  yaitu BM( base metal),  PMZ( Partially  melted zone ),  HAZ( heat  affected  zone ),  dan FZ( Fusion zone ). Pada daerah BM( base metal ) terlihat matriks  yang terbentuk berupa perlit dengan grafit  Grafit  berupa flake (serpih)  yang  tipis dan  panjang.  Sedangkan  matriksnya  berupa perlit.  Pada  daerah base  metal ini  material ikut  melebur  dan  bercampur  dengan filler metal. Struktur  matriks  yang  terbentuk  ini menyebabkan  nilai  kekerasan  yang  cukup tinggi pada base metal. Hasil struktur mikro pada PMZ( partially melted zone ) terbentuk struktur  yang  terdiri  dari  eutektik  ledeburit (berdasarkan jurnal on the weldability of grey cast iron using nickel based filler metal ) dan martensit.  Struktur  dari  ledeburit  dan martensit  ini  keras  dan  memiliki  tegangan yang  tinggi  sehingga  rawan  akan  adanya crack (patah)  pada  daerah  ini.  Matriks  yang terbentuk  di  PMZ  adalah  matriks  austenit karena  hasil  transformasi  dari  matriks  perlit selama proses pengelasan.
Berdasarkan  pengamatan  struktur mikro  di  HAZ( heat  affected  zone )  struktur yang terbentuk didominasi dengan martensit.
Menyebabkan  HAZ  yang  keras  dan  mudah terindikasi crack (patah).  Seperti  dijelaskan pada  jurnal  selama  siklus  pemanasan  las, HAZ mengalami temperatur yang lebih tinggi dari  A1  (temperatur  eutektoid  didalam diagram  fasa  Fe-C).  oleh  karena  itu,  pada temperatur  ini,  grafit  flake  mulai  terlarut dalam  austenit  yang  menghasilkan  karbon dari  grafit  flake  kedalam  austenit  dan menghasilkan transformasi struktur di bagian ini.  Kecepatan  transformsi  grafit  ke  austenit tergantung dari kecepatan difusi dari karbon. HAZ yang keras ini terjadi karena kecepatan pendinginan  yang  masih  cepat  walaupun
telah diberikan preheat dan PWHT menyebabkan struktur yang rapuh. Hasil pengamatan struktur mikro di
FZ( fusion  zone )  atau weld  metal ini  terdiri dari  matriks  austenit  dengan  persebaran partikel  grafit  yang  merata.  Elektroda  nikel dapat  mengendapkan  karbon,  diambil  dari base  metal dan  ini  adalah  bentuk  bebas sebagai grafit.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  pengamatan,  kekerasan antara  weld  metal  dan  base  metal  tidak jauh berbeda yaitu 24,36 HRC dan 27,32 HRC.  Kekerasan  pada  PMZ  sebesar 769,72 HV. Hasil pada permukaan hasil lasan baik karena tidak adanya indikasi crack/retak  dan  porositas  yang  diuji dengan dye penetrant. Berdasarkan hasil pengamatanstruktur mikro terlihat matriks  yang  terbentuk  berupa  perlit dengan grafit  berupa  flake(serpih)  yang tipis  dan  panjang.  Struktur  mikro  pada PMZ  terbentuk  eutektik  ledeburit  dan pada  HAZ  terbentuk  struktur  martensit. Sedangkan  struktur  mikro  pada  weld metal  terdiri  dari  matriks  austenit dengan  persebaran  partikel  grafit  yang merata.

## DAFTAR PUSTAKA
Anrinal. 2013. Metalurgi Fisik . Jakarta: Andi Offset Daryanto. 2010. Proses Pengolahan Besi dan Baja(Ilmu  Metalurgi). Bandung:  Satu Nusa Gruber  &  Schonmetz.  1985. Pengetahuan Bahan  Dalam  Pengerjaan  Logam. Bandung: Angkasa
Handbook. Advanced  Welding  and  Joining Technologies Smallman, R.E.1991. Metalurgi Fisik Modern. Jakarta: Gramedia
Sujana,  W  &  Widi,  I.K.A.  2013 Metalurgi
Fisik. Malang:  Institut  Teknologi Nasional Malang Suratman & Rochim. 1994. Panduan Proses Perlakuan Panas. Bandung: Lembaga Penelitian ITB William, S. 1981. Structure and Properties of Engineering  Alloys. USA:  Mc.  Graw Hill
Wiryosumarto,  H  &  Okomura,  T.  2002. Teknologi Pengelasan Logam. Jakarta: Balai Pustaka
, ASM Specialty Handboook. Cast Iron . ASM Metal Handbook.
,  2005.  ASM  Metal  Handbook Vol.01. Properties and selection(iron, steel, etc ). ASM Metal Handbook.
,  2004.  ASM  Metal  Handbook Vol.09. Metallography and Microstructure . ASM Metal Handbook.
,  ASM  Metal  Handbook  Vol.03. Alloy  Phase  Diagrams .  ASM  Metal Handbook.
,  2002.  ASM  Metal  Handbook
Vol.11. Failure Analysis and Prevention . ASM Metal Handbook.
, 2006. American Welding Society D11.2-89. Guide  for  Welding  Iron Casting . American Welding Society.