PENGARUH SALURAN CETAKAN TERHADAP POROSITAS DAN UMUR LELAH SILINDER Al-Mg-Si HASIL PENGECORAN SENTRIFUGAL

Arief Bachtiar, Yudy Surya IrawanJurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas BrawijayaJalan MT. Haryono 167, Malang 65145, IndonesiaE-mail : Bachtiar822@yahoo.com

ABSTRAK

Dalam penelitian ini variasi dimensi saluran cetakan yang digunakan adalah D, D dan D. Variabel terkontrol yang digunakan adalah temperatur penuangan 9000C, waktu putar cetakan 2 menit, kecepatan putar cetakan 1500 rpm, kemiringan sudut cetakan 450, pemanasan awal cetakan 3000C dan amplitudo tegangan yang digunakan adalah 0,5;0,6 dan 0,7 dari tegangan ultmate untuk masing-masing variasi dimensi saluran cetakan. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa nilai rata-rata porositas tiap variasi dimensi saluran cetakan adalah 1,61; 1,45 dan 1,23 % dan umur lelahnya mengalami kecenderungan menurun seiring semakin kecil dimensi saluran cetakan yang digunakan. Umur lelah yang diperoleh dari hasil penelitian yang paling besar adalah spesimen dengan dimensi cetakan D kemudian spesimen dengan dimensi cetakan D dan yang terakhir spesimen dengan dimensi cetakan D.

Kata kunci : pengecoran sentrifugal, saluran cetakan, porositas, kelelahan, aluminium paduan (Al-Mg-Si).

1PENDAHULUANLatar Belakang

Pada masa kini perkembangan teknologi diberbagai bidang sangat pesat sehingga kehidupan manusia tak lepas dari teknologi itu sendiri. Teknologi yang berkembang pesat sekarang dimanfaatkan pada bidang industri guna mendapatkan efisiensi dan produktivitas tinggi sehingga dapat menghasilkan prinsip ekonomi.Perkembangan industri di Indonesia juga maju dengan pesat seiring perkembangan teknologi. Dunia perindustrian Indonesia mulai aktif seiring berjalannya teknologi yang menghasilkan produk. Produk yang dihasilkan tersebut dijual dan dieksport guna menunjang perekonomian Indonesia. Disini perlu ditekankan adanya peningkatan kualitas produk yang dihasilkan sehingga dapat bersaing dengan produk lain.Pengecoran logam dalam industri merupakan salah satu metode untuk menghasilkan suatu produk. Pengecoran logam itu sendiri merupakan teknik membuat produk dengan beberapa tahapan diantarnya adanya peleburan logam, adanya penuangan logam cair kedalam cetakan, adanya pembekuan logam didalam cetakan, pembongkaran cetakan dan analisa produk hasil pengecoran.Salah satu dari metode pengecoran logam adalah pengecoran sentrifugal. Pengecoran sentrifugal itu sendiri adalah suatu proses pengecoran yang mana cetakan diputar dan logam cair dituangkan kedalamnya, sehingga didapatkan gaya sentrifugal akibat pemutaran cetakan hingga logam tersebut mengisi cetakan sampai membeku (Surdia 1986 : 3). Pada prinsipnya pengecoran sentrifugal memanfaatkan aliran logam cair yang dikenai gaya sentrifugal sehingga dapat menghasilkan produk dengan bentuk silinder pejal. Penelitian ini menggunakan prinsip pengecoran sentrifugal sebagai salah satu metode pengecoran. Pengecoran sentrifugal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya memiliki produktivitas tinggi untuk produk berbentuk silinder pejal, kualitas hasil coran yang baik dan menghasilkan produk dengan porositas yang rendah karena gas-gas yang terkandung dalam logam cair dapat keluar dengan pengaruh gaya sentrifugal.Alumunium merupakan salah satu logam yang banyak digunakan dalam industri pengecoran. Alumunium banyak digunakan untuk menggantikan fungsi logam lain. Hal ini dikarenakan alumunium memiliki sifat logam penghantar panas dan ketahanan terhadap korosi yang baik. Namun bila dibandingkan dengan logam lainnya, alumunium memiliki sifat mekanis yang kurang baik contohnya kekerasan yang kurang. Untuk mengatasai hal itu perlu adanya perlakuan untuk meningkatkan sifat mekanis dari alumunium. Salah satu cara untuk meningkatkan sifat mekanis alumunium dalam pengecoran sentrifugal dengan cara mengubah kecepatan putar cetakan pada saat proses pengecoran. Hal ini disebabkan karena semakin besar kecepatan putar cetakan yang digunakan akan menghasilkan pertumbuhan butiran yang mengalami pembelokan semakin cepat sehingga terbentuk butiran yang relatif kecil yang menyebabkan kekerasannya meningkat. Pada penelitian ini digunakan alumunium paduan Al-Mg-Si. Alumunium paduan ini termasuk dalam paduan yang memiliki sifat mampu potong, mampu las, ketahanan korosi yang baik dan dapat diberikan perlakuan panas. Jika Magnesium dan Silikon dipadukan bersama aluminium, maka akan terbentuk magnesium silikat (Mg2Si), kebanyakan paduan aluminium mengandung Si, sehingga penambahan magnesium diperlukan untuk memperoleh efek pengerasan dari Mg2Si. Tetapi sifat paduan ini akan menjad getas, sehingga untuk mengurangi hal tersebut, penambahan dibatasi antara 0,03% - 0,1% (Heine,1995:320).Dari penelitian Madhusudhan (2010), experimental study on rate of solidification of centrifugal casting, dengan menggunakan variasi kecepatan putar centrifugal casting 200 rpm, 400 rpm, 600 rpm dan 800 rpm membuktikan bahwa kecepatan putar dari cetakan berperan penting dalam tingkat pendinginan (pembekuan) dari pengecoran. Pada kecepatan sedang (di bawah kecepatan optimal), aliran logam akan turbulent, maka laju pendinginan menjadi lebih cepat. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa semakin tinggi kecepatan rotasi, maka gaya sentrifugal juga meningkat, yang membuat konveksi kuat di logam cair, pada kecepatan putar di atas kecepatan optimal, laju pendinginan logam lebih lambat karena pergerakan relatif diabaikan antara silinder berputar dan cairan logam. Karena pada tahap ini, cairan membentuk lapisan konsentris seragam ke profil cetakan. Hasil ini sangat membantu untuk mengkorelasikan proses pengecoran. Salah satu aplikasi dari pengecoran sentrifugal adalah poros (silinder pejal) yang mana akan mendapatkan beban fatigue. Dari sini dapat diketahui pentingnya meneliti tentang umur lelah sebagai pertimbangan dalam merencanakan elemen permesinan.

TINJAUAN PUSTAKAPengecoran SentrifugalProses pengecoran sentrifugal dilakukan dengan cara menuangkan logam cair kedalam cetakan yang berputar. Di bawah pengaruh gaya sentrifugal benda coran akan padat, permukaan halus dan struktur logam yang dihasilkan mempunyai struktur fisik yang unggul. Umumnya cara ini cocok untuk benda coran yang berbentuk simetris (B.H.Amstead.1979:118). Cetakan yang digunakan dalam pengecoran sentrifugal yaitu cetakan permanen yang biasanya terbuat dari besi atau baja dan grafit.Dengan adanya pengaruh gaya sentrifugal maka benda coran akan mengalami pembekuan dan memadat. Pemadatan akan semakin mengecil pada radius yang semakin kecil, karena gaya sentrifugal yang bekerja juga semakin kecil. Adanya penekanan menyebabkan logam cair seakan-akan diperlakukan seperti pada proses tempa, sehingga titik luluh dari benda kerja semakin meningkat. Pada pengecoran sentrifugal logam cair bergerak rotasi sepanjang sumbu horizontal atau vertical, sesuai dengan penerapan hukum II Newton, gaya sentrifugal pada benda yang berputar adalah sebanding dengan radius putar dan kuadrat dari kecepatan putarnya (Zemansky, 1985 : 135). Hal ini dapat dilihat dalam persamaan (1) di bawah ini.

Fc = m..r(1)

dengan : Fc = Gaya Sentrifugal (N)m = massa (kg) = kecepatan sudut (rad/s)r = radius (m)

Gambar 1 Diagram gaya vektor untuk pengecoran sentrifugal horizontalSumber: http://thelibraryofmanufacturing.com/true_centrifugal_casting.html

Paduan Al-Mg-SiAluminium berasal dari biji aluminium yang disebut bauksit. Untuk mendapatkan aluminium murni dilakukan proses pemurnian pada bauksit yang menghasilkan oksida aluminium atau alumina. Kemudian alumina ini dielektrosa sehingga berubah menjadi oksigen dan aluminium.Aluminium adalah logam terpenting dari logam nonferro. Penggunaan aluminium adalah yang kedua setelah besi dan baja (Surdia, T.1999 : 129). Keutamaan aluminium dalam bidang teknik adalah beberapa sifatnya yang unik dan menarik, yaitu mudah untuk pengerjaan lanjutan, beratnya ringan, ketahanan korosi yang baik, konduktifitas listrik dan panas yang baik. (De Germo.1998 : 157).Paduan Al-Mg-Si merupakan jenis paduan aluminium seri 6xxx, sebagai paduan praktis dapat diperoleh paduan 6053, 6063 dan 6061. Paduan dalam system ini mempunyai kekuatan yang kurang sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya, sangat liat, sangat baik untuk ekstrusi, dan sangat baik pula untuk diperkuat dengan perlakuan panas setelah pengerjaan.

Gambar 2 Diagram Fasa Paduan Al-Mg2SiSumber : Surdia, 2005:139PorositasPorositas dapat terjadi karena terjebaknya gelembung-gelembung gas pada logam cair ketika dituangkan kedalam cetakan (Budinski, 1996 : 460). Porositas pada produk cor dapat menurunkan kualitas benda tuang. Salah satu penyebab terjadinya porositas pada penuangan logam adalah gas hidrogen. Porositas oleh gas hidrogen dalam benda cetak paduan alumunium akan memberikan pengaruh yang buruk pada kekuatan, serta kesempurnaan dari benda tuang tersebut. Penyebabnya antara lain kontrol yang kurang sempurna terhadap absorsi gas dengan logam selama peleburan dan penuangan.Perhitungan prosentase porositas yang terjadi dapat diketahui dengan membandingkan densitas sampel atau apparent density dengan densitas teoritis atau true density (Taylor, 2000), yaitu:

(2)

dengan:%P = Prosentase porositas (%)s = Densitas sampel atau Apparent Density ( gr/cm3).th = Densitas teoritis atau True Density ( gr/cm3).

Apparent DensityBerat setiap unit volum material termasuk cacat (void) yang terdapat dalam material yang diuji (gr/). Standar ASTM B311-93 sebagaimana beikut:

(3)

dengan:s = Densitas sampel atau Apparent Density ( gr/cm3). w= Densitas air ( gr/cm3).Ws= Berat sampel di luar air (gr) Wb= Berat keranjang di dalam air (gr)W sb= Berat sampel dan keranjang di dalam air (gr)

True DensityKepadatan dari sebuah benda padat tanpa porositas yang terdapat di dalamnya. Didefinisikan sebagi perbandingan massanya terhadap volume sebenarnya (gr/). Persamaan yang ada pada standar ASTM E252-84 yaitu:

(4)

dengan: th= Densitas teoritis atau True Density ( gr/cm3).Al, Cu, Fe, etc= Densitas unsur ( gr/cm3).%Al, %Cu, etc = Prosentase berat unsur (%).

Piknometri adalah sebuah proses membandingkan densitas relatif dari sebuah padatan dan sebuah cairan. Jika densitas dari cairan diketahui, densitas dari padatan dapat dihitung. Proses dapat digambarkan secara skematik dalam gambar 3

Gambar 3 Skema PiknometriSumber: Taylor, 2000FatigueFatigue (kelelahan) pada logam dapat diartikan sebagai patahnya logam akibat pembebanan berulang dalam sejumlah siklus. Menurut ASTM (American Society of Testing Material ), fatigue didefinisikan sebagai proses perubahan yang progresif pada struktur secara permanen di lokasi tertentu atau terlokalisir yan disebabkan oleh siklus beban berulang (stress atau strain), dengan akumulasi dari perubahan ini akan mengakibatkan retak (crack) ataupun patah (fracture). Proses terjadinya kelelahan melalui tiga kejadian, yaitu :1. Naiknya tegangan pada daerah retak yang dapat menimbulkan adanya konsentrasi tegangan yang kemudian akan terjadi bentukan plastis. Kemudian terjadi retak mikro pada daerah tersebut.2. Retak mikro akan berkembang dan jika pembebanan berulang diteruskan, retak akan merambat.3. Setelah retak merambat cukup jauh, maka beban yang bekerja hanya akan didukung oleh penampang sisa yang belum retak dan akhirnya terjadi final fracture.

METODE PENELITIANMetode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah penelitian eksperimental nyata (true experimental research) yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh dimensi saluran cetakan terhadap porositas dan umur lelah silinder alumunium paduan Al-Mg-Si pada proses pengecoran sentrifugal. Dengan asumsi variabel yang lain konstan. Kajian literatur dari berbagai sumber baik dari buku, jurnal yang ada di perpustakaan maupun dari internet juga dilakukan untuk menambah informasi yang diperlukan.

Variabel Penelitian1. Variabel bebas Variabel bebas adalah variabel yang besarnya ditentukan sebelum penelitian. Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini adalah : Dimensi saluran cetakan : D, 3/4 D dan D2. Variabel terikatVariabel terikat adalah variabel yang besarnya bergantung dari variabel bebas. Variabel terikatnya yaitu :a. Besar porositas benda hasil coranb. Besar umur lelah benda hasil coran3. Variabel terkontrolVariabel terkontrol adalah variabel yang nilainya dikonstankan. Dalam hal ini yang menjadi variabel terkontrol adalah :a. Temperatur penuangan: 900Cb. Waktu putar cetakan: 120detik c. Kemiringan sudut putar cetakan: 45 d. Pemanasan awal cetakan: 300oC e. Kecepatan putar cetakan: 1500 rpm f. Amplitudo tegangan untuk pengujian umur lelah 0,5; 0,6 dan 0,7 dari tegangan ultimate proposrsional untuk tiap variasi dimensi saluran cetakan.

Instalasi Penelitian

Gambar 4 Instalasi mesin pengecoran Sentrifugal

Keterangan:A. Motor listrikB. Tabung cetakanC. Rumah bearingD. BearingE. BeltF. PulleyG. CorongH. Kabel ac (alternating current)I. Dudukan cetakanJ. Dudukan corong

Dimensi Cetakan

Gambar 5 Dimensi cetakan dengan saluran D

Gambar 6 Dimensi cetakan dengan saluran D

Gambar 7 Dimensi cetakan dengan saluran D

Dimensi Spesimen Uji Umur Lelah

Gambar 8 dimensi spesimen dan keterangannyaSumber : ASM Handbook Volume 8 ,2000

Instalasi Alat Uji Umur Lelah

Gambar 9 instalasi alat uji fatigueSumber : Aryanto, 2012 : 29

Keterangan instalasi alat uji umur lelah :1. Table2. Motor listrik3. Flexible coupling4. House Bearing5. Poros6. Chuck7. Spesimen 8. Beban

Bahan yang digunakanBahan spesimen yang digunakan adalah Aluminium paduan Al-Mg-Si.

HASIL DAN PEMBAHASANDari hasil pengujian porositas didapatkan bahwa semakin kecil dimensi saluran cetakan maka prosentase porositas cenderung menurun. Hal ini dapat dijelaskan melalui tabel dan grafik berikut :

Tabel 1 Data Hasil Pengujian PorositasDimensi Saluran Cetakan

PengulanganD3/4D1/2D

11.651.461.2

21.641.421.23

31.531.471.27

Rata-rata1.611.451.23

Gambar 10 Grafik Pengaruh Dimensi Saluran Cetakan Terhadap Porositas Hasil Coran

Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa semakin kecil dimensi saluran cetakan maka prosentase porositas cenderung menurun untuk tiap pengulangan dan rata-ratanya. Penurunan prosentase porositas tersebut disebabkan karena semakin kecil diameter saluran cetakan maka gaya sentrifugal yang menekan logam cair semakin besar yang mengakibatkan udara terdesak keluar.Dari pengujian umur lelah didapatkan hasil semakin kecil dimensi saluran cetakan maka umur lelah memiliki kecenderungan yang menurun untuk tiap variasi dimensi saluran cetakan proporsional dengan tegangan beban. Beban yang digunakan untuk masing-masing variasi adalah 61, 73 dan 85 MPa untuk variasi dimensi cetakan D. Untuk dimensi saluran cetakan D sebesar 52, 63 dan 73 MPa. Sedangkan untuk variasi dimensi cetakan D adalah 26, 32 dan 37. Perhitungan beban tersebut berdasarkan atas pengujian tarik spesimen dengan perlakuan yang sama dan diambil nilai masing-masing 0,5; 0,6 dan 0,7 dari tegangan ultimate.

Tabel 2 Data Pengujian Kekuatan Tarik (MPa)Dimensi Saluran CetakanTegangan Ultimate (MPa)

D122,08

3/4 D104,38

1/2 D53,07

Tabel 3 Data Pengujian Umur Lelah

TEGANGAN (MPa)JUMLAH SIKLUS

D

611547800

731224040

85874720

TEGANGAN (MPa)JUMLAH SIKLUS

3/4 D

52749760

63619120

73539600

TEGANGAN (MPa)JUMLAH SIKLUS

1/2 D

26710000

32579360

37426000

Gambar 11 Grafik Pengaruh Dimensi Saluran Cetakan Terhadap Umur Lelah Hasil Coran

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa umur lelah mengalami kecenderungan menurun untuk tiap variasi. Variasi dimensi saluran cetakan D dengan pembebanan 85 MPa menghasilkan siklus sebesar 874.720 siklus, pembebanan 73 MPa sebesar 1.224.040 siklus dan pembebanan 61 MPa sebesar 1.547.800 siklus. Sedangkan variasi dimensi saluran cetakan D menghasilkan siklus yang nilainya lebih kecil yaitu, pembebanan 73 MPa menghasilkan 539.600 siklus, pembebanan 63 MPa menghasilkan 619.120 siklus dan pembebanan 52 MPa menghasilkan 749.760 siklus. Untuk variasi dimensi saluran cetakan D dengan pembebanan 37 MPa menghasilkan 426.000 siklus, pembebanan 32 MPa menghasilkan 579.360 siklus dan pembebanan 26 MPa menghasilkan 710.000 siklus.Dari hasil diatas dapat diketahui bahwa semakin kecil dimensi saluran cetakan yang digunakan maka umur lelah hasil coran akan cenderung menurun. Penurunan ini disebabkan karena semakin kecil dimensi saluran cetakan maka gaya sentrifugal yang menekan logam cair semakin besar menyebabkan solidifikasi aluminium lebih cepat. Solidifikasi yang cepat ini yang menyebabkan paduan aluminium (magnesium dan silikon) mengendap pada batas butir sehingga apabila diberikan tegangan akan lebih mudah mengalami patah.

KESIMPULANDari hasil penelitian didapatkan kesimpulan bahwa : Dengan semakin bertambahnya dimensi saluran cetakan maka nilai porositas semakin menurun diakibatkan karena adanya gaya sentrifugal yang menekan logam cair semakin besar sehingga udara yang terjebak keluar. Dengan semakin bertambahnya dimensi saluran cetakan maka umur lelah hasil coran akan semakin menurun diakibatkan karena semakin kecil dimensi saluran cetakan maka gaya sentrifugal yang menekan logam cair semakin besar menyebabkan solidifikasi aluminium lebih cepat. Solidifikasi yang cepat ini yang menyebabkan paduan aluminium (magnesium dan silikon) mengendap pada batas butir sehingga apabila diberikan tegangan akan lebih mudah mengalami patah.

Daftar PustakaAkuan, Abrianto. 2007. Kelelahan Logam. Bandung: Diktat Kuliah Teknik Metalurgi UNJANIASM Handbook Volume 8. 2000. Fatigue, Creep Fatigue, and Thermomechanical Fatigue Life Testing, Materials Park, OH : ASM InternationalASTM B 311. 2001. Test Method for Density Determination for Powder Metallurgy (P/M) Materials Containing Less Than Two Percent Porosity. ASTM InternationalASTM E606-92. 1998. Standart Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing. West Conshohocken, PA : American Society for Testing MaterialsDe Garmo, E. P. 1997. Materials and Processes In Manufacturing. London : Prentice-Hall International, Inc.Heine, R. W. 1985. Principles of Metal Casting. New Delhi: Tata McGraw Hill, Publishing Company Ltd.Jain, P.L. 1987. Principles of Foundry Technology. New Delhi: Tata McGraw Hill Publishing Company Ltd.Kalpakjian, Scope. 1989. Manufacturing Engineering and Technology.USA : Addison Wesley Publish CompanyKaufman, J.G. 2004. Aluminium Alloy Casting. Materials Park, OH : ASM InternationalSurdia, Tata. 1995. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: PT. Pradya Paramita.Surdia, Tata. 1999. Teknologi Pengecoran Logam. Jakarta: PT. Pradya Paramita.Wisambodo, Harry. 2008. Pengaruh Tekanan Terhadap Porositas dan Kekerasan Aluminium Paduan (Al-Cu) Pada Proses Direct Squezze Casting. Skripsi Tidak Diterbitkan. Malang : Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.Ye, Haizhi. 2003. An Overview of the Development of Al-Si-Alloy Based Material for Engine Applications, Materials Park, OH : ASM International9