KARAKTERISTIK KEKUATAN FATIK PADA PADUAN ALUMINIUM TUANG
SKRIPSI Diajukan dalam rangka penyelesaian studi strata I Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Disusun Oleh : Nama
: Charis Sonny Harsono
NIM
: 5250401053
Program Studi
: Teknik Mesin S1
Jurusan
: Teknik Mesin
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2006
ABSTRAK
Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui sifat fisis, mekanis dan karakteristik kekuatan kekuatan fatik pada paduan paduan aluminium aluminium tuang, baik yang material dasar (raw material) ataupun material yang sudah mengalami proses remelting. Bahan yang digunakan adalah sekrap aluminium terpilih dari pelek mobil atau motor bekas. Bahan dilebur dan dituang dengan suhu 725°C dengan cetakan logam, kemudian dibuat spesimen standar ASTM E.8 untuk pengujian tarik dan JIZ Z2201 No.14 A untuk pengujian fatik. Remelting dilakukan setelah material dasar (raw material) dibuat dengan kondisi penuangan yang sama. Pengujian fatik dilakukan dengan menggunakan 2 variasi bahan, yaitu material dasar (raw material) dan paduan aluminium setelah mengalami proses remelting. Pengujian fatik dilakukan dengan menggunakan tegangan yang sama pada masing-masing jenis kelompok spesimen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa remelting mengakibatkan terjadinya perubahan sifat fisis paduan aluminium yang ditandai dengan bertambahnya porositas pada struktur mikro tetapi relatif tidak mengubah komposisi kimia. Remelting mempengaruhi sifat mekanis paduan aluminium, yaitu terdapat penurunan kekerasan (raw material = 59,06 BHN dan remelting = 58,1 BHN), penurunan kekerasan ini sebesar 1,62 %. Remelting juga mengakibatkan penurunan terhadap siklus (N) fatik raw material dengan persamaan S = 476,6 EMBED EMBED Equatio Equation.3 n.3
setela setelah h di di laku lakuka kan n reme remeltin lting g pers persam amaan aannya nya menja menjadi di S
= 409 409,2 ,26 6 EMBE EMBED D Equ Equat atio ion. n.3 3
. Jik Jikaa hal hal ini ini dila dilaku kuka kan n pad padaa lev level el tega tegang ngan an
tinggi sebesar 103,488 MPa yang sama antara raw material dan paduan aluminium setelah dilakukan proses remelting, maka terjadi penurunan siklus (N) sebanyak 19,8 %. Sedangkan pengujian tarik dilakukan hanya untuk mendapatkan besarnya tegangan yang diperlukan untuk penentuan beban pada pengujian fatik, besaran itu adalah 143,76 Mpa. Kata kunci: Struktur komposisi bahan, remelting, foto struktur mikro dan makro, kekerasan, tarik dan fatik.
ii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Motto :
“YAKINLAH” semua usaha yang pernah kita lakukan tidak akan pernah sia-sia. Suatu kegagalan adalah tolak ukur dari sebuah keberhasilan Jangan takut GAGAL apabila ingin mencapai suatu kesuksesan IKHTIARlah kepada Allah bila kita telah berusaha keras Segala sesuatu ada waktunya, apapun yang tercipta merupakan jawaban dari putaran waktu yang Tuhan telah berikan. Emosi, ego, luapan tawa, tetes air mata dan impian semua lebur jadi satu, menjadi pengakuan penuh arti buat perjalanan hidup ini. Mungkin terasa sederhana, namun ini adalah sisi hidup yang harus kita jalani.
Persembahan :
Ayah nan jauh di alam sana dan ibu tercinta terima t erima kasih atas kasih sayang dan doa’nya Keluarga besarku semua tercinta Spesial untuk ”Nok Eecha” Teman-teman angkatan 2001, 2002 dan 2003 serta sahabat-sahabatku Almamaterku.
iii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi Robbil 'alamiin syukur pada Allah SWT, atas selesainya penyusunan skripsi yang berjudul "Karakteristik Kekuatan Fatik Pada Paduan Aluminium Tuang” Skripsi ini untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 di Program Studi Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang. Remelting merupakan kasus yang terdapat di industri kecil dengan memanfaatkan bahan sekrap (bekas). Dengan keterbatasan alat dan teknologi yang dimiliki, namun produk yang dihasilkan harus sudah diteliti memalui perhitunganperhitungan yang matang dan diperlukan perencanaan produksi yang baik, sehingga dihasilkan produk yang mcmpunyai kualitas tinggi. Melalui skripsi ini, penulis berusaha mengungkap fenomena yang terjadi pada kasus tersebut. Dalam penyusunan tesis ini tidak lepas dari dukungan dan bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Soesanto, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang. 2. Bapak Drs. Pramono, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang. 3. Bapak Ir. Jamasri, Ph.D. atas bimbingan yang telah diberikan. 4. Bapak Drs. Aris Budiyono, M.T. atas bimbingan yang telah diberikan. 5. Bapak Heri Yudiono, S. Pd, M.T. atas pengarahan yang diberikan. 6. Bapak Widi Widayat, S.T., M.T atas revisinya. 7. Bapak Sunhaji, selaku teknisi di Laboratorium Bahan Teknik, Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta. Pimpinan lndustri Pengecoran "Kripton Gama Jaya" Banguntapan Bantul, atas bantuan dan kerjasamanya. Rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas bantuannya Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih banyak kekurangan
dan
masih
jauh
dari
sempurna,
sehingga
penulis
sangat
mengharapkan mengharapkan kritik dan saran yang yang membangun membangun dari pembaca untuk untuk perbaikan perbaikan iv
penulis dimasa yang akan datang. Semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Semarang, 12 Agustus 2006
Charis Sonny Harsono Penulis
v
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL ............................................ .................................................................. ..................................... ............... i ABSTRAK ............................................ ................................................................... ......................................... .................. ...........
ii
HALAMAN PENGESAHAN ........................................... ................................................................... ........................
iii
MOTO DAN PERSEMBAHAN ............................................. .................................................... ....... ..........
iv
KATA PENGANTAR ......................................... .............................................................. ........................... ...... ..........
v
DAFTAR ISI .......................................... ................................................................ ........................................ .................. ..........
vii
DAFTAR TABEL ........................................... ................................................................. .......................................... ....................
ix
DAFTAR GAMBAR ......................................... ............................................................... ............................. ....... ..........
x
DAFTAR LAMPIRAN .......................................... ................................................................ ........................ ............. ...........
xii
BAB I. PENDAHULUAN ........................................... .......................................................... ............... ...........
1
A. Latar Belakang ........................................... ......................................................... .............. ............
1
B. Batasan Masalah ............................................. ....................................................... .......... ...........
2
C. Tujuan Penelitian ........................................... ...................................................... ........... ...........
3
D. Manfaat Penelitian ............................................ .................................................... ........ ...........
3
E. Penegasan Istilah .......................................... .................................................................. ........................
4
BAB II. LANDASAN TEORI ........................................... ..................................................... ...................... ............
5
A. Aluminium .............................................. ................................................................ .................. ...........
5
1. Aluminium dan Paduannya ............................... .............................................. ...............
5
2. Remelting .............................................. .......................................................... ............ ...............
13
B. Sifat-sifat Bahan ............................................. ................................................................... ......................
17
1. Komposisi ............................................. ......................................................... ............ ...............
17
2. Kekuatan Tarik ............................................. ................................................................. ....................
17
3. Kekerasan ............................................. ......................................................................... ............................
23
4. Struktur Mikro ............................................. .................................................................. .....................
26
5. Fatique ......................................... .............................................................................. .....................................
27
BAB III. METODE PENELITIAN .......................................... ........................................................... .................
33
A. Bahan Penelitian ........................................ .............................................................. ........................... .....
33
B. Alat-alat Penelitian .......................................... .................................................. ........ ............ C. Proses Pengecoran ............................................ ................................................................ .................... vi
34 35
D. Langkah-langkah Langkah-langkah Pengujian ................................................. .................................................
36
E. Teknik Pengumpulan Data ................................................... ...................................................
44
F. Diagram Alur Penelitian ........................................... ............................................. .. .........
46
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN PENELITIAN................ PENELITIAN................ ..........
47
Hasil Penelitian ........................................... ............................................................... .................... ...........
47
1. Komposisi Kimia .............................................. ................................................ .. .............
47
2. Struktur Mikro ............................................. .................................................................. .....................
48
3. Uji Kekerasan ............................................. ................................................................... ......................
52
4. Uji Tarik .............................................. ............................................................. ............................. ..............
54
5. Uji Fatik .......................................... ............................................................. ................... ..............
55
BAB V. PENUTUP ......................................... ............................................................... ......................................... ...................
59
A. Simpulan ............................................. .................................................................... ....................... ..........
59
B. Saran ........................................... .................................................................. .......................................... ...................
60
DAFTAR PUSTAKA .......................................... ................................................................ ........................... ..... ..........
61
LAMPIRAN ............................................ ................................................................... .................................................. ...........................
62
vii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1. Sifat mekanik aluminium alumini um ……………………………...
6
Tabel 2. Klasifikasi paduan aluminium tempaan ......................... .........................
6
Tabel 3. Klasifikasi perlakuan bahan ........................................... ...........................................
7
Tabel 4. Penggunaan diameter penetrator ……………………… ………………………
25
Tabel 5. Nilai kekerasan brinell pada masing-masing beban …..
25
Tabel 6. Gaya maksimal masing-masing masing-masing diameter penetrator …
25
Tabel 7. Lembar pengamatan uji tarik ……………………….... ………………………....
44
Tabel 8. Lembar pengamatan uji fatik ………………………… …………………………
45
Tabel 9. Hasil Uji Komposisi raw material ................................ ................................
47
Tabel 10. Hasil Uji Komposisi setelah di remelting...................... remelting......................
48
Tabel 11. Spesimen raw material ........................................... ................................................ .....
53
Tabel 12. Spesimen paduan aluminium setelah di remelting ......
53
Tabel 13. Data hasil uji tarik .............................................. ....................................................... .........
55
Tabel 14. Data hasil uji tarik .............................................. ....................................................... .........
55
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.
Halaman Pengaruh suhu pada kelarutan hidrogen dalam aluminium .. 7
Gambar 2.
Diagram fasa Al-Si dan perbaikan sifat-sifat mekanik oleh modifikasi Al-Si ........................................... ....................................................... ............ ....
11
Gambar 3.
Pembebanan tarik …………………………… …………………………………. ……............. ............
18
Gambar 4.
Diagram tegangan-regangan tegangan-regangan ………………………. ………………………. ...........
19
Gambar 5.
Penentuan tegangan luluh dengan metode offset 0,2%.........
22
Gambar 6.
Prinsip Uji kekerasan brinell (Dieter : 1986) ............ ...........
24
Gambar 7.
Grafik kegagalan material setelah mengalami beban dengan siklus tak hingga ………………………….. ………………………….............. ............
28
Gambar 8.
Gambar komponen alat uji fatik ........................................... ...........................................
29
Gambar 9.
Gambar kurfa fatik aluminium tipe S-N ………….. ............
29
Gambar 10. Alat uji fatik ……………………………… ………………………………………. ………. ............
30
Gambar 11. Sketsa alat uji Fatik …………………………… ……………………………….. ….. ............
30
Gambar 12. Ilustrasi tekanan berulang …………………………. …………………………. ...........
32
Gambar 13. Dimensi uji fatik JIS Z2201 No. 14 A …………….. ...........
33
Gambar 14. Dimensi uji tarik ASTM E8 ...................................... ...................................... ...........
34
Gambar 15. Urutan proses pengecoran aluminium …………….............. ……………..............
35
Gambar 16. Mesin foto struktur mikro ......................................... ......................................... ...........
38
Gambar 17. Mesin uji kekerasan brinell ....................................... ....................................... ...........
39
Gambar 18. Mesin uji tarik servopulser ................................................... ...................................................
41
Gambar 19. Mesin uji fatik Rotary Bending ……………………............ ……………………............
41
Gambar 20. Alur penelitian …………………………… …………………………………….............. ………..............
46
Gambar 21. Foto mikro raw material perbesaran 200 kali .......... ............
49
Gambar 22. Foto mikro raw material perbesaran 500 kali ........... ...........
49
Gambar 23. Foto mikro paduan paduan aluminium setelah di remelting remelting dengan perbesaran 200 kali .................................................. ..................................................
50
Gambar 24. Foto mikro paduan paduan aluminium setelah di remelting remelting dengan perbesaran 500 kali .................................................. ..................................................
ix
50
Gambar 25. Foto mikro raw material perbesaran perbesaran 200 kali yang menunjukkan porositas .................................... .................................... ....................
51
Gambar 26. Foto mikro paduan paduan aluminium setelah di remelting remelting perbesaran 200 kali yang menunjukkan porositas ... ............
52
Gambar 27. Nilai kekerasan paduan aluminium ......................... ...................................... .............
54
Gambar 28. Kurva S – N hasil pengujian lelah ........................................ ........................................
56
Gambar 29. Penampang Penampang patah lelah pada spesimen raw material ............
58
Gambar 30. Penampang Penampang patah lelah pada spesimen remelting ................ ... .............
58
x
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1.
Halaman Komposisi Kimia Paduan Aluminium raw material ... ..... 62
Lampiran 2.
Komposisi Kimia Paduan Aluminium remelting .............
62
Lampiran 3.
Data dan Perhitungan Kekerasan ................................. ................................. ....
64
Lampiran 4.
Data dan Perhitungan Uji Tarik ................................... ................................... ....
69
Lampiran 5.
Data dan Perhitungan Uji Fatik ........................................ ........................................
79
Lampiran 6.
Foto Makro ............................................. ....................................................................... ..........................
81
Lampiran 7.
Tabel Paduan dan sifat mekanik paduan aluminium (Ramsden, 2004) .............................................. .......................................................... ............ ....
xi
83
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Aluminium adalah logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik dan hantaran listrik yang baik. Penggunaan aluminium di dunia permesinan dan industri untuk menunjang proses fabrikasi telah banyak diterapkan oleh berbagai perusahaan material. Aluminium digunakan dalam bidang yang luas, bukan hanya untuk peralatan rumah tangga tapi juga dipakai untuk keperluan material pesawat terbang, mobil, kapal laut dan konstruksikonstruksi yang lain. Untuk mendapatkan peningkatan kekuatan mekanik, biasanya logam aluminium dipadukan dengan unsur Cu, Si, Mg, Ti, Mn, Cr, Ni, dan sebagainya. Aluminium didapat dalam keadaan cair dengan elektrolisa, umumnya mencapai kemurnian hingga 99,85% berat, tetapi untuk mengolah biji logam menjadi aluminium memerlukan energi yang besar, sedangkan sumber biji aluminium semakin berkurang. Salah satu usaha untuk mengatasi hal ini adalah dengan melakukan daur ulang. Pada perusahaan pengecoran industri kecil kebanyakan tidak semua menggunakan bahan aluminium murni, tetapi memanfaatkan sekrap ataupun rijek materials
dari peleburan sebelumnya. Proses pengecoran dengan
menggunakan bahan baku yang sebelumnya pernah dicor dinamakan remelting . Hasil pengecoran industri kecil (industri pelek misalnya) pada saat
1
2
digunakan dapat mengalami beban berulang-ulang dan kadang-kadang mengalami beban kejut sehingga pelek tersebut harus mendapatkan jaminan terhadap kerusakan akibat retak-lelah, sehingga aman dalam penggunaan atau bahkan mempunyai usia pakai lebih lama. Semua perpatahan yang disebabkan kelelahan melalui tahapan proses : terjadinya retak - perambatan lelah - patahan, oleh karenanya perlu dilakukan pencegahan pada setiap tahapan proses tersebut dibagian yang paling efektif. Broek (1986) dalam bukunya menulis bahwa sebagian besar kerusakan konstruksi disebabkan oleh beban yang berulang atau berfluktuasi.Jika fluktuasi tegangan ini cukup besar dan berulang-ulang, kegagalan struktur dapat terjadi walaupun tegangan maksimal yang terjadi pada elemen struktur tersebut lebih kecil dibandingkan dengan kekuatan kekuatan materialnya. Kegagalan ini dikatakan sebagai fatik atau kelelahan. Jadi kelelahan adalah proses peretakan kemudian merambat dibawah beban yang berulang atau berfluktuasi. Berdasarkan ulasan diatas penulis tertarik untuk melakukan penelitian tentang sifat lelah yang dimiliki oleh paduan aluminium tuang, dan penulis mengambil judul “Karakteristik Kekuatan Fatik pada Paduan Aluminium Tuang.
B. Batasan Masalah
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sifat fisis dan mekanis material dari produk industri kecil untuk bahan paduan aluminium, maka dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut :
3
1.
Sebagai raw material di ambil dari bahan paduan Al yang dituang pertama, selanjutnya dilakukan remelting. 2. Pada saat remelting tidak ditambahkan unsur paduan apapun sehingga
prosesnya tetap sama dengan raw material .
C. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Untuk mengetahui sifat fisis, mekanis dan kekuatan fatik paduan aluminium. 2. Untuk mengetahui karakteristik kekuatan fatik/lelah pada paduan aluminium tuang yang di cor kembali ( remelting ).
D. Manfaat Penelitian
Dengan adanya penelitian mengenai karakteristik retak lelah pada paduan Aluminium tuang ini dapat diambil manfaat antara lain : 1. Sebagai bahan pertimbangan bagi pengusaha pengecoran aluminium dalam pemilihan bahan, proses pengecoran dan tindakan t indakan yang diperlukan untuk memperoleh sifat mekanis sesuai dengan permintaan pengguna produk. 2. Memberi masukan ilmiah tentang pengujian bahan logam untuk mengetahui karakteristik kekuatan fatik pada paduan aluminium tuang yang kemudian di cor kembali ( remelting ). 3. Meningkatkan pengetahuan pengetahuan dan wawasan serta memperkaya khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi dibidang pengujian bahan logam.
4
4. Untuk mengetahui kualitas paduan aluminium tuang sehingga dapat diaplikasikan sesuai dengan sifat-sifatnya.
E. Penegasan Istilah
Penegasan istilah digunakan untuk menghindari kemungkinan salah pengertian atau salah penafsiran terhadap arti kata-kata yang menjadi judul skripsi ini. 1. Karakteristik Sesuatu yang mempunyai sifat khas sesuai dengan perwatakan tertentu (KBBI, 1989) 2. Fatik Proses peretakan kemudian merambat dibawah beban yang berulang atau berfluktuasi. 3. Paduan Aluminium Tuang Campuran dari beberapa jenis unsur logam dan aluminium murni yang disatukan dengan cara pengecoran (penuangan). Aluminium adalah logam putih perak, ringan, dan molar; unsur dengan nomor atom 13, lambang Al dan bobot atom 26,9815. Aluminium merupakan logam ri ngan yang mempunyai ketahanan korosi dan hantaran listrik yang baik serta sifat-sifat yang baik lainnya sebagai sifat logam l ogam (Surdia dan Saito, 2000).
BAB II LANDASAN TEORI
A. Aluminium 1. Aluminium dan Paduannya
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai sifat ketahanan korosi yang baik. Material ini digunakan dalam bidang yang luas bukan hanya untuk peralatan rumah tangga saja tetapi juga dipakai untuk kepentingan industri, misalnya untuk industri pesawat terbang, mobil, kapal laut dan konstruksi-konstruksi konstruksi-konstruksi yang lain. Neff (2002) dalam papernya menjelaskan bahwa untuk memenuhi tuntutan pasar dari aluminium tuang dewasa ini harus memfokuskan pada peningkatan kualitas logam dengan pengembangan pada proses peleburan. Proses difokuskan pada eliminasi berbagai kotoran yaitu inklusi yang mcrupakan problem serius dalam memproduksi hasil coran yang berkualitas. Inklusi yang dimaksud adalah gas hidrogen yang dapat larut pada aluminium cair yang menyebabkan porositas pada pengecoran. Daya larut hidrogen meningkat bila temperatur naik. Tingkat kelarutan hidrogen pada paduan aluminium tidak sama. Pada saat pembekuan, gas hidrogen masih tersisa sehingga pada hasil pengecoran terdapat cacat. Dijelaskan pula bahwa tidak semua porositas diakibatkan oleh gas hidrogen tetapi disebabkan pula oleh penyusutan. Penyusutan yang terjadi pada saat aluminium membeku sebesar 6% dari volume ketika aluminium bertransformasi dari cair ke padat.
5
6
Adapun sifat-sifat mekanis aluminium dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Tabel 1. Sifat mekanik aluminium Kemurnian Al (%) Sifat-sifat
99,996
>99,0
Di anil
75% dirol dingin
Di anil
H18
4,9
11,6
9,3
16,9
Kekuatan mulur (0,2) (kg/mm )
1,3
11,0
3,5
14,8
Perpanjangan
48,8
5,5
35
5
17
27
23
44
2
Kekuatan tarik (kg/mm ) 2
Kekerasan Brinell
Tabel 2. Klasifikasi paduan aluminium tempaan. Standar AA
Standar Alcoa
Keterangan
terdahulu 1001
1S
Al murni 99,5% atau diatasnya
1100
2S
Al murni 99,0% atau diatasnya
2010-2029
10S-29S
Cu merupakan unsur paduan utama
3003-3009
3S-9S
Mn merupakan unsur paduan utama
4030-4039
30S-39S
Si merupakan unsur paduan utama
5050-5086
50S-69S
Mg merupakan unsur paduan utama
6061-6069 7070-7079
Mg2Si merupakan unsur paduan utama 70S-79S
Zn merupakan unsur paduan utama
7
Tabel 3. Klasifikasi perlakuan bahan. Tanda
Perlakuan
-F
Setelah pembuatan
-O
Dianil penuh
-H
Pengerasan regangan
-H 1n
Pengerasan regangan
-H 2n
Sebagian dianil setelah pengerasan regangan
-H 3n
Dianil untuk penyetabilan setelah pengerasan regangan n=2 (1/4 keras), 4 (1/2 keras), 6 (3/4 keras), 8 (keras), 9 (sangat keras)
-T
Perlakuan panas
-T2
Penganilan penuh (hanya untuk coran)
-T3
Pengerasan regangan setelah perlakuan pelarutan
-T4
Penuaan alamiah penuh setelah perlakuan pelarutan
-T5
Penuaan tiruan (tanpa perlakuan pelarutan)
-T6
Penuaan tiruan setelah perlakuan pelarutan
-T7
Penyetabilan setelah perlakuan pelarutan
-T8
Perlakuan pelarutan, pengerasan regangan, penuaan tiruan
-T9
Perlakuan pelarutan, penuaan tiruan, pengerasan regangan
-T10
Pengerasan regangan setelah penuaan tiruan
Gambar 1. Pengaruh suhu pada kelarutan hidrogen dalam aluminium
8
Hal-hal yang mempengaruhi sifat-sifat paduan aluminium antara lain adalah unsur-unsur sebagai berikut : a. Silisium (Si) Unsur Si dalam paduan aluminium mempunyai pengaruh positif : •
Mempermudah proses pengecoran
•
Meningkatkan daya tahan terhadap korosi
•
Memperbaiki sifat-sifat atau karakteristik coran
•
Menurunkan penyusutan dalam hasil cor
Pengaruh negatif yang ditimbulkan unsur Si berupa : •
Penurunan keuletan bahan terhadap beban kejut dan
•
Hasil cor akan rapuh jika kandungan silikon terlalu tinggi.
b. Tembaga (Cu) Pengaruh baik yang dapat timbul oleh unsur Cu dalam paduan aluminium akan: •
Meningkatkan kekerasan bahan
•
Memperbaiki kekuatan tarik
•
Mempermudah proses pengerjaan dengan mesin.
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan oleh unsur Cu akan : •
Menurunkan daya tahan terhadap korosi
•
Mengurangi keuletan bahan dan
•
Menurunkan kemampuan dibentuk dan dirol
9
c. Unsur Magnesium (Mg) Magnesium memberikan pengaruh baik yaitu : •
Mempermudah proses penuangan
•
Meningkatkan kemampuan pengerjaan mesin
•
Meningkatkan daya tahan terhadap korosi
•
Meningkatkan kekuatan mekanis
•
Menghaluskan butiran kristal secara efektif
•
Meningkatkan ketahanan beban kejut/impak.
Pengaruh buruk yang ditimbulkan oleh unsur Mg : •
Meningkatkan kemungkinan kemungkinan timbulnya cacat pada hasil pengecoran
d. Unsur besi (Fe) Pengaruh baik yang dapat ditimbulkan oleh unsur Fe ada1ah : •
mencegah terjadinya penempelan logam cair pada cetakan selama proses penuangan.
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan unsur paduan ini adalah : •
Penurunan sifat mekanis
•
Penurunan kekuatan tarik
•
Timbulnya bintik keras pada hasil coran
•
Peningkatan cacat porositas.
Paduan aluminium utama adalah : a. Al-Cu Sebagai paduan coran dipergunakan paduan yang mengandung 4-5% Cu. Ternyata dari fasanya ini mempunyai daerah luas dari pembekuannya,
10
penyusutan yang besar, risiko besar pada kegetasan panas dan mudah terjadi retakan pada coran. Adanya Si 4-5%sangat berguna untuk mengurangi keadaan itu dan penambahan Ti sangat efektif untuk memperhalus butir. Paduan dalam system ini terutama dipakai sebagai bagian-bagian motor mobil, meteran dan rangka utama dari katup-katup. b. Al-Si Paduan Al-Si sangat baik kecairannya, yang mempunyai permukaan bagus sekali, tanpa kegetasan panas, dan sangat baik untuk paduan coran, sebagai tambahan, ia mempunyai ketahanan korosi yang baik, sangat ringan, koefisien pemuaian yang kecil dan sebagai penghantar yang baik untuk listrik dan panas. Karena mempunyai kelebihan yang mencolok, paduan ini sangat banyak dipakai. Paduan Al-12%-Si sangat banyak dipakai untuk paduan cor cetak. Paduan yang memerlukan perlakuan panas ditambah dengan Mg juga Cu serta Ni untuk memberikan kekerasan pada saat panas, bahan ini biasa dipakai untuk torak t orak motor. Peleburan aluminium-silium Gambar 2 menunjukkan diagram fasa dari sistim ini. Ini adalah tipe eutektik yang sederhana yang mempunyai titik eutektik pada 577
o
C,
11,7%Si, larutan padat terjadi pada sisi Aluminium, karena batas kelarutan padat sangat kecil maka pengerasan penuaan sukar diharapkan. Kalau paduan ini didinginkan pada cetakan logam, setelah cairan logam diberi natrium flourida kira-kira 0,05-1,1% kadar logam natrium, tampaknya temperatur eutektik meningkat kira-kira pada 14%. Hal ini
11
biasa terjadi pada paduan hipereuektik seperti 11,7-14% Si, Si mengkristal sebagai kristal primer, tetapi karena perlakuan yang disebut di atas Aluminium mengkristal sebagai kristal primer dan struktur eutektiknya menjai sangat halus. Ini dinamakan struktur yang idmodifikasi. Sifat-sifat mekaniknya sangat diper-baiki yang ditunjukkan pada gambar 2. Fenomena ini ditemukan ditemukan oleh A. Pacz tahun 1921 dan paduan paduan yang telah diadakan perlakuan tersebut dina-makan silumin.
Gambar 2. Diagram fasa Al-Si dan perbaikan sifat-sifat mekanik oleh modifikasi AlSi
c. Al-Mg Paduan Al-Mg mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik, sejak lama disebut hidronalium dan dikenal sebagai paduan yang tahan korosi. Cu dan Fe sangat berbahaya bagi ketahanan korosi, terutama Cu sangat memberikan pengaruhnya. Maka perlu perhatian khusus terhadap tercampurnya unsur pengotor. Paduan aluminium yang mengandung magnesium 4% sampai 10% mempunyai kekuatan tarik diatas 30
12
kgf/mm 2 dan perpanjangan diatas 12%. Paduan ini biasanya dipakai untuk alat-alat industri kimia, kapal laut dan pesawat terbang. d. Paduan aluminium tahan panas
Paduan ini terdiri dari Al-Cu-Ni-Mg yang kekuatannya tidak berubah sampai 300 0 C, sehingga paduan ini dipakai untuk torak dan tutup silinder. Paduan Al diklasifikasikan dalam berbagai standar oleh berbagai standar oleh berbagai negara di dunia. Saat ini klasifikasi yang sangat terkenal dan sempurna adalah standar Aluminium Association di Amerika (AA) yang didasarkan atas standar terdahulu dari Alcoa (Aluminium Company of America). Paduan tempaan dinyatakan dengan satu atau dua angka “S”, sedangkan paduan coran dinyatakan dengan 3 angka. Standar AA menggunakan penandaan dengan 4 angka sbb: Angka pertama menyatakan sistim paduan dengan unsur-unsur yang ditambahkan, yaitu:1. Al murni, 2. Al-Cu,3: Al-Mn, 4. AL-Si, 5. Al-Mg, 6. Al-Mg-Si dan 7: AlZn, sebagai contoh, paduan Al-Cu. Dinyatakan dengan angka 2000. Angka pada
tempat
kedua
menyatakan
kemurnian
dalam
paduan
yang
dimodifikasi dan Al murni sedangkan angka ketiga dan keempat dimaksudkan untuk tanda Alocoa terdahulu kecuali S, sebagai contoh, 3 S sebagai 3003 dan 63S sebagai 6063. Al dengan kemurnian 99,05% atau di atasnya dengan ketakmurnian terbatas (2S) dinyatakan sebagai 1100. Tabel 2 menunjukkan hubungan tersebut.
13
2. Remelting
Dapur peleburan aluminium tuang dilakukan pada tanur krus besi cor, tanur krus dan tanur nyala api. Bahan-bahan logam yang akan dimasukkan pada dapur terdiri dari sekrap ( remelt ) dan bahan murni ( aluminium ingot ). ). Untuk menjaga standar paduan yang telah ditentukan maka sekrap dari bermacam-macam logam tidak boleh dicampurkan bersama ingot tetapi harus dipilih terlebih dahulu. Penambahan unsur yang mempunyai titik lebur rendah seperti seng dan magnesium dapat ditambahkan dalam bentuk elemental sedangkan logam yang mempunyai titik lebur tinggi seperti Cu, Mg, Ni, Mn, Si, Ti, dan Cr adalah paling baik ditambahkan sebagai paduan. Dalam praktek peleburan yang baik mempersyaratkan dapur dan logam yang dimasukan dalam keadaan bersih (Heini dkk, 1981). Sebelum dilakukan peleburan di dalam tungku sebaiknya logam dipotongpotong menjadi kecil-kecil, hal ini bertujuan untuk menghemat waktu peleburan dan mengurangi kehilangan komposisi karena oksidasi. Setelah material mencair, fluks dimasukkan ke dalam coran, yang bertujuan untuk mengurangi oksidasi dan absorbsi gas serta dapat bertujuan untuk mengangkat kotoran-kotoran yang menempel pada aluminium. Selama pencairan, permukaan harus ditutup fluks dan cairan diaduk pada jangka waktu tertentu untuk mencegah segresi (Surdia dan Chijiiwa, 1991). Kemudian kotoran yang muncul di ambil dan dibuang. Setelah pada suhu kurang lebih 725 0 C aluminium di tuang ke dalam cetakan. Adapun untuk remelting , material hasil peleburan di atas dilebur kembali.
14
Pengecoran merupakan proses tertua yang dikenal manusia dalam pembuatan benda logam. Proses pengecoran dengan menggunakan pasir cetak meliputi : pembuatan cetakan, persiapan dan peleburan logam, penuangan logam cair kedalam cetakan, pembersihan coran dan proses daur ulang pasir cetakan. Berikut ini adalah proses pengecoran pada aluminium tuang : a. Pembuatan Pola Pola merupakan bagian yang penting dalam proses pembuatan benda cor, karena itu pulalah yang akan menentukan bentuk dan ukuran dari benda cor. Pola yang digunakan untuk benda cor biasanya terbuat dari kayu, resin, lilin dan logam. Kayu dapat dipakai untuk membuat pola karena bahan tersebut harganya murah dan mudah dibuat dibandingkan pola logam. Oleh karena itu pola kayu umumnya dipakai untuk cetakan pasir. Biasanya kayu yang dipakai adalah kayu seru, kayu aras, kayu mahoni, kayu jati dan lain-lain (Surdia, ( Surdia, 1982:62). b. Pembuatan Inti Menurut (Surdia, 1982: 104) mengatakan bahwa inti adalah suatu bentuk dari pasir yang dipasang pada rongga cetakan, fungsi dari inti adalah untuk mencegah pengisian logam pada bagian-bagian yang berbentuk lubang atau rongga suatu coran. Inti harus memiliki kekuatan yang memadai dan juga mempunyai polaritas (Amstead, 1990:99). Disamping itu inti harus mempunyai permukaan yang halus dan tahan panas. Inti yang mudah pecah harus diperkuat dengan kawat, selain itu harus dicegah kemungkinan terapungnya terapungnya inti dalam logam cair.
15
c. Pembuatan Cetakan Cetakan berfungsi untuk menampung logam cair yang akan menghasilkan benda cor. Macam-macam cetakan adalah : 1. Cetakan pasir Cetakan dibuat dengan jalan memadatkan pasir, pasir yang akan digunakan adalah pasir alam atau pasir buatan yang mengandung tanah lempeng. Pasir ini biasanya dicampur pengikat khusus, seperti air, kaca, semen, resin ferol, minyak pengering. Bahan tersebut akan memperkuat dan mempermudah operasi pembuatan cetakan (Surdia: 1982: 3). 2. Cetakan logam Cetakan ini dibuat dengan menggunakan bahan yang terbuat dari logam. Cetakan jenis logam biasanya dipakai untuk industri-industri besar yang jumlah produksinya sangat banyak, sehingga sekali membuat cetakan dapat dipakai untuk selamanya. Cetakan logam harus terbuat dari bahan yang lebih baik dan lebih kuat dari logam coran, karena dengan adanya bahan yang lebih kuat maka cetakan tidak akan terkikis oleh logam coran yang akan di tuang. d. Peleburan (pencairan logam) Untuk mencairkan bahan coran diperlukan alat yang namanya dapur pemanas. Dalam proses peleburan bahan coran ada dua dapur pemanas yang digunakan yaitu dengan menggunakan dapur kupola atau dengan menggunakan dapur tanur induksi. Kedua jenis dapur tersebut yang sering
16
digunakan oleh industri adalah tanur induksi frekuensi rendah karena mempunyai beberapa keuntungan (Surdia, 1982: 145). Keuntungan tersebut adalah mudah mengontrol komposisi yang teratur, kehilangan logam yang sedikit, kemungkinan menggunakan logam yang bermutu rendah, efisiensi tenaga kerja, dapat memperbaiki persyaratan kerja. e. Penuangan Menuang adalah memindahkan logam cair dari dapur pemanas ke dalam cetakan dengan bantuan alat yang disebut ladel, kemudian dituangkan ke dalam cetakan. Ladel berbentuk kerucut dan biasanya terbuat dari plat baja yang terlapisi oleh batu tahan api. Saat penuangan diusahakan sedekat mungkin dengan dapur sehingga dapat menghindari logam coran yang membeku sebelum sampai ke cetakan yang diinginkan. f. Membongkar dan Membersihkan Coran Pada prinsipnya pembongkaran hasil pengecoran logam dari cetakan dilakukan secara langsung atau mekanis. Setelah benda cetakan membeku atau dingin sampai temperatur rendah., cetakan dibongkar, tempat pembongkaran harus memiliki sarana ventilasi udara yang baik. g. Pemeriksaan Coran Pada proses pengecoran pemeriksaan hasil coran mempunyai tujuan yang memelihara kualitas dan penyempurnaan teknik. Dari pemeriksaan maka akan diketahui kekurangan suatu proses yang telah dilakukan, dimana adanya kekurangan tersebut akan meningkatkan hasil yang berkualiatas.
17
Untuk mendapatkan sifat aluminium yang baru biasa dilakukan dengan jalan menambahkan menambahkan unsur-unsur unsur-unsur paduan kedalam kedalam aluminium murni. Namun ada juga yang melakukan penggabungan beberapa paduan aluminium dengan jalan pengecoran (penuangan) untuk memperoleh sifat mekanis bahan yang lebih baik.
B. Sifat-sifat Bahan 1. Komposisi
Uji komposisi merupakan pengujian yang berfungsi untuk mengetahui seberapa besar atau seberapa banyak jumlah suatu kandungan yang terdapat pada suatu logam, baik logam ferro maupun logam non ferro. Uji komposisi biasanya dilakukan ditempat pabrik-pabrik atau perusahaan logam yang jumlah produksinya besar, ataupun juga terdapat di Instititut pendidikan yang khusus mempelajari tentang logam. Proses pengujian komposisi berlangsung dengan pembakaran bahan menggunakan elektroda dimana terjadi suhu rekristalisasi, dari suhu rekristalisasi terjadi penguraian unsur yang masing-masing beda warnanya. Penentuan kadar berdasar sensor perbedaan warna. Proses pembakaran elektroda ini tidak lebih dari tiga detik. Pengujian komposisi dapat dilakukan untuk menentukan jenis bahan yang digunakan dengan melihat persentase unsur yang ada.
18
2. Kekuatan Tarik
Proses pengujian tarik mempunyai tujuan utama untuk mengetahui kekuatan tarik bahan uji. Bahan uji adalah bahan yang akan digunakan sebagai konstruksi, agar siap menerima pembebanan dalam bentuk tarikan. Pembebanan tarik adalah pembebanan yang diberikan pada benda dengan memberikan gaya yang berlawanan pada benda dengan arah menjauh dari titik tengah atau dengan memberikan gaya tarik pada salah satu ujung benda dan ujung benda yang lain diikat.
Gambar 3. Pembebanan tarik Penarikan gaya terhadap bahan akan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) bahan tersebut. Kemungkinan ini akan diketahui melalui proses pengujian tarik. Proses terjadinya deformasi pada bahan uji adalah proses
pergeseran
butiran-butiran
kristal
logam
yang
mengakibatkan
melemahnya gaya elektromagnetik setiap atom logam hingga terlepasnya ikatan tersebut oleh penarikan gaya maksimum. Penyusunan butiran kristal logam yang diakibatkan oleh adanya penambahan volume ruang gerak dari setiap butiran dan ikatan atom yang masih memiliki gaya elektromagnetik, secara otomatis bisa memperpanjang bahan tersebut. Hasil yang diperoleh dari proses pengujian tarik adalah grafik teganganregangan, parameter kekuatan dan keliatan material pengujian dalam prosen
19
perpanjangan, kontraksi atau reduksi penampang patah, dan bentuk permukaan patahannya. Pada pengujian tarik beban diberikan secara kontinyu dan pelan-pelan bertambah besar, bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji. Kemudian dapat dihasilkan kurva tegangan dan regangan. Tegangan dapat diperoleh dengan membagi beban dengan luas penampang mula-mula benda uji. σ =
P Ao
………………………………………………..(1)
Dimana : kg
σ
= Tegangan nominal (
P
= Gaya tarik aksial (kg)
Ao
= Luas penampang normal (mm 2 )
mm 2
)
Gambar 4. Diagram tegangan-regangan a. Bahan tidak ulet, tidak ada deformasi plastis, contoh: besi cor b. Bahan ulet dengan titik luluh, misalnya pada baja carbón rendah c. Bahan ulet tanpa titk luluh yang jelas, misalnya aluminium d. Kurva tegangan sesungguhnya sesungguhnya remangan-tegangan nominal σp : kekuatan patah εf : regangan sebelum patah σu : kekuatan tarik x : titik patah σy : kekuatan luluh YP : titik luluh
20
Untuk menghitung luas penampang normal ( Ao ) suatu spesimen dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut : Ao
=
π 4
d 2 ………………….................. ………………….................................…… ...............…….(2) .(2)
Dimana : d
= Diameter spesimen
Prosentase
pertambahan
panjang
(regangan)
diartikan
sebagai
perpanjangan tiap satuan panjang, yang diperoleh dengan membagi perpanjangan panjang ukur Δ L mula-mula benda uji. e=
Δ L
=
L1 − Lo
Lo
Lo
x 100% ……………..............………..(3)
Dimana : e
= Regangan (%)
L1
= Panjang akhir (mm)
Lo
= Panjang awal (mm)
Pembebanan tarik dilakukan secara menerus dengan menambahkan beban sehingga akan mengakibatkan perubahan bentuk pada benda berupa pertambahan
panjang
dan
pengecilan
serta
bila
diteruskan
akan
mengakibatkan kepatahan pada bahan. Prosentase pengecilan yang terjadi dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut : q=
Δ A
Ao
=
Ao
− A1
Ao
x 100% ………………………………(4)
Dimana : q
= Reduksi penampang (%)
Ao
= Luas penampang mula (mm 2)
A1
= Luas penampang terkecil setelah patah (mm 2)
21
Pengujian tarik dilaksanakan dengan mesin pengujian tarik Servopulser yang selama pengujian akan mencatat setiap kondisi bahan sampai terjadinya tegangan ultimate (σ u ) , juga sekaligus akan menggambarkan diagram tarik dari benda uji, adapun panjang L 1 akan diketahui sete1ah benda uji patah dengan menggunakan pengukuran secara manual. Tegangan ultimate adalah beban tertinggi yang bekerja pada luas penampang semula. σ u
=
Pu Ao
………………………………………………..(5)
Dimana : kg
σ u
= Tegangan Ultimate (
Pu
= Beban tertinggi yang bekerja (kg)
Ao
= Luas penampang semula (mm )
mm
2
)
2
Tegangan luluh ( σ y ) hasilnya haruslah lebih kecil dari tegangan maksimal atau tegangan Ultimate ( σ u ), sedangkan tegangan luluh dinyatakan dengan rumus :
σ y
=
P y Ao
………………................... ………………......................................… ...................……..(6) …..(6)
Dimana : kg
σ y
= Tegangan luluh (
P y
= Beban luluh yang bekerja (kg)
Ao
= Luas penampang semula (mm )
mm
2
)
2
Bahan yang liat biasanya memiliki grafik uji tarik dimana titik yield langsung dapat diketahui. Bahan yang tidak liat biasanya titik yield-nya tidak
22
dapat dilihat secara langsung. Dengan memberikan tambahan beban, maka regangan mulai bertambah. Akibatnya kurva tegangan-regangan akan memiliki kemiringan (slope) tertentu, kemudian kemiringannya berubah menjadi keeil sehingga kurvanya mendatar dan terjadi perpanjangan yang besar tanpa tambahan gaya tarik. Gejala ini dikenal sebagai peluluhan ( yielding yielding) bahan dan tegangan pada daerah ini disebut tegangan luluh ( yield stress ) atau merupakan kekuatan luluh bahan. Akhirnya pembebanan
mencapai harga maksimum dan tegangannya disebut tegangan tertinggi (ultimate stress ) atau merupakan kekauatan tarik bahan. Kondisi selanjutnya diikuti pengurangan beban dan akhirnya putus ( failure ). Apabila suatu bahan seperti paduan aluminium tidak memiliki titik luluh yang jelas dan masih mengalami regangan-regangan besar setelah batas luluh terlewati, maka suatu tegangan luluh sembarang dapat ditentukan melalui offset method ) (lihat gambar 5. Disini sebuah garis lurus ditarik metoda offset (offset method
sejajar dengan bagian awal kurva yang linier pada diagram tegangan-regangan tegangan-regangan yang berjarak 0,2 % sampai 0,35% dari grafik keseluruhan (Suherman, 1987: 14). Perpotongan garis offset dengan kurva tegangan-regangan (titik A pada gambar 5) didefinisikan sebagai tegangan luluh ( σ y ).
23
Gambar 5. Penentuan tegangan luluh dengan metode offset 0,2% Kebanyakan bahan memiliki suatu daerah awal pada diagram teganganregangan dimana bahan berkelakuan secara elastis dan linier. Jenis kelakuan ini sangat penting dalam rekayasa dan mesin didesain untuk berfungsi pada tegangan yang rendah dan agar menghindari terjadinya deformasi plastis. Hubungan linier antara tegangan dan regangan dikenal sebagai hukum Hooke (Shackelford, 1996) serta dinyatakan oleh persamaan : σ = E ε ………………………………………………(7) dimana E adalah konstanta pembanding yang dikenal sebagai modulus elastisitas dari bahan. Modulus elastisitas adalah kemiringan dari diagram tegangan-regangan dalam daerah elastis linier, dan harganya tergantung pada bahan.
3. Kekerasan
Pengujian kekerasan adalah satu pengujian dari sekian banyak pengujian yang dipakai, karena dapat dilaksanakan pada benda uji yang relatif kecil tanpa kesukaran mengenai spesifikasi benda uji. Pengujian yang banyak dipakai adalah dengan cara menekankan penekanan tertentu kepada benda uji
24
dengan beban tertentu dan mengukur bekas hasil penekanan yang terbentuk di atasnya (Surdia, 2000). Terdapat tiga jenis umum mengenai ukuran kekerasan yang tergantung pada cara melakukan pengujian. Ketiga jenis tersebut adalah kekerasan goresan, kerasan lekukan dan kekerasan pantulan. Akan tetapi pengujian yang sering dilakukan adalah pengujian penekanan. Pada pengujian penekanan terdapat beberapa alat uji yang dapat digunakan, antara lain dengan alat uji Brinell, Vickers dan Rockwell.
Uji kekerasan Brinell dilakukan dengan penekanan sebuah bola yang terbuat dari baja cram yang telah disepuh ke permukaan benda uji tanpa sentakan. Tekanan yang digunakan berupa gaya tekan statis. Bola Brinell mempunyai standart dengan diameter (D) sama dengan 10 mm dengan penyimpangan maksimum saat beban tekan bekerja 0.005 mm. Selain itu masih ada bola lain dengan diameter 0.65 mm, I mm, 1.25 mm, 2 mm, 2.5 mm, dan 5 mm. Pengujian kekerasan harus dilakukan sampai pada batas plastis suatu benda uji, karena bila masih berada pada batas elastis benda uji maka dikhawatirkan bekas pijakan akan kembali lagi, walaupun tidak pada kondisi semula.
25
Gambar 6. Prinsip Uji kekerasan brinell (Dieter : 1986) Pada pengujian BHN ( Brinell Hardness Number ), besar beban yang bekerja tcrgantung pada diameter bola dan jenis benda uji, sedangkan untuk penetrator diameternya tergantung dari tebal benda uji tersebut.
Tabel 4. Penggunaan diameter penetrator Tebal benda uji (mm) Diameter penetrator (mm) 1–3
D = 2,5
3–6
D = 5,0
>6
D = 10
Tabel 5. Nilai kekerasan brinell pada masing-masing beban HB rata-rata Bahan P D 2
20 – 80
5
Aluminium,Tembaga
80 – 160
10
Kuningan, Paduan Cu
160
30
Baja, Besi cor
Tabel 6. Gaya maksimal masing-masing diameter penetrator φ Penetrator P P P 5 10 = = D 2 D 2 D 2 D (mm)
=
30
Gaya (kg) 2,5
31,25
62,5
187,5
5
125
250
750
10
500
1000
300
Untuk mengetahui besarnya nilai kekerasan Brinell, maka digunakan rumus sebagai berikut :
26
HB
Gaya pada penetrator
=
Luas penampang bekas injakan
BHN …………(8)
2 .P
HB =
π D ( D −
BHN D − d ) 2
2
Dimana : HB
= Harga kekerasan Brinell (BHN)
P
= Gaya pada penetrator (kg)
D
= Diameeter identor (mm)
d
= Diameter bekas injakan (mm)
4. Struktur Mikro
Struktur mikro adalah struktur terkecil yang terdapat dalam suatu bahan yang keberadaannya tidak dapat di lihat dengan mata telanjang, tetapi harus menggunakan alat pengamat struktur mikro diantaranya; mikroskop cahaya, mikroskop electron , mikroskop field ion , mikroskop field emission dan
mikroskop sinar-X. Penelitian ini menggunakan mikroskop cahaya, adapun manfaat dari pengamatan struktur mikro ini adalah: 1. Mempelajari hubungan antara sifat-sifat bahan dengan struktur dan cacat pada bahan. 2. Memperkirakan sifat bahan jika hubungan tersebut sudah diketahui. Langkah-langkah untuk melakukan pengamatan struktur mikro adalah pemotongan spesimen menjadi ukuran yang kecil kurang lebih seukuran 10mm x 10mm x 10mm, penempatan spesimen ke dalam cetakan dan cetakan tadi di isi resin yang bertujuan untuk memermudah dalam proses penghalusan, pengampelasan dengan menggunakan amplas halus secara berurutan, mulai
27
dari yang paling kasar (nomor kecil) sampai yang halus (nomor besar), pemolesan dengan menggunakan bubuk penggosok ataupun pasta diamond. Pemeriksaan struktur mikro memberikan informasi tentang bentuk struktur, ukuran butir dan banyaknya bagian struktur yang berbeda.
5. Fatigue
Patahan lelah disebabkan oleh tegangan yang berfluktuasi, dan juga dijumpai pada tegangan kurang dari 1/3 kekuatan tarik statik pada bahan struktur tanpa konsentrasi tegangan. Dalam keadaan dimana pemusatan tegangan diperhitungkan, mungkin bahan akan putus pada tegangan yang lebih rendah. Jadi kelelahan memegang peranan utama dalam putusnya bahan secara mendadak pada penggunaan suatu struktur atau komponen. Semua patahan yang disebabkan kelelahan melalui tahapan proses : 1. Terjadi keretakan lelah. 2. Perambatan retakan lelah. 3. Patahan statik terhadap t erhadap luas penampang. Oleh karena itu pencegahan masing-masing perlu dilakukan pada setiap tahapan proses tersebut dibagian yang paling efektif. Dengan pembebanan statis, retak dapat diinisiasi sebagai hasil dari deformasi plastis berulang. Walaupun tegangan nominal masih dalam batas elastis secara lokal tegangan dapat diatas luluh karena konsentrasi tegangan pada cacat atau takikan mekanis. Konsekuensinya deformasi plastis terjadi secara lokal pada skala mikro.
28
Material yang mengalami siklus tegangan bolak–balik dapat mengalami kegagalan pada tegangan yang relatif lebih rendah (dibawah kekuatan elastis material ). Batas daya tahan material adalah tegangan satuan maksimum
dimana material dapat menahan dengan siklus tak hingga tanpa mengalami kegagalan . Salah satu sifat mekanis material adalah kelelahan ( fatique ). Sifat ini merupakan kekuatan material yang juga berpengaruh terhadap patahnya suatu logam. Dengan pembebanan tunggal kita bisa mengkarakterisasi sifat material logam, misalnya dengan uji tarik dan uji impak. Namun pada kenyataannya, beberapa aplikasi yang ada sering memunculkan adanya beban siklik ( cyclic loading) dari pada beban statis. Dan dengan begitu akan muncul masalah yang
khusus dalam penggunaan suatu material. Kekuatan fatik adalah fenomena umum dari kegagalan material setelah beberapa siklus pembebanan diberikan pada tingkat tegang di bawah tegangan tarik maksimal ( ultimate tensile strenght ). ). Di bawah ini adalah contoh grafik kegagalan material setelah
mengalami beban dengan siklus tak hingga.
Gambar 7: Grafik kegagalan material setelah mengalami beban dengan siklus tak hingga
29
Untuk mengetahui besar pembebanan untuk uji fatik ini sebelumnya dilakukan dahulu pengujian tarik, langkah ini di maksudkan untuk mengetahui tegangan tarik maksimal suatu material , karena dalam pengujian fatik ini harga tegangan harus dibawah tegangan ultimate gambar dibawah ini menggambarkan uji laboratorium yang digunakan digunakan untuk untuk memprediksi nilai nilai tegangan (stress -level ) sebelum dikenakan uji fatik.
Gambar 8: Gambar komponen alat uji fatik Salah satu jenis kurva fatik dapat dilihat dari gambar di bawah ini:
Gambar 9: Gambar kurfa fatik aluminium tipe S-N dengan tanpa ada titik batas lelah (Easley, and Rolfe 1981, Figure 14.14) Data tersebut menunjukkan bahwa material pada saat tegangan 40 ksi siklus yang didapatkan adalah 10 5 , saat saat pembeba pembebanan nan 30 ksi ksi siklus siklus yang yang
30
didapatkan adalah 10 6 , saat pembeba pembebanan nan 20 ksi ksi siklus yang yang didapatka didapatkan n adalah adalah 10 7 lebih, dan pada pembebanan pembebanan 10 ksi siklus siklus yang didapatkan adalah 10 8 . Hal ini menunjukkan bahwa material aluminium tidak mempunyai titik batas (endurance limit ). ). Setelah mendapatkan nilai tegangan ultimate/ tegangan tegangan maksimal dari proses pengujian tarik maka tegangan ultimate ( σ u ) digunakan untuk menentukan beban yang akan di berikan pada proses pengujian fatik, yaitu dengan cara:
Gambar 10. Alat uji fatik
Gambar 11. Sketsa alat uji Fatik
31
σ
=
M .C I
…………………………………..…………(9)
Rumus tersebut di atas dapat di jabarkan menjadi : P.a d . 2 2 ………………………………………..….(10) σ = π 4 .d 64 Untuk mencari beban (P) yang akan digunakan, maka persamaan tersebut menjadi :
σ
σ .
σ .
π 64 π
. d 4
=
P.a d . 2 2 π 4 .d 64
=
P.a d . 2 2
. d 4 .2
64 d
P.a
=
2
Jadi beban (P) : σ . P
=
π 4
. d 4 .2.2
d .a
……….......…….(11)
Dimana : P
= Beban yang akan digunakan (kg)
σ
= Tegangan (
d
= Diameter benda uji (mm)
a
= Panjang dari bearing ke dudukan (felerum) (mm)
L
= Panjang dari dudukan (felerum) ke dudukan berikutnya (mm)
kg mm 2
)
32
M
= Momen puntir berlawanan (
C
= Constanta empiris (
I
kg mm
)
d
) 2 = Momen Inersia bahan ( mm 4 )
Endurance limit (batas daya tahan material) adalah ciri khas dari logam-
logam yang mengandung Ferro. Pada logam-logam non ferro batas daya tahan material ini tidak jelas terlihat bahkan tidak ada. Demikian halnya dengan paduan Al. Logam ini tidak mempunyai endurance limit (batas daya tahan material), walaupun pada kenyataannya jika diturunkan maka akan memberikan jumlah siklus yang lebih banyak. Dibawah ini adalah gambar dari suatu ilustrasi bagaimana tekanan berulang dapat menghasilkan kelainan bentuk plastik dipermukaan campuran logam secara cepat.
Gambar 12: Ilustrasi tekanan berulang
BAB III METODE PENELITIAN
Metode Penelitian adalah cara yang dipakai dalam suatu kegiatan penelitian, sehingga mendapatkan hasil yang dapat dipertanggungjawabkan secara akademis dan ilmiah. Bahan yang akan diteliti adalah paduan aluminium dari sekrap (pelek mobil bekas) yang terdapat pada industri pengecoran pelek “Kripton Gama
Jaya“
produsen
pelek
kendaraan
merek
“POWER”
Kecamatan
Banguntapan Kabupaten Bantul. A. Bahan Penelitian
Spesimen dibuat dari bahan yang berasal dari pelek mobil bekas yang kemudian di cor kembali. Sebagai bahan spesimen uji komposisi, foto mikro dan makro, uji tarik, uji kekerasan dan uji fatik/lelah. Dimensi spesimen pengujian untuk uji fatik geometrinya dibuat sesuai dengan manual pada, Schenck Rotary Bending Machine PUPN (Simplex) yang menggunakan standar JIS Z2201 No.14 A. Sedangkan Sedangkan pada uji tarik menggunakan menggunakan standar standar ASTM E8. Berikut ini ini adalah dimensi spesimen uji fatik dan uji tarik:
Gambar 13. Dimensi uji fatik JIS Z2201 No. 14 A
33
33
34
Gambar 14. Dimensi uji tarik ASTM E8 Jumlah spesimen dalam pengujian ini adalah 28 batang. Untuk uji tarik disediakan 4 batang dan diberi beban sama sejumlah 4 ton per spesimen. Sedangkan untuk uji fatik disediakan 24 batang yang terdiri dari 12 batang R1 (raw material ) dan 12 batang R2 (R1 yang dicor kembali/ remelting remelting ) dengan beban yang berbeda-beda.
B. Alat-Alat Penelitian
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Mesin uji komposisi. b. Mesin gergaji. c. Mesin uji Fatik tipe Schenck Rotary Bending Machine PUPN (Simplex). d. Mesin uji tarik Servopulser. e. Dapur crusibel tanah . f. Mesin bubut. g. Mesin Frais. h. Kamera foto struktur mikro. i. Kamera foto struktur makro.
35
C. Proses Pengecoran
Pengecoran dilakukan di pabrik “Kripton Gama Jaya“ produsen pelek kendaraan merek “POWER” Kecamatan Banguntapan Kabupaten Bantul. Bahan baku berasal dari sekrap pelek mobil bekas yang di cor kembali dalam dapur crusibel tanah sederhana dengan menggunakan minyak tanah sebagai bahan
bakunya dan ditempatkan dalam tabung udara serta diberikan tekanan menggunakan udara. Berikut ini adalah cara pengecoran aluminium yang akan di buat menjadi spesimen :
a. Pembersihan Cetakan
b. Peleburan pelek mobil pelek mobil
c.Fluk/pembersih
e.Ditahan e.Ditahan pada suhu 725 0 C
f. Suhu cetakan 300 0 C
kotoran
d. Fluks dimasukkan
g. Memasukkan logam
h. Pendinginan
i. Dapur crusible tanah
Gambar 15. Urutan proses pengecoran aluminium
36
Langkah proses pengecoran aluminium dengan menggunakan cetakan logam adalah sebagai berikut : a. Sebelum cetakan di gunakan, cetakan harus dibersihkan dulu serta di semprotkan kapur cair ke dalam permukaannya agar bersih serta pada saat akan mengambil coran tidak lengket pada cetakan. b. Peleburan pelek aluminium pelek aluminium bekas sebagai bahan dasar. c. Setelah aluminium mencair semua kemudian masukkan fluks. Fluks berguna untuk mengangkat kotoran pada saat proses pengecoran. d. Setelah bersih, tahan pada suhu sekitar 725 0 C e. Panaskan cetakan pada suhu 300 0 C agar pada saat penuangan logam coran tidak membeku sebelum memenuhi cetakan. f. Masukkan logam coran ke dalam cetakan, usahakan cetakan jangan terlalu jauh letaknya dengan dapur pengecoran. g. Setelah itu buka cetakan dan keluarkan hasilnya dari cetakan serta dinginkan dengan pendingin udara. D. Langkah-langkah Langkah-langkah Pengujian :
1. Uji Komposisi Uji komposisi dilakukan untuk mengetahui komposisi kimia yang terkandung dalam bahan spesimen atau prosentase dari tiap unsur pembentuk bahan spesimen misalnya C, Si, Fe, Cu, Mg, Al dan unsur lainnya. Langkah pengujian komposisi adalah sebagai berikut : a. Spesimen yang telah dipotong minimal sepanjang 15 mm dibersihkan permukaannya dengan dengan dibubut muka terlebih dulu sampai halus dan rata.
37
b. Spesimen diletakkan pada bed dan dibakar dengan semacam elektroda atau sinar laser hingga bahan mengalami pencairan atau rekristalisasi. Proses pembakaran elektroda ini tidak lebih dari tiga detik Alat uji komposisi akan menangkap wama sensor cahaya hasil dari proses rekristalisasi dan diteruskan ke dalam program komputer dan mencatat hasilnya.
2. Pembuatan Spesimen Pembuatan spesimen dilakukan dalam beberapa tahapan permesinan yang tertuang dalam langkah-langkah pembuatan di bawah ini : a. Proses pembuatan fatik spesimen menurut standar JIS Z220 I No. 14 A 1) Memotong bahan ukuran φ 15 X 230
mm
sebanyak 12 buah dengan
mesin gergaji. 2) Membubut bahan hingga berukuran φ 11,8 X 225 mm sesuai bentuk standar JIS Z2201 No. 14 A
b. Proses pembuatan tarik spesimen menurut standar ASTM E8 1) Memotong bahan ukuran φ 20 X 130
mm
sebanyak 12 buah dengan
mesin gergaji. 2) Membubut bahan hingga berukuran φ 17,5 X 125 mm sesuai bentuk standar ASTM E8
c. Pembuatan spesimen untuk Foto mikro dan uji kekerasan kekerasan dengan φ 20mm d. Proses finishing
Finishing atau penghalusan spesimen dengan kertas ampelas pada mesin
bubut.
38
3. Foto mikro
Langkah sebelum melakukan pengujian foto mikro adalah pemolesan. Pemolesan dilakukan baik pada raw materials ataupun spesimen yang di remelting dengan menggunakan ampelas mulai dari ampelas no. 800 sampai no.
1500 kemudian diberi autosol agar lebih halus dan mengkilap. lni dilaksanakn di laboratorium bahan S1 UGM dengan mesin ampelas. Setelah pemolesan selesai, baru melaksanakan foto mikro terhadap bahan tersebut dengan mesin mesin foto struktur mikro.
Gambar 16. Mesin foto struktur mikro Langkah-langkah Langkah-langkah pengujian struktur mikro : a. Spesimen yang akan dilakukan uji foto mikro harus rata terhadap bidang ukur, sehingga spesimen tersebut diampelas dengan menggunakan ampelas halus, kemudian melakukan finishing dengan menggosok spesimen menggunakan autosol. b. Nyalakan mikroskop dengan menekan ON pada power switch . c. Letakan spesimen pada stage. d. Pilih cahaya yang sesuai dengan memutar light intensity control knop.
39
e. Pilih perbesaran lensa objektif dengan memutar revolving nosepiece . f. Lihat gambar pada eyepiece yaitu pada lensa okuler. g. Fokuskan gambar. h. Pilih lokasi yang akan diinginkan deengan memutar stage drive control knop.
i.
Pemotretan: masukan film pada kamera, pilih spesifik gambar yang akan diambil dengan photo unit adjuster dial , , dan tekan expose untuk melakukan pemotretan.
4. Pengujian Kekerasan Brinell
Gambar 17. Mesin uji kekerasan brinell Langkah pengujian kekerasan Brinell : a.
Siapkan spesimen yang akan diuji, yaitu dengan mengampelas spesimen sampai dengan nomor ampelas 1500, kondisikan rata dan tegak lurus pada benda uji.
b.
ON-kan mesin uji kekerasan Brinell.
c.
Tentukan tekanan yang akan diberikan oleh mesin sesuai dengan spesifikasi benda uji tersebut.
d.
Tempatkan benda uji pada stage. Fokuskan gambar.
40
e. Pilih lokasi yang akan diinginkan dengan memutar stage drive control knop. f.
Geser tuasnya sehingga bergerak ke atas (bola Brinell bekerja menekan).
g.
Jika tuas sudah berhenti, tarik dan kembalikan pada posisi semula.
h.
Ukur diameter jejak bola Brinell pada layar mikroskop.
i.
Catat hasilnya.
5. Pengujian Tarik Pengujian tarik ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan tarik dari material sebelum dilakukan pengujian fatik. Dengan demikian akan dapat diketahui kekuatan atau beban maksimun dari material yang selanjutnya dapat diketahui kekuatan atau beban luluhnya. Beban luluh inilah yang digunakan sebagai patokan pembebanan pada pengujian fatik, dimana berkisar antara (20 80) % dari kekuatan luluh tersebut. Langkah-langkah Langkah-langkah pengujian tarik adalah : 1. Siapkan spesimen yang akan diuji, yaitu dengan mengampelas spesimen sampai dengan nomor ampelas 1500, tempatkan benda pada mesin Servopulser dan jepit kedua ujung batang secara tegak lurus.
2. Siapkan milimeter book pada ploter yang sudah tersedia dalam mesin uji. 3. Atur skala beban sesuai dengan yang kita kehendaki. 4. Penarikan dimulai dari beban nol dengan penambahan beban perlahan-lahan dan merata sehingga tidak terjadi beban kejutan. 5. Selama penarikan berlangsung, berarti terjadi perpanjangan dan pengecilan spesimen hingga putus. 6. Hasil dari pengujian dapat dilihat pada kertas milimeter book yang telah di pasang di dalam ploter yang berupa grafik, serta penunjuk beban maksimal pada alat Servopulser.
41
Gambar 18. Mesin uji tarik servopulser 6. Pengujian Fatik 5
67
8
9
10
11
1 2 3 4 Rotary Bending Gambar 19. Mesin uji fatik Rotary Keterangan : 1. Handle pengatur beban. 2. Skala penunjuk beban. 3. Handle penahan saat mengatur beban. 4. Tombol penanda ON/OFF. 5. Cekam kiri. 6. Pemberat kiri. 7. Benda kerja. 8. Pemberat kanan. 9. Cekam kanan. 10. Motor listrik 11. Meteran penunjuk siklus (N)
42
Pengujian fatik ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan lelah dari material sebelum dan sesudah dilakukan remelting . Dengan demikian dilakukan dua macam pengujian yaitu untuk raw material dan remelting material . Banyaknya pengujian untuk spesimen tanpa remelting adalah 12 buah dan untuk spesimen yang telah mengalami remelting adalah 12 buah untuk tiap variasi beban. Langkah-Iangkah Langkah-Iangkah yang dilakukan dalm pengujian fatik yaitu : a. Menyiapkan alat-alat yang dibutuhkan seperti: mesin uji fatik, bandul beban, kunci-kunci pendukung (cekam), obeng (-) dan (+) dan lembar pengamatan (pulpen dan stopwatch) b. Membuka tutup pengaman mesin uji yang terbuat dari fiber glass. sehingga transparan dan letakkan di tempat yang aman. c. Netralkan/nol (0) kan beban dengan menggunakan handle pengatur beban dan lihat jarum penunjuk bebannya. d. Melepas spesimen contoh yang terpasang di alat dari cekam sebalah kiri dan kanan dengan menariknya keluar. e. Memasang spesimen yang kita buat ke mesin fatik dengan memasukkan kedalam cekam sebelah kiri ke cekam sebelah kanan dengan pengunci cekam yang dilonggarkan. f. Atur besar beban yang sesuai dengan perhitungan dengan memutar handle putar beban sambil memperhatikan jarum penenjuk beban.
43
g. Memulai dengan beban yang terbesar terlebih dulu. Beban berasl dari 0,2 - 0,8 dikalikan dengan kekuatan luluh rata-rata pada pengujian tarik raw matreial (20-80% σ y ). h. Menutup mesin dengan tutup pelindung dan mencatat data siklus (N)
yang tertera pada meteran pada mesin sebelah kanan. i. Menghidupkan mesin uji dengan menekan tombol ON, kemudian handle beban kita lepaskan secara perlahan agar tidak terjadi beban kejut. j. Setelah spesimen patah, catat hasil pada meteran siklus (N), mesin secara otomatis akan berhenti atau mati dengan sendirinya. k. Melepas spesimen yang telah patah caranya hampir sama dengan saat memasang spesimen. Buka tutup mesin, lepaskan cekam kiri bersama spesimen yang telah patah dan melepas spesimen dari cekam kanan dengan mengendorkan mur pengunci cekam. Kemudian memasang spesimen berikutnya dengan beban yang lebih rendah dari sebelunmya. l. Penurunan beban berikutnya dapat dilakukan secara berurutan atau jika pada beban terbesar siklus yang diperoleh sedikit atau cepat patah, maka beban bisa diturunkan ke yang terendah atau tengah-tengah. m. Setelah raw materials selesai, maka lanjutkan pengujian pada spesimen yang dikenakan pengecoran kembali (remelting). Sesekali memeriksa atau menambahkan grease yang terdapat pada bantalan.
E. Teknik Pengumpulan Data
Lembar pengamatan sangat diperlukan dalam suatu penelitian. Langkah ini akan mempermudah dalam proses pengolahan data selanjutnya. Dengan
44
menggunakan lembar pengamatan tersebut diharapkan penelitian yang dilakukan dapat berjalan dengan lancar dan tertib serta data yang didapat tercatat dengan baik. Wawancara dengan ahli metalurgi akan, memberikan gambaran umum mengenai penelitian yang akan dilakukan. Untuk itu perlu konsultasi dengan pakar/ahli metalurgi sebelum melakukan penelitian dan persiapan bahan serta instrumen lainnya. Adapun lembar pengamatan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Tabel 7. Lembar pengamatan uji tarik Parameter Spesimen
Kekuatan (kg/mm 2 ) σ y
σ u
Perpanjangan (%) Lo
L1
1 2 3 4 Keterangan : σ y
= Kekuatan luluh (yield).
σ u
= Kekuatan tarik.
Lo
= Panjang sebelum ditarik.
L1
= Panjang.setelah ditarik.
e
= Prosen perpanjangan (regangan).
Ao
= Luas penampang sebelum putus.
A1
= Luas penampang setelah putus.
q
= Prosen kontraksi (reduksi penampang).
e
Kontraksi (%) Ao
A1
q
45
Tabel 8. Lembar pengamatan uji fatik Spesimen
Tegangan Maksimal
Jumlah Siklus
Beban ( Pu )
(…)
(MPa)
(N)
(kg)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Keterangan : (…….) dapat diisi
: Raw material (R1) remelting Material R1 yang telah di cor kembali/ remelting
(R2)
F. Diagram Alur Penelitian
46
Bahan Paduan Alumunium
Pengecoran ke I (raw material)
Pengecoran ke II ( remelting )
Spesimen
Spesimen
Komposisi
Foto mikro dan makro
Kekerasan
Hasil
Analisis data
Simpulan Gambar 20. Alur penelitian
Tarik
Fatiq
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN PENELITIAN
Hasil penelitian dan pembahasan yang akan diuraikan meliputi : komposisi unsur kimia, pengamatan struktur mikro dan makro, kekerasan, kekuatan tarik, serta kelelahan/fatik.
A. HASIL PENELITIAN 1.
Komposisi Kimia
Hasil penguji komposisi raw material dan aluminium setelah dituangkan dalam tabel sebagai sebagai berikut: remelting pada penelitian ini dituangkan Tabel 9. Hasil Uji Komposisi raw material Unsur (%) Si 6,80888 Fe 0,14908 Cu 0,0315 Mn 0,00707 Mg 0,24992 Zn 0,02003 Ti 0,13718 Cr 0,00268 Ni 0,00309 Pb Sn 0,00283 Na Sb 0,00223 Al 92,58575
47
48
Tabel 10. Hasil Uji Komposisi setelah di remelting Unsur Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Ni Pb Sn Na Sb Al
(%) 6,73 0,1701 0,072 0,0029 0,2323 0,0456 0,1349 0,0024 0,003 0,0021 0,0034 92,60
Berdasarkan pada tabel nomer 2 atau sesuai dengan klasifikasi paduan aluminium tempaan hasil pengujian komposisi pada bahan aluminium tuang raw material dan paduan aluminium remelting seperti ditunjukkan pada Tabel 9 dan 10 maka aluminium tuang tersebut diatas termasuk ke dalam kelompok 4030-4039 atau menurut standar Alcoa ( Aluminium Company of America) dapat digolongkan pada kelompok 30S39S, yang terdiri dari Al–Si. Sedangkan menurut Ramsden (2004) membentuk paduan aluminium 357.0 F.
2. Struktur mikro
Setiap spesimen yang akan di lakukan pengujian seharusnya dilakukan foto mikro dahulu, tujuannya adalah untuk menganalisa struktur pada benda uji atau spesimen agar kita nantinya dapat menentukan langkah selanjutnya dalam pengujian tarik dan fatik.
49
Al
Si
100 Gambar 21. Foto mikro raw material perbesaran 200 kali
Al
Si Mg
20 Gambar 22. Foto mikro raw material perbesaran 500 kali Foto mikro yang ditunjukkan pada gambar raw material perbesaran 200 kali dan foto mikro raw material perbesaran 500 kali diatas menunjukkan larutan padat yang banyak, menyebar merata dan berukuran sedang. Larutan yang berwarna hitam berbintik-bintik dan mengendap serta
50
mengelilingi warna keabu-abuan (Mg) adalah larutan Si. Larutan yang berwarna kelabu dan kedudukannya didalam Si adalah Mg.
Al Si
Cu
100 μ Gambar 23. Foto mikro paduan aluminium setelah di remelting dengan perbesaran 200 kali
Al Mg Si
20 Gambar 24. Foto mikro paduan aluminium setelah di remelting dengan perbesaran 500 kali Foto mikro yang ditunjukkan pada gambar paduan aluminium setelah di remelting dengan perbesaran 200 kali dan 500 kali menunjukkan bahwa
51
larutan padat yang sedikit, posisinya menyebar dan berukuran sedang. Larutan Si berwarna hitam bintik-bintik dan mengendap serta mengelilingi warna keabu-abuan (Mg). Untuk Mg letaknya di dalam Si dan berwarna abu-abu. Sedangkan untuk larutan Cu memiliki warna abu-abu agak kemerah-merahan. Larutan Si dalam paduan aluminium setelah di remelting tidak sebanyak paduan aluminium raw material , sehingga menyebabkan spesimen paduan aluminium setelah di remelting kurang bagus ketahanan korosinya dibandingkan raw material dan spesimen ini mudah untuk dikerjakan dalam permesinan karena banyak terdapat Cu.
Porositas
100 μ Gambar 25. Foto mikro raw material perbesaran 200 kali yang menunjukkan porositas.
52
Porositas
100 μ Gambar 26. Foto mikro paduan aluminium setelah di remelting perbesaran 200 kali yang menunjukkan porositas. Dari gambar foto mikro raw material perbesaran 200 kali dan foto mikro paduan aluminium setelah di remelting , menunjukkan bahwa paduan aluminium setelah di remelting mempunyai porositas yang lebih besar bila di bandingkan dengan bahan pengecoran dasar ( raw material). Hal ini disebabkan oleh adanya gas hidrogen yang dapat larut pada aluminium cair kemudian setelah logam membeku gas hydrogen tersebut terjebak serta oleh adanya pula penyusutan logam yang terjadi pada saat logam bertransformasi dari fase cair ke padat. Ini sesuai dengan pernyataan Neff (2002) yang di tulis dalam papernya.
3. Uji kekerasan
Uji kekerasan dalam spesimen ini menggunakan uji kekerasan brinell , sehingga menghasilkan data nilai kekerasan (BHN). Hasil kekerasan brinell ditunjukkan dengan tabel berikut berikut ini:
53
Tabel 11. Spesimen raw material No. D (mm) Harga Kekerasan Brinell 1
0,82
57,6
2
0,80
60,6
3
0,81
59,0
Rata-rata
177,2
=
3
59,06
Tabel 12. Spesimen paduan aluminium setelah di remelting No. D (mm) Harga Kekerasan Brinell 1
0,83
56,1
2
0,80
60,6
3
0,82
57,6
Rata-rata
174,3 3
=
58,1
Pengujian dilakukan menggunakan beban 31,25 kg dengan diameter penetrator 2,5 mm. Pengujian sebanyak 3 titik per spesimen, posisi titik dari tepi ke tengah. Dilihat dari tabel 9 dan 10 maka nilai kekerasan brinell pada spesimen yang telah di remelting mengalami penurunan sebanyak 1,62 %. Walaupun tidak begitu signifikan hal ini menunjukkan bahwa spesimen spesimen raw material lebih keras daripada spesimen yang dikerjakan dengan proses remelting , hal ini dapat dilihat dengan diagram batang berikut ini :
54
59,06
58,1
60
) 50 N H 40 B ( n a 30 s a r e 20 k e K 10 0 Raw material
S pes imen s etelah di remelting
Spesimen
Gambar 27. Nilai kekerasan paduan aluminium
4. Uji Tarik
Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanis dari material aluminium tuang sebagai material uji dalam penelitian ini. Hasil pengujian tarik pada umumnya adalah parameter kekuatan (kekuatan tarik dan kekuatan luluh), parameter keliatan/keuletan yang ditunjukkan dengan adanya prosen perpanjangan (e) dan prosen kontraksi atau reduksi (q) penampang patah dan bentuk-bentuk penampang patah. Pengujian dengan menggunakan mesin servopulser pada skala beban 4 ton dan menggunakan spesimen standar untuk pengujian tarik ASTM E8. Pengujian tarik ini bertujuan untuk mendapatkan data kekuatan tarik maksimal atau tegangan Ultimate yang akan digunakan untuk penentuan besarnya beban pada pengujian fatik. Dari hasil pengujian tarik didapatkan data sebagai berikut:
55
Tabel 13. Data hasil uji tarik Benda Pembebanan Beban Beban yang diberikan (%) (kg) (ton)
Δ L
L0
L1
(mm)
(mm)
d 0
(mm) (mm)
d 1
Δd
(mm) (mm)
1
4
43,0%
1720
49,98
52,88
2,9
12,28
12,20
0,08
2
4
45,7%
1828
49,97
53,12
3,15
12,27
12,18
0,09
3
4
41,9%
1676
50
52,99
2,99
12,35
12,24
0,11
Tabel 14. Data hasil uji tarik Spesimen Pu P y Ao
A1
σ y
σ u
e
q
(kg)
(kg)
( mm 2 )
( mm 2 )
(Mpa)
(MPa)
(%)
(%)
1
1720
1495,65
118,37
116,8
123,774
142,39
5,8
1,3
2
1828
1056,64
118,18
116,45
87,61
151,50
6,3
1,46
3
1676
1297,5
119,73
117,6
106,13
137,2
5,98
1,77
Jadi tegangan maksimal ( Ultimate ) rata-rata yang akan berguna untuk penentuan beban fatik adalah : σ u rata − rata =
σ u1
+ σ u 2 + σ u 3
3
14,53 + 15,46 + 14 kg = ( ) 2 3 mm = 14,67
kg mm
2
= 143,76 MPa................(12) MPa................(12)
5. Uji Fatik
Pengujian kelelahan yang dilakukan dalam penelitian ini dipergunakan untuk mengetahui umur lelah material paduan aluminium tuang sebagai
56
spesimen pengujian yang digunakan adalah aluminium dari pelek mobil ataupun motor. Penelitian ini menggunakan menggunakan dua jenis spesimen uji lelah yang terdiri dari spesimen raw material dan spesimen pengecoran ulang (remelting ). Metode penyajian data hasil pengujian dengan menggunakan kurva SN. Kurva S-N hasil pengujian untuk material paduan aluminium tuang ditunjukkan pada gambar 26. Hubungan antar level tegangan dan siklus pembebanan tersebut seperti yang dinyatakan dalam persamaan 12. σ a
− p
= C . N
.......................................... ................................................................ .......................(12) .(12) 1
p a
p
atau N. σ = C untuk C = C Dimana :
σ a
= amplitudo tegangan
N
= jumlah putaran hingga terjadi kegagalan
C dan p= konstanta empiris bahan
120
100
) a P 80 M ( N A 60 G N A G 40 E T
S1 = 476,6N-0,1422 S2 = 409,26N-0,1331 Remelting Raw material Pow Pow er ( Remelting) Remelting)
20
Pow er (Raw material material) 0 10000
100000
1000000
10000000
SIKLUS (N)
Gambar 28. Kurva S – N hasil pengujian lelah.
57
Dari hasil pengujian tersebut diperoleh hubungan persamaan level tegangan dan siklus pembebanan sebagai berikut : a. Persamaan untuk spesimen raw material
S = 476,6 N 0,1422 −
...................................................(13)
b. Persamaan untuk spesimen paduan aluminium setelah di remelting
S = 409,26 N 0,1331 −
.................................................(14)
Dari grafik di atas tergambar bahwa proses remelting mempunyai persamaan grafik yang berada di bawah persamaan grafik raw material. Pada level tegangan tinggi sebesar 103,488 MPa yang sama setelah dilakukan proses remelting terjadi penurunan siklus (N) sebanyak 19,8 %, sehingga
hal
ini
membuktikan
bahwa
perlakuan
remelting
dapat
menurunkan siklus (N) fatik yang diterima oleh suatu paduan aluminium, ini dikarenakan oleh adanya cacat pada waktu pengecoran yaitu terjadinya porositas ataupun penyusutan. Hasil penampang patah spesimen uji lelah juga menunjukkan adanya karakteristik patah lelah, seperti pembentukan retak awal ( initial crack ), ), daerah perambatan retak (beach mark ), ), dan daerah patah tiba-tiba/statis ( final fracture), kondisi tersebut seperti ditunjukkan pada gambar 29 dan gambar30. Daerah perambatan retak digambarkan seperti pada garis pantai.
58
Patah statis/tiba-tiba
Daerah perambatan retak
Retak awal Gambar 29. Penampang patah lelah pada spesimen raw material
Patah statis/tiba-tiba
Daerah perambatan retak
Retak awal Gambar 30. Penampang patah lelah pada spesimen remelting
BAB V PENUTUP
A. Simpulan
Dari hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Aluminium dalam penelitian ini termasuk dalam paduan Al-Si, karena 92,60% adalah aluminium, 6,73% Si dan sisanya adalah paduan unsur lain. Setelah dilakukan foto mikro ternyata paduan aluminium yang telah di remelting mempunyai porositas yang lebih besar dibandingkan dengan raw material , sedangkan untuk unsur-unsur paduannya tidak begitu
banyak mengalami perubahan yang signifikan. Porositas disebabkan oleh peningkatan gas hidrogen pada saat peleburan dan penyusutan pada saat logam bertransformasi dari fasa cair ke padat, tetapi unsur-unsur paduannya relatif tidak mengalami perubahan. 2. Proses remelting mempengaruhi sifat mekanis pada paduan alumunium, yaitu terdapat penurunan kekerasan sebesar 1,62% ( raw material mempunyai harga kekerasan Brinell = 59,06 BHN sedangkan paduan alumunium dengan proses remelting mempunyai harga kekerasan brinell sebesar = 58,1 BHN). Pada pengujian tarik hanya dilakukan untuk langkah menuju ke pengujian fatik, sehingga hanya diambil dari data benda raw material saja. Tegangan ultimate raw material aluminium paduan ini
59
60
adalah sebesar 143,76 MPa, sedangkan untuk tegangan luluhnya sebesar 109,56 MPa. 3. Kekuatan fatik pada paduan aluminium yang telah mengalami proses remelting mengalami penurunan siklus (N) sebesar 19,8 % dari yang semula mempanyai persamaan sebesar S = 476,6 N −0,1422 menjadi S = 409,26 N −0,1331 . Hal ini dapat dilihat pada level tegangan tinggi sebesar 103,488 MPa yang sama. Jadi proses remelting dapat merubah kekuatan fatik menjadi menurun. Hal ini dikarenakan oleh adanya cacat pada waktu pengecoran yaitu terjadinya porositas ataupun penyusutan pada saat logam yang sedang ber-transformasi dari fasa cair ke padat.
B. Saran
Data yang disajikan dalam penelitian ini masih sangat terbatas, tetapi setelah penelitian ini justru muncul pemikiran-pemikiran baru sehingga perlu diadakan penelitian lebih lanjut misalnya pemulihan ( recovery ) terhadap penurunan sifat fisis maupun mekanis yang terjadi akibat proses remelting .
DAFTAR PUSTAKA
Barsom, J .M. dan Rolfe, ST., 1999, Fracture and Fatigue Control in Structures: Applications of Fracture Mechanics, Third Edition, Butterworth-Heinemann, Philadelphia B. H. Amstead, Teknologi Mekanik, Terjemahan Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta, 1987. E. P Propov, Mekanika Teknik, Terjemahan Zainul Astamar Msc, Erlangga, Jakarta, 1984. . Ferdinand L. Singer, Andrew Pytel, Kekuatan Bahan, Terjemahan Ir. Darwin Sebayang, Erlangga, Jakarta, 1980. George E. Dieter, Metalurgi Mekanik, Terjemahan Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta, 1988. Ing M Hirt, Elemen Mesin, Terjemahan Ir Anton Budiman, Ir Bambang Priambodo, Erlangga, Jakarta, 1986. Joseph E. Shigley, Perencanaan Teknik Mesin, Terjemahan Ghandhi Harahap, M.Eng, Erlangga Jakarta. Neff, D.V.,2002, Understanding Aluminium Degassing, Degassing , Modern Casting, May 2002, p.24-26. Ramsden, 2004, Mechanical Properties of Aluminium Casting Alloys, http://www.ramsden.on.ca/alloys.htm Surdia, T. dan Cijiiwa K, 1991, Teknik Pengecoran Logam, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Surdia, T. dan Shinroku, 1992, Pengetahuan Bahan Teknik, PT Pradnya Paramita, Jakarta.
61
62
Lampiran 1. Komposisi Kimia Paduan Aluminium raw material
63
Lampiran 2. Komposisi Kimia Paduan Aluminium remelting
64
Lampiran 3. Data dan Perhitungan Kekerasan
65
Perhitungan uji kekerasan Brinell pada Raw Material
Skala pengujian
: Brinell
Beban pengujian
: 31,25 kgf
Diameter identor (D)
: 2,5 mm
Pengukuran diameter injakan
: Mikrroskop, skala 1mm = 38 strip Perbesaran 100 X
1. Kekerasan pada Raw Material (1) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,82 mm
BHN =
BHN =
2P π D( D − D 2
2
− d
)
2 x31,25 3.14 x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2
− 0,82
2
)
2
)
BHN = 57,6
2. Kekerasan pada Raw Material (2) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,80 mm
BHN =
BHN =
2P π D( D − D 2
2
− d
)
2 x31,25 3.14 x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2
BHN = 60,6
− 0,80
66
3. Kekerasan pada Raw Material (3) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,81 mm
BHN =
BHN =
2P π D( D − D 2
2
− d
)
2 x31,25 3.14 x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2
BHN = 59,0
Rata-rata BHN raw material : BHN = BHN =
57,6 + 60,6 + 59,0 3 177,2 3
BHN = 59,06
2
− 0,81
)
67
Perhitungan uji kekerasan Brinell pada Material Remelting
1. Kekerasan pada hasil remelting (1) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,83 mm
BHN =
BHN =
2P π D( D − D 2
2
− d
)
2 x31,25 3.14 x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2
− 0,83
2
BHN = 56,1
2. Kekerasan pada hasil remelting (2) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,80 mm
BHN =
BHN =
P
π 2 xDx( D − D 4
2
− d
)
31,25 π x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2 4
− 0,80
2
BHN = 60,6
3. Kekerasan pada hasil remelting (3) P = 31,25 kgf D = 2,5 mm d = 0,81 mm
BHN =
2P π D( D − D 2
2
− d
)
)
)
68
BHN =
2 x31,25 3.14 x 2,5 x( 2,5 − 2,5 2
BHN = 57,6
Rata-rata BHN remelting: BHN = BHN =
56,1 + 60,6 + 57,6 3 174,3 3
BHN = 58,1
− 0,82
2
)
69
Lampiran 4. Data dan Perhitungan Uji Tarik
Grafik pengujian tarik : Alat uji
: Mesin uji tarik universal Servopulser
Standar spesimen
: ASTM E8
Beban pengujian
: 4000 kg
Dari hasil pengujian tarik didapatkan data sebagai berikut:
Benda
Δ L
Beban (%)
Beban (kg)
L0
L1
(mm)
(mm)
1
Pembebana n yang diberikan (ton) 4
43,0%
1720
49,98
52,88
2,9
2
4
45,7%
1828
49,97
53,12
3
4
41,9%
1676
50
52,99
Spesimen
d 0
Δd
d 1 (mm)
(mm)
12,28
12,20
0,08
3,15
12,27
12,18
0,09
2,99
12,35
12,24
0,11
(mm) (mm)
Pu
P y
Ao
A1
σ y
σ u
e
q
(kg)
(kg)
( mm 2 )
( mm 2 )
(Mpa)
(MPa)
(%)
(%)
1
1720
1495,65
118,37
116,8
123,774
142,39
5,8
1,3
2
1828
1056,64
118,18
116,45
87,61
151,50
6,3
1,46
3
1676
1297,5
119,73
117,6
106,13 106,13
137,2 137,2
5,98
1,77
70
(a) Grafik uji tarik raw material I
(b) Grafik uji tarik raw material II
71
(c) Grafik uji tarik raw material III
72
Perhitungan data benda uji I
Pu
= 43,0 % = 43,0 % * 4000 kg = 1720 kg
P y
=
1720kg 34,5mm
* 30mm
= 1495,65 kg A0
=
π 4
d 2
= 0,785 * (12,28) 2 mm = 118,37 mm 2 Tegangan luluh : σ y
=
=
P y Ao
1495,65kg 118,37mm 2
= 12,63
kg mm 2
atau 123,774 MPa
Kekuatan Tarik / Tegangan Ultimate : σ u
=
=
Pu A0
1720kg 118,37mm 2
= 14,53
kg mm
2
atau 142,39 Mpa
73
Persentase pertambahan panjang atau regangan (e) Δ L
L1 − Lo
e
=
e
=
e
= 5,8 %
=
Lo
Lo
x 100%
52,88 − 49,98 x100% 49,98
Pengecilan/reduksi Pengecilan/reduksi penampang (q) Δ A
Ao
q
=
q
=
q
= 1,3 %
=
Ao
− A1
Ao
x100%
118,37 − 116,8 x100% 118,37
74
Perhitungan data benda uji II
Pu
= 45,7 % = 45,7 % * 4000 kg = 1828 kg
P y
=
1828kg 86,5mm
* 50mm
= 1056,64 kg A0
=
π 4
2
d
= 0,785 * (12,27) 2 mm = 118,18 mm
2
Tegangan luluh : σ y
=
=
P y Ao
1056,64kg 118,18mm 2
= 8,94
kg mm
2
atau 87,61 MPa
Kekuatan Tarik / Tegangan Ultimate : σ u
=
=
Pu A0
1828kg 118,18mm2
= 15,46
kg mm
2
atau 151,50 Mpa
75
Persentase pertambahan panjang atau regangan (e) Δ L
L1 − Lo
e
=
e
=
e
= 6,3 %
=
Lo
Lo
x 100%
53,12 − 49,97 49,97
x100%
Pengecilan/reduksi Pengecilan/reduksi penampang (q) Δ A
Ao
q
=
q
=
q
= 1,46 %
=
Ao
− A1
Ao
x100%
118,18 − 116,45 x100% 118,18
76
Perhitungan data benda uji III
Pu
= 41,9 % = 41,9 % * 4000 kg = 1676 kg
P y
=
1676kg 77,5mm
* 60mm
= 1297,5 kg A0
=
π 4
2
d
= 0,785 * (12,35) 2 mm = 119,73 mm
2
Tegangan luluh : σ y
=
=
P y Ao
1297,5kg 119,73m 2
= 10,83
kg mm
atau 106,13 MPa
2
Kekuatan Tarik / Tegangan Ultimate : σ u
=
=
Pu A0
1676kg 119,73mm
= 13,99
2
kg mm
2
= 14
kg mm
2
atau 137,2 MPa
77
Persentase pertambahan panjang atau regangan (e) Δ L
L1 − Lo
e
=
e
=
e
= 5,98 %
=
Lo
Lo
x 100%
52,99 − 50 x100% 50
Pengecilan/reduksi Pengecilan/reduksi penampang (q) Δ A
Ao
q
=
q
=
q
= 1,77 %
=
Ao
− A1
Ao
x100%
119,73 − 117,6 119,73
x100%
78
RATA-RATA TEGANGAN LULUH ( σ y )
Rata-rata σ y
=
σ y1
+ σ y 2 + σ y 3
4 =
(
12,63 + 10,10 + 10,83 3
= 11,18
kg mm
2
)
kg mm
2
atau 109,56 MPa
RATA-RATA TEGANGAN MAKSIMAL / ULTIMATE ( σ u )
Rata-rata σ U
=
σ y1 + σ y 2
+ σ y 3
3 =
(
14,53 + 15,46 + 14 3
= 14,67
kg mm
2
)
kg mm
2
atau 143,76 MPa
RATA-RATA PERTAMBAHAN PERTAMBAHAN PANJANG ATAU REGANGAN (e)
Rata-rata (e)
=
5,8 + 6,3 + 5,98 3
= 6,026 %
%
79
Lampiran 5. Data dan Perhitungan Uji Fatik
SPESIMEN
R1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
( σ maks )
JUMLAH SIKLUS
TEGANGAN Kg
N Kg
2
mm 0,80 x 14,67 11,74 0,75 x 14,67 11,00 0,72 x 14,67 10,56 0,70 x 14,67 10,26 0,67 x 14,67 9,82 0,65 x 14,67 9,53 0,57 x 14,67 8,36 0,55 x 14,67 8,06 0,53 x 14,67 7,77 0,50 x 14,67 7,33 0,45 x 14,67 6,60 0,4 x 14,67 5,86
(P) BEBAN
1000 bengkok 33.600
27,00 25,39
52.000
24,38
75.300
23,68
56.900
22,67
96.300
22,00
333.500
19,30
168.200
18,60
593.000
17,93
877.200
16,92
1.150.000
15.23
1.756.300
13,54
80
SPESIMEN
R2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
( σ maks )
JUMLAH SIKLUS
TEGANGAN Kg
N Kg
2
mm 0,80 x 14,67 11,74 0,75 x 14,67 11,00 0,72 x 14,67 10,56 0,70 x 14,67 10,26 0,67 x 14,67 9,82 0,65 x 14,67 9,53 0,57 x 14,67 8,36 0,55 x 14,67 8,06 0,53 x 14,67 7,77 0,50 x 14,67 7,33 0,45 x 14,67 6,60 0,4 x 14,67 5,86
(P) BEBAN
9900
27,00
27600
25,39
41.700
24,38
45.500
23,68
70.800
22,67
45700
22,00
100800
19,30
150.900
18,60
622.800
17,93
636.200
16,92
1.537.600
15.23
969.800
13,54
81
Lampiran 6. Foto Makro raw material
Spesimen 1
Spesimen 2
Spesimen 3
Spesimen 4
Spesimen 5
Spesimen 6
Spesimen 7
Spesimen 8
Spesimen 9
Spesimen 10
Spesimen 11
Spesimen 12
82
Foto makro paduan aluminium setelah di remelting
Spesimen 1
Spesimen 2
Spesimen 3
Spesimen 4
Spesimen 5
Spesimen 6
Spesimen 7
Spesimen 8
Spesimen 9
Spesimen 10
Spesimen 11
Spesimen 12
83
Lampiran 7. Tabel Paduan dan sifat mekanik paduan aluminium tuang (Ramsden, 2004)
