BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Waktu penelitian ini direncanakan selama enam bulan yang dimulai dari Maret sampai dengan September Tempat dilaksanakannya penelitian adalah di Laboratorium Proses Produksi, Laboratorium Teknologi Mekanik, dan Laboratorium Metalurgi Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Khusus untuk pemotongan lembar Aluminium dilakukan di Bengkel Mesin Politeknik Medan. 3.2 Prosedur penelitian Dalam penelitian ini dilakukan beberapa proses pembuatan spesimen sebelum masuk kepada pengujian inti. Dari bahan awal berupa lembaran aluminium, hal yang pertama dilakukan adalah pemotongan aluminium lembaran tersebut menjadi bentuk strip dengan lebar 4 cm. Barulah kemudian masuk kepada proses ARB yang dilakukan pada suhu 500 C, agar terjadi ikatan pada spesimen. Suhu ini didapat dari proses uji coba sebelumnya yang penulis lakukan dengan metode trial and error. Setelah spesimen ARB selesai, barulah kemudian masuk kepada proses pembuatan spesimen uji untuk pengujian tarik, kekerasan, dan struktur mikro. Pengujian dilakukan setelah spesimen dibentuk. Data yang didapat kemudian dianalisa untuk mendapatkan kesimpulan akhir. 3.3 Proses Accumulative Roll-Bonding Metode dan teknik yang digunakan dalam pembuatan spesimen berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Prof. Tsuji pada tahun Dilakukan sebanyak 3 siklus untuk mendapatkan spesimen dengan 8 layer. Siklus umumnya, rolling->cutting->surface treatment->stacking->rolling, seperti yang di tunjukkan pada gambar 3.1.

2 Gambar 3.1 Proses ARB Persiapan Bahan Dalam Penelitian ini bahan yang digunakan adalah aluminium komersil. Aluminium komersil yang dimaksud adalah aluminium yang terdapat di pasaran (as receive), yang dibeli pada bulan Mei 2011, di Toko Waja, Jalan Pandu, Medan. Aluminium dengan jenis lembaran dan dimensi 1 x 2 m dan tebal 5 mm seperti yang terlihat pada gambar 3.2. Gambar 3.2. Lembaran aluminium

3 3.3.2 Persiapan Alat Alat yang digunakan dalam pembuatan spesimen ARB adalah sebagai berikut: 1. Mesin Pemotong Logam Alat ini digunakan untuk memotong lembar aluminium menjadi bentuk strip untuk menyesuaikan dengan kondisi furnace yang kecil, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.3. Spesifikasi: Merk : HYDRACUT Tipe : GUITOLINI Max Cut : 5 meter 5 mm Gambar 3.3 Mesin Pemotong Logam 2. Roller Alat ini digunakan untuk pengerolan dalam proses ARB. Tidak menggunakan mesin, hanya menggunakan tenaga manusia dengan tuas di kiri dan kanannya, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.4. Spesifikasi: Merk : FASTI Germany Type : 1270X-2 Max : 40 Kg/mm²

4 Gambar 3.4 Roller 3. Furnace Alat ini digunakan untuk melakukan pemanasan (Heat Treatment) pada spesimen sebelum di-rolling, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.5. Spesifikasi: Merk : NABER Made in : Bremen Germany Type : 2804 Suhu max : 1100 ºC Gambar 3.5 Furnace

5 4. Termometer Alat ini digunakan sebagai pengukur suhu sebagai pengganti pengukur suhu yang rusak pada heat treatment, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.6. Spesifikasi: Merk : KRISBOW Type : KW Rentang Suhu : -5 s/d 1300 ºC Skala : Celcius, Fahreinheit, Kelvin Gambar 3.6 Termometer 5. Precition Drilling Machine Alat ini digunakan untuk membuat lubang pada spesimen sebagai tempat masuknya paku keeling, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.7. Spesifikasi: Type : LC-16 Capacity : 5/8 HP : 1/3 Mata bor : 4 mm

6 Gambar 3.7 Precition Drilling Machine 6. Paku Keling Aluminium Alat ini digunakan untuk proses stacking, mengikat dua spesimen sebelum di-roll agar dapat terjadi bonding. Ukuran paku keling yang dipakai adalah 4 x 12.5 mm, seperti ditunjukkan oleh gambar 3.8. Gambar 3.8 Paku keling

7 3.3.3 Pembuatan spesimen Accumulative Roll-Bonding Spesimen yang akan dibuat adalah ARB sebanyak 2 layer, 4 layer dan 8 layer. Untuk berikutnya spesimen ini akan diproses lagi untuk menjadi spesimen uji tarik, uji kekerasan, dan metalografi. Adapun proses pembuatan spesimen Accumulative Roll-Bonding adalah sebagai berikut: 1. Semua alat dan bahan disiapkan. 2. Pelat aluminium dipotong menjadi strip dengan lebar 4 cm menggunakan mesin pemotong logam. 3. Spesimen dipotong lagi sesuai dengan panjang yang diinginkan untuk tiap layernya menggunakan gergaji tangan. 4. Spesimen diragum dan permukaannya yang akan ditempelkan digerinda menggunakan gerinda tangan. 5. Spesimen kemudian ditumpuk dengan permukaan yang telah digerinda berhadap-hadapan. 6. Pemberian lobang dilakukan dengan mesin bor pada ujung-ujung spesimen. 7. Paku keling (rivet) aluminium dipasangkan pada lubang yang telah dibuat. 8. Perlakuan panas pada spesimen, spesimen dipanaskan di dalam furnace dengan suhu 500 ºC selama 10 menit. 9. Pengerolan spesimen dilakukan untuk mereduksi 50% dari tebal spesimen. 10. spesimen dicelupkan pada air sesaat, dan didinginkan pada suhu ruangan. 11. Diulangi dari langkah ke-3 sampai dengan langkah ke-10, untuk penbuatan 4 layer dan 8 layer. 3.4 Pengujian Pengujian yang dilakukan pada spesimen meliputi pada uji tarik, uji kekerasan dan observasi metalografi.

8 3.4.1 Uji Tarik Pengujian tarik dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik Departemen Teknik Mesin USU dengan menggunakan Torsee Universal Testing Machine, seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.9. Spesifikasi: Type : AMU-10 Beban max : 10 Ton Force Tahun : 1989 Gambar 3.9 Torsee Universal Testing Machine Pembuatan Spesimen Uji Tarik Spesimen yang digunakan pada pengujian tarik ini mengacu pada ASTM E 8-04 untuk sheet-type, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.10.

9 Keterangan gambar: 1. G Gage length : 50.0 ± 0.1 mm 2. W Width : 12.5 ± 0.2 mm 3. T Thickness : Thickness of material (5 mm) 4. R Radius of fillet : 12.5 mm 5. L Over-all length : 200 mm 6. A Length of reduced section : 57 mm 7. B Length of grip section : 50 mm 8. C Width of grip sction, approximate : 20 mm Gambar 3.10 ASTM E 8M untuk sheet-type Persiapan Alat dan Bahan Bahan yang dipergunakan adalah spesimen hasil dari ARB yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3.11 Spesimen hasil ARB

10 Alat yang dipergunakan untuk membentuk spesimen adalah mesin sekrap datar yang terdapat di Laboratorium Proses Produksi Departemen Teknik Mesin USU, seperti yang diperlihatkan pada gambar Spesifikasi: Merk : CMZ Type : L-150 Made in : Japan Gambar 3.12 Mesin Sekrap Datar Proses Pembuatan Spesimen Uji Tarik Untuk pembuatan spesimen uji tarik dilakukan beberapa langkah sebagai berikut: 1. Semua alat dan bahan disiapkan. 2. Semua bahan disamakan terlebih dahulu ukuran panjangnya. 3. Semua bahan tumpuk bersama kemudian diberi lem pada pinggirannya. 4. Pola spesimen dibuat pada spesimen terluar dengan menggunakan spidol. 5. Penyekrapan dilakukan mengikuti pola.

11 Pengujian Tarik Prosedur untuk pengujian tarik dilakukan sebagai berikut: 1. Mesin dihidupkan. 2. Kertas Grafik dipasang pada tempatnya. 3. Spesimen dipasang pada pencekam. 4. Atur jarum penunjuk pada keadaan awal. 5. Hidrolik dihidupkan. 4. Katup hidrolik dibuka perlahan, tunggu sampai spesimen patah. 5. Matikan hidrolik, dan buka katup. 6. Lepaskan spesimen dan grafik Uji Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Departemen Teknik Mesin USU dengan menggunakan Brinell Hardness Tester, seperti yang diperlihatkan pada gambar Spesifikasi: Type : BH-3CF Kapasitas max : 3000 Kgf Bola indentasi : 3, 5, dan 10 mm Gambar 3.13 Brinell Hardness Tester

12 Prosedur pengujian uji kekerasan adalah sebagai berikut: 1. Siapkan spesimen dan alat uji. 2. Ganti bola indentasi dengan ukuran 5 mm. 3. Letakkan spesimen di meja uji. 4. Tutup katup hirolik. 5. Tekan tuas hingga 500 kg, tahan 15 detik. 6. Buka katup hidrolik dan lepaskan spesimen. 7. Amati jejak yang terjadi dan konversikan ke-brinell Hardness Number kemudian dicatat Observasi Metalografi Pengujian ini dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Departemen Teknik Mesin USU, dengan menggunakan mikroskop optik seperti yang diperlihatkan pada gambar Spesifikasi: Merk : Rax Vision 3 Pembesaran Optik : 50X, 100X, 200X, 500X, dan 800X Gambar 3.14 Mikroskop Optik

13 Mounting Spesimen Observasi Metalografi Mounting berguna agar pada proses polish spesimen dapat dipegang dengan baik. Untuk spesimen observasi metalografi bahan akan di-mounting menggunakan resin, dengan cetakan bulat, hasil mounting adalah seperti yang diperlihatkan gambar Gambar 3.15 Spesimen yang sudah di-mounting Persiapan Bahan Mounting Bahan yang dipergunakan adalah spesimen hasil dari ARB yang ditunjukkan pada gambar 3.11, bahan kemudian dipotong kecil dengan ukuran 1,5 x 1.5 cm. sedangkan untuk resin dan hardener yang dipergunakan adalah merk Eposchon Prosedur Mounting Adapun prosedur mounting adalah sebagai berikut: 1. Siapkan spesimen dan alat. 2. Spesimen dipotong kecil dengan ukuran 1,5 x 1,5 cm. 3. Buat campuran resin dan hardener dengan perbandingan 2 : Letakkan spesimen didasar cetakan dan masukkan campuran kedalam cetakan. 5. Tunggu sampai mengeras kemudian keluarkan spesimen dari cetakan Polishing Spesimen Observasi Metalografi Polishing berguna untuk menghaluskan permukaan spesimen sebelum di- Etching. Polishing dilakukan di Laboratorium Metalurgi Fisik Departemen Teknik Mesin USU, dengan menggunakan mesin polisher.

14 Etching Spesimen Observasi Metalografi Pengetsaan (Etching) adalah membilas permukaan spesimen dengan larutan kimia dengan tujuan untuk menampilkan struktur yang lebih detail untuk pengamatan makro atau mikro. Etsa akan mempertegas ketajaman, kontras dan ukuran dari fasa pori dan batas butiran. Pada penelitian ini etsa digunakan adalah Keller`s Reagent, yang mempunyai komposisi kimia sebagai berikut: ml Destilled H2O 2. 2,5 ml HNO ml HCL 4. 1 ml HF Prosedur untuk Etching adalah sebagai berikut: 1. Siapkan spesimen yang telah di-polish. 2. Buat campuran etsa Kellers Reagent. 3. Teteskan esta pada spesimen, tunggu 3 5 menit. 4. Kibaskan spesimen untuk membuang etsa yang tersisa, dan tunggu sampai sisa etsa mengering Proses Observasi Metalografi Setelah melalui proses mounting, polishing dan etching maka spesimen siap untuk diobservasi untuk melihat mikrostruktur-nya. Adapun prosedur dari observasi metelografi adalah sebagai berikut: 1. Siapkan spesimen yang telah di mounting, polishing dan etching. 2. Hidupkan Mikroskop Optik, sambungkan dengan komputer yang telah ter- install sofware di dalamnya. 3. Letakkan spesimen di meja pengujian. 4. Pilih ukuran lensa yang akan digunakan. 5. Amati gambar pada layar. 6. Save gambar yang diperlukan untuk nantinya akan di-analisa.

15 3.5 Diagram Alir Penelitian Diagram alir penelitian ditunjukkan oleh gambar 3.16 Mulai Studi Literatur Membuat Proses spesimen ARB ARB Tidak Berhasil Ya Persiapan Pengujian Pengujian Analisa Data Laporan Selesai Gambar 3.16 Diagram alir penelitian

16 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan ditampilkan hasil dari proses ARB dan pengujian, hasil pengujian dianalisa untuk mendapatkan sifat mekanik dari spesimen. Hasil pembuatan spesimen uji dapat dilihat pada gambar 4.1. (a) (b) (c) Gambar 4.1 (a) spesimen uji tarik (b) spesimen foto mikro (c) spesimen uji kekerasan 4.1 Hasil Pengujian Hasil Pengujian Tarik Hasil pengujian tarik dilakukan pada spesimen awal, 2 layer, 4 layer dan 8 layer masing-masing sebanyak 3 spesimen. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.1, gambar 4.2, gambar 4.3, dan gambar 4.4.

17 Beban tarik (Kgf/mm²) spesimen 1 spesimen 2 spesimen 3 l (mm) Gambar 4.2 Grafik uji tarik spesimen ARB awal Beban tarik (Kgf/mm²) spesimen 4 spesimen 5 spesimen 6 l (mm) Gambar 4.3 Grafik uji tarik spesimen ARB 2 layer

18 Beban tarik (Kgf/mm²) spesimen 7 spesimen 8 spesimen 9 l (mm) Gambar 4.4 Grafik uji tarik spesimen ARB 4 layer Beban tarik (Kgf/mm²) spesimen 10 spesimen 11 spesimen 12 l (mm) Gambar 4.5 Grafik uji tarik spesimen ARB 8 layer Hasil Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan memperlihatkan peningkatan kekerasan pada setiap peningkatan layer dari ARB yang dilakukan. Hasil pengujian kekerasan seperti yang ditunjukankan pada tabel 4.1.

19 Tabel 4.1 Pengujian Kekerasan Badasarkan Skala Brinell (BHN) No 0 Layer (BHN) 2 Layer (BHN) 4 Layer (BHN) 8 Layer (BHN) Rata-rata Deviasi ± ± ± ± Hasil Pengujian Metalografi Pengujian metalografi dilakukan untuk melihat mikrostruktur yang ada pada spesimen. Pengujian ini menggunakan Reflected Metallurgical Microscope dengan tipe Rax Vision. Gambar struktur mikro dari spesimen tiap laluan diperlihatkan pada Gambar 4.5. Semua Gambar menunjukkan pola butiran yang cukup jelas. Pada Gambar terlihat bahwa butir berubah pada setiap laluan. Karakteristik struktur mikro bahan aluminium awal diperlihatkan oleh gambar 4.5 (a) terlihat ukuran butiran yang lebih besar daripada struktur mikro aluminium yang telah diproses ARB yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (b), (c), dan (d). Tampak pengurangan diameter butiran yang nantinya akan dihitung menggunakan metode planiametri. (a) (b)

20 (c) (d) Gambar 4.6 Foto mikro pembesaran 500x (a) spesimen awal (b) ARB 2 layer (c) ARB 4 layer (d) ARB 8 layer Pembesaran yang dipilih pada pengambilan foto mikro ini adalah 500x, dan disamakan untuk semua spesimen guna mempermudah penghitungan besar butiran. 4.2 Pembahasan Accumulative Roll-Bonding Dengan menggunakan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.2) dengan ketebalan awal spesimen adalah 5 mm, dan reduksi adalah 50% per siklus, ketebalan lapisan (T), total reduksi (rt), dan total regangan ekuifalen (εt) setelah siklus ke-n dapat dihitung seperti pada tabel 4.2. Tabel 4.2 Perubahan geometri yang terjadi selama proses ARB Jumlah Siklus Jumlah Layer Jumlah Ikatan yang Terjadi Ketebalan Lapisan (mm) Total Reduksi (%) Total Regangan Ekuivalen

21 4.2.2 Sifat Mekanik Pengujian Tarik Dengan menggunakan persamaan (2.4) dan (2.5) dengan luas area penampang sebesar 62.5 mm 2, maka kurva tegangan regangan diperlihatkan oleh gambar 4.6, 4.7, 4.8, dan 4.9. Sedangkan tegangan tarik maksimal, regangan maksimum, tegangan tarik patah ditampilkan pada tabel 4.3. σ (Mpa) spesimen no 1 spesimen no 2 spesimen no ε (%) Gambar 4.7 Kurva tegangan regangan spesimen ARB awal σ (Mpa) spesimen no 4 spesimen no 5 spesimen no ε (%) Gambar 4.8 Kurva tegangan regangan spesimen ARB 2 layer

22 σ (Mpa) spesimen no 7 spesimen no 8 spesimen no ε (%) Gambar 4.9 Kurva tegangan regangan spesimen ARB 4 layer σ (Mpa) spesimen no 10 spesimen no 11 spesimen no ε (%) Gambar 4.10 Kurva tegangan regangan spesimen ARB 8 layer

23 Tabel 4.3 Sifat mekanik dari pengujian tarik Teg Teg Teg Reg Spesimen Maksimal Deviasi Luluh Patah Maksimal No. (MPa) (MPa) (MPa) (%) Rata-rata 0 Layer ± Rata-rata 2 layer ± Rata-rata 4 layer ± Rata-rata 8 layer ± Untuk peningkatan kekuatan tarik dari peningkatan jumlah layer dapat dilihat dari grafik jumlah layer vs tegangan tarik maksimal pada gambar σ (Mpa) layer 2 layer 4 layer 8 layer Gambar 4.11 Grafik jumlah layer vs tegangan tarik maksimal

24 4.2.3 Hubungan Kekerasan Dengan Ukuran Butiran Spesimen Grafik perubahan kekerasan berdasarkan laluan dapat dilihat pada gambar Kekerasan (BHN) layer 2 layer 4 layer 8 layer Gambar 4.12 Gafik Kekerasan Spesimen Untuk ukuran butiran spesimen dihitung berdasarkan metode planimetri, hasilnya ditampilkan pada tabel 4.4 Tabel 4.4 Ukuran Butiran Spesimen Jumlah layer Ukuran butiran (μm) Bahan awal (0 layer) 35,937 2 layer 31,299 4 layer 26,304 8 layer 24,312

25 Kekerasan BHN y = -2,133x + 109, Ukuran Butiran (µm) Gambar 4.13 Kekerasan vs Besar Butiran Pada gambar 4.12 kita dapat melihat hubungan antara kekerasan dan besar butiran yang ditunjukkan oleh persamaan regresi linier. Perubahan besar butir akibat proses cetak tekan mempengaruhi nilai kekerasan aluminium komersil, semakin halus butir maka akan semakin keras aluminium. Hal ini sesusai dengan teori Hall-Petch, sifat mekanik turut ditentukan oleh ukuran butir. Makin halus butir, makin keras bahan dan kekuatan luluh, keuletan dan ketangguhan bahan juga lebih tinggi.

26 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Kekuatan tarik pada aluminium komersil dapat ditingkatkan dengan menggunakan Accumulative Roll-Bonding (ARB). Kekuatan tarik sebelum diproses ARB adalah 111,147 MPa, setelah diproses ARB pada 8 layer meningkat menjadi 123,438 Mpa. Peningkatan kekuatan tarik yang terjadi sebesar 11,058 %. 2. Kekerasan pada aluminium komersil dapat ditingkatkan dengan menggunakan Accumulative Roll-Bonding (ARB). Kekerasan sebelum diproses ARB adalah 34.6 skala brinnel, setelah diproses ARB pada 8 layer meningkat menjadi skala brinnel. Peningkatan kekerasan yang terjadi sebesar %. 3. Diameter butiran akan semakin kecil seiring dengan banyaknya siklus ARB yang dilakukan pada aluminium tersebut, dengan kata lain telah terjadi perubahan struktur mikro yang disebabkan oleh deformasi plastis menyeluruh yang terjadi pada spesimen. Diameter butiran sebelum diproses ARB adalah 35,937 μm, setelah diproses ARB pada 8 layer mengecil menjadi 24,312 μm. Penurunan diameter ukuran yang terjadi sebesar 32,348 %. 4. Aluminium hasil proses ARB memenuhi syarat untuk dijadikan bahan atap sesuai dengan SNI Berdasar hasil penelitian menunjukkan kekuatan tarik bahan aluminium 8 layer sebesar 123,438 MPa dan kekerasannya 39,98 skala brinnel, sedangkan kekuatan tarik yang disyaratkan SNI adalah sebesar 120 MPa dan kekerasannya 30 skala brinnel.

27 5.2 Saran 1. Untuk pengembangan selanjutnya, peneliti menyarankan agar dilakukan gabungan dari beberapa metode deformasi plastis menyeluruh untuk melihat apakah dapat meningkatkan kekuatan mekanis bahan lebih lanjut. 2. Untuk penelitian selanjutnya sebaiknya ditambahkan pengujian fatigue dan SEM.