PENGARUH KADAR MAGNESIUM TERHADAP DENSITAS, KEKERASAN (HARDNESS) DAN KEKUATAN TEKAN ALUMINIUM ALLOY FOAMYANG MENGGUNAKAN CaCO 3 SEBAGAIBLOWING AGENT

Transkripsi

1 PENGARUH KADAR MAGNESIUM TERHADAP DENSITAS, KEKERASAN (HARDNESS) DAN KEKUATAN TEKAN ALUMINIUM ALLOY FOAMYANG MENGGUNAKAN CaCO 3 SEBAGAIBLOWING AGENT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik WICAHYA INDRA AGUSTIAN NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012

2

3

4

5

6

7

8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul PENGARUH PENAMBAHAN MAGNESIUM TERHADAP DENSITAS, KEKERASAN (HARDNESS) DAN KEKUATAN TEKAN ALUMINIUM ALLOY FOAMYANG MENGGUNAKAN CaCO 3 SEBAGAIBLOWING AGENT. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Proses Produksi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do a, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1. Bapak Dr Ing, Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen pembimbing sekaligus Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Kedua orang tua penulis, Agus Ali, S.S dan Sulistiyani, adik serta abang penulis M. Ilan Jauhari dan Ella Agustian, yang tidak pernah putusputusnya memberikan dukungan, do a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 3. Bapak Suprianto, ST, MT yang telah banyak memberikan saran dan masukan kepada penulis selama proses penelitian dan penulisan laporan. 4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 5. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2007 khususnya Darwin R Hsb, Masniarman, Fuad Affiz, Arifin F. Lubis, M. Mirsal Lubis, Amin al Binjawi, Alfis Syahri, Ricky S William Hill Miraza, M. Fadhillah Putra,

9 Palvis Syafri serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis. 6. Asisten dan Laboran Lab. Proses Produksi yang selalu memberikan dukungan serta semangat kepada penulis dalam mengerjakan tugas akhir ini. 7. Tim NVC Research Center Departemen Teknik Mesin khususnya abangda Fadly A.K Nst. ST, Felix Asade, Rahman dan Batara GD. Srg yang banyak membantu selama penelitian. 8. Olive Arsenally yang selalu menginspirasi dan memberikan semangat serta dukungan kepada penulis. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih. Medan, September 2012 WICAHYA INDRA AGUSTIAN

10 ABSTRACT The current state of the art with regards to the production of metallic foams is reviewed, with melt-based processes identified as the most promising for costeffective large-scale production. The potential for metal carbonates as an alternative to currently-used titanium hydride foaming agents is explored, with calcium carbonate identified as the most suitable. Characteristic features of the compressive deformation of metallic foams based on magnesium as alloying agent are described in the context of use as an impact-absorbing material, from the experiment has knowncompressive strength aluminium for each 4% Mg, 6% Mg and 8% Mg is MPa, MPa and Mpa. And density for each composition is 2.62 gr/cm 3, 1.94 gr/cm 3 and3.44gr/cm 3. Research about magnesium contained on alluminium alloy persue to investigating influenced for mechanical strength and phisical charcter of aluminium foam product, and make some variable for magnesium content having involved in strentgh of product and phisical characterization. By the product of aluminium foam investigated that aluminium with 4 % content of Mg have good cells rather than aluminium with 6 % and 8 % content of Mg. Keyword : alluminium foam, CaCO 3, aluminium magnesium, celullars metal

11 ABSTRAK Produksi aluminium foam dengan menggunakan kalsium karbonat sebagai blowing agent melalui metode melt based processmenjanjikan pembuatan aluminium dengan skala besar yang murah. Kalsium karbonat sangat berpotensi untuk menggantikan titanium hidrida karena terbukti memiliki kesesuaian, karakteristik deformasi tekan dari aluminium foam dengan magnesium sebagai alloying agent dijelaskan dalam konteks sebagai material peredam impak, dari hasil pengujian diketahui gaya tekan untuk aluminium dengan 4% Mg, 6% dan 8% adalah MPa, MPa dan Mpa. Sedangkan densitas untuk setiap komposisi adalah 2.62 gr/cm 3, 1.94 gr/cm 3 and3.44gr/cm 3.Penelitianini bertujuan untuk meneliti bagaimanamagnesiumyang terkandungpada paduanaluminiummempengaruhi kekuatanmekanik dansifat fisis produkbusa aluminium, dan membuatbeberapa variabeluntuk kadarmagnesium yang dapat jugamempengaruhi kekuatan produksertasifatfisis. Dari produk yang dihasilkan diketahui bahwa aluminium dengan kadar Mg 4% memiliki sel yang lebih baik apabila dibandingkan dengan aluminium dengan kadar Mg 6% dan 8%. Kata Kunci : aluminium foam, CaCO 3, aluminium magnesium, metal seluler

12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Tujuan Tujuan Umum Penelitian Tujuan Khusus Peneliti Manfaat Penelitian Ruang lingkup penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Aluminium Kandungan Atom atau Unsur Sifat-sifat Teknis Aluminium Magnesium Pembuatan Magnesium Paduan Aluminium Magnesium Logam Busa (Metal Foam) Penambahan Gas Secara Langsung Metode Pemanfaatan Blowing Agent (Alporas TM )... 22

13 Solid-Gas Eutectic Solidification (Gasar) Metode Kompaksi Antara Serbuk Aluminium Dengan Bowing Agent Foaming of Ingots Containing Blowing Agents (Formgrip) Senyawa Penghasil Gas (Blowing Agent) Titanium Hidrida (TiH 2 ) Kalsium Karbonat (CaCO 3 ) Dolomite (CaMg(CO 3 ) 2 ) Zirkonium Hidrida (ZrH 2 ) Tahapan Pembentukan Struktu Foam Pertumbuhan Sel Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Foam Difusi Gas Pengaturan Sel Viskositas Tegangan Permukaan Oksidasi pada Aluminium Karakteristik Mekanik pada Aluminium Foam Tingkat Skala Deformasi Tarik dan Tekan Deformasi Metal Foam pada Pembebanan Tekan Sifat pada Regangan Rendah Keluluhan dan Plastisitas Metal Foam Modus Kegagalan Getas dan Ulet Modus Kegagalan untuk Energy Absorber Aplikasi-Aplikasi Aluminium Foam... 40

14 Aplikasi Struktur Ringan Penyerap Energi Mekanik (Impak) Pengontrol Panas Uji Kekerasan (Hardness Test) Brinnel (HB/BHN) Rockwell (HR/RHN) Vickers (HV/VHN) Micro Hardness (Knoop Hardness) BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu Bahan, Peralatan dan Metode Bahan Alat Metode Diagram Alir Penelitian BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisa Proses Foaming Produk Aluminium Magnesium Foam Dengan Blowing Agent CaCO Pola Struktur Hasil Foaming Analisa Kadar Mg pada Aluminium Foam Terhadap Densitas Produk Analisa Kadar Mg paad Alumninium Foam Terhadap Kekuatan Tekan (Compressive Strength) Analisa Patahan pada Sel Aluminium Foam Akibat Pembebanan Tekan Analisa Kadar Mg Terhadap Kekerasan (Hardness) Aluminium Foam Pembahasan... 86

15 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 93

16 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Diagram fasa magnesium Gambar 2.2 : Diagram klasifikasi koloid berdasarkan fasa-fasa pembentuknya foam Gambar 2.3 : Struktur dalam Metal Foam Gambar 2.4 : Skema beberapa metode pembuatan metal foam Gambar 2.5 : Skema proses penambahan gas secara langsung Gambar 2.6 : Rentang ukuran dan fraksi foam yang diperbolehkanuntuk metal foam Gambar 2.7 :Skema Proses foaming secara langsungdengan penambahan gasreleasing powders Gambar 2.8 : Rute proses aluminium foam dengan pembekuan eutectic dari Solid-Gas; dan hasil proses Gambar 2.9 : Prinsip Metode kompaksi antara serbuk Aluminium dengan blowing Agent Gambar 2.10 : Rute Proses Formgrip dan penampang melintang dari produknya Gambar 2.11 : skema pertumbuhan struktur sel dengan ρ*/ ρ berkurang selama pengembangan logam cair dengan menggunakan foaming agent yang terdispersi Gambar 2.12 : Terminologi dan notasi struktur sel Gambar 2.13 : Kelarutan H 2 didalam paduan Al-Si sebagai fungsi dari konsentrasi Si Gambar 2.14 : Efek dari tegangan permukaan pada batas sisi yang datar Gambar 2.15 : Skema kurva tegangan regangan pada deformasi tahap awal untuk metal foam dengan pori tertutup Gambar 2.16 : Tiga tahapan pada kurva tegangan-regangan untuk metal foam. 38 Gambar 2. 17: Kurva tegangan-regangan tekan untuk spesimen kubus dari spesimen Alulight TM (ulet) dan Alcan TM (getas)... 39

17 Gambar 2.18 : Skema kurva tegangan regangan untuk: a) foam ideal, b) foam yang mengalami kegagalan getas, dan c) foam dengan work hardening yang luas. Daerah efektif saat penyerapan energi mekanik terjadi pada bagian kelabu sebelum mencapai pembebebanan tekan kritis σ e Gambar 2.19 : Struktur Kompleks dari Aluminium Foam Gambar 2.20 : Diagram Sifat serta Aplikasi Aluminium Foam Gambar 2.21 : (a) Pelat Aluminium Foam Sandwich (AFS) (b) Penggunaan Pelat AFS pada Lifting Arm (c) Prototipe Engine Mounting Bracket BMW Gambar 2.21 : Prototipe Crash Absorber Gambar 2.22 : Dua jenis Heat Exchanger yang Terbuat dari Open Cell Foam (gambar diambil dari ERG Aerospace) Gambar 2.23 : Pengujian Brinnel dan perumusan untuk pengujian Brinnel Gambar 2.24 : Pengujian Rockwell Gambar 2.25 : Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell Gambar 2.26: Pengujian Vickers dan bentuk indentor Vickers Gambar 2.27 : Bentuk indentor Knoop Gambar 3.1 : Aluminium Ingot Gambar 3.2 : CaCO 3 Powder Gambar 3.3 : Aluminium Powder Gambar 3.4: Magnesium Gambar 3. 5 : Drum Mixer Gambar 3.6 : Furnace Gambar 3.7 : Cawan Lebur (Crucible) Gambar 3.8 : Blower Gambar 3.9 : Batang Pengaduk dan mesin hand drill... 60

18 Gambar 3.10: Timbangan Gambar 3.11 : Mesin Bubut Gambar 3.12 : Thermocouple type-k Gambar 3.13 : Penimbangan dan Pencampuran Bahan Gambar 3.14 : Rangkaian tahapan proses pembuatan aluminium foam Gambar 3.15 : Pengujian densitas aluminium bulk secara sederhana menggunakan prinsip archimides Gambar 3.16 : Universal Testing Machine Gambar 3.17 : Alat uji Brinell Gambar 3.18 : Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1 : Produk Aluminium foam (a. 4 % Mg ; b.6 % Mg ; c. 8 % Mg). 74 Gambar 4.2 : Pola Struktur Hasil Foaming Gambar 4.3 : Pengujian densitas dengan menggunakan prinsip archimides Gambar 4.4 : Grafik hasil pengujian densitas Gambar 4.5 : Standar dimensi ASTM E9-89a untuk spesimen uji tekan Gambar 4.6 : Spesimen aluminium foam yang diberikan beban Gambar 4.7 : Grafik kekuatan tekan aluminium foam Gambar 4.8 : Pemodelan awal penekanan aluminium Gambar 4.9 : Pemodelan penekanan aluminium foam saat pita deformasi mulai terbentuk Gambar 4.10 : Pemodelan kegagalan aluminium foam secara getas dan ulet Gambar 4.11 : Spesimen Al Foam yang mengalami patah getas Gambar 4.12 : Pemodelan penekanan aluminium foam saat perambatan pita deformasi Gambar 4.13 : Daerah yang mendapatkan beban terkonsentrasi Gambar 4.14 : Pemodelan perambatan pita deformasi Gambar 4.15 : A. Spesimen Al foam 4% Mg ; B. Spesimen Al foam 6% Mg ; C. Spesimen Al foam 8% Mg Gambar 4.16 : Grafik Nilai Kadar Mg vs Nilai BHN untuk kekerasan Aluminium Foam... 87

19 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 : Road Map Penelitian Tentang Aluminium... 4 Tabel 2.1 : Rockwell Hardness Scales Tabel 4.1 :Data Hasil Pengujian Densitas Tabel 4.2 : Analisa kadar Mg pada Aluminium Foam terhadap densitas produk Tabel 4.3 : Analisa kuat tekan Aluminium Foam Tabel 4.4 :Analisa Kadar Mg pada Aluminium Foam Terhadap Kekerasan (Hardness) Tabel 4.5 : Nilai kekuatan tekan, densitas dan kekerasam Al-Mg foam... 87