ANALISA PENGARUH JUMLAH SALURAN MASUK TERHADAP ADANYA CACAT PENGECORAN PADA BLOK SILINDER (CYLINDER BLOCK) FCD 450

Transkripsi

1 1 ANALISA PENGARUH JUMLAH SALURAN MASUK TERHADAP ADANYA CACAT PENGECORAN PADA BLOK SILINDER (CYLINDER BLOCK) FCD 450 Agung Tri H, Soeharto, Bambang Sudarmanta, Putu Suwarta Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Intitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia Abstrct Kebutuhan masyarakat akan penggunaan mobil di negara Indonesia yang cukup besar menimbulkan pemikiran bagaimana kita bisa membuat mobil sendiri tanpa import dari negara lain, sehingga dapat mengurangi harga beli suatu mobil. Kemen Ristek bekerja sama dengan ITS berencana dapat ikut campur dengan membuat salah satu bagian dari engine yaitu blok silinder. Blok silinder adalah bagian terpenting dari kendaraan. Dimana bahan pembuatnya terbuat dari cast iron (besi tuang) atau almunium, maksudnya untuk mengurangi berat dan menambah panas radiasi. Penelitian pada pembuatan blok silinder dari bahan FCD 450 dengan menggunakan 2 sistem aluran yang berbeda, yaitu dengan menggunakan sistem empat saluran masuk dan enam saluran masuk. Pada empat saluran masuk ini 2 saluran masuk diletakan diatas dan 2 saluran masuk yang lainnya diletakkan dibawah benda coran. Pada enam saluran masuk yang membedakan adalah penambahan 1 saluran masuk lagi pada bagian atas maupun bawah sehingga jumlahnya menjadi 6. Metode pengocarannya dengan menggunakan pasir cetak kering. Kemudian membandingkan cacat yang terjadi antara sistem empat saluran masuk dengan sistem enam saluran masuk, setelah itu diukur dan dianalisa dengan metode visual dan non destructive test (NDT) untuk mengetahui letak dan jenis cacat yang terjadi. Hasil penelitian ini diperoleh bahwa sistem empat saluran masuk sebelum dimachining terdapat cacat yang berupa missrun yang terletak pada posisi I dan II, sedangkan pada enam saluran masuk cacat missrun tidak terjadi. Setelah dilakukanya NDT dengan metode liquid penetrant terdapat cacat surface crack yang paling banyak terdapat pada hasil coran dengan sistem empat saluran masuk yaitu pada posisi I,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,X. Pengujian dengan metode radhiography x-ray cacat yang terlihat pada flem hanya terdapat pada empat saluran masuk yaitu cacat retakan (crack) yang terletak pada posisi I. Kata kunci Pengecoran, Blok silinder, FCD 450, NDT 1. PENDAHULUAN Kebutuhan masyarakat akan penggunaan mobil di Indonesia yang cukup besar, maka Pemerintah menanggulangi hal tersebut dengan dicetuskannya program mobnas (mobil nasional). Sejarah menciptakan mobnas itu sendiri sudah dimulai sejak lama. Berawal dari era Toyota Kijang pada 1975 sampai mobil Esemka di era pemerintahan Joko Widodo sebagai walikota Surakarta di tahun Kemen Ristek bekerja sama dengan ITS berencana membuat salah satu bagian dari engine yaitu blok silinder. Blok silinder adalah bagian terpenting dari kendaraan. Bahannya cast iron (besi tuang) atau almunium, Maksudnya untuk mengurangi berat dan menambah panas radiasi. Disini terdapat lubang silinder yang diberi lapisan khusus (cylinder liner) untuk mengurangi keausan silinder, karena gesekan naik turunnya torak atau piston. Proses pemilihan bahan dalam penelitian ini menggunakan bahan FCD 450. Pemilihan bahan FCD ini dipilih karena FCD mempunyai sifat mekanik mampu tarik 450 N/mm 2, dengan mengacu pada analisa tegangan yang terjadi pada blok silinder dimana kekuatan tarik maksimum adalah 168 N/mm2, maka pemilihan bahan dengan FCD 450 dapat mengatasi kekuatan tarik maksimum yang terjadi pada blok silinder. Elongasi FCD sampai dengan 10%, sehingga FCD dapat digunakan untuk produk-produk yang mendapatkan beban impak atau tekuk yang tinggi. Cacat coran tersebut antara lain yang sering terjadi adalah cacat penyusutan (shrinkage), inklusi pasir, porositas, dan crack. Cacat pada coran harus dihindari karena akan berpengaruh pada kualitas hasil coran yang mengubah dimensi dan sifat mekanik dari benda hasil cor. Penyebab cacat-cacat tersebut antara lain berupa pembekuan atau solidifikasi yang tidak merata pada produk sehingga perlu dilakukan uji coba (trial and error) dan perancangan sistem saluran (gatting system) yang efektif untuk mencegah cacat tersebut. 2. DASAR TEORI 2.1 Pengertian Benda Cor Benda coran memiliki pengertian sederhana sebagai suatu benda atau produk yang dihasilkan melalui proses pencairan logam yang dicor (diisikan) kedalam suatu cetakan dan dibiarkan hingga membeku. Dalam hal ini cetakan memiliki suatu rongga cetak (cavity) yang bentuknya menyerupai bentuk benda yang diinginkan. Didalam rongga cetak inilah nantinya logam cair yang dimasukkan kedalam cetakan akan mengalami proses pembekuan hingga menghasilkan benda padat dengan bentuk profil sesuai dengan yang dinginkan. 2.2 Besi Cor nodular Besi cor nodular adalah logam yang kuat dan ulet serta machinability. Karbonnya berbentuk nodular grafit yang diperoleh dengan cara menambahkan Mg dan Ce, penambahan unsur paduan tersebut untuk menghilangkan kadar sulfur pada besi cor, semakin tinggi Mg dan Ce maka kemungkinan dapat merubah grafit menjadi bentuk nodular, tetapi jika terlalu rendah kemungkinan grafit menjadi bentuk flake. Pengaruh unsur Si dalam pembentukan grafit sebagai penstabil (grafit stabilizer), pembentukan jenis dari besi cor nodular juga dipengaruhi oleh carbon equivalent (CE), CE adalah nilai prosentase campuran antara carbon, silicon dan phosfor (C%+1/3(%Si+%P)). Jika jumlah CE lebih dari 4.3 maka didapatkan FCD 450 terbentuk struktur utama grafit berbentuk bulat. Prosentase kandungan karbon C dan silicon Si dapat dilihat pada gambar 1

2 2 Gambar 1. Prosentase carbon dan silicon untuk besi tuang nodular [2] 2.3 Pola Tunggal Pola tunggal biasanya dibentuk serupa dengan corannya dan bentuk lebih sederhana, kadang- kadang dibuat juga menjadi satu dengan telapak inti. Gambar 2. Pola tunggal [1] 2.4 Sistem Saluran Secara garis besar sistem saluran didefinisikan sebagai jalan masuk atau saluran bagi logam cair yang dituangkan dari ladel menuju ke dalam rongga cetakan. Pada umumnya sistem saluran dirancang untuk mengisi cetakan secepat mungkin dan tidak menimbulkan terbentuknya turbulensi. karena pendinginan tak seimbang pada penyusutan. Robekan panas tidak tajam dan dalam beberapa hal tidak kontinu, tetapi robekan pada temperatur rendah, tidak lebar, runcing dan lurus. 3. Penyusutan (Shrinkage) Hal itu terjadi karena adanya perubahan fase dari material cair menjadi padat sehingga akan terjadi perubahan volume. Jadi jika dibandingkan dengan ukuran pada rongga cetak, ukuran produk akan berbeda, yaitu ukurannya menjadi lebih kecil dibandingkan rongga cetaknya. 4. Salah alir Cacat salah alir adalah cacat disebabkan karena logam cair tidak cukup mengisi rongga cetakan. 5. Inklusi Pasir Inklusi pasir adalah cacat dimana pasir terbawa dalam coran dan cacat terjadi pada permukaan atau didalam coran. 2.6 Analisa Gaya Yang Terjadi Pada Blok Silinder Pada analisa distribusi tegangan pada blok silinder, daerah yang mengalami kritis terdapat pada bagian yang berhubungan dengan crank shaft. Dimana tegangan yang terjadi akibat putaran crank shaft. Pada bagian cylinder liner juga terjadi tegangan kritis, dikarenakan pada bagian ini terjadi gesekan dengan cylinder piston, sehingga apabila bahan yang digunakan tidak kuat pada bagian ini akan mengalami deformasi. Pada gambar 4 berdasarkan hasil simulasi daerah berwarna hitam mendapatkan tegangan tarik maksimum. Gambar 4. Ditribusi tegangan tarik pada blok silinder [7] Gambar. 3 Bagian-bagian sistem saluran [1] 2.5 Macam-Macam Cacat Coran 1. Rongga udara Rongga udara dapat muncul sebagai lubang pada permukaan atau di dalam coran, terutama sedikit di bawah permukaan yang merupakan rongga-rongga bulat. Sebab-sebab cacat rongga udara secara kasar digolongkan menjadi dua, yaitu disebabkan gas dari logam cair dan di sebabkan gas dari cetakan 2. Retakan Retakan secara luas dibagi menjadi retak penyusutan dan retak karena tegangan sisa, Retak penyusutan sering terjadi pada bagian filet yang tajam dari suatu coran. Lebar cetakan berbeda, tetapi bentuk retakan tidak tajam. Salah satu retakan yang disebabkan tegangan sisa adalah robekan panas yang terjadi pada temperatur tinggi, dan lainnya retakan pada temperatur rendah. Keduanya disebabkan 3. METODOLOGI 3.1 Pembuatan Pola Cara pembuatan Pola yaitu : 1. Membuat pola dengan dimensi pola diambil dari dimensi blok silinder yang sebenarnya ditambah toleransinya. 2. Membuat pola negative adalah pola blok silinder yang sudah jadi dituang cairan epoxy 3. Pembuatan pola positif yaitu dengan cara menata ulang pola negatif yang sudah jadi tersebut kemudian dituang cairan epoxy 3.2 Pembuatan Pola Inti Cara pembuatannya adalah : 1. Membuat pola negatif. Dimensi pola diambil dari dimensi blok silinder bagian dalam (profil yang berlubang. 2. Pembuatan kotak inti, dimana pada kotak inti disini dibuat dengan cara hasil dari pembuatan inti negatif dibelah.

3 3 3.3 Pembuatan Cetakan Mempersiapkan Pola yang sebelumnya telah di buat, mencampur pasir silica dengan ditambahkan hardener. Pasir cetak yang sudah dicampur maka dengan cepat dimasukkan kedalam rangka cetak, agar pasir cetak tidak mengeras lebih cepat dari yang di inginkan. 3.4 Variasi jumlah saluran masuk Empat Saluran Masuk Pada sistem empat saluran masuk ini menggunakan vertikal gating system dan menggunakan penambah (riser) dan ventilasi. Mekanisme aliran pengisian logam pada sistem empat saluran masuk disini adalah logam cair masuk lewat cawang tuang dan mengalir kebawah melewati sprue. Setelah aliran logam sampai pada well base aliran logam akan diteruskan memasuki gate pada bagian bawah. Setelah logam cair mengisi pada sprue hingga mencapai gate pada bagian atas maka logam cair akan masuk lewat gate atas tersebut. Kemuingkinan cacat terletak pada posisi A, B, C, dan D. 4. HASIL EKSPERIMEN 4.1 Empat Saluran Masuk Pada coran dengan 4 saluran masuk menggunakan riser dan ventilasi. sebelum proses machining dapat dilihat pada gambar 5. Cacat kombinasi antara rongga udara dan penyusutan terjadi pada posisi III. Pada posisi I dan II terjadi cacat salah alir yang diakibatkan logam cair tidak menyambung, sehingga terjadi lubang yang cukup dalam. Pada posisi IV terjadi cacat inklusi pasir Gambar 7. Hasil coran 4 saluran masuk sebelum machining Hasil proses machining dengan mengurangi 2 mm dari tebal awal terdapat cacat inklusi pasir pada bagian atas yaitu diposisi I, II, III dan pada bagian pandangan samping (b) terdapat cacat rongga udara yaitu diposisi IV dan V. Pandangan samping (c) tidak terdapat cacat setelah machining Gambar 5. Dimensi sistem 4 saluran masuk Enam Saluran Masuk Pada sistem enam saluran masuk ini menggunakan vertikal gating system yang menggunakan penambah (riser) dan ventilasi Mekanisme aliran pengisian logam pada sistem enam saluran masuk disini adalah logam cair masuk lewat cawang tuang dan mengalir kebawah melewati sprue. Setelah aliran logam sampai well base aliran logam akan diteruskan memasuki 3 gate pada bagian bawah. Setelah logam cair mengisi pada sprue hingga mencapai 3 gate pada bagian atas maka logam cair akan masuk lewat 3 gate atas tersebut. Kemungkinan cacat terletak pada posisi A, B dan C. Gambar 8. Hasil coran 4 saluran masuk sesudah machining Hasil coran 4 saluran masuk setelah diberi liquid penetrant pada pandangan (a) terdapat cacat surface crack pada posisi I, II, III, dan IV. Pandangan (b) cacat surface terjadi pada posisi V, VI, VII, dan VIII. Pada pandangan (c) cacat surface crack yang terjadi pada daerah tersebut hanya terdapat pada IX dan X. Gambar 6. Dimensi sistem 4 saluran masuk Gambar 9. Hasil coran 4 saluran masuk yang di LPT

4 4 Kemudian setelah dilakukan pengujian x-ray terdapat crack pada bagian atas terdapat pada posisi I. Sedangkan pada pandangan samping kiri dan kanan tidak terdapat cacat dikarenakan pada pemasangan flem pada pengujian x-ray disini kurang tepat. Sehingga cacat tidak dapat terdeteksi pada flem x-ray. Gambar 10. Hasil coran 4 saluran masuk yang di X-ray 4.2 Enam Saluran Masuk 6 saluran masuk adalah hasil coran yang menggunakan sistem enam saluran dengan menggunkan riser dan ventilasi. Pada pengecoran ini cacad yang terjadi sebelum machining relative sedikit dibandingkan dengan dengan sistem empat saluran masuk. Cacad yang terjadi pada posisi V yaitu penyusutan. Gambar 13. Hasil coran 6 saluran masuk yang di LPT Kemudian setelah dilakukan pengujian X-ray tidak terdapat cacat yang terjadi pada semua titik pengujian. Gambar 14. Hasil coran 6 saluran masuk yang di X-ray 5. ANALISA DATA dan PEMBAHASAN Gambar 11. Hasil Pengecoran dengan enam saluran Setelah proses machining terdapat cacat salah dalam proses machiningnya pada bagian samping (b) pada posisi IV, V dan VI. Gambar 12. Hasil coran 6 saluran masuk sesudah machining Kemudian setelah diberi liquid penetrant tidak terdapat cacat surface crack pada bagian atas dan samping kanan. Sedangkan pada pandangan samping kiri cacat surface crack terdapat pada posisi V, VI dan VII. 5.1 Sebelum dilakukan proses machining Kombinasi cacat rongga udara dan penyusutan pada 4 saluran masuk terjadi karena adanya udara yang terjebak dan dibagian depan terdapat adanya lubang yang besar, ini diakibatkan adanya cacat salah alir. Cacat salah alir dikarenakan logam cair tidak cukup mengisi rongga cetakan. Pada 4 saluran masuk ini akibat coran terlalu tipis sehingga jumlah gate tidak dapat mengatasi logam cair yang membeku sebelum mengisi rongga cetak secara keseluruhan. Cacat inklusi pasir pada 4 saluran masuk terjadi akibat adanya erosi pada dinding cetakan oleh aliran logam cair, kurangnya kepadatan cetakan atau kurangnya campuran hardener. Cacat penyusutan pada 4 saluran masuk terletak di dua posisi, semakin dekat dengan ingate volume penyusutan semakin dalam (pembekuan terarah). Cacat tersebut disebabkan adanya perbedaan luasan penampang, untuk luasan yang lebih tipis cenderung membeku lebih dulu dari pada luasan yang tebal akibat perbedaan laju pelepasan panas. Untuk mengatasi cacat yang terjadi pada 4 saluran masuk, perlu ditambahkanya saluran masuk (gate) untuk menanggulangi salah alir (misrun) pada coran dan memperbesar dimensi dari riser. Pemberian ventilasi supaya udara tidak terjebak serta penambahan prosentase hardener pada pasir cetak (pasir tidak mudah rontok).

5 5 Tabel. 1 Letak dan jenis cacat sebelum machining 5.2 Pengamatan dengan pengujian NDT dengan liquid penetrant Empat saluran masuk setelah dilakukan proses pengujian dengan NDT terdapat cacat surface crak pada pandangan atas terdapat cacat surface crack pada posisi I, II, III, IV, V, dan VI,. Pandangan samping kanan cacat surface terjadi pada posisi V, VI, VII, dan VIII. Pada pandangan samping kiri cacat surface crack yang terjadi pada daerah tersebut hanya terdapat pada IX dan X. Enam saluran masuk setelah dilakukan pengujian liquid penetrant test tidak terdapat cacat surface crack pada bagian atas dan samping kanan. Sedangkan pada pandangan samping kiri cacat surface crack terdapat pada posisi I, II dan III. Dimana cacat pada pandangan samping ini terjadi akibat adanya cacat akibat machining yang terlalu berlebihan, sehingga timbul disamping samping dari bagian tersebut timbul crack. Cacat surface crack yang terjadi pada coran ini terjadi akibat adanya rongga udara yang terjebak pada coran. Sehingga pada saat proses machining maka akan timbul lubang lubang pada permukaan. Untuk mengatasinya yaitu dengan mempertimbangkan kecepatan penuangan, luas penampang, waktu tuang dan temperature tuang agar tidak terjadi aliran turbulent. 5.3 Pengamatan dengan pengujian Radiography X-ray 4 saluran masuk setelah dilakukan proses pengujian dengan X-ray terdapat cacat crak pada pandangan atas terdapat pada posisi I. Retakan (crack) ini disebabkan adanya tegangan sisa yang terjadi karena pendinginan tak seimbang pada penyusutan. Pada bagian yang sedang membeku menyusut, bagian beku menarik logam yang belum cukup membeku, sehingga terjadi retakan penyusutan. 6 saluran masuk setelah dilakukan proses pengujian dengan x-ray tidak terdapat cacat yang terjadi, karena pada enam saluran masuk ini riser dapat berfungsi dengan baik yaitu dengan prosentase penyusutan hingga 2,89%. Cacat retakan dapat ditanggulangi dengan menambah luas penampang dari riser, sehingga pada saat logam cair membeku tidak terjadi tegangan sisa dikarenakan riser dapat mengisi pada saat pembekuan logam cair. Tabel 2 Letak dan jenis cacat setelah machining 5.4 Pengaruh waktu tuang terhadap hasil coran Berdasarkan hasil teoritis waktu tuang berpengaruh pada perencanaan sistem saluran, terutama dimensi sprue, runner, wall base dan gate. Semakin pendek waktu tuang maka dimensi sistem saluran untuk luas penampang sprue, runner dan ingate semakin kecil, sehingga dengan luasan yang kecil meyebabkan kemungkinan terjadinya cacat pada hasil coran. Cacat tersebut antara lain : Cacat penyusutan (terjadi jika ada perbedaan luasan penampang yang signifikan antara ingate dan luasan coran) Salah alir (semakin sempit luas penampang runner kemunggkinan logam cair tidak terisi penuh pada daerah coran terakhir) Inklusi pasir (jika luasan sistem saluran kecil maka kecepatan logam cair semakin tinggi sehingga dengan kecepatan dan densitas logam cair mengakibatkan dinding cetakan pasir tererosi. Untuk perbedaan waktu tuang antara teoritis dan aktual ketika sistem saluran sudah terpasang pada cetakan, jika perbedaanya tidak terlalu jauh tidak mempengaruhi cacat pada hasil coran. Tabel 3. Perbandingan Waktu Tuang Teoritis dan Aktual Waktu Tuang Waktu Tuang Jenis Saluran Teoritis Aktual 4 saluran masuk 14,7 sekon 25 sekon 6 saluran masuk 14,7 sekon 15 ekon 5.5 Perbandingan riser antara 4 saluran masuk dan 6 saluran masuk Hasil percobaan untuk enam saluran masuk ditemukan cacat yang terjadi pada hasil coran sebelum dilakukan proses machining pada posisi V. Ini diakibatkan pada posisi tersebut tidak terdapat riser, sehingga pada saat pendenginan terjadi penyusutan pada posisi tersebut. Hasil percobaan untuk empat saluran masuk banyak terjadi penyusutan pada bagian atas. Ini disebabkan karena pada riser prosentasi penyusutannya sedikit. Prosentase penyusutan pada riser 6 saluran masuk lebih besar (2,89%) dibandingkan riser 4 saluran masuk (2,69%) karena riser pada 6 saluran masuk dapat mensuplai logam cair dengan baik. Sehingga cacat yang terjadi pada enam saluran masuk ini lebih sedikit dibandingkan dengan 4 saluran masuk. 6. KESIMPULAN Dari hasil percobaan dan analisa di dapatkan beberapa kesimpulan diantara lain adalah: 1. Sistem empat saluran masuk sebelum dimachining terdapat cacat yang berupa missrun yang terletak pada posisi I dan II. Sedangkan pada enam saluran masuk cacat missrun tidak terjadi. 2. Setelah dilakukanya NDT dengan metode liquid penetrant terdapat cacat surface crack yang paling banyak terdapat pada hasil coran dengan sistem empat saluran masuk yaitu pada posisi I,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,X. 3. Setelah dilakukanya pengujian dengan metode radhiography x-ray cacat yang terlihat pada flem

6 6 hanya terdapat pada empat saluran masuk yaitu cacat retakan (crack) yang terletak pada posisi I. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Udara Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini serta bapak dosen pembimbing dan semua pihak yang membantu. DAFTAR PUSTAKA [1]. Surdia, Tata. Teknik Pengecoran Logam. 9th edition. Jakarta: PT. Pradnya Paramita, [2]. Beely, P.R. Foundry Technology. Oxford: Butterworth-Heinemann, [3]. Campbell, John. Casting Practice The 10 Rule Of Casting. Oxford: Butterworth-Heinemann, [4]. Brown, John. Foseco Ferrous Foundryman s Handbook. 11 th edition. Oxford: Butterworth- Heinemann, [5]. American Foundrymen s Society. Basic Principle of Gating and Risering, [6]. ASM Handbooks Comitte, Metal Handbooks 9 th Vol. 15 Casting, ASM International, [7]. XU Yan, KANG Jinwu,HUANG Tianyou, HU Yongyi, Thermal Stresses in a Cylinder Block Casting Due to Coupled Thermal and Mechanical Effects, TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY ISSN, Beijing China, april 2008.