Totok Suwanda Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UMY Jalan Lingkar Barat Tamantirto Kasihan Bantul Yogyakarta Telp ABSTRACT

Transkripsi

1 OPTIMALISASI TEKANAN KOMPAKSI, TEMPERATUR DAN WAKTU SINTERING TERHADAP KEKERASAN DAN BERAT JENIS ALUMINIUM PADA PROSES PENCETAKAN DENGAN METALURGI SERBUK Toto Suwanda Jurusan Teni Mesin, Faultas Teni UMY Jalan Lingar Barat Tamantirto Kasihan Bantul Yogyaarta Telp ABSTRACT Powder metallurgy is one of the manufacturing processes. Upon the process, melting process is not necessary to carry out. The powder is subsequently compacted then sintered. These processes can be conducted either separately or simultaneously. However metallurgy processes have not been commonly developed in Indonesia yet. Therefore it is necessary to carry out preliminary research that serves as a basis for developing of further process. The effect of the independent variables of the process on mechanical and physical properties of the product will be examined. The research was conducted by arranging the independent variables which consist of pressure, temperature and sintering period whereas hardness and density of product are the dependent variables. Aluminum will be water atomized for obtaining the powder. Response surface method is used as the experimental design method. The method can show the effect of the independent variables individually and the interaction among the variables. Data analysis will result mathematic formula showing the functional relation. The research concludes that 170 MPa compaction pressure and C sintering temperature and 40 to 50 minutes range period of sintering produces the maximum Brinell hardness number of 47 BHN. On the other hand, the effect of the independent variables to the density has not been able to be formulated. Keywords : Powder Metallurgy, Response Surface, Compaction Pressure, Sintering Temperature, Sintering Period. PENDAHULUAN Proses metalurgi serbu relatif lebih baru dan memilii beberapa elebihan dibandingan dengan proses pengecoran logam. Namun demiian proses ini tida bisa menggantian sepenuhnya fungsi proses pengecoran. Masing-masing proses memilii elebihan dan eurangan. Kelebihan proses metalurgi serbu di Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 187

2 antaranya adalah: Efisiensi bahan tinggi, dapat membuat paduan dari bahan yang perbedaan density dan temperatur leburnya cuup tinggi, porositas dan homogenitas produ terontrol, mudah mengatur omposisi paduan. Keuranganeurangan proses metalurgi serbu di antaranya adalah: eterbatasan bentu dan uuran benda yang dapat dibuat. Banya pertanyaan yang dapat diemuaan mengenai proses metalurgi serbu ini. Bagaimana mendapatan serbu untu bahan bau adalah salah satu masalah yang mendasar yang harus dipecahan. Jia serbu bahan sudah diperoleh, bagaimana langah-langah proses dapat dierjaan. Berapa teanan pemadatan harus diberian agar dapat menghasilan green compact yang cuup uat. Berapa temperatur dan watu sintering yang harus diberian agar diperoleh iatan atom yang dianggap cuup uat. Untu bahan yang berbeda tentunya berbeda juga besarnya teanan, temperatur maupun watu sintering yang diperluan. Pertanyaan-pertanyaan tersebut memberian alasan perlunya dilauan penelitian mengenai proses metalurgi serbu. Dari uraian yang telah dipaparan, ada beberapa masalah yang memerluan pemecahan yang dapat dirumusan sebagai beriut: 1. Pengaruh teanan ompasi, temperatur dan watu sintering terhadap eerasan dan berat jenis produ metalurgi serbu belum dietahui dengan pasti.. Pengaruh teanan ompasi, temperatur dan watu sintering terhadap eerasan dan berat jenis produ metalurgi serbu belum dietahui dengan pasti. 3. Teanan ompasi, temperatur dan watu sintering optimum yang menghasilan eerasan dan berat jenis masimum aluminium produ metalurgi serbu belum dietahui dengan pasti. Agar penelitian menjadi terarah dan dapat memberian ejelasan terhadap permasalahan yang dibahas, maa perlu dilauan pembatasan masalah sebagai beriut: Material yang digunaan adalah aluminium. 1. Komposisi imia aluminium tida diperhitungan. Pengaruh pembuatan serbu terhadap aspe-aspe metalurgi diabaian. 3. Penguuran eerasan dengan anga eerasan Brinnel. Penelitian ini dilauan dengan tujuan sebagai beriut. 1. Menentuan model matematis pengaruh teanan ompasi, temperatur dan watu sintering terhadap eerasan aluminium hasil proses metalurgi serbu.. Menentuan model matematis pengaruh teanan ompasi, temperatur dan watu sintering ompasi terhadap eerasan aluminium hasil proses metalurgi serbu. 188 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006:

3 3. Menentuan teanan ompasi, temperatur dan watu sintering optimum yang menghasilan eerasan dan berat jenis masimum aluminium produ metalurgi serbu. Penelitian ini bermanfaat sebagai langah awal dari pengembangan proses metalurgi serbu di Indonesia. Dengan demiian aan membantu mengurangi etergantungan industri terhadap impor bahan yang bermutu. Prasetyo (004) melauan penelitian arateristi aluminium hasil proses metalurgi serbu. Bahan dasar serbu yang digunaan dihasilan dengan mengiir batang aluminium. Butiran hasil pengiiran berbentu irreguler. Pemadatan butiran dilauan dengan teanan 0,17 N/mm. Sintering dilauan pada temperatur C, C dan C. Watu sinter 60 menit dan 90 menit. Pada sintering dengan temperatur C dan C gagal arena benda uji terlalu rapuh. Pada temperatur sinter C dan watu sinter 60 menit dihasilan eerasan vicers benda 10,5 (VHN) sedangan dengan watu sinter 80 menit pada temperatur yang sama dihasilan eerasan benda adalah 1,3 (VHN). Pada penelitian tersebut benda uji yang berhasil dibuat hanya dua, sehingga urang mencuupi untu dapat menari esimpulan yang cuup valid. Mamedove (00) menyataan penerapan Rapid-Heating menyebaban terjadinya bypass daerah temperatur rendah yang di tempat itu didominasi oleh sinter transport permuaan yang terendali. Interasi lapisan-lapisan permuaan partiel dengan spesies imiawi reatif dari plasma merupalan fator penting dalam meaisme sinter. Pembuatan Serbu Secara teoritis semua logam dapat dibuat menjadi serbu. Namun demiian tida semua jenis logam coco dibuat dengan proses metalurgi serbu. Beberapa jenis bahan yang sering digunaan pada proses metalurgi serbu adalah: besi, tembaga, aluminium, tin, niel, titanium dan logam-logam yang mudah dipecah. Ada bermacam-macam cara yang digunaan untu pembuatan serbu logam. Atomisasi dilauan untu menghasilan serbu dari bahan-bahan dengan temperatur lebur yang rendah, seperti seng, aluminium, dan timah. Proses ini dilauan dengan melewatan cairan edalam nozel, emudian disemprot dengan udara, uap atau gas. Cara redusi dilauan dengan membuat logam menjadi osidasi, emudian emudian diredusi menjadi serbu. Pencampuran Butiran-butiran serbu yang bervariasi harus terdistribusi merata, sehingga perlu dilauan pencampuran. Di samping untu merataan distribusi butiran, pencampuran ini juga dilauan untu merataan distribusi bahan bahan pada pembuatan paduan. Bahan bahan yang berbeda jenisnya atau berbeda titi leburnya harus tercampur merata. Dengan demiian aan dihasilan benda dengan sifat yang homogen. Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 189

4 Pemadatan Untu mendapatan benda dengan bentu yang diinginan, perlu dilauan pemadatan serbu dalam cetaan. Pemadatan dilauan dengan memberian teanan pada serbu. Dengan pemadatan aan menaian massa jenis dan iatan antar butir, sehingga cuup uat untu diproses selanjutnya. Serbu yang sudah dipadatan ini disebut green compact. Teanan pemadatan yang diperluan tergantung pada jenis bahan serbu yang berisar antara 70 Mpa (10 si) hingga 800 Mpa (10 si) (Kalpajian,1989). Bahan bahan dengan eerasan rendah, seperti aluminium, uningan, dan perunggu memerluan teanan pemadatan yang rendah. Bahan-bahan dengan eerasan tinggi seperti besi, baja, dan niel paduan memerluan teanan pemadatan yang tinggi. Semain tinggi teanan pemadatan aan menaian berat jenis hingga ondisi optimum. Di atas teanan optimum tersebut, peningatan teanan tida aan memberian pengaruh yang signifian terhadap enaian massa jenis. Sintering Green compact yang dihasilan dari proses pemadatan pada temperatur ruangan belum memilii iatan atom yang memadai. Green compact ini perlu dipanasan terlebih dahulu hingga mencapai temperatur antara 70% hingga 90% dari titi lebur bahan. Proses pemanasan ini disebut proses sintering. Untu bahan aluminium dengan titi lebur 660 o C, temperatur sinternya berisar antara 460 o C hingga 590 o C. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilauan berdasaran rancangan percobaan response surface. Variabel-variabel dalam penelitian ini dielompoan menjadi dua yaitu varibel bebas dan variabel teriat. Variabel bebas adalah variabel-variabel yang nilainya ditentuan sahingga diharapan aan mempengaruhi nilai respon yang aan diuur. Sebagai variabel bebas yang dipilih dalam penelitian ini adalah: besar teanan ompasi (X1) temperatur sintering dengan simbol (X) dan watu sintering (X3). Variabel teriat adalah nilai respon yang dipengaruhi oleh variabel bebas. Dalam hal ini, variabel teriat yang dipilih adalah: eerasan bahan (Y1) dan massa jenis bahan (Y). Pembuatan Serbu Pembuatan sampel untu penelitian dimulai dari pembuatan serbu aluminium dengan cara atomisasi air. Atomisasi air adalah teni yang paling umum untu memprodusi serbu dari logam yang mempunyai titi lebur dibawah C. Proses ini dimulai dengan mencairan aluminium terlebih dahulu. Aluminium yang sudah dicairan emudian dituangan edalam wadah semacam 190 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006:

5 ladel yang dilengapi semacam nosel yang digunaan untu mengeluaran cairan aluminium. Ladel ini ditempatan di bagian atas peralatan atomisasi sebagai pengganti furnace.. Proses atomisasi dilauan dengan menyemprotan air yang berteanan tinggi melalui jet sprayer secara langsung pada lelehan logam yang eluar dari nosel ladel, sehingga memasa disintegrasi dari lelehan logam tersebut dan terjadi pemadatan dengan cepat. Serbu logam dihasilan melalui meanisme cratering, splashing, stripping dan bursting. Proses dan meanisme atomisasi dengan teanan air ditunjuan pada Gambar 1. Gambar 1. Proses atomisasi dengan teanan air (German, 1984) Penyiapan Spesimen Uji Spesimen yang aan dibuat adalah silinder pejal dengan diameter 1 mm. Panjang silinder tergantung pada hasil ompasi. Spesimen uji dibuat dengan cetaan seperti pada Gambar. Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 191

6 Gambar. Cetaan Gambar 3. Spesimen uji Spesimen yang sudah diompasi yang disebut Green compact selanjutnya disinter dalam dapur indusi dengan temperatur sesuai dengan rancangan percobaan (Gambar 3). Rancangan Percobaan Rancangan percobaan yang aan digunaan dalam penelitian ini adalah rancangan metode permuaan respon (respons surface). Prinsip dari rancangan percobaan ini adalah pengubahan variabel-variabel bebas dilauan secara simultan, sehingga pengaruh varibel bebas terhadap respon secara individu maupun 19 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006:

7 interasinya segera terlihat. Rancangan percobaan ini terdiri dari dua bagian, yaitu rancangan percobaan orde pertama dan rancangan percobaan orde edua. Rancangan Percobaan Orde Pertama Rancangan percobaan orde pertama menggunaan rancangan fatorial ditambah dengan pengamatan di beberapa level tengah. Rancangan fatorial ini dipilih arena selain dapat menunjuan adanya pengaruh variabel-variabel secara individual juga dapat menunjuan pengaruh interasi antar variabel terhadap respon. Penambabahan pengamatan di beberapa level tengah untu memperoleh tasiran galat percobaan. Rancangan fatorial digunaan untu percobaan yang terdiri dari fator dengan masing-masing variabel diberi ode -1 dan +1. Kode -1 berhubungan dengan level rendah dan ode +1 berhubungan dengan level tinggi. Kode variabel diperoleh dari persamaan: x1 x xt x i (1) x1 x dengan : x i = nilai oding x t = nilai variabel yang sebenarnya x 1 = nilai variabel pada level tinggi x = nilai variabel pada level rendah Nilai sebenarnya untu masing-masing variabel dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai variabel sebenarnya Level rendah level tengah level tinggi Teanan pemadatan (Mpa) Temperatur sintering ( o C) Watu sintering (menit) Hasil pengodean tersebut digunaan untu menyusun rancangan percobaan orde pertama. Tasiran untu model orde pertama adalah : Z ˆ b b X i () 0 i 1 dengan : Ẑ = tasiran nilai respon b 0 = onstanta b i = oefisien parameter orde pertama X i = variabel bebas i Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 193

8 Setelah didapatan tasiran untu model orde pertama, emudian dilauan uji lac of fit untu mengetahui apaah ada esesuaian model. Apabila terdapat esenjangan model maa dilauan rancangan percobaan orde edua. Rancangan Percobaan Orde Kedua Rancangan percobaan orde edua disusun untu memperiraan pengaruh vairabel input dan interasi antar variabel terhadap respon. Rancangan ini dipilih berdasaran pertimbangan etelitian relatif dalam menduga parameter model dan banyanya pengamatan yang diperluan. Pada rancangan percobaan orde edua digunaan Central Composite Design (CCD) yang terdiri dari rancangan fatorial ditambah titi-titi pengamatan pada level tengah dan titi asial ( = /4 ), yaitu titi-titi pada sumbu rancangan. Untu percobaan dengan = 3 maa harga = 1,68. Sedang jumlah level tengah adalah 6 (Khuri, 1996). Persamaan model orde edua adalah: Ẑ = 0 + i 1 i X i + i 1 ii X i + i Pendugaan model orde edua dinyataan dalam persamaan beriut: Ẑ = b 0 + i 1 b i X i + i 1 b ii X i + i j j ij X i X j +, (3) b ij X i X j, I < j (4) Untu percobaan dengan =3, pendugaan model orde edua adalah: Ẑ = b 0 + b 1 X 1 + b X + b 3 X 3 + b 11 X 1 + b X + b 33 X 3 + b 1 X 1 X + b 13 X 1 X 3 + b 3 X X 3 (5) Analisa statisti meliputi pengujian dari data yang dihasilan dalam esperimen, dimana hasil yang diperoleh aan membantu dalam menginterpretasian fata-fata yang diperoleh. Teni analisa yang umum dilauan adalah analisa variansi untu mengetahui eberadaan dari sumber-sumber variasi, yaitu model yang terdiri dari suu orde pertama dan suu orde edua serta error yang terdiri dari lac of fit dan pure error. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Pembuatan Serbu Pada pembuatan serbu dengan water atomiser menghasilan serbu dengan bentu flae dan irregular. Secara teoritis serbu yang bai adalah berbentu spherical dengan besar butiran urang dari 1 mm. 194 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006:

9 Gambar 4. Serbu hasil atomisasi Efisiensi water atomiser pada pembuatan serbu ini sangat rendah, sehingga butiran yang dihasilan dengan uuran urang dari 1 mm sangat sediit. Maa untu pembuatan spesimen uji, dicampur dengan butiran-butiran yang beruuran lebih besar. Rancangan Percobaan Orde Kedua Gambar 5. Foto Water Atomizer Analisa terhadap hasil percobaan orde pertama menunjuan bahwa model matematis yang dibuat tida memadai. Dengan demiian maa digunaan rancangan percobaan orde edua. Berdasaran hasil regresi terhadap data rancangan percobaan orde edua, periraan model persamaan orde edua untu eerasan adalah : Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 195

10 H = 30,06 +6,39X 1-0,45 X -0,66 X 3 +,30 X 1-3,48 X -0,68 X 3-0,70X 1 X +,1 X 1 X 3 +,55X X 3 (6) dengan H = eerasan Brinnel X 1 = teanan ompasi X = temperature sintering X 3 = watu sintering Hasil analisa varian menunjuan bahwa P-value untu interasi adalah 1,6 dan untu Lac-of Fit adalah 0,076. Pada level pengujian dengan = 0,05, maa P-value untu interasi = 1,6( lebih besar dari ) menunjuan tida adanya interasi variabel yang signifian. Sedangan P-value untu Lac-of Fit =0,76 (lebih ecil dari ) menunjuan tida adanya Lac-of-Fit. Tida ada Lac-of-Fit berarti bahwa model persamaan yang diterapan cuup memadai. Nilai R-squared = 86,7% menunjuan eragaman yang diterangan oleh model. Regresi dan analisa varian terhadap respon berat jenis menghasilan model matematis orde edua sebagai beriut: BJ =,41 + 0,34X 1-0,14X 1-0,06 X -0,06 X 3-0,01X 1 X + 0,X X 3. (7) dengan BJ =berat jenis X 1 = teanan ompasi X = temperature sintering X 3 = watu sintering Berdasaran analisa varians menunjuan adanya Lac-of-Fit pada model tersebut. Model matematis yang dihasilan belum dapat menunjuan hubungan yang jelas pengaruh etiga variabel penelitian secara simultan terhadap respon berat jenis. Pengaruh teanan dan temperatur sintering terhadap eerasan dapat ditampilan dalam grafi ontur pada gambar 6. Dari Gambar 6 terlihat bahwa eerasan masimum H = 45 BHN dapat diperoleh pada teanan ompasi seitar 16 Mpa dan temperatur sintering C. 196 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006:

11 Gambar 6. Kontur pengaruh temperatur sintering dan teanan ompasi terhadap eerasan. Sedangan pengaruh teanan dan watu sintering dapat dilihat pada Gambar 6. Pada gambar tersebut terlihat eerasan masimum H = 47 BHN dapat diperoleh pada teanan seitar 170 Mpa dan watu sinter antara 40 hingga 50 menit. Berdasaran edua grafi pada gambar 6 dan gambar 7 maa dapat diperiraan bahwa eerasan masimum aluminium pada penelitian ini dapat diperoleh pada teanan ompasi seitar 170 Mpa, temperatur sintering seitar C dan watu sintering antara 40 menit hingga 50 menit dengan eerasan Brinnel 47. Gambar 7. Kontur pengaruh watu sintering dan teanan ompasi terhadap eerasan. KESIMPULAN Dari analisa dan pembahasan terhadap data hasil penelitian dapat disimpulan bahwa : 1. Variabel teanan ompasi, temperature sintering dan watu sintering berpengaruh secara simultan terhadap eerasan aluminium produ metalurgi Optimalsasi Teanan Kompasi, Temperatur... (Toto Suwanda) 197

12 serbu yang dapat dinyataan dengan model matematis orde edua sebagai beriut : H = 30,06 +6,39X 1-0,45 X -0,66 X 3 +,30 X 1-3,48 X -0,68 X 3-0,70X 1 X +,1 X 1 X 3 +,55X X 3. Pengaruh variabel teanan ompasi, temperatur sintering dan watu sintering terhadap berat jenis aluminium produ metalurgi serbu pada range variabel yang digunaan pada penelitian ini belum dapat dinyataan dengan model matematis yang diharapan. 3. Keerasan aluminium masimum sebesar 47 BHN diperoleh pada teanan ompasi optimum antara16 Mpa hingga170 Mpa, temperatur sinter optimum C dan watu sinter optimum antara 40 hingga 50 menit. 4. Teanan ompasi, temperatur dan watu sintering optimum yang menghasilan berat jenis masimum aluminium produ metalurgi serbu belum dapat ditentuan pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA German, R.M., 1994, Powder Metalurgy Science, second edition, princeton, New Jersey, Kalpajian,S., 1989, Manufacturing Engineering and Technology, Addison- Wesley Publishing Company, New Yor. Khuri, A.A., Cornell, J.A., 1996, Response Surfaces, second edition, Marcel Deer, Inc, New Yor. Mamedove, V.A., Spar Plasma Sintering (Sps) As Advanced Powde r Metallurgy Sintering Method, Powder Metallurgy Progress, Vol (00) No. 1 Prasetyo, M.A., 004, Karateristi Aluminium Hasil Proses Metalurgi Serbu, sripsi, Yogyaarta 198 Jurnal Ilmiah Semesta Tenia, Vol. 9, No., 006: