Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No., November 2015 (1 7)

Transkripsi

1 Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No., November Karakteristik porositas paduan perunggu timah putih (80%Cu - 20%Sn) dan perunggu silikon (95%Cu 5%Si) dengan variasi laju pendinginan pada pengecoran cetakan pasir Made Septa Setya Wigangga, I Ketut Gede Sugita, dan I. G.N Priambadi Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali Abstrak Perunggu timah putih banyak diaplikasikan dalam pembuatan alat musik gambelan, namun perunggu timah putih mudah retak atau patah akibat adanya porositas pada proses pengecoran serta bersifat getas. Dalam upaya mengatasi hal itu perunggu silikon direkomedasikan, dengan variasi laju pendinginan pada proses pengecoran untuk mengetahui karakteristik porositas material perunggu timah putih dan perunggu silikon.penelitian dilakukan dengan mengamati porositas dan karakteristik porositas material perunggu timah dan perunggu silikon dengan menggunakan pengujian porositas, SEM dengan variasi laju pendinginan pada setiap zone (chill zone, columnar zone dan equiaxed zone). Semakin cepat laju pendinginan maka porositas semakin besar serta karakteristik porositas dan cacatnya semakin beragam. Ini terlihat pada chill zone perunggu timah putih dimana laju pendinginan mencapai 4,45 o C/detik dengan besar porositas mencapai 6,27% dan chill zone perunggu silikon dimana laju pendinginan mencapai 2,05 o C/detik dengan porositas mencapai 5,16%. Cacat yang terjadi pada laju pendinginan yang cepat berupa porositas gas, shirinkage dan crack Sedangkan semakin lambat laju pendinginan maka semakin kecil porositas, ini terlihat pada equiaxed zone perunggu silikon dimana laju pendinginan 1,21 o C/detik dengan porositas 3,51% serta equiaxed zone perunggu timah putih dengan laju pendinginan mencapai 2,01 o C/detik besar porositas 3,63% jenis cacat yang terjadi adalah cacat berupa porositas gas. Kata Kunci : Perunggu timah putih, perunggu silikon, chill zone, columnar zone da equiaxed Abstract Tin bronze widely applied in the manufacture of the gamelan music, but white tin bronze easily cracked or broken due to porosity in the casting process, and are brittle, in order to overcome it silicon bronze is recommended, with a variation of the cooling rate in the casting process to determine the characteristics of porosity and the hardness of tin bronze and silicon bronze. Research is carried out by observing the porosity, the porosity characteristics and hardness of the tin bronze and silicon bronze using porosity testing, and SEM, with a variation of the cooling rate in each zone ( chili zone, columnar zone, and equiaxed zone ). When the cooling rate becomes faster, porosity characteristic and the damage is increasingly diverse. This can be seen in the chill zone on tin bronze where the cooling rate reaches 4,45 o C/sec with large porosity reaching 6.27% and silicon bronze chill zone where the cooling rate reaches 2,05 o C/sec with porosity reaching 5.16%. Defects that occur in such rapid cooling rate of gas porosity, shirinkage and crack, while the slower the cooling rate, the smaller the porosity, is seen in equiaxed zone where the cooling rate of silicon bronze 1,21 o C/sec with a porosity of 3.51% and equiaxed zone bronze tin with the cooling rate reaches 2.01 C/sec 3.63% porosity major types of defects are defects that occur in the form of gas porosity. Keywords:Tin bronze, silicon bronze, chill zone, columnar zone dan equiaxed zone 1. Pendahuluan Perunggu merupakan material terbaik untuk pembuatan alat musik seperti lonceng, bel, simbal drum, senar gitar dan beberapa alat tiup seperti terompet, saxophone dan clarinet. Di Bali perunggu banyak digunakan untuk pembuatan barang kerajinan seperti bokor, hiasan dan perunggu menjadi material utama dalam pembuatan instrument alat musik gamelan. Hal ini dikarenakan perunggu timah putih memiliki sifat tahan korosi, memiliki kekerasan material yang bagus serta memiliki sifat akustik yang baik, yang mampu menghasilkan bunyi yang panjang dengan waktu bergetar yang lama. Namun gamelan yang terbuat dari paduan perunggu timah putih ini mudah retak ataupun patah akibat adanya porositas pada proses pengecoran. serta diperparah oleh sifat material yang getas dari paduan perunggu timah putih. Hal ini sangat berpengaruh terhadap sifat mekanik dan akustik yang menjadi pertimbangan penting dalam menentukan material sebagai instrumen musik. Perlu dipikirkan cara mangatasi retak atau patah pada gamelan. Seperti yang diketahui gamelan yang terbuat dari paduan perunggu timah putih ini mudah retak atau patah, akibat dari porositas dan sifat material yang getas sehingga berakibat pada jeleknya kualitas suara yang. Mangatasi hal itu dalam kajian jurnal [1] tentang rekayasa perunggu silikon (CuSi) sebagai pengganti perunggu timah putih untuk mendapatkan sifat akustik dan mekanik yang lebih baik, merekomendasikan perunggu silikon sebagai pengganti perunggu timah putih (CuSn) untuk bahan instrument alat musik. evasatya69@gmail.com

2 Sifat akustik khususnya damping capacity perunggu silikon relatif lebih besar sebesar 0,015% dan kemampuan memancarkan gelombang getaran serta sifat mekanik yang relatif sama dengan paduan perunggu timah putih (CuSn). Proses kedua bahan untuk pembuatan gamelan tersebut bertumpu pada proses pengecoran. Proses pengecoran yang tidak benar serta lama waktu laju pendinginan akan berpengaruh pada cacat-cacat hasil pengecoran, cacat yang sering terjadi adalah porositas yang sangat berpengaruh pada sifat mekanik dan akustik dari perunggu timah putih dan perunggu silikon Penelitian ini akan dikaji lebih mendalam efek laju pendinginan terhadap karakteristik porositas pada paduan perunggu timah putih (CuSn) dan paduan perunggu silikon (CuSi). Seperti yang sudah dijelaskan porositas sangat berpengaruh pada sifat mekanis dan akustik suara dari instrument alat musik gamelan. Pada pengujian ini diharapkan mendapatkan karakteristik paduan perunggu yang memiliki porositas yang sedikit, sifat mekanik dan akustik suara yang baik untuk material pembuatan alat musik. Dalam hal ini maka ada beberapa permasalahan yang akan dikaji, yaitu: 1. Mengetahui besar dan karakteristik porositas yang terjadi akibat variasi laju pendinginan pada proses pengecoran menggunakan cetakan pasir. Beberapa batasan ditetapkan dalam penelitian ini meliputi: 1. Pengecoran menggunakan cetakan pasir silika. 2. Temperatur lebur 1050 o C. 3. Spesimen benda uji adalah perunggu timah putih dengan komposisi (80%Cu-20%Sn) dan perunggu silikon (95%Cu-5%Si). 2. Dasar teori 2.1 Paduan Perunggu Perunggu merupakan suatu paduan dari logam yang berbasis tembaga dengan timah sebagai aditif utama. Beberapa paduan perunggu, memiliki fosfor, mangan, alumunium, atau silikon sebagai bahan paduan utama. Perunggu biasanya kuat, tangguh, dan tahan korosi dengan konduktivitas listrik dan termal yang tinggi. Perunggu yang paling umum digunakan dalam aplikasi bushing dan bantalan. 1. Perunggu timah putih (Tin Bronze) Perunggu timah (Sn), yaitu perunggu tuang dari Cu ditambah 10%, 14%, atau 20% Sn tanpa campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan untuk patung, senjata canon, dan alat-alat music seperti (lonceng, gamelan, sibal drum dll) yang harus mempunyai syarat tinggi terhadap korosi dan ketangguhan (10%Sn). Selain itu pada bantalan harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat luncur (14%Sn) dan untuk bantalan-bantalan tekan 2 dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20% Sn ) [2] Gambar 1. Diagram Fase Perunggu Timah Putih 2. Perunggu Silikon (Silikone Bronze) Mengandung 4-5% Si dan akan menambah daya tahan ( resistensi ) terhadap asam ( acid ), memungkinkan untuk dibuat rol berbentuk batangan panjang sampai diameter 1/4" - 2" in. Bersifat akan menjadi keras apa bila mengalami pengerjaan dingin (work hardenable) dan merupakan bronze yang mempunyai tahanan tarik dan kekerasan yang paling baik diantara bronze yang lain. Sifat mekanisnya setara dengan baja lunak (baja karbon rendah, mild steel) sedangkan sifat ketahanan korosinya setara dengan logam tembaga. Banyak dipakai untuk tanki, bejana tekan (pressure vessel), marine construction, dan pipa tekan hidrolik. [2] 2.2 Pengecoran Logam Pengecoran merupakan suatu proses manufaktur untuk membuat atau menghasilakan produk, dimana logam dicairkan dalam tungku peleburan kemudian di tuangkan kedalam rongga cetakan yang memiliki bentuk geometri mendekati bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat. Tujuan dari pengecoran adalah untuk menghasilkan produk yang berkualitas dan ekonomis, yang bebas cacat dan sesuai dengan kebutuhan seperti kekuatan, keuletan, kekerasan, dan ketelitian dimensi [3]. 2.3 Pengecoran Cetakan Pasir (Sand Casting) Pengecoran menggunakan cetakan pasir merupakan teknik pengecoran tertua di dunia. Teknik pengecoran cetakan pasir ini sampai sekarang masih banyak digunakan karena biaya produksi yang murah dan dapat memproduksi benda cor dengan kapasitas yang banyak. Cetakan pasir adalah cetakan yang terbuat dari pasir yang diberi bahan pengikat. Pasir yang paling banyak digunakan adalah pasir silika, baik pasir silika dari alam maupun pasir silika buatan dari kwarsit. Bahan pengikat yang paling banyak digunakan adalah bentonit.[4].

3 a. Kelebihan cetakan pasir Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang tinggi, seperti baja, nikel dan titanium Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil sampai dengan ukuran besar Jumlah produk yang dihasilkan dari satu sampai jutaan b. Kelemahan cetakan pasir Permukaan benda cor kurang halus Mudah terjadi cacat pada hasil pengecoran seperti porositas. 2.4 Cacat-Cacat Pengecoran (Porositas). Porositas dapat terjadi karena terjebaknya gelembung-gelembung gas pada logam cair ketika dituangkan ke dalam cetakan. Porositas pada produk cor dapat menurunkan kualitas benda tuang. Salah satu penyebab terjadinya porositas pada penuangan logam adalah gas hidrogen [5]. 1. Porositas Gas Cacat porositas gas disebabkan karena adanya pembentukan gas ketika logam cair dituangkan. Cacat porositas gas berbentuk bulat akibat tekanan gas ini pada proses pembekuan. Ukuran cacat porositas gas sebesar ± 2 mm sampai 3 mm, lebih kecil bila dibandingkan dengan cacat porositas shrinkage. [6]. 2. Porositas Shrinkage Penyebab adanya cacat porositas shrinkage adalah adanya gas hidrogen yang terserap dalam logam cair selama proses penuangan, gas yang terbawa dalam logam cair selama proses peleburan, dan pencairan yang terlalu lama 1. m = Densitas sample (Gram/cm 3 ) 2. m s = Massa sample kering (Gram) 3. m g = Massa sample basah (Gram) 4. ρ H2O = Massa jenis air (1 Gram/cm 3 ) Densitas teoritis th Cu VCu Sn V (2) Sn V V (3) th Cu Cu 1. th = Densitas teoritis (gr/cm 3 ) 2. cu = Densitas tembaga (gr/cm 3 ) 3. Sn = Densitas timah putih (gr/cm 3 ) 4. Si = Densitas silikon (gr/cm 3 ) 5. V cu = Fraksi volume tembaga (%) 6. V Sn = Fraksi volume timah putih (%) 7. V Si = Fraksi volume silikon (%) Perhitungan porositas m porositas 1 (4) th 2.6 Pembekuan Logam 1. Chill (daerah pembekuan cepat) Chill zone adalah Daerah ini berada paling luar yang mana lebih dipengaruhi oleh heat removal (kehilangan panas). Struktur ini terbentuk pada kontak pertama antara dinding cetakan dengan logam cair pada saat dituang ke dalam cetakan. 2. Columnar Columnar zone merupakan struktur yang tumbuh setelah gradien suhu pada dinding cetakan turun dan kristal pada chill zone tumbuh memanjang, kristal-kristal tersebut tumbuh memanjang berlawanan dengan arah perpindahan panas. 3. Equiaxed Equiaxed Struktur ini terdiri dari butiran yang bersumbu sama yang arah acak. Asal dari butiran ini adalah mencairnya kembali lengan dendrit. Bila suhu di sekitar masih tinggi, setelah cabang dendrit tersebut terlepas dari induknya dan tumbuh menjadi dendrit yang baru.[8] Si Si 2.5 Pengujian Porositas Menurut [7] porositas yang terbentuk dapat diketahui dengan melakukan pengukuran densitas dengan menggunakan metode Piknometri dan perhitungan presentase porositas yang terjadi dapat diketahui dengan membandingkan densitas sempel material dengan densitas berdasarkan teori. Densitas adalah besaran fisis yaitu perbandingan massa (m) dengan volume benda (V). Densitas Sampel ms m H 2O ( m m ) (1) s Gambar 2. Porositas g 3 Gambar 3. Chill zone, columunar zone dan equiaxed zone

4 3. Metode Penelitiane 3.1 Alur Penelitian Alat untuk pengecoran Pembuatan Cetakan Pemasangan termokopel Pada cetakan Perunggu Timah Putih Pengecoran Peleburan logam Mulai Persiapan alat dan bahan Penuangan kecetakan Pendinginan Perunggu Silikon Pengecoran Alat pengerjaan specimen untuk pengujian 2. Alat Pengecoran a. Tungku Peleburan b. Blower c. Kowi d. Timbangan e. Cetakan pasir f. Pola cetakan 3. Alat Pengujian a. Timbangan digital b. Alat SEM(Scanning Electron Microscopy) c. Thermokopel type K d. Varnier Caliper e. Gregaji Mesin dan Gregaji Tangan f. Amplas g. Aoutosol h. Kain Beludru 3.2 Proses Pembuatan Spesime Uji. a. Pemotongan spesimen b. Pengukuran spesimen c. Penimbangan berat spesimen d. Pengamplasan e. Pemolesan 4. Hasil Penelitian 1.1 Data Penurunan Temperatur Pembongkaran Cetakan Pemerikasaan hasil pengecoran Pengecoran Perunggu Timah Putih Pengecoran Perunggu Silikon Pemotongan spesimen Chill Columnar Uji Porositas Equiaxed Gambar 4. Grafik penurunan suhu perunggu timah putih Uji Densitas Uji SEM Analisa data Kesimpulan Selesain 3.2 Bahan dan Alat Penelitian 1. Bahan a. Tembaga b. Timah putih c. Silikon d. Pasir Cetak Gambar 5. Grafik penurunan suhu perunggu silikon 4

5 Tabel 1. hasil laju pendinginan No Pada tabel 4.1 dapat dilihat laju pendinginan tercepat terjadi di chill zone paduan perunggu timah putih dengan laju pendinginan mencapai 4,45 o C/detik. laju pendinginan terlamabat terjadi pada equiaxed zone perunggu silikon dengan kecepatan 1.21 o c/detik. 4.2 Data Pengujian Porositas Paduan Perunggu Timah putih Perunggu Silikon Chill Laju Pendinginan Columnar Equiaxed 6,27% 4,04% 3,63% 5,16% 3,86% 3,51% ( c det ik Perunggu Timah Putih 1 Chill 4,45 2 Columnar 3,26 3 Equiaxed 2,01 Perunggu Silikon 1 Chill Columnar 1,67 3 Equiaxed 1.21 Tabel 2. hasil pengujian porositas ) 4.4 Data Pengujian SEM Crack Porositas gas Gambar 7. Chill zone Perunggu timah putih Gambar 8. Columnar zone perunggu timah putih Gambar 6. Grafik hasil pengujian porositas Gambar 9. Equiaxed zone perunggu timah putih Dari tabel 2 dan gambar grafik 6 menunjukan prositas terbesar terjadi pada chill zone perunggu timah putih dengan presentase 6,27% dan chill zone perunggu silikon dengan 5,16%, dan untuk porositas terkecil terjadi pada equaxed zone pada perunggu silikon dengan 3,51% dan perunggu timah putih dengan 3,63%. Porositas gas Crack Gambar 10. Chill zone perunggu silikon 5

6 pendinginan mencapai 1,21 o C/detik dengan presentase porositas mencapai 3,51%, porositas yang terjadi berupa crack. Equaxed zone perunggu timah putih dengan laju pendinginan mencapai 2,01 o C/detik dengan presentase porositas mencapai 3,63% dan karakteristik porositas yang terjadi berupa porositas ga. Daftar pustaka Gambar 11. Columnar zone perunggu Gambar 12. Equiaxed zone perunggu silikon Dari pengujian SEM dapat dilihat karakteristik dari porositas disetiap zone seperti di gambar 7 merupakan crack dan porositas gas, di gambar 8 merupakan porositas shrinkage, gambar 9 merupakan porositas gas. Gambar 10 merupakan crack dan porositas gas, gambar 11 merupakan gambar porositas gas dan gambar 12 merupakan crack. 5. Kesimpulan Variasi laju pendinginan yang berbeda pada setiap zone mempengaruhi besar presentase porositas dan karakteristik porositas dari paduan perunggu timah putih dan perunggu silikon, Semakin cepat laju pendinginan maka nilai presentase porositas semakin besar serta semakin beragamnya karakteristik porositas dan cacat yang terjadi. Hal ini terlihat dari data chill zone perunggu timah putih dan silikon, dimana pada chill zone perunggu timah putih laju pendinginan mencapai 4.45 o C/detik dengan porositas mencapai 6,27%, porositas yang terjadi berupa porositas gas dan crack. Chill zone perunggu silikon dengan laju pendinginan mencapai 2,05 o C/detik, besar presentase porositas 5,16% dengan porositas yang terjadi berupa porositas gas dan crack. Berbanding terbalik dengan diatas semakin lambat laju pendinginan maka semakin kecil presentase dari porositas dan semakin sedikit karakteristik porositas yang terjadi, ini terlihat pada equaxed zone perunggu silikon dimana laju [1] Sugita, I.K.G., Rekayasa Perunggu Silikon Sebagai Pengganti Perunggu Timah Putih dengan Variasi Komposisi, Laju Pembekuan dan Proses Anil untuk Mendapatkan Sifat Akuistik dan Mekanik yang Lebih Baik. Jurnal Penelitian. Universitas Gadjah Mada.Yogyakarta. [2] Surdia, T & Chijiiwa, K Teknik Pengecoran Logam. Jakarta: P.T Pradnya Paramita. [3] Hermawan Analisa Pengaruh Variasi Temperatur Tuang pada Pengecoran Squeeze Terhadap Struktur Mikro dan Kekerasan Produk Sepatu Kampas Rem dengan Bahan Aluminium (Al) Silikon (Si) Daur Ulang. Jurnal Ilmiah. Universitas Wahid Hasyim. Semarang. [4] Astika, I.M., Negara, D.N.K.P, dan Susantika, M.A Pengaruh Jenis Pasir Cetakan dengan Zat Pengikat Bentonit terhadap Sifat Permeabilitas dan Kekuatan Tekan Basah Cetakan (Sand Casting). Jurnal Ilmiah. Teknik Mesin Universitas Udayana. Page.133. Vol.4 No.2. [5] Budinski, G.K., Engineering Material Properties and Selection. New Jersey: Prentice Hall, Inc,Englewood Cliffs. [6] Wibowo, Agung Dwi Pengaruh Variasi Jenis Cetakan dan Penambahan Serbuk Dry Cell Bekas Terhadap Porositas Hasil Remelting Al-9%Si Berbasis Piston Bekas. Universitas Sebelas Maret. Surakarta. [7] Taylor, R. P., McClain, S. T. & Berry, J.T. (1999). Uncertainty Analysis of Metal Casting Porosity Measurement Using Archimedes Principle. International Journal of Cast MetalsResearch,, [8] Prasetya, C., Irawan. Y.S dan Oerbandono Tjuk Pengaruh Jumlah Saluran Masuk pada Pengecoran Impeller Turbin Crossflow Terhadap Cacat Permukaan dan Porositas. Jurnal Ilmiah. Universitas Brawijaya, Malang 6

7 Made Septa Setya Wigangga menyelesaikan studi program sarjana di Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana dari tahun 2011 sampai menyelesaikan studi program sarjana dengan topik penelitian KARAKTERISTIK POROSITAS PADUAN PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu 5%Si) DENGAN VARIASI LAJU PENDINGINAN PADA PENGECORAN CETAKAN PASIR. Area penelitian yang diminati adalah teknik cetakan dan pengecoran logam, dst. 7