Pengaruh Perlakuan Panas Dengan Air Dan Oli Terhadap Kekuatan Impact (Benturan) Bahan Piston Dan Cylinder Liner ABSTRAK

Transkripsi

1 Pengaruh Perlakuan Panas Dengan Air Dan Oli Terhadap Kekuatan Impact (Benturan) Bahan Piston Dan Cylinder Liner Ahmad yani 1), Suriansyah 2), M. Agus Sahbana 3) ABSTRAK Pada saat ini motor bakar mempunyai peranan yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Karena hampir setiap orang menikmati manfaat yang dihasilkan oleh motor bakar, baik sebagai alat transportasi, alat pertanian, alat industri, dan sebagainya. Daya tahan mesin atau berapa lama dapat bekerja dipengaruhi beberapa faktor yaitu komponen-komponen seperti piston dan cylinder liner karena bagian ini merupakan pusat penghasil tenaga yang akan digunakan untuk bergerak, kalau dalam makhluk hidup kedua komponen di atas ibarat jantung. Dalam penelitian ini akan dilihat seberapa jauh pengaruh perlakuan panas pada piston dan cylinder liner menggunakan media air dan oli terhadap kekuatan impact. Perlakuan panas menggunakan media air dan oli dengan variabel terikat kekuatan impact dan variabel bebas adalah media perlakuan panas, waktu holding, dan temperatur. Alat uji yang digunakan adalah Impact Charpy dengan bahan berupa 3 buah piston motor bebek, 3 buah cylinder liner motor bebek, media oli, air, dan pemanasnya. Dari pengujian impact dan analisis data bahwa piston dengan perlakuan panas air memiliki HI (Harga Impact) tertinggi yaitu 0,296 J/mm 2 dan memerlukan energi tertinggi untuk memberikan nilai impact pada piston tersebut, yaitu sebesar 7,244 joule. Dari pengujian impact dan analisa data diketahui bahwa cylinder liner dengan tanpa perlakuan memiliki harga impact tertinggi dibandingkan dengan cylinder liner dengan perlakuan panas air dan oli yaitu sebesar 0,895 J/mm 2 dan cylinder liner yang tanpa mengalami perlakuan memiliki nilai energi tertinggi dibandingkan dengan cylinder liner dengan perlakuan panas air dan oli yaitu sebesar 26,56 joule. Kata kunci : piston, cylinder liner, perlakuan panas, harga benturan, Impact Charpy PENDAHULUAN Perkembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Otomotif di Indonesia semakin berkembang pesat. Hal ini mengikuti kondisi masyarakat Indonesia sekarang yang memiliki mobilitas yang tinggi yang menuntut adanya sarana transportasi yang memadai. Berbagai desain produk otomotif bermunculan di pasaran dengan menawarkan teknologiteknologi terbaru dari masing-masing produk. Permintaan pasar yang semakin tinggi terhadap kebutuhan sarana transportasi terutama kendaraan bermotor baik roda dua maupun roda empat semakin meningkatkan tensi kompetisi dari produsen otomotif untuk meraih konsumen sebanyak mungkin. Perkembangan teknologi terus dicari dan digali guna memenuhi kebutuhan barang yang bermutu dan berkualitas tinggi. Kendaraan bermotor pada abad ini telah menjadi suatu fasilitas penting dalam suatu bentuk aktifitas kehidupan manusia. Pada saat ini motor bakar mempunyai peranan yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Karena hampir setiap orang menikmati manfaat yang dihasilkan oleh motor bakar, baik sebagai alat transportasi, alat pertanian, alat industri, dan sebagainya. yang dimaksud motor bakar adalah suatu pesawat kalor yang mengubah tenaga panas ke dalam tenaga mekanis. Perubahan tenaga ini bermula dari peristiwa pembakaran bahan bakar dalam suatu ruang bakar untuk menimbulkan ledakan. Ledakan yang timbul dimanfaatkan untuk mendorong bagian bergerak. Dengan suatu sistem pengubah arah gerak, yang pada akhirnya didapatkan tenaga putar yang dapat digunakan untuk penggerak pesawat-pesawat lain. Agar mendapatkan hasil yang maksimal maka bahan bakar harus terbakar secara sempurna atau habis selain itu komponen di dalam silinder harus dalam kondisi yang baik. 6

2 Daya tahan mesin atau berapa lama dapat bekerja dipengaruhi beberapa faktor yaitu komponen-komponen seperti piston dan cylinder liner karena bagian ini merupakan pusat penghasil tenaga yang akan digunakan untuk bergerak, kalau dalam makhluk hidup kedua komponen di atas ibarat jantung. Dalam penelitian ini akan dilihat seberapa jauh pengaruh perlakuan panas pada piston dan cylinder liner menggunakan media air dan oli terhadap kekuatan impact. TINJAUAN PUSTAKA Proses Perlakuan Panas Perlakuan panas adalah proses pemanasan dan pendinginan material yang terkontrol dengan maksud merubah sifat fisik untuk tujuan tertentu. Secara umum proses perlakuan panas adalah sebagai berikut: a. Pemanasan material sampai suhu tertentu dengan kecepatan tertentu pula. Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu sehingga temperaturnya merata b. Pendinginan dengan media pendingin (air, oli, atau udara) Ketiga hal diatas tergantung dari material yang akan diperlakukan panas dan sifat-sifat akhir yang diinginkan. Melalui perlakuan panas yang tepat tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia logam harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon (C) dapat mengakibatkan perubahan sifat fisis. Waktu Penahanan ( Holding Time ) Pada saat mencapai temperatur kritis, struktur yang telah terbentuk seluruhnya adalah austenit, tetapi pada saat itu austenit masih berupa butiran halus dan kadar karbon serta unsur paduannya masih belum homogen. Sehingga diperlukan waktu penahanan bagi baja tersebut pada temperatur austenisasi dalam beberapa saat. Lamanya waktu penahanan ini tergantung dari jumlah kelarutan karbida dan ukuran butiran yang diinginkan (seragam). Di samping itu laju pemanasan dan temperatur austenisasi yang digunakan juga mempengaruhi lamanya waktu penahanan. Dengan pemanasan yang lambat baja hypoeutectoid sudah mencapai temperatur austenit yang homogen sesaat setelah mencapai temperatur kritis di atasnya, sehingga dalam tahap ini tidak diperlukan waktu tahan yang lama. Benda kerja dapat langsung didinginkan. Hal ini dapat terjadi karena pada waktu pemanasan yang mendekati temperatur austenisasi sudah terjadi kelarutan karbida ke dalam austenit dan difusi karbon serta unsur paduannya. Dengan laju pemanasan yang lebih tinggi, maka tidak ada waktu yang cukup untuk terjadinya proses kelarutan karbida dan difusi untuk homogenisasi austenit, sebab bila laju pemanasan semakin tinggi maka diperlukan waktu penahanan yang lebih lama. Selain itu ukuran dan bentuk penampang juga mempengaruhi dalam menentukan waktu penahanan. Pada benda kerja yang memiliki penampang kecil, pada umumnya butiran karbidanya lebih halus dan tersebar secara merata, sehingga yang diperlukan lebih singkat dibandingkan dengan benda kerja yang berpenampang besar. Pendinginan ( Quenching ) Kekerasan yang terjadi setelah proses pendinginan banyak dipengaruhi oleh besarnya paduan dalam austenit, ukuran butiran dan laju pendinginan dari austenit. Besarnya kadar karbon dan unsur paduan di dalam austenit akan tergantung pada banyaknya karbida yang terlarut dalam austenit saat proses pendinginan berlangsung. Untuk mendapatkan struktur martensit maka austenit yang telah terbentuk harus didinginkan dengan cepat. Kecepatan pendinginan harus lebih cepat dari kecepatan pendinginan kritis pada baja tersebut, sehingga akan diperoleh struktur yang hampir seluruhnya martensit. Untuk memperoleh hasil tersebut, maka baja harus didinginkan dengan cepat serta menggunakan media pendingin yang mempunyai laju pendinginan yang tinggi. Bila laju pendinginan lebih tinggi dari laju pendinginan kritis (Critical Cooling Rate), maka akan diperoleh tingkat kekerasan yang maksimal pada baja tersebut. Laju pendinginan yang lambat akan menghasilkan struktur pearlit dan bainit yang menyebabkan baja 7

3 menjadi lunak, jumlah martensit berkurang dan terjadi penurunan kekerasan. Kekerasan maksimum yang dapat dicapai baja juga tergantung dari kadar paduannya. Kadar karbon yang ada harus larut semuanya dalam austenit ketika dicelupkan. Meskipun kadar karbon dalam berbagai jenis baja sama, perlakuan pendinginan tidak dapat dilakukan sama. Untuk itu diperlukan media pendinginan yang berbeda beda. Media pendingin yang biasa digunakan adalah air, larutan garam, minyak (dengan kekentalan yang berbeda), udara, dan sebagainya. Piston Piston dalam Bahasa Indonesia juga dikenal dengan istilah torak adalah komponen dari mesin pembakaran dalam yang berfungsi sebagai penekan udara masuk dan penerima hentakan pembakaran pada ruang bakar cylinder liner. Komponen mesin ini dipegang oleh setang piston yang mendapatkan gerakan turun-naik dari gerakan berputar crankshaft. Piston bekerja tanpa henti selama mesin hidup. Komponen ini mengalami peningkatan temperatur dan tekanan tinggi sehingga mutlak harus memiliki daya tahan tinggi. Oleh karena itu, pabrikan kini lebih memilih paduan aluminium (Al- Si). Logam ini diyakini mampu meradiasikan panas yang lebih efisien di bandingkan material lainnya. Karena piston bekerja pada temperatur tinggi, maka pada bagian-bagian tertentu seperti antara diamater piston dan diameter silinder ruang bakar oleh para desainer sengaja diciptakan celah. Celah ini secara otomatis akan berkurang (menjadi presisi) ketika komponen-komponen itu terkena suhu panas. Ini yang kemudian mengurangi terjadinya kebocoran kompresi. Celah piston bagian atas lebih besar dibandingkan bagian bawah. Ukuran celah piston ini bervariasi tergantung dari jenis mesinnya. Umumnya antara 0,02 hingga 0,12 mm. Memakai ukuran celah yang tepat sangat penting. Alasannya, bila terlalu kecil akan menyebabkan tidak ada celah antara piston dan silinder ketika kondisi panas. Kondisi ini akan menyebabkan piston bisa menekan silinder dan merusak mesin. Sebaliknya, kalau celahnya terlalu berlebihan, tekanan kompresi dan tekanan gas hasil pembakaran akan menjadi rendah. Akibatnya mesin kendaraan pun tidak bertenaga dan mengeluarkan asap. Cylinder Liner Material yang digunakan untuk bahan silinder mesin (engine cylinders) adalah besi cor kelabu, atau besi cor nikel, atau semi baja. Kuat tarik material ini berada pada psi dan batas elastis psi. Pada mesin-mesin yang besar digunakan baja cor untuk silinder dan biasanya besi cor sebagai cylinder linernya. Cylinder liner terdiri dari dua tipe yaitu dinding silinder model basah (wet type cylinder liner) dan dinding silinder model kering (dry type cylinder liner). Ukuran diameter luar dinding silinder harus lebih besar sedikit dari diameter dalam blok silinder, karenanya pada saat pemasangan, dinding silinder ini harus ditekan dengan mesin press dengan gaya tekan sebesar 2000 s/d 3000 kg. Apabila gaya tekan lebih kecil dari 2000 kg, sebaiknya dinding silinder diganti dengan yang lebih besar diameter luarnya. Setelah dinding silinder dipasang pada blok silinder, diameter dalam dinding silinder harus di bor lagi disesuaikan dengan diameter standartnya. Cylinder liner dipasang pada silinder mesin dengan cara ditekan (Maleev V.L.,1945). Logam Cor (Cast Metals) Material logam yang dibentuk melalui proses pengecoran harus diketahui karakteristik seperti sifat mekanik, fisik, komposisi kimia, bentuk sel satuan dan lainnya. Logam cor adalah suatu logam yang memiliki karakteristik khusus yang baik untuk dilakukan proses pembentukan melalui proses pengecoran, besi cor merupakan salah satu logam cor yang dapat dibentuk dengan proses pengecoran. Logam cor (cast metals) ini sebagian akan diproses lanjut sebagai bahan baku untuk dibentuk dengan cara ditempa, diekstrusi, diroll, ditekan, atau sering disebut sebagai wrought metals. Paduan adalah unsur lain yang ditambahkan ke dalam logam cor agar memiliki sifat yang lebih baik jika dibandingkan dengan keadaan awalnya. Logam paduan lebih banyak digunakan untuk pengecoran komersial dibandingkan logam murninya, karena secara umum logam paduan 8

4 lebih mudah untuk dicor dengan hasil produk yang memuaskan. Pengujian Impact Untuk mencoba impact ini digunakan sample bertakik, terdapat tiga macam takik yang digunakan yaitu type V, takik lubang kunci, dan takik U. Dimensi benda kerja bertakik disesuaikan dengan metode yang akan digunakan yaitu metode charpy, yaitu menggunakan batang impact biasa. Tumbukan pendulum di belakang takik mesin impact dapat mempunyai pendulum dengan beban tetap dan dilepaskan dari ketinggian tertentu. Berat bandul dan panjang lengan ayun harus sudah ditentukan terlebih dahulu. Type instrumentasi yang sederhana terdiri dari penunjuk yang menyatakan posisi pendulum dalam skala lingkaran. Skala biasanya dikalibrasikan untuk menunjukkan energi potensial dari ketinggian angular. Penunjuk mempunyai koefisien cukup untuk tetap pada posisi setelah pengujian. Energi yang dibutuhkan untuk mematahkan sampel : E = P ( h 0 h 1 ) joule Dimana : P = Beban h 0 = Tinggi awal ( tinggi pendulum awal ) h 1 = Tinggi akhir ( tinggi pendulum akhir ) Sedangkan harga impact dihitung dari : E 2 HI = ( Joule / mm ) A Dimana A adalah luas bidang di bawah takik. Ketahanan material terhadap beban kejut dinyatakan sebagai kemampuan material menyerap energi kecil maksimum tanpa patah per satuan luas. Ketangguhan material dipengaruhi oleh komposisi kimia temperatur dan perlakuan panas. Penelitian Terdahulu Pada penelitian Duskiardi, dkk Pengaruh Tekanan dan Temperatur Die Proses Squeeze Casting Terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro Pada Material Piston Komersial Lokal, Squeeze casting sering juga disebut dengan liquid metal forging, di mana logam cair dibekukan di bawah tekanan eksternal yang relatif tinggi. Terjadinya kontak antara logam cair dengan punch dan die pada saat penekanan memungkinkan terjadinya perpindahan panas yang cukup cepat. Ini akan menghasilkan struktur mikro yang lebih homogen serta perbaikan sifat mekanik. Pada pengujian yang dilakukan, laju pendinginan material akibat pengaruh tekanan dan temperatur die sangat signifikan pengaruhnya terhadap perbaikan sifat benda uji. Dari hasil pengamatan, proses ini mampu menurunkan porositas sampai % dan memperbaiki kekerasan sebesar 5.29 % setelah dilakukan perlakuan panas T6. Tekanan serta temperatur die optimal didapatkan pada MPa dan C. Nurhadi, Studi karakteristik material piston dan pengembangan. Prototipe piston berbasis limbah piston bekas, Salah satu kasus kerusakan pada suku cadang yang sering ditemui pada alat transportasi massal selama ini adalah keausan piston. Keausan pada piston dikarenakan kondisi kerja piston yang bekerja menahan suhu yang tinggi, tekanan yang besar dan gaya gesek secara terus menerus dalam jangka waktu yang lama. Karakterisasi material hasil prototipe piston yang dilakukan meliputi uji komposisi kimia, struktur mikro, kekerasan, porositas dan kekasaran. Hasil prototipe material piston dan pengembangan prototipe piston berbasis limbah piston bekas yang terbaik dengan kekerasan 64,5 HRB, porositas terendah 4,613 dan kekasaran setelah machining paling baik 1,58 dicapai pada komposisi 25% piston bekas + 75% ADC 12 dengan temperatur penuangan 700 o C. Solechan, dkk Peningkatan sifat mekanik material ring piston bekas sepeda motor Supra X dengan proses heat treatment. Untuk meningkatkan kekuatan ring piston perlu dilakukan pengerasan dan pelapisan permukaan di bagian luarnya. Maka perlu peningkatan kekuatan mekanik ring piston dengan proses heat treatment (perlakuan panas) untuk mengatasi pengaruh thermal cycling pada Honda Supra X. Hasil pengujian struktur mikro menunjukkan bentuk grafit dari beberapa material memiliki perbedaan, baik dalam bentuk maupun ukuran grafit. Untuk kekerasan dengan penahanan waktu 3 jam kekerasannya mendekati kekerasan ring piston Supra X baru. Kekerasan waktu penahanan 3 jam yaitu HRC dan piston baru sebesar 39,94 HRC memiliki selisih 1,28 HRC, tetapi ukuran ketebalan ring tidak mengalami 9

5 kenaikan maka perlu proses lanjutan yaitu proses coating. Penelitian yang pernah dilakukan oleh Ir. Suriansyah, MMet tentang pengaruh perendaman piston di dalam larutan CaCo 2 (air kapur) bahwa terjadi perubahan sifat mekanis dari piston karena pengaruh perendaman. Piston menjadi lebih keras. Selain itu Baja ST 37 yang telah mengalami heat treatment dengan berbagai perlakukan pendinginan juga mengalami perubahan sifat mekaniknya hal ini dapat dilihat pada tabel 1 dibawah ini, Tabel 1. Kekerasan Baja ST 37 setelah dilakukan treatment Perlakuan Oli Udara Air Kekerasan No. Spesimen (BHN) Sumber : Laporan Praktikum Metalurgi Fisik Jurusan Teknik Mesin Universitas Widyagama Malang 2005 c. Sampel 2 dengan 1 buah piston dan 1 buah cylinder liner di rebus dengan menggunakan air yang mendidih 100 o C dengan lama perebusan 150 menit d. Setelah semua spesimen di rebus kemudian didinginkan secara alamiah menggunakan udara ruang e. Sampel 3 dengan 1 buah piston dan 1 buah cylinder liner di rebus dengan menggunakan oli SAE 40 yang mendidih dengan suhu 150 o C dengan lama perebusan 150 menit f. Setelah semua spesimen di rebus kemudian didinginkan secara alamiah menggunakan udara ruang g. Setelah dingin, sampel 2 dan 3 dipotong menjadi 5 bagian menggunakan gergaji besi h. Setelah semua sampel dipotong menjadi 5 bagian, kemudian sampel 1, 2, dan 3 di uji menggunakan Impact Charpy Tester. Pengolahan Data Grafik ini akan dijadikan acuan untuk menilai besarnya pengaruh media perlakuan panas terhadap kekuatan impact bahan. Diagram Alir Penelitian Adapun Diagram Alir untuk pengujian impact sebagai berikut : Dari data di atas dapat diambil kesimpulan bahwa treatment meng-gunakan udara menghasilkan kekerasan yang lebih rendah dari pada menggunakan oli dan air. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan dengan menguji bahan piston dan cylinder liner dengan menggunakan alat uji Impact Charpy setelah melalui perlakuan panas dengan air dan oli. Tata Cara Penelitian Pengujian dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : a. Sampel 1 merupakan S-Cast, yaitu 1 buah piston dan 1 buah cylinder liner tanpa perlakuan b. Sampel 1 dibagi menjadi 5 bagian dengan cara dipotong menggunakan gergaji besi Gambar 1. Diagram Alir 10

6 HASIL DAN PEMBAHASAN Hubungan Impact dan Energi pada Perlakuan Bahan Piston Gambar 2. Grafik Impact dan Energi pada Perlakuan Piston Grafik pada gambar 2 di atas menunjukkan bahwa piston dengan perlakuan panas air memiliki harga impact tertinggi dibandingkan dengan perlakuan panas dengan media oli dan tanpa perlakuan sebesar 0,296 J/mm 2 dan memerlukan energi tertinggi untuk memberikan nilai impact pada piston tersebut, yaitu sebesar 7,244 joule. Piston yang tanpa mengalami perlakuan memiliki harga impact terendah yaitu sebesar 0,159 J/mm 2 dan memerlukan energi terendah dibandingkan dengan perlakuan panas air dan oli yaitu sebesar 6,216 joule. Adanya peningkatan sifat strength pada bahan piston dengan perlakuan panas air menyebabkan piston mempunyai nilai impact dan energi tertinggi untuk mematahkan sampel. Hubungan Impact dan Energi pada Perlakuan Cylinder Liner Gambar 3. Grafik Impact dan Energi pada Perlakuan Cylinder Liner Grafik pada gambar 3 di atas menunjukkan bahwa Cylinder liner dengan perlakuan panas oli memiliki harga impact terendah dibandingkan dengan perlakuan panas dengan media air dan tanpa perlakuan sebesar 0,566 J/mm 2, harga impact tertinggi adalah cylinder liner dengan tanpa perlakuan memiliki nilai 0,895 J/mm 2. Cylinder liner yang tanpa mengalami perlakuan memiliki nilai energi tertinggi dibandingkan dengan cylinder liner dengan perlakuan panas air dan oli yaitu sebesar 26,56 joule. Cylinder liner dengan perlakuan panas air memiliki nilai energi terendah yaitu sebesar 21,15 joule, hal ini berbanding terbalik dengan nilai energi dan harga impact pada piston yang kemungkinan disebabkan oleh peningkatan sifat strength bahan piston tersebut. KESIMPULAN Dengan menggunakan media oli dan air pada bahan piston dan cylinder liner maka dapat diketahui pengaruhnya terhadap kekuatan impact yang dihasilkan. Dari pengujian impact dan analisis data yang telah dilakukan pada spesimen piston dan cylinder liner dengan cara perlakuan panas, antara lain: 1. Ada pengaruh heat treatment air terhadap bahan piston dengan nilai impact 0,296 J/mm 2 dan energi tertinggi untuk mematahkan sampel sebesar 7,244 joule. 2. Tidak ada pengaruh heat treatment terhadap cylinder liner karena cylinder liner tanpa perlakuan memiliki nilai impact tertinggi sebesar 0,895 J/mm 2 dan energi tertinggi untuk mematahkan sampel yaitu sebesar 26,56 joule. DAFTAR PUSTAKA Suriansyah, 2003, Pengaruh Perendaman Piston Di Dalam Larutan CaCO 2 (Air Kapur), Penelitian Program Semi-Que V P2MPT, Jurusan Teknik Mesin Univ. Widyagama Malang. Djaprie, Sriati, Metalurgi Mekanik I, Erlangga, Jakarta, 1995., 1985, Materi Pelajaran Engine Group Step 2, PT. Toyota Astra, Jakarta. 11

7 Duskiardi, Soejono Tjitro Pengaruh Tekanan dan Temperatur Die Proses Squeeze Casting Terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro Pada Material Piston Komersial Lokal. Jurnal Teknik Mesin Vol. 4, No. 1, April 2002: 1 5. Universitas Kristen Petra. Nurhadi, Studi karakteristik material piston dan pengembangan Prototipe piston berbasis limbah piston bekas. Program Studi Teknik Mesin Pascasarjana Universitas Diponegoro. Solechan, dkk Peningkatan sifat mekanik material ring piston bekas sepeda motor Supra X dengan proses heat treatment. Seminar Hasil-Hasil Penelitian LPPM UNIMUS ISBN : Hal