STUDI EKSPERIMEN PENGARUH KOMPOSISI CERAMIC SHELL PADA INVESTMENT CASTING TERHADAP KEKASARAN PERMUKAAN DAN POROSITAS PRODUK TOROIDAL PISTON Arif Setiyono NRP : 2108 100 141 Dosen pembimbing : Dr. Ir. Soeharto, DEA NIP : 130 937 168
1.1 Latar Belakang 1.2 Perumusan Masalah 1.3 Batasan Masalah 1.4 Tujuan Penelitian 1.5 Manfaat Penelitian
1.1 Latar Belakang 1. Penelitian di Hangyang University (Korea) tentang desain piston toroidal dengan tipe shallow bowl telah menghasilkan geometri ruang bakar yang optimal pada mesin diesel SFC meningkat 35% dan Gas polutan (jelaga, NOx,CO, HC) turun 2. Inisiatif untuk merealisasikan desain piston toroidal dengan investment casting menggunakan metode ceramic shell jika dibandingkan dengan metode yang lain, seperti: squeeze casting dan powder metallurgy 3. Permasalahan investment casting khususnya dengan metode ceramic shell tentang penggunaan komposisi ceramic shell yang berdampak pada kekasaran permukaan dan porositas pada produk cor
1.2 Perumusan Masalah 1. Bagaimana hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap kekasaran permukaan produk cor hasil investment casting? 2. Bagaimana hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap porositas produk cor hasil investment casting?
1.3 Batasan Masalah 1. Aliran logam cair pada saat melalui sistem saluran dan rongga cetakan adalah aliran incompressible flow 2. Peralatan pengecoran dalam investment casting dan peralatan uji dapat bekerja dengan baik 3. Temperatur penuangan dan waktu tuang adalah seragam pada tiap proses pengecoran 4. Proses coating pada pohon lilin menghasilkan ketebalan cetakan ceramic shell yang seragam disetiap bagiannya 5. Pada saat proses pengecoran tidak dilakukan degasing
1.4 Tujuan Penelitian 1.Mengetahui hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap kekasaran permukaan produk cor hasil investment casting 2. Mengetahui hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap porositas produk cor hasil investment casting
1.5 Manfaat Penelitian 1.Mendapatkan kualitas produk pengecoran yang memiliki kekasaran permukaan dan persentase porositas yang rendah 2. Dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam pemilihan komposisi ceramic shell pada investment casting untuk mendapatkan kualitas produk sesuai dengan yang diinginkan
2.1 Investment Casting 2.2 Lapisan Ceramic Shell 2.3 Komposisi Ceramic Shell 2.4 Keramik 2.5 Sistem Saluran 2.6 Piston 2.7 Aluminium 2.8 Porositas 2.9 Kekasaran Permukaan 2.10 Pengujian Spesimen
2.1 Investment Casting CERAMIC SHELL SOLID MOLD
2.2 Lapisan Ceramic Shell Coating Primary coating = menggunakan ceramic slurry (material pengikat + material tahan api halus) Secondary coating = menggunakan material tahan api kasar (silica, zircon, alumina, dan aliminium silica) Hardening Dewaxing Sintering Selama 60 menit (primary coating + secondary coating 2 3 mm) Penghilangan pola lilin pada temperatur 120 C selama 60 menit Penghilangan pengotor dan pengerasan ceramic shell pada temperatur 25 730 C
2.3 Komposisi Ceramic Shell (Material Pengikat + Material tahan Api Halus) + AIR (25%-30%) CERAMIC SLURRY Material Tahan Api Kasar = Pasir aluminium silikat, alumina, silica, atau pasir zircon (70%-75%) REFRACTORY MATERIAL CERAMIC SHELL
2.4 Keramik Feldspar Susunan kimia feldspar adalah (K, Na) AlSi3O8 Ketahanan temperatur hingga 1200 C Silika Terdiri dari kristal-kristal silika (SiO2) Ketahanan temperatur hingga 1710 C Alumina Terdiri dari alumina hidrat (Al2O3.nH2O, n = 1, 2, 3) ketahanan temperatur hingga 2040 C
2.5 Sistem Saluran
2.6 Piston Kepala Land atas Alur ring kompresi 1 Land kedua Alur ring kompresi 2 Land ketiga Alur ring oli Skirt Desain crown Bagian piston Celah katup Lubang pin Saluran oli Alur pin Lubang oli Alur pegas pengunci Lubang pin
2.7 Aluminium
2.8 Porositas Permeabilitas Cetakan Permeabilitas rendah menyebabkan udara yang terjebak tidak dapat berdifusi keluar dan membeku didalam dan dipermukaan logam cair Gas Hidrogen (H2) Temperatur penuangan logam cair yang tinggi meyebabkan gas hidrogen di lingkungan mudah larut secara difusi Gas Sulfur Dioksida (SO2) Cetakan Ceramic Shell bereaksi dengan logam cair: CaSO4 => CaO + SO2 2SO2 => S2 + 2O2
2.9 Kekasaran Permukaan Rt = Kekasaran Total Rp = Kekasaran Perataan Ra = Kekasaran rata-rata Aritmetik Rz = Kekasaran Total rata-rata
2.9 Pengujian Spesimen Pengujian kuantitatif Pengujian spesimen Pengujian porositas Pengukuran kekasaran permukaan Pengujian kualitatif
3.1 Diagram Alir Penelitian 3.2 Desain Toroidal Piston 3.3 Material dan Peralatan Penelitian 3.4 Langkah-langkah Percobaan 3.5 Rancangan Lembar Pengambilan Data
3.1diagram Alir Penelitian
3.2 Desain Toroidal Piston Desain Toroidal Piston 3D Desain Toroidal Piston 2D Spesifikasi Piston : Tipe : FORD 1000 cc 1.0LAE Diameter Bore : 70,5mm Panjang Piston : 61,8 mm Diameter Pin : 20 mm Pajang Pin : 54 mm
3.3 Material dan Peralatan Penelitian Neraca Jarum Investment Mixing Basin Pengayak Pasir Lilin (Wax) Jangka Sorong Gypsum Wax Melting Out Container Silicon Rubber Ceramic Powder MATERIAL PERALATAN Burn Out Furnance Dapur Peleburan Logam Pasir Silica Palu Besi Aluminium Paduan Gergaji Logam Mesin Grinding & Polishing Bejana Ukur Timbangan Digital Surface Roughness Tester
3.4 Langkah-langkah Percobaan TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Pembuatan master pola Pembuatan cetakan master pola Duplikasi master pola lilin dan perakitan pohon lilin Pendekatan standart AFS: Panjang sisi sprue atas = 35 mm Tinggi sprue = 210 mm Panjang sisi sprue bawah = 31 mm Panjang sisi gate = 31 mm Perancangan dan pembuatan sistem saluran TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Pembuatan bahan ceramic slurry Pembuatan ceramic slurry dengan perbandingan (alumina) : air adalah 1 : 3 Pengaukan hingga merata selama minimal 10 menit VARIASIKOMPOSISI CERAMIC SLURRY : Ceramic Slurry tipe 1 : 95% Alumina + 5% gipsum Ceramic Slurry tipe 2 : 90% Alumina + 10% gipsum Ceramic Slurry tipe 3 : 85% Alumina + 15% gipsum Ceramic Slurry tipe 4 : 80% Alumina + 20% gipsum TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Pelapisan pohon lilin dengan ceramic shell Pelapisan sekunder dengan pasir silica Proses primary coating sebanyak 5x dan secondary coating sebanyak 3x hingga mencapai ketebalan sekitar 10 mm Pelapisan primer dengan ceramic slurry TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Proses oven cetakan ceramic shell Dewaxing pada temperatur 120 C selama 60 menit untuk memlelehkan pola lilin Sintering bertahap pada temperatur 25 340 C dan 340-730 C Masing-masing dengan engan holding time 30 menit Untuk menghilangkan pengotor dan pengerasan ceramic shell TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Peleburan aluminium paduan pada teperatur 700 C Penghacuran cetakan ceramic shell dan pemotongan produk cor dari sistem saluran Penuangan logam cair kedalam cetakan ceramic shell TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan SURFACE SUBSURFACE TAHAP PERSIAPAN PELAPISAN CERAMIC SHELL PROSES PENGECORAN TAHAP PENGUJIAN
4.1 Pembuatan Pola Lilin 4.2 Pembuatan Ceramic Shell 4.3 Proses Pengovenan Ceramic Shell 4.4 Proses Pengecoran 4.5 Pengukuran Kekasaran Permukaan 4.6 Pengukuran Porositas
4.1 Pembuatan Pola Lilin Pohon Lilin Duplikasi Pola Master Pola Cetakan Pola
4.1 Pembuatan Ceramic Shell Ceramic Shell Coating Pasir Silika Ceramic Slurry Coating Ceramic Slurry
4.3 Proses Pengovenan Ceramic Shell Sintering Tahap 2 Dewaxing Sintering Tahap 1
4.4 Proses Pengecoran Pengecoran 3 Asap Api Peleburan Logam Pengecoran 1 Api Pengecoran 4 Asap Api Pengecoran 2 Api
4.5 Pengukuran Kekasaran Permukaan Bagian Crown Piston Bagian Silinder Bore
4.5 Pengukuran Porositas Pengukuran Massa Spesimen Pengukuran Volume Spesimen
5.1 Produk Hasil Pengecoran 5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan 5.3 Data Hasil Pengukuran Porositas Kuantitatif 5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif
5.1 Produk Hasil Pengecoran Ceramic Shell tipe 1 Ceramic Shell tipe 3 Ceramic Shell tipe 4 Ceramic Shell tipe 2 Pengusutan = 0,16 mm
5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan
5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan
5.3 Data Hasil Pengukuran Porositas Kuantitatif
5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif Produk 1 Produk 2 Produk 3 Produk 4
5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif Produk 1 Produk 2 Produk 3 Produk 4
6.1 Analisa Produk Cor 6.2 Analisa Data Hasil Pengukuran Kekasaran Permukaan 6.3 Analisa Data Hasil Pengukuran Porositas
6.1 Analisa Produk Cor
6.2 Analisa Data Kekasaran Permukaan
6.3 Analisa Data Hasil Pengukuran Porositas
7.1 Kesimpulan 7.2 Saran
7.1 Kesimpulan 1. 2. 3. Peningkatan persentase gipsum (CaSO4) dalam ceramic slurry sebesar 5% hingga 20% telah meningkatkan kekasaran permukaan produk cor dari 7,71μm hingga 11,36μm Peningkatan persentase gipsum (CaSO4) dalam ceramic slurry sebesar 5% hingga 20% telah meningkatkan porositas produk cor dari 5,16% hingga 15,38% Produk cor berupa toroidal piston yang dihasilkan dari investment casting dengan komposisi gipsum (5% hingga 20%) dan alumina (95% hingga 80%) belum dapat menghasilkan produk yang dengan kualitas yang baik
7.2 Saran Untuk mengindari terjadinya ledakan logam cair pada saat penuangan logam cair maka pegecoran harus dilakukan langsung setelah proses sintering selesai