PENINGKATAN UMUR FATIK PADUAN A356.0 UNTUK APLIKASI VELG SEPEDA MOTOR DENGAN METODE CENTRIFUGAL CASTING PUTARAN TINGGI Priyo Tri Iswanto 1, Muhammad Abdus Shomad 2 1 Jurusan Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada 2 Mahasiswa Pascasarjana Prodi S2/S3 Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada e-mail: 1 priyotri@ugm.ac.id ABSTRACT Motorcycle populations in Indonesia were predicted more than 70 millions in 2012. It indicates huge demand of motorcycle accessories. Aluminium alloy motorcycle wheel has been produced by small and medium enterprises in Yogyakarta. Unfortunately, the quality of those motorcycle wheels are not good enough due to the scrap material used, poor casting method, no heat treatment and no addition of grain refiner inoculants. In application, aluminium alloy motorcycle wheels always receive dynamic loads. To achieve overall service performance requirements of aluminium alloy motorcycle wheel, higher mechanical and fatigue properties may also need to be considered. The study related to fatigue strength improvement is very important since more than 90% of structural failures have been affected directly or indirectly by fatigue and about 90% of structural failures are initiated at high stress concentrated parts. The objective of this research is to investigate the effect of rotational speed on fatigue characteristic of aluminum alloy motorcycle wheel. Material used in this research was aluminum alloy A356. The material was melted at temperature of 750 o C in an electric furnace. The mold was pre-heated at temperature of 250 o C using liquefied petroleum gas. Rotational speeds of molding were 750, 950, and 1100 RPM. The 0.008% grain refiner titanium boron was added during melting process. Rotating bending fatigue test was conducted by Ono-type rotating bending fatigue testing machine under rotating speed of 3450 rpm. The hardness distribution was evaluated by a Vickers hardness tester. Rotary bending fatigue test result with stress ratio R= -1 show that fatigue properties of casting products generally increase with increasing of molding rotational speed. S-N curves show the fatigue strength and the number of cycles to failure increase when the rotational speed of molding increases. Keywords : A356, centrifugal casting, cyclic stress, stress ratio, stress amplitude, fatigue life PENDAHULUAN Populasi sepeda motor di Indonesia sampai dengan 2012 diprediksi lebih dari 77 juta unit (Badan Pusat Statistik, 2012). Hal tersebut mengindikasikan populasi sepeda motor dan permintaan terhadap komponen sepeda motor termasuk didalamnya velg akan sangat tinggi. Tingkat persaingan pasar komponen otomotif terutama dari produk impor semakin tinggi, menyusul kesepakatan perdagangan bebas Asean-China (ACFTA). Produk komponen otomotive dari kawasan China dan Asean membanjiri pasar Indonesia (Afriyanto, 2010). Akibatnya berdampak kurang baik terhadap industri-industri otomotif dalam negeri. Velg cor paduan aluminium telah dapat diproduksi oleh dua industri kecil dan menengah IKM di Yogyakarta, tetapi masih ada kendala karena kualitas produk yang masih jauh dibandingkan velg buatan pabrik (Kuncahyo, 2010). Rendahnya kualitas produk cor tersebut dikarenakan diantaranya; material yang digunakan adalah aluminium skrap, metode pengecoran yang konvensional, tanpa heat treatment dan tanpa penghalus butir. Iswanto dkk (2011) menyatakan bahwa kecepatan putar, proses heat treatment T6, grain refiner AL-TiB dapat meningkatkan secara signifikan sifat fisis dan mekanis velg aluminium sekrap A356.0. Chirita, dkk (2008) menyatakan bahwa kecepatan putar pada centrifugal casting dapat meningkatkan rupture strength hampir 35% dan rupture strain sekitar 160%. Vassiliou, dkk (2008) menyatakan bahwa kecepatan putar pada centrifugal casting, temperatur cetakan dan temperatur tuang mempengaruhi kualitas produk yang dihasilkan. Mohan, dkk (2008) menyatakan bahwa vertical centrifugal casting dapat menghasilkan produk yang berbentuk hollow cylindrical dengan tebal seragam pada kecepatan putaran 1600 RPM dan temperatur tuang 1173 K. Sabatino, dkk (2006) meneliti pengaruh temperatur dan unsur paduan terhadap fluiditas paduan Al-Si. Hasil penelitian menunjukkan bahwa temperatur penuangan memiliki pengaruh yang sangat nyata terhadap fluiditas logam cair. Gwózdz dan Kwapisz (2008) menyatakan bahwa laju pembekuan berpengaruh besar terhadap sifat mekanis, yang dapat dilihat dari yield s strength untuk paduan Al-Cu-Si sebesar 197 MPa, paduan Al-Mg-Si sebesar 243 MPa. Mo ller, dkk (2007) menyatakan bahwa kandungan Mg B-65
dapat memberikan pengaruh yang sangat siginifikan terhadap perilaku natural dan artificial aging paduan aluminium. Peningkatan kandungan Mg pada paduan aluminium akan menghasilkan kenaikan indek kualitas. Szajnar dan Wróbel (2007) menyatakan bahwa terjadi pengecilan ukuran butir aluminum EN AW-A199.5 setelah ditambahkan inokulan TiB. Hal tersebut merupakan hasil pembentukan Ti 3 Al dan CuTi 2 dari pengintian heterogen. Pengaruh arficial aging terhadap laju perambatan retak fatik Al 2024 menunjukkan bahwa bahan yang mempunyai kekuatan tarik semakin tinggi menghasilkan laju perambatan retak yang semakin rendah, semakin tinggi temperatur penuaan memberikan hasil laju perambatan retak yang semakin rendah (Pramuko dan Jamasri, 2004). Ukuran porositas terbesar (maximum pore size) inklusi dan ukuran sel dendrit dapat mempengaruhi umur fatik (Jordon dkk, 2010). Cacat lapisan oksidasi (oxide film), atau inklusi (intermetallic inclusions), dapat menyebabkan terjadinya inisiasi retak fatik, menurunkan umur pakai (lifetime), dan mengurangi cyclic strength (Mayer dkk, 2003). Besarnya rasio beban (R) menyebabkan kurva semakin bergeser ke arah kiri dimana dengan faktor intensitas tegangan (ΔK) yang sama laju perambatan retak (da/dn) yang terjadi untuk R=0,3 lebih besar dibandingkan dengan R=0,1 (Sanyoto, dkk, 2008). Umbu E, (2010) menyatakan bahwa semakin tinggi putaran pada centrifugal casting akan menurunkan crack growth rate pada pengecoran velq A356 skrap. Dari uraian di atas, munculah pertanyaan bagaimanakah efek putaran terhadap sifat fatik bahan aluminium paduan A356. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan kwantitatif antara variasi kecepatan putar 750, 950 dan 1100 RPM pada centrifugal casting dengan penambahan inokulan Al-Ti-B 7.5% terhadap umur fatik karena rotary bending stress pada paduan A356.0 untuk velg sepeda motor. Seluruh struktur yang menerima beban dinamis perlu dilakukan penelitian kelelahan karena sekitar 90% kegagalan struktur diakibatkan oleh fatik yang dimulai dari tempat terjadinya konsentrasi tegangan (Nishida, 1992). METODE PENELITIAN Tahapan pengacoran dimulai dengan uji coba memutar cetakan sesuai dengan variasi putaran yang telah ditentukan. Pada tahap ini, peneliti melakukan uji coba terhadap unjuk kerja sistem centrifugal casting. Gambar 1 dibawah ini menyajikan cetakan dan meja centrifugal casting serta proses pre-heating. Uji coba untuk mengetahui fungsi sistem sentrifugal casting yaitu, kemudahan dalam buka tutup cetakan saat kondisi panas, fungsi ejektor untuk mengeluarkan hasil coran dari cetakan, serta berfungsi atau tidaknya laluan udara agar tidak ada udara terjebak. Jika hasilnya memuaskan maka dilanjutkan pada tahapan ke dua. Tahap berikutnya adalah melakukan pre-heating cetakan dengan temperatur 250 0 C. Proses pre-heating menggunakan liquefied petroleum gas (LPG), yaitu dengan menempatkan burner diantara cetakan atas dan bawah sampai temperatur cetakan mencapai 250 0 C, seperti yang tersaji pada Gambar 1. Setelah terkonfirmasi suhu cetakan 250C, maka dilanjutkan dengan proses peleburan paduan aluminium A356 yang akan dituangkan pada cetakan pada suhu tuang 750C. Proses selanjutnya cetakan diputar dengan variasi putaran sebesar 750, 950 dan 1100 RPM. Setelah cetakan dingin, velg kendaraan roda dua yang dihasilkan kemudian dipotong-potong dibuat specimen uji. Proses selanjutnya adalah pembuatan benda uji tarik dengan standar ASTM E-8M. Specimen uji impak menggunakan specimen menurut standart ASTM-E23. Pengujian fatik dilakukan dengan menggunakan rotary bending fatigue testing machine atau Ono machine (Gambar 3). Specimen yang digunakan sesuai dengan standar JIS2201 (Gambar 3). Gambar 1. Cetakan dan meja putar (kiri) proses preheating cetakan (kanan) B-66
Gambar 2. Rotary bending fatigue testing machine (kiri) benda uji fatik (kanan) PEMBAHASAN Produk centrifugal casting.produk centrifugal casting setelah dingin dikeluarkan dari cetakan seperti tersaji pada Gambar 3. Hasil produk pengecoran secara umum cukup baik, dimana cetakan dapat terisi penuh. Hal tersebut karena adanya gaya sentrifugal yang mendorong cairan logam untuk mengisi seluruh bagian cetakan. Cacat produk tak terlihat secara jelas, sehingga proses pengecoran centrifugal casting berjalan dengan sukses. Uji komposisi. Hasil uji komposisi tersaji pada Tabel 3. Hasil uji komposisi menunjukan bahwa material yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai kandungan utama Al 92,45%, Si 7,25% dan Mg 0,08%. Material dengan kandungan seperti tersebut mendekati paduan aluminium A356 (Zolotorevsky, 2007), namun kandungan Mg masih dibawah standard. Uji tarik impak dan kekerasan. Tabel 2 menyajikan data-data variasi putaran, ultimate tensile strength (UTS), harga impak dan harga kekerasan. Secara umum harga UTS berfluktuasi terhadap kenaikan putaran. Hubungan antara harga impak (HI) dengan variasi putaran secara umum menunjukan HI berfluktuasi terhadap kenaikan putaran. Hubungan antara kekerasan (VHN) dengan variasi putaran secara umum menunjukkan harga VHN berfluktuasi terhadap kenaikan putaran. Hal tersebut karena kuat tarik, harga impak dan kekerasan ditentukan oleh kekuatan ikatan secara rata-rata diantara atom atom yang ada, sehingga jika terdapat cacad maka kuat tarik, harga impak dan kekerasan tidak akan banyak berubah. Gambar 3. Produk centrifugal casting B-67
Tabel 1. Komposisi kimia (% mass) Unsur Al Si Mg Ti Fe (%) 92,45 7,25 0,08 0.09 0.12 Tabel 2. Hubungan variasi putaran terhadap UTS dan HI serta hardness No Putaran (RPM) UTS (MPa) HI (J/mm 2 ) Hardness (kg/mm 2 ) 1 750 141 0.0361 17.12 2 950 133 0.0418 13.48 3 1100 152 0.0373 11.98 Gambar 4. Hubungan amplitudo tegangan vs jumlah siklus Uji Fatik. Pengujian fatik dilakukan untuk mendapatkan kurva hubungan antara beban (tegangan) dan umur fatik. Pengujian dilakukan dengan menggunakan rotary bending fatigue testing machine. Specimen yang digunakan sesuai dengan standar JIS2201. Hasil dari pengujian fatik ditampilkan dalam diagram semilog hubungan antara tegangan dan umur fatik dimana untuk umur fatik digunakan skala log, sedangkan tegangan digunakan skala normal. Hasil pengujian fatik disajikan pada Gambar 4. Kurva hubungan antara beban (tegangan) dan umur fatik yang diperoleh menunjukan semakin tinggi putaran centrifugal casting akan meningkatkan kuat fatik spesimen. Hal tersebut karena semakin tinggi putaran akan menghasilkan semakin besar gaya sentrifugal yang akan mendorong semakin kuat cairan logam mengisi cetakan dan mendorong udara keluar cetakan. Hal tersebut akan mengakibatkan semakin sedikitnya porositas dan void yang terjadi pada hasil coran. Jika cacad cacad seperti void atau porositasnya berkurang maka fatigue strength maupun umur fatik akan meningkat. Hal tersebut karena fatigue strength ditetntukan oleh kekuatan ikatan terlemah diantara atom atom yang ada, sehingga jika banyak cacad maka fatigue strength akan turun karena retak akan cepat merambat. B-68
Pengamatan struktur mikro. Gambar 5 menyajikan foto struktur mikro specimen setelah dietsa. Hasil pengamatan metalografi menunjukkan specimen benar benar menunjukan ciri paduan aluminium A356. Gambar 5. Struktur mikro paduan aluminium A356 KESIMPULAN Dari proses perancangan, implementasi dan pengujian dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Umur fatik meningkatkan jika putaran centrifugal casting semakin tinggi. 2. Kuat tarik, harga impak dan kekerasan tidak banyak dipengaruhi kecepatan putaran centrifugal casting DAFTAR PUSTAKA Afriyanto, 2010, Pasar Komponen Otomotif Tumbuh 15%, Harian Bisnis Indonesia. Badan Pusat Statistik, 2012, Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis tahun 1987-2012, available at http://www.bps.go.id/, diakses 25 Januari 2012. Chirita, G., Soares, D., and Silva, F.S., 2008, Advantages of the Centrifugal Casting Technique for the Production of Structural Components with Al Si Alloys. Gwózdz, M., and Kwapisz, K., 2008, Influence of Ageing Process on the Microstructure and Mechanical Properties of Aluminium-Silicon Cast Alloys - Al-9%Si-3%Cu and Al-9%Si-0.4%Mg. Iswanto P.T, Ilman, M.N., Masyari, 2011, Pengaruh Kecepatan Putar Dan Perlakuan Panas T6terhadap Sifat Fisis Dan Mekanis Paduan Aluminium A356.0 Velq Sepeda Motor Pada Centrifugal Casting, Laporan Penelitian DPP 2011. Jordon, J.B., Horstemeyer, M.F., Yang, N., Major, J. F., Gall, K.A., Fan, J., McDowell, D.L., 2010, Microstructural Inclusion Influence on Fatigue of a Cast A356 Aluminum Alloy, Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 41A. Kuncahyo, 2010, Sifat Fisis Dan Mekanis Velg Kendaraan Roda Dua 14 Poduksi Lokal Dan Produksi Pabrikan Tugas Akhir Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Mayer, H., Papakyriacou, M., Zettl, B., Stanzl, S.E-Tschegg, 2002, Influence of Porosity on the Fatigue Limit of Die Cast Magnesium and Aluminium, Elsevier, International Journal of Fatigue 25 (2003) 245 256. Mohan, S., Pathak, J.P., Chander N., and Sarkar, S., 2008, Surface Studies of Centrifugally Cast Aluminum-based Lead Bearing Composites. Mo ller, H., Govender, G., and Stumpf, W.E., 2007, Natural and Artificial Aging Response of Semi Solid Metal Processed Al Si Mg Alloy A356. Nishida S., 1992, Failure Analysis in Engineering Application, Butterworth Heinemann. B-69
Pramuko, I.P., Jamasri, 2004, Pengaruh Artificial Aging terhadap Laju Perambatan Retak Fatik Al 2024, Jurnal Teknik Gelagar, Vol 15, No 01. Sabatino, M.D., Shankar, S., Apelian, D., and Arnberg, L., 2006, Influence of Temperature and Alloying Elements on Fluidity of Al-Si Alloys. Sanyoto, B.L., 2008, Laju Perambatan Retak Plat Aluminium 2024 T3 dengan Beban Fatigue Uniaksial pada Rasio Beban dan Jarak Diameter Lubang Berbeda, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Cakram, Vol.2, No. 2. Szajnar, J., and Wróbel, T., 2007, Inoculation of Aluminium with Titanium and Boron addition. Umbu E., 2011, Pengaruh Putaran Centrifugal Casting Dan Heat Treatment T6 Velg Dari Bahan Aluminium Scrap Terhadap Karakteristik Perambatan Retak Fatik, Tesis Prodi S2 JTMI FT UGM. Vassiliou, A.N., Pantelis, D.I., and Vosniakos, G.C., 2008, Investigation of Centrifugal Casting Conditions Influence on Part Quality. Zolotorevsky, V.S., Belov, N.A., and Galzoff, M.V., 2007, Casting Aliminum Alloys, ISBN-13: 978-0-08-045370-5, Elsevier Ltd. B-70