Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 49 Analisis Coran Kuningan dari Limbah Rosokan dan Gram-Gram Sisa Permesinan untuk Komponen Permesinan Supriyanto Jurusan Teknik Mesin, Universitas Janabadra Yogyakarta Abstrak: Kuningan adalah logam yang cukup banyak digunakan dalam kebutuhan rumah tangga maupun dalam industri, tetapi penggunaannya sebagian besar untuk peralatan dan aksesoris rumah tangga. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik paduan dari bahan dasar rosokan dan gram-gram kuningan sisa permesinan yang dilebur dengan dapur peleburan kowi. Hasil coran ini dianalisis apakah bisa langsung dimanfaatkan untuk komponen-komponen permesinan sesuai standar yang berlaku dengan pengujian sifat-sifat fisis dan mekanis. Hasil pengujian komposisi kimia paduan kuningan mengandung unsur utama yaitu Tembaga (Cu) sebesar 65,493 % dan seng (Zn) sebesar 34,506 % serta unsur-unsur lainnya. Kekuatan tariknya adalah 19.3055 kg/mm 2. Kekerasannya adalah HB 110.44 kg/mm 2. Bahan ini termasuk jenis kuningan CuZn 4D lunak Dari pengujian tersebut hasil coran ini belum layak untuk bahan dasar komponen permesinan. Kata kunci : Gram, permesinan, coran 1. Latar Belakang Teknologi bahan sekarang ini mengalami perkembangan yang cukup bagus, kebutuhan akan material yang kuat, ringan dan murah sangat diperlukan dalam proses permesinan, sehingga daya saing harga jual dari suatu produk permesinan dituntut sangat kompetitif tanpa mengurangi kualitasnya. Para produsen berlombalomba mengembangkan inovasi material dengan berbagai macam metode, mulai dari komposisinya sampai bermacam perlakuan panas pada material tersebut. Teknik pembuatan material juga mengalami bermacam perkembangan, termasuk teknik pengecoran atau penuangan logam. Berbagai teknik dalam pengecoran logam tersebut dikembangkan untuk mengurangi atau memperkecil terjadinya cacat-cacat hasil coran. Industri kecil menengah bersekala industri rumahan masih banyak menggunakan teknologi pengecoran konvensional. Dengan teknologi sederhana ini dapat menghasilkan produk-produk kebutuhan rumah tangga dengan bahan baku rosokan kuningan dan gram-gram sisa permesinan. Hasil coran ini perlu dianalisa lebih lanjut kualitasnya apakah dapat digunakan untuk berbagai produk-produk atau komponen permesinan yang sifat fisis dan mekanisnya sesuai standar yang berlaku. 2. Rumusan Masalah Dari bahan dasar rosokan kuningan dan bram kuningan sisa-sisa permesinan yang dilebur dengan dapur peleburan kowi, apakah dapat diperoleh komponenkomponen untuk permesinan dengan melalui pengujian sifat-sifat fisis dan mekanismenya sesuai standar yang berlaku 3. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa hasil pengecoran kuningan dari bahan dasar rosokan kuningan dan gram kuningan sisa permesinan yang biasanya untuk produk-produk rumah tangga dan meubeller, apa bisa digunakan untuk bahan teknik permesinan sesuai dengan standar yang berlaku.
50 Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 4. Dasar-dasar Pengecoran Setiap Logam baik itu fero maupun nonfero akan mencair bila dipanaskan pada suhu tinggi. Logam cair mempunyai sifat yang mirip dengan air dalam beberapa hal, tetapi dalam hal berat jenis, kekentalan dan temperatur yang mempengaruhinya sangat berbeda. Sedangkan kekentalan logam cair akan semakin rendah pada temperatur yang semakin tinggi. Berat jenis dan temperatur lebur untuk berbagai jenis logam akan berbeda dengan jenis lainnya. Hal ini mempengaruhi teknik penuangan untuk tiap jenis logam yang disesuaikan dengan karakteristik logam cair tersebut. Pada umumnya dalam setiap pengecoran melewati beberapa tahap antara lain; paternmaking (pembuatan pola cetakan), coremaking (pembuatan inti), molding (pembuatan cetakan), melting and pouring (pencairan dan penuangan logam), dan cleaning (pembongkaran cetakan) kemudian membersihkan coran. 5. Kuningan (brass) Kuningan pada dasarnya adalah paduan tembaga dengan seng sebagai unsur paduan utama. Diagram kesetimbangan Cu Zn dapat dilihat pada Gambar 2.1. Larutan padat alpha (α, fcc) dapat melarutkan seng hampir 39% pada temperatur 950 0 C dan sedikit menurun pada temperatur yang lebih rendah. Pada larutan padat α, dengan kenaikan kadar seng kekuatan akan baik, juga keuletannya. Larutan padat α ini mencapai kombinasi kekuatan-keuletan paling baik pada komposisi 70Cu 30Zn. Dengan kadar seng lebih tinggi (>38%) akan tampak adanya struktur baru yaitu fase β yang mengalami ordering menjadi β 1. Fase β 1 ini lebih keras dan getas, sehingga sulit dideformasi dingin. Menurut strukturnya kuningan dapat dikelompokkan menjadi alpha brass dan alpha + beta brass. Karakteristik struktur dan perilaku mekanik paduan industri yang disebut kuningan ini dapat dijelaskan dengan menggunakan ujung kaya-tembaga pada diagram tersebut. Gambar 1. Diagram fasa Cu Zn (Tata Surdia, 1999, Pengetahuan Bahan Teknik, Hal. 124) Tembaga melarutkan seng hingga 40% dan pendinginan paduan ini menghasilkan sejumlah besar larutan padat primer (fcc-α). Sebaliknya, larutan padat primer (η) sangat terbatas. Ciri khas diagram fasa ini adalah kehadiran empat fasa intermedit (β, γ, δ, ε). Masing-masing terbentuk selama pembekuan dengan reaksi peritektik dan memiliki rentang komposisi tertentu. Ciri lain adalah transformasi tertata tak tertata (order disorder) yang terjadi pada paduan dengan kadar Seng sekitar 50%, pada selang temperatur ini terdapat fasa β-bcc sebagai larutan padat tak-tertata. Pada temperatur lebih rendah, atom Seng terdistribusi merata di dalam kisi bcc: fasa tertata ini disebut β 1. Jenis-jenis Kuningan adalah sebagi berikut: 5.1. Alpha Brass Alpha brass, kuningan dengan fase tunggal larutan padat α dengan kadar Zn maksimum 35 %. Dikenal memiliki sifat tahan korosi yang cukup baik dan mudah dideformasi dingin (cold worked). Warnanya bervariasi mulai dari kemerahan (pada kadar Zn rendah) sampai kekuningan (pada kadar Zn yang lebih tinggi), Karena itu alpha brass dapat dibagi menjadi yellow αlpha brass dan red brass.
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 51 5.2. Yellow Alpha Brass Yellow alpha brass mengandung 20-36%Zn, memiliki kombinasi kekuatan dan keuletan yang bagus. Sangat baik untuk barang-barang yang harus mengalami tingkat cold-work yang tinggi pada saat pembuatannya. Sifat tahan korosinya agak kurang baik bila dibandingkan dengan red brass yang mengandung lebih sedikit seng. Yellow αlpha brass cenderung akan mengalami season cracking (stress corrostion cracking) yaitu retak yang terjadi akibat korosi yang terjadi karena adanya tegangan sisa (residual stress). Tegangan sisa ini terjadi setelah mengalami deformasi dingin pada proses pengerjaan. Karena itu untuk mencegah timbulnya season cracking, setelah dideformasi dingin harus diikuti dengan dipanaskan kembali sekitar 60 0 C untuk menghilangkan tegangan sisa (stress relief annealing). 5.3. Red Brass Kandungan Sengnya lebih sedikit (5-20%), keuletan cukup tinggi, sifat tahan korosinya lebih baik, tidak ada kecenderungan terjadinya season cracking, dan dezincification. Hanya saja agak sulit dimachining, dan harganya lebih mahal dari pada yellow alpha brass. Gilding metal (5%Zn) dapat digunakan untuk koin, mendali, emblem, plaket, dll, terutama yang akan dipolesi halus dan dilapisi emas. Commercial bronze (10%Zn) berwarna mirip perunggu, mudah dicold work maupun dihot-work, digunakan untuk sekrup, keeling, benda tempaan, dan lain-lain. Red brass (15%Zn) mempunyai sifat tahan korosi yang terbaik diantara semua kuningan dan sangat baik untuk alat-alat yang berhubungan dengan air sadah, karena banyak dipakai untuk pipa-pipa radiator, kondensator dan lain-lain. 5.4. Alpha Plus Beta Brass Kuningan ini mengandung 38-46 % Zn, terdiri dari dua fase α dan β 1, β 1 ini lebih keras dang getas sehingga kuningan ini sulit dicold work, tetapi pada temperatur yang agak tinggi β 1 berubah menjadi β yang sangat plastik, sehingga mudah dihot work, terutama bila dipanaskan mencapai derah fase tunggal β. Yang banyak digunakan adalah Munix metal (60Cu-40Zn), yang mempunyai kekuatan tinggi dan sangat baik untuk dihotwork. Bila didinginkan cepat dari daerah β maka α tidak sempat terbentuk, sehingga struktur pada temperatur kamar tetap β. Dengan pemanasan kembali pada temperatur yang lebih rendah akan ada sedikit α yang keluar. Dengan demikian dimungkinkan untuk melakukan Heat treatment terhadap kuningan ini. Kuningan ini banyak digunakan untuk Condenser head and tube, valve dll. Sifat machinability nya dapat diperbaiki dengan menambahkan sedikit timah hitam. Free cutting brass (61,5Cu-35,5Zn-3Pb) mempunyai sifat machinability yang paling baik. Penambahan timah putih akan menaikkan sifat tahan korosi terhadap air laut. Naval brass (60Cu-39,25Zn-0,75Sn) banyak digunakan untuk pelat kondensor, poros propeller, batang katup dll. Penambahan sedikit timah hitam juga akan memperbaiki machinability. Manganase brass (58,5Cu- 39Zn-1,4Fe-1Sn-0,1Mn) memiliki kekuatan yang tinggi dikombinasikan dengan sifat tahan aus yang sangat baik, banyak digunakan untuk pelat kopling, poros, batang katup, pompa, kawat las dan lainlain. Low brass (20%Zn) banyak digunakan untuk benda-banda hiasan, alat musik, pipa fleksibel dan bebagai benda yang dibuat dengan deep drawing.
52 Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 6. Diagram Alir penelitian Gambar 4. Bram kuningan sisa-sisa permesinan 7.2. Cetakan Gambar 2. Diagram Alir Penelitian 7. Bahan Penelitian dan Cetakan 7.1. Bahan Penelitian Bahan yang akan dilebur berasal dari rosokan kuningan dan gram kuningan sisasisa permesinan. Bahan yang diambil dengan pertimbangan komposisi yang masih belum diketahui secara pasti kandungannya tanpa memperhitungkan rosokan kuningan berasal. Pemilihan cetakan dipilih menggunakan pasir cetak, lebih spesifiknya memilih pasir gunung dan pasir silika untuk membuat cetakan. Pasir cetak yang dipilih harus memenuhi sifat-sifat persyaratan sebagai berikut: - Mempunyai sifat mampu bentuk - Permeabilitas yang cocok - Distribusi besar butir yang merata - Tahan panas terhadap temperatur logam yang dituang. - Mampu dipakai lagi - Pasir harus murah. 8. Peleburan dan Penuangan 8.1. Persiapan Peleburan Bahan-bahan yang dipersiapkan sebelum proses peleburan antara lain: - Bahan baku yang terdiri dari: Kuningan bekas, merupakan bahan baku yang paling umum dipakai. Gram kuningan sisa-sisa permesinan. - Bahan bakar, yang berupa minyak tanah. - Batang karbon, pemberian batang karbon dimaksudkan agar terak dapat mudah terangkat sehingga kuningan cair benar-benar bersih sewaktu akan dituang. Gambar 3. Rosokan kuningan
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 53 8.2. Penyalaan dan Peleburan Penyalaan disiapkan kira-kira 5 sampai 6 jam sebelum dilakukan penuangan. Dalam peleburan kuningan ini, campuran terdiri dari rosokan kuningan dan gram kuningan sisa-sisa permesinan dimasukkan kedalam Dapur Kowi. Setelah mencair baru dilakukan penambahan batang karbon. Pada Temperatur cairan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan kehilangan Seng karena penguapan sedangkan pada temperatur yang terlalu rendah menyebabkan penghilangan gas yang tidak cukup. Titik cair dari berbagai paduan kuningan cor seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Titik cair paduan kuningan cor Bahan Titik Cair 85% Cu 15% Zn 1.150 1.200 0 C 70% Cu 30% Zn 1.080 1.130 0 C 60% Cu 40% Zn 1.030 1.080 0 C (Tata Surdia, 1982, Teknik Pengecoran Logam, Hal. 169) Pada penelitian ini pengukuran temperatur diabaikan, yaiu dengan menggunakan teknik pengamatan warna logam cair dan tingkat kekentalan yang dihasilkan selama proses peleburan, pengamatan Temperatur optimal dalam peleburan kuningan ini adalah bila tampak warna nyala api yang terang dan jernih. pada logam cair, hal ini akan menyebabkan terjadinya cacat. Gambar 6. Penuangan Gambar 5. Peleburan 9. Penuangan Logam Cair Dalam penuangan logam cair, selain temperaturnya dijaga agar tidak terlalu tinggi, kuningan cair harus benar-benar bersih dari terak-terak yang terkandung di dalamnya. Oleh karena itu sebelum dituang kuningan cair diberi batang karbon dari batu baterai secukupnya. Hal ini bertujuan agar terak-terak yang terkandung dapat dengan mudah terangkat ke atas sehingga pengambilannya mudah. Penuangan dilaksanakan dengan manual secara kontinyu dan tidak terputus sampai volume penuangan penuh. Jika penuangan terputus maka proses pembekuannya tidak sempurna karena adanya perbedaan suhu 10. Hasil Pengujian Komposisi Kimia Hasil pengujian komposisi kimia terlihat pada Tabel 2. Table 2. Hasil Uji Komposisi Kimia Unsur Berat % Sn 0.06374 Pb 0.45838 Zn 34.5060 Al 0.72241 Mn 0.08388 Ni 0.05578 Sb 0.01248 Cu 65.4930 Hasil pengujian Komposisi bahwa coran Kuningan ini mengandung unsur utama
54 Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 yaitu Tembaga (Cu) sebesar 65,493 %, Seng (Zn) sebesar 34,506 % serta unsurunsur paduan Timah (Sn) sebesar 0,06374 %, Timbal (Pb) sebesar 0,45838 %, Nikel (Ni) sebesar 0,05578 %, Aluminium (Al) sebesar 0,72241 %, dan unsur Submit (Sb) 0.01248 %, paduan Kuningan ini kecenderungannya membentuk fasa α murni (Gambar 1. Diagram Fasa Cu-Zn). 11. Hasil Pengujian Tegangan Regangan 12. Hasil Pengujian Kekerasan Bahan Table 4. Hasil Uji Kekerasan Brinel Kekerasan Brinell No HB (Kg/mm 2 ) 1 108.66 2 110 3 112.66 Ratarata 110.33 Tabel 3. Hubungan tegangan regangan Gambar 8. Grafik Nilai Kekerasan Rata-rata Gambar 7. Grafik Hubungan Tegangan Regangan Pada pengujian tarik, Kekuatan tarik maksimum-nya 19.3055 kg/mm 2 dan benda uji mengalami deformasi (regangan) 2.833 %. Coran Kuningan ini termasuk logam yang memiliki keuletan yang kurang baik (getas).. Hal ini dapat diperbaiki dengan penambahan unsur Aluminium (AL) untuk memperbaiki keuletannya, unsur Seng (Zn) memperbaiki kekuatannya serta meningkatkan mampu bentuk.. Paduan Nikel (Ni) juga memberikan sumbangan pada kekuatan, walau beberapa sifat larutan padat nikel yaitu ulet, kuat dan tahan korosi. Dari hasil pengujian Kekerasan, terlihat pada Tabel 4 bahwa didapatkan Kekerasannya adalah 110.44 kg/mm 2. Hal ini dipengaruhi kandungan unsur Seng 34.5%, mampu meningkatkan kekerasan dan kekuatannya, begitu juga unsur Mangan (Mn) mampu memperbaiki Kekuatan tarik dan Ketahanan ausnya. Semakin besar kadar Mangan-nya akan bertambah keras paduan yang dibentuk dan keuletannya berkurang 13. Hasil Gambar Struktur Mikro Gambar 9. Struktur mikro kuningan perbesaran 100x
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 55 Dari Struktur mikro pada Gambar 9, terlihat fasa β seperti garis yang tak beraturan dan fasa α penyebarannya lebih mendominasi. Penyebarannya fasa α dan fasa β yang hampir seimbang. Fasa β yang didominasi oleh unsur Seng dengan bentuk garis tak beraturan tersebut kecenderungannya mempunyai sifat meningkatkan Kekuatan tarik sedangkan pengaruh unsur Timbal (Pb) dalam Kuningan dapat mengendap dalam batas butir, didalam butir terdispersikan secara halus, hal ini akan memperbaiki mampu mesin dan membuat permukaan yang halus, juga memperbaiki sifat gesek. Dari Tabel 5. terlihat bahwa hasil penelitian ini termasuk logam jenis Kuningan CuZn 4D lembek. Hasil Coran ini Tegangan Tarik dan Regangannya kurang dari yang diijinkan. Sedangkan Kekerasanya berada pada daerah yang dijinkan. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa Logam hasil coran ini kurang memenuhi syarat untuk komponen permesinan. Tabel 5. Beberapa Sifat Mekanis dari Logam-logam yang banyak Dipakai (Sumber : Van Vliet, Teknologi Untuk Bangunan Mesin Bahan Bahan 1 ) 14. Kesimpulan 1) Hasil pengujian komposisi kimia menunjukkan bahwa Kuningan rosokan mengandung unsur utama yaitu Tembaga (Cu) sebesar 65,493 % dan seng (Zn) sebesar 34,506 % serta unsur-unsur paduan lainnya, kuningan ini baik digunakan pada pengerjaan dingin. 2) Kekuatan Tarik maksimumnya adalah 19.3055 kg/mm 2 sedangkan Kekerasan adalah HB 110.44 kg/mm 2. logam ini termsuk jenis Kuningan CuZn 4D lembek. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa Logam hasil coran ini kurang memenuhi syarat untuk komponen permesinan.
56 Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010 15. Saran Untuk meningkatkan Kekuatan tarik dan ketangguhannya maka perlu ditambahkan sedikit unsur Aluminium dan Antimon Daftar Pustaka Amstead, B.H., 1997, Teknologi Mekanik Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta. Alfred Jensen, 1991, Kekuatan Bahan Terapan, Penerbit Erlangga, Jakarta Bishop R.J., 2000, Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material, Penerbit Erlangga, Jakarta Dieter G. E., 1988, Metalurgi Mekanik, Penerbit Erlangga, Jakarta JIS HAND BOOK, 1972, Ferrous Metal and Metallurgy. Sumanto, 1994, Pengetahuan Bahan Untuk Mesin dan Listrik, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta Tata Surdia, 1982, Teknik Pengecoran Logam, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Tata Surdia, 1999, Pengetahuan Bahan Teknik, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Van Vlack, L.H., 1991, Ilmu Dan Teknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta. Van Vliet, G.L.J., 1984, Teknologi Untuk Bangunan Mesin Bahan Bahan 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.