ANALISA PENGARUH PENAMBAHAN Mg PADA KOMPOSIT MATRIK ALUMINIUM REMELTING PISTON BERPENGUAT SiO2 MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING TERHADAP KONDUKTIVITAS TERMAL DAN KETAHANAN AUS SKRIPSI Oleh : IMAM SUPRYATMA I1413017 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016
ANALISA PENGARUH PENAMBAHAN Mg PADA KOMPOSIT MATRIK ALUMINIUM REMELTING PISTON BERPENGUAT SiO2 MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING TERHADAP KONDUKTIVITAS TERMAL DAN KETAHANAN AUS SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : IMAM SUPRYATMA I1413017 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i
ii
iii
ANALISA PENGARUH PENAMBAHAN Mg PADA KOMPOSIT MATRIK ALUMINIUM REMELTING PISTON BERPENGUAT SiO2 MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING TERHADAP KONDUKTIVITAS TERMAL DAN KETAHANAN AUS ABSTRAK Imam Supriyatma Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta E-mail : supriatmno1@gmail.com Abstrak Aluminium merupakan salah satu material tambang yang keberadaannya semakin menipis di kerak bumi, namun permintaan aluminium semakin meningkat setiap tahunnya. Penggunaan aluminium scrap (daur ulang) mulai diminati oleh pelaku usaha. Alasan penggunaan aluminium scrap adalah lebih ekonomis dan ramah lingkungan. Kekurangan dari aluminium scrap adalah kekuatan mekaniknya yang rendah. Untuk meningkatkan kekuatan mekanik pada aluminium scrap dibutuhkan perlakuan khusus dengan penambahan unsur kimia lain. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan Mg pada komposit Al-SiO2 terhadap konduktivitas termal dan ketahanan aus yang dimiliki. Penelitian ini memakai fraksi massa SiO2 (mesh 270) sebesar 9% wt dan variasi penambahan Mg 0% wt, 1% wt, 1,5% wt, 2% wt, dan 2,5% wt. Dengan proses pembuatan komposit menggunakan metode stir casting dengan suhu pengadukan 650 O C, kecepatan 600 rpm selama 5 menit, dan suhu penuangan 725 O C. Hasil pengujian konduktivitas termal menunjukkan peningkatan nilai konduktivitas termal seiring dengan penambahan Mg, dari 14,061 W/m O C (tanpa penambahan Mg) menjadi 28,947 W/m O C (penambahan Mg 2,5% wt). Berbeda halnya dengan hasil pengujian keausan, nilai laju keausan mengalami penurunan dari 4,441x10-3 mm³/s (tanpa penambahan Mg) menjadi 0,95x10-3 mm³/s (penambahan Mg 1,5% wt) dan mengalami peningkatan menjadi 8,129x10-3 mm³/s (penambahan 2,5% wt). Kata Kunci: komposit, aluminium, SiO2, magnesium, stir casting, konduktivitas termal, ketahanan aus. iv
ANALYSIS OF EFFECT ADDITION Mg ON ALUMINIUM MATRIX COMPOSITE REMELTING PISTON REINFORCED SiO2 USING STIR CASTING METHOD FOR THERMAL CONDUCTIVITY AND WEAR RESISTANCE Imam Supriyatma Mechanical Engineering Sebelas Maret University Surakarta E-mail : supriatmno1@gmail.com Abstract Aluminum is one of the mining material that the existence is decline in the earth crust. However, the aluminum demand is increasing every year. The using of aluminum scrap (recycling) was began to demand by businesses. The reason of using aluminum scrap is more economical and environmental friendly, but disadvantage of aluminum scrap is a low mechanical strength. To enhance the mechanical strength of the aluminum scarp has required special treatment with the additional of another chemical element. This research aims to know the effect of additional Mg on Al-SiO2 composites for thermal conductivity and wear rate. This study used the mass fraction of SiO2 (270 mesh) by 9% wt and the variation of the additional Mg 0% wt, 1% wt, 1.5% wt, 2% wt, and 2.5% wt. The composite manufacturing process using stir casting method with a temperature of 650 O C stirring speed of 600 rpm for 5 minutes, and the pouring temperature of 725 O C. The results test was showed an increase the thermal conductivity along with the addition of Mg, from 14.061 W / m O C (without the addition of Mg) to 28.947 W / m O C (addition of Mg 2.5% wt). Unlike the case with the results of wear rate test, the wear rate was decreased value of 4.441x10-3 mm³ / s (without the addition of Mg) becomes 0.951x10-3 mm³ / s (addition of Mg 1.5 % wt) increased to 8.129x10-3 mm³ / s (additional 2.5% wt). Keywords: composite, aluminum, SiO2, magnesium, stir casting, thermal conductivity, wear resistance. v
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan kenikmatan kepada kita semua sehingga laporan tugas akhir ini dapat penulis selesaikan. Tujuan penulisan skripsi ini adalah sebagai persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana teknik di Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Tugas akhir ini memaparkan pengaruh penambahan mg pada komposit matriks aluminium remelting piston berpenguat SiO2 terhadap konduktivitas termal dan ketahanan aus. Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penelitian dan penulisan laporan tugas akhir ini, khususnya kepada: 1. Ayah, Ibu, dan keluarga tercinta atas segala dukungan, dan bimbingan serta doa sehingga penulis bisa menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Teguh Triyono, ST, MEng dan Bapak Eko Surojo, ST, MT, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan arahan dan masukan selama penyusunan tugas akhir ini. 3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS. 4. Bapak Sukmaji Indro Cahyono, ST, MEng, Ibu Indri Yaningsih, ST,MT, dan Bapak DR. Joko Triyono, ST, MT, selaku dosen penguji. 5. Bapak Eko Prasetya Budiana, ST, MT, selaku dosen pembimbing akademik. 6. Seluruh dosen dan staf Teknik Mesin FT UNS yang telah membuka wacana keilmuan penulis. 7. Semua laboran Jurusan Teknik Mesin UNS 8. Teman-teman D3, S1, dan S2 Teknik Mesin UNS yang telah memberikan dukungan dan motivasi dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 9. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas bantuan dan dorongan semangat serta doanya. Terima kasih, semoga Allah SWT membalas budi baik kalian. vi
Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu, bila ada saran, koreksi dan kritik demi kesempurnaan skripsi ini, penulis terima dengan ikhlas dan dengan ucapan terima kasih. Dengan segala keterbatasan yang ada, penulis berharap skripsi ini dapat digunakan sebagaimana mestinya. Surakarta, Januari 2016 Penulis vii
DAFTAR ISI ABSTRAK... iv KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN... Error! Bookmark not defined. 1.1 Latar Belakang... Error! Bookmark not defined. 1.2 Perumusan Masalah... Error! Bookmark not defined. 1.3 Batasan Masalah... Error! Bookmark not defined. 1.4 Tujuan Penelitian... Error! Bookmark not defined. 1.5 Manfaat Penelitian... Error! Bookmark not defined. 1.6 Sistematika Penulisan... Error! Bookmark not defined. BAB II DASAR TEORI... Error! Bookmark not defined. 2.1 Tinjauan Pustaka... Error! Bookmark not defined. 2.1 Dasar Teori... Error! Bookmark not defined. 2.3 Material penyusun Metal Matrix Composite (MMC) Error! Bookmark not defined. 2.4 Fabrikasi Komposit Matrik Logam... Error! Bookmark not defined. 2.5 Proses Pembuatan Komposit Al-SiO2-Mg... Error! Bookmark not defined. 2.6 Pengujian Yang Dilakukan... Error! Bookmark not defined. BAB III METODOLOGI PENELITIAN... Error! Bookmark not defined. 3.1 Variasi Penelitian yang Dilakukan... Error! Bookmark not defined. 3.2 Peralatan dan Bahan... Error! Bookmark not defined. 3.3 Proses Pembuatan Komposit Al-SiO2-Mg... Error! Bookmark not defined. 3.4 Karakteristik Al-SiO2-Mg... Error! Bookmark not defined. 3.5 Diagram Alir Penelitian... Error! Bookmark not defined. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... Error! Bookmark not defined. 4.1 Proses Produksi Spesimen Uji... Error! Bookmark not defined. 4.2 Hasil Pengujian Konduktivitas Termal... Error! Bookmark not defined. viii
4.3 Hasil Pengujian Ketahanan aus... Error! Bookmark not defined. ix
BAB V PENUTUP... Error! Bookmark not defined. 5.1 Kesimpulan... Error! Bookmark not defined. 5.2 Saran... Error! Bookmark not defined. DAFTAR PUSTAKA... Error! Bookmark not defined. x
DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Piston yang mengalami over heating Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 2 Penguat dalam material komposit a) Konsentrasi, b) Ukuran,.. Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 3 Tetrahedron silika-oksigen (SiO44 ) (Callister, 1997)... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 4 Penataan silikon dan oksigen atom dalam satuan sel kristobalit,... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 5 Skema alat stir casting (Suyanto dkk. 2013)... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 6 Plot perubahan temperatur dengan ketebalan (Setiadi, 2006)... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 7 Skema Pengujian Dengan Metode Ogoshi... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 1 Peralatan stir casting... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 2 Cetakan permanen... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 3 Alat uji ketahanan aus... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 4 Alat uji konduktivitas termal... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 5 Mikroskop Makro... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 6 Piston bekas... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 7 Pasir Silika... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 8 Serbuk Magnesium (Mg)... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 9 Skema alat uji konduktivitas termal.. Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 10 Segmentasi pada proses pengukuran... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 11 Spesimen konduktivitas termal a) dengan tebal 4 mm... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 12 Alat uji keausan dan bagian-bagiannya... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 13 Ilustrasi proses pengujian keausan.. Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 14 Spesimen uji keausan (mm)... Error! Bookmark not defined. xi
Gambar 3. 15 Diagram alir penelitian... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 1 Dimensi benda kerja... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 2 Keseluruhan benda kerja... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 3 Ilustrasi proses pemotongan... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 4 Hasil akhir spesimen uji konduktivitas termal Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 5 Dimensi spesimen uji keausan... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 6 Spesimen uji keausan... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 7 Rata-rata konduktivitas termal untuk setiap variasi penambahan Mg... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 8 Ilustrasi a) tidak terjadi pembasahan b) terjadi pembasahan... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 9 Foto macro spesimen uji konduktivitas termal a) Tanpa penambahan b) Penambahan 1% Mg c) Penambahan 1.5% Mg d) Penambahan 2% Mg... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 10 Rata-rata laju keausan untuk setiap variasi penambahan Mg. Error! Bookmark not defined. xii
DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Sifat fisik dan mekanik aluminium (Samuel, 2012).. Error! Bookmark not defined. Tabel 2. 2 Sifat fisik dan mekanik SiO2 (Darmansyah, 2010)... Error! Bookmark not defined. Tabel 2. 3 Sifat fisk dan mekanik magnesium (Lutfi & Sukron, 2010)... Error! Bookmark not defined. Tabel 3. 1 Komposisi material remelting piston bekas... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 1 Data gradient temperature suhu pada setiap variasi... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 2 Hasil perhitungan konduktivitas termaluntuk... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 3 Data hasil pengujian dan perhitungan laju keausan... Error! Bookmark not defined. xiii
xiv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Perhitungan fraksi massa... Error! Bookmark not defined. Lampiran B Hasil pengujian komposisi kimia... Error! Bookmark not defined. Lampiran C Foto makro uji keausan... Error! Bookmark not defined. Lampiran D Komposisi kimia piston standar MAHLE... Error! Bookmark not defined. Lampiran E Sifat fisik dan mekanik piston standar MAHLE... Error! Bookmark not defined. Lampiran F Terbentuknya clustering SiO2... Error! Bookmark not defined. xv
DAFTAR NOTASI Q laju perpindahan kalor (W) ΔT perbedaan suhu ( O C) Δx perbedaan jarak (m) K konduktivitas termal (W/m O C) T0 suhu yang terbaca pada termo-couple heater ( O C) T1 suhu yang terbaca pada termo-couple 1 ( O C) T2 suhu yang terbaca pada termo-couple 2 ( O C) T3 suhu yang terbaca pada termo-couple 3 ( O C) T4 suhu yang terbaca pada termo-couple 4 ( O C) T5 suhu yang terbaca pada termo-couple 5 ( O C) T6 suhu yang terbaca pada termo-couple 6 ( O C) T7 suhu yang terbaca pada termo-couple 7 ( O C) T8 suhu yang terbaca pada termo-couple 8 ( O C) T9 suhu yang terbaca pada termo-couple 9 ( O C) T10 suhu yang terbaca pada termo-couple 10 ( O C) Taf suhu pada titik af ( O C) Tai suhu pada titik ai ( O C) Tbf suhu pada titik bf ( O C) Tbi suhu pada titik bi ( O C) ΔTa perbedaan suhu pada permukaan sampel a ( O C) ΔTb perbedaan suhu pada permukaan sampel b ( O C) ΔTR perbedaan suhu pada permukaan bahan silinder standar Cu ( O C) La Lb LR ketebalan spesimen a (m) ketebalan spesimen b (m) ketebalan spesimen bahan silinder standar (m) λ a konduktivitas termal spesimen a (kcal/mhr O C) λ b konduktivitas termal spesimen b (kcal/mhr O C) xvi
λ konduktivitas termal sesungguhnya (kcal/mhr O C) B tebal revolving disk (mm) b lebar celah material yang terabrasi (mm) r jari-jari revolving disk (mm) P beban penekanan pada revolving disk (kg) v kecepatan putaran revolving disk (m/s) t waktu pengaus (s) h jarak pengaus (m) W volume material yang terabrasi (mm 3 ) V laju keausan (mm 3 /s) xvii
18