STUDI PENGARUH TEMPERATUR TUANG TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN MIKROSTUKTUR PADA PEMBUATAN METAL MATRIX COMPOSITE MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Syarat Memperoleh Sarjana Teknik Oleh : FEBRIAL YASMAN NST (090401008) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014
STUDI PENGARUH TEMPERATUR TUANG TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN MIKROSTUKTUR PADA PEMBUATAN METAL MATRIX COMPOSITE MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING FEBRIAL YASMAN NST NIM. 090401008 Telah diperiksa dan disetujui dari Hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke 676, pada Tanggal 08 Januari 2014 Pembanding I, Pembanding II, Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc NIP. 196412241992111001 NIP. 194910121981031002
STUDI PENGARUH TEMPERATUR TUANG TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN MIKROSTUKTUR PADA PEMBUATAN METAL MATRIX COMPOSITE MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING FEBRIAL YASMAN NST NIM. 090401008 Telah diperiksa dan disetujui dari Hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke 676, pada Tanggal 08 Januari 2014 Telah Disetujui Oleh Dosen Pembimbing Ir. Tugiman, MT. NIP. 195704121985031004
i KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan kekuatan selain dari-nya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, atas izin-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih diambil dari mata kuliah Pengecoran Logam, yaitu STUDI PENGARUH TEMPERATUR TUANG TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN MIKROSTRUKTUR PADA PEMBUATAN METAL MATRIX COMPOSITE MENGGUNAKAN METODE STIR CASTING. Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini.penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Ir. Tugiman, MT sebagai Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda H. Asran Nst, dan Ibunda Hj. Marlida Nelly (alm), adik (Mhd Rizky Oktaranda) atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Ir. Tugiman, MT sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini. 3. Bapak Suprianto, ST. MT yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini. 4. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Ir.Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.
ii 5. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik. 6. Teman satu tim (Ramadhan Daulay) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 7. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009, khususnya (Indro Pramono, Tri Septian Marsah, Harri Rusadi, Nazaruddin, Wahyu Hamdani, Guruh Andryan, Habib, rahmad hidayat) yang banyak memberi motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya. Amin Ya Rabbal Alamin. Medan, Januari 2014 Penulis, Febrial Yasman Nst NIM : 090401008
iii ABSTRACT The processing of palm oil in the PKS utilizes energy resource derived from palm oil shell and fiber in which the process of fuel combustion shell and fiber in the boiler combustion chamber produces the combustion remaining results in the form of palm oil combustion fly ash which is quite plenty. Palm oil fly ash is usually left alone in the area of oil palm mills that certainly can cause environmental pollution and inconvenience to workers. Therefore, this study aims to look into the utilization of fly ash as a reinforcing material in the manufacture of metal matrix composite ( MMC ) with variations of pouring temperature of palm oil fly ash. The palm oil fly ash used in this study were drawn from Palm Oil Factory ( PKS in the Deli Serdang, North Sumatra with a size 74 ) µm and before being used palm oil fly ash is heated to 850 o C in a furnace to remove moisture and fractions are still can be burned. In the manufacture of MMC variation of casting temperature are done from 685 o C, 710 o C, 735 o C, 760 o C, 785 o C fly ash mixing process is done at the time when aluminum was melted in a crusibel graphite followed by the stirring for 5 minutes, addition of about 1.5 % Mg is done on the fluid to improve wettability. The research result shows that 82.64 BHN which is the highest hardness was obtained at the temperature of 760 o C and lowest casting temperature 685 o C. The impact test result also shows the highest impact strength occurs at the temperature of 760 o C cast. at each point of the tensile test, variations of temperature decrease. The increasement only occurs at the casting temperature of 735 o C. From the microstructure test result,it can be seen that the palm oil fly ash exists between the aluminum matrix, but the distribution of the fly ash is not uniform in all of the parts and the higher the temperature the greater the Dendrite growth rate due to the longer freezingrate. Keywords : Palm Oil Fly Ash, stir casting, MMC
iv ABSTRAK Proses pengolahan kelapa sawit di PKS memanfaatkan sumber energi yang berasal dari cangkang dan fiber kelapa sawit dimana proses pembakaran bahan bakar cangkang dan fiber di ruang bakar boiler menghasilkan sisa hasil pembakaran berupa palm oil fly ash yang jumlahnya cukup banyak. Palm oil Fly ash ini biasanya dibiarkan begitu saja di areal pabrik kelapa sawit yang tentunya dapat menyebabkan pencemaran lingkungan dan ketidaknyamanan terhadap para pekerja. Oleh sebab itu penelitian ini bertujuan untuk melihat peluang pemanfaatan fly ash sebagai bahan pemerkuat pada pembuatan metal matrix composite (MMC) dengan berbagai variasi temperatur tuang palm oil fly ash. Palm oil Fly ash yang digunakan pada penelitian ini diambil dari Pabrik kelapa Sawit (PKS) di daerah kabupaten Deli Serdang Sumatera Utara dengan ukuran 74µm dan sebelum digunakan palm oil fly ash ini dipanaskan hingga 850 o C di dalam furnace untuk menghilangkan moisture dan fraksi yang masih bisa terbakar. Pada pembuatan MMC variasi temperatur tuang dilakukan mulai dari 685 o C, 710 o C, 735 o C, 760 o C, 785 o C proses pencampuran fly ash dilakukan pada saat aluminium telah mencair di dalam crusibel grafit diikuti proses pengadukan selama 5 menit, penambahan Mg sekitar 1,5% dilakukan pada cairan untuk memperbaiki wettability. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa dimana kekerasan tertinggi 82,64 BHN diperoleh pada temperatur tuang 760 o C dan terendah pada temperatur tuang 685 o C. Hasil pengujian impak juga memperlihatkan kekuatan impak yang paling tinggi terjadi pada temperatur tuang 760 o C. pada uji tarik tiap titik variasi temperatur turun. Kenaikan hanya terjadi pada temperatur tuang 735 o C. Dari hasil pengujian mikrostruktur dapat dilihat bahwa palm oil fly ash terdapat diantara matrik aluminium tetapi distribusi fly ash tersebut belum merata pada semua bagian dan semakin tinggi temperatur maka pertumbuhan Dendrit semakin besar disebabkan laju pembekuannya lebih lama. Kata kunci : Palm Oil Fly Ash, stir casting, MMC
v DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang Masalah... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 2 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Manfaat... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Alumunium... 5 2.1.1 Sifat-sifat Alumunium... 6 2.1.2 Alumunium-Si... 7 2.1.3 Paduan Alumunium Silicon... 8 2.2 Fly Ash... 10 2.2.1 Fly Ash Batubara (ALFA)... 11 2.2.1.1 Sifat Kimia dan Sifat Fisika Fly Ash Batubara... 12 2.2.2 Palm Oil Fly Ash (POFA)... 13 2.3. Teori Pengecoran... 15 2.3.1. Pembuatan Coran... 16
vi 2.3.2. Proses Pengecoran... 16 2.3.3. Pembuatan Cetakan...... 19 2.3.4. Pengecoran Metal Matrix Composite Dengan Metode Stir Casting. 20 2.4 Matriks... 22 2.4.1 Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composite... 23 BAB III METODE PENELITIAN... 25 3.1 Tempat dan Waktu... 25 3.2 Bahan, Peralatan dan Metode... 25 3.2.1 Bahan...... 25 3.2.2 Alat...... 28 3.2.3 Metode (Cara Pembuatan)... 35 3.2.3.1 Karakterisasi Awal Bahan... 35 3.2.4 Metode Pengujian... 38 3.2.4.2 Uji Tarik... 40 3.2.4.3 Uji I... 41 3.2.4.4 Uji Metallogrpy... 42 3.3 Diagram Alir... 44 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN... 45 4.1. Uji Komposisi Fly Ash... 45 4.1.1. Komposisi Raw Material... 45 4.2 Dimensi Dari Palm Oil Fly Ash... 46 4.3 Hasil komposisi Pembuatan Spesimen dari Proses Peleburan... 47 4.4 Hasil Pembuatan Spesimen dari Proses Pelebur... 48 4.5 Hasil Pengujian... 48 4.5.1 Uji Kekerasan... 49 4.5.2Uji Impak... 49 4.5.3 Uji Tarik... 57 4.5.4 Uji Metallograpy ( photo mikro)... 74
vii BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 79 5.1 Kesimpulan... 79 5.2 Saran... 80 DAFTAR PUSTAKA...,... xiv LAMPIRAN... xvi
viii DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Komposisi Kimia Salah Satu Jenis Abu Terbang... 14 Tabel 2.2. Chemical Composition Of OPC and Palm Oil Fuel Ash... 16 Tabel 4.1. Hasil Uji Komposisi Fly Ash...... 43 Tabel 4.2. Komposisi Aluminium A356.... 43 Tabel 4.3. Komposisi Pencampuran Sampel Uji Tarik... 47 Tabel 4.4. Komposisi Pencampuran Sampel Uji Impak... 47
ix DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Diagram fasa Al-Si (Surdia,1992)...8 Gambar 2.2. Daerah Diagram Fasa Al-Si (Surdia,1992)...9 Gambar 2.3. (a) Mikrostruktur Al-Si hipoeutektik...10 Gambar 2.3. (b) Mikrostruktur Al-Si eutektik...10 Gambar 2.3. (c) Mikrostruktur Al-Si hipereutektik...10 Gambar 2.4. Diagram Alir Terbentuknya sisa pembakaran batubara... 12 Gambar 2.5. Abu Terbang (Palm Oil Fly Ash)...15 Gambar 2.6. (a) Bottom ash sesudah di grinding...15 Gambar 2.6. (b) Bottom ash sebelum di grinding...15 Gambar 2.6. Dapur peleburan (www.dcu.ie)... 21 Gambar 2.7. Ilustrasi matriks pada komposit...22 Gambar 3.1. Aluminium Ingot Tipe A356 (a) sebelum dipotong...25 Gambar 3.1. Aluminium Ingot Tipe A356 (a) sebelum dipotong...25 Gambar 3.2. Palm Oil Fly ash...25 Gambar 3.3. Cover Fluks...26 Gambar 3.4. Magnesium...26 Gambar 3.5. Bahan bakar (arang Kayu)...27 Gambar 3.6. Dapur Peleburan...28 Gambar 3.7. Krusibel Grafit...28 Gambar 3.8. Termokopel Type K...29 Gambar 3.9. Timbangan Digital...29 Gambar 3.11. Polishing...30
x Gambar 3.12. Mikroskop Optik...30 Gambar 3.13. OES (Optical Emission Spectrometer)... 31 Gambar 3.14. Alat uji tarik Torsion Type AMU-10...31 Gambar 3.15. Alat uji Brinell...32 Gambar 3.16. Alat uji impak...32 Gambar 3.17. Mesin Pemotong...33 Gambar 3.18. Electric Muffle Furnaces......33 Gambar 3.19. Pengayakan Fly ash...34 Gambar 3.20. Pemanasan Fly ash...35 Gambar 3.21. Pemotongan dan Penimbangan Aluminium-Fly Ash... 35 Gambar 3.22. Tahapan Proses Pembuatan Metal Matrix Composit...36 Gambar 3.23. Uji Kekerasan...38 Gambar 3.24. Set Up Pengujian Tarik...39 Gambar 3.25. Uji impak...39 Gambar 3.26. Set Up Pengujian Metallography...37 Gambar 4.1. Dimensi Butir Fly Ash Vs Volume...46 Gambar 4.2. Dimensi Butir Fly Ash Vs Massa... 46 Gambar 4.3. Grafik Butir Fly Ash Vs Kekerasan... 47 Gambar 4.4. Spesimen Uji... 48 Gambar 4.5. Fly Ash temperature tuang Vs Kekerasan...49 Gambar 4.6. (a) Sampel Impak Sebelum di Uji...50 Gambar 4.6. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...50 Gambar 4.6. (c) Penampang Patahan...50 Gambar 4.7. (a) Sampel Impak sebelum di Uji...51
xi Gambar 4.7. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...51 Gambar 4.7. (c) Penampang Patahan... 51 Gambar 4.8. (a) Sampel Impak Sebelum di Uji...52 Gambar 4.8. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...52 Gambar 4.8. (c) Penampang Patahan...52 Gambar 4.9. (a) Sampel Impak Sebelum di Uji...53 Gambar 4.9. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...53 Gambar 4.9. (c) Penampang Patahan...53 Gambar 4.10. (a) Sampel Impak Sebelum di Uji...54 Gambar 4.10. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...54 Gambar 4.10. (c) Penampang Patahan...54 Gambar 4.11. (a) Sampel Impak sebelum di Uji...55 Gambar 4.11. (b) Sampel Impak Setelah di Uji...55 Gambar 4.11. (c) Penampang Patahan... 55 Gambar 4.12. Grafik Temperatut tuang vs Energi Yang Diserap...56 Gambar 4.13. Grafik temperatur tuang vs Nilai Impak...57 Gambar 4.14. (a) Sampel Uji Tarik sebelum Ditarik...58 Gambar 4.14. (b) Sampel Uji Tarik Setelah Ditarik...58 Gambar 4.15. Kurva Hasil Uji Tarik temperatur tuang 685 o C... 58 Gambar 4.16. Kurva Hasil Uji Tarik temperatur tuang 710 o C...59 Gambar 4.17. Kurva Hasil Uji Tarik temperatur tuang 735 o C...60 Gambar 4.18. Kurva Hasil Uji Tarik temperatur tuang 760 o C...60 Gambar 4.19. Kurva Hasil Uji Tarik temperatur tuang 785 o C...61 Gambar 4.20. Kurva Hasil Uji Tarik Raw Material Al-Si... 61
xii Gambar 4.21. Grafik Hasil Uji Tarik Kekuatan vs temperatur tuang...66 Gambar 4.22. Grafik Kekuatan Material Vs temperatur Tuang... 66 Gambar 4.23. Grafik temperatur tuang vs % Elongation...68 Gambar 4.24. Grafik temperatur tuang vs Modulus Elastisitas... 71 Gambar 4.25. Mikrostruktur temperatur tuang 685 o C...72 Gambar 4.26. Mikrostruktur temperatur tuang 710 o C...73 Gambar 4.27. Mikrostruktur temperatur tuang 735 o C...73 Gambar 4.28. Mikrostruktur temperatur tuang 760 o C...74 Gambar 4.29. Mikrostruktur temperatur tuang 785 o C.... 74
xiii DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan P Beban kgf D Diameter cm σ Tegangan MPa ε Regangan % E Modulus Elastisitas MPa Lf Panjang Akhir cm Lo Panjang Awal cm L Pertambahan Panjang cm A Luas Penampang cm 2