Prosiding Seminar Nasional PascaFarjana VII - 2007 ISBN 979-545-0270-1
Kaji Awal Pembuatan Material Struktur Kapal Dari Bahan Kornposit Berbasis Aluminium Dengan Metode Pengecoran Prantasi Harml ~ j a h j a n t : ' ~
' Mahasiswa Pusca Sariana T. Kelautan -
~
~
lnstitut Teknologi Sepuluh November (ITS) Surabaya I Dosen Kopertis Wilayah V11 dpk Universitas Muhammadiyah Sidoarjo Fakultas Teknik Jumsan Teknik Mesin E-mail: pran tasik2vahoo.com
Eko ~ a n u n ~ ~ aDarminto', l', W i b o w o Harso N u g m h o '
'Jurusan Teknik Perkapalan
lnslitut Teknolo i Sepuluh November (11's) Surabaya !. Jurusan Fisika MIPA Instilul l'eknolo i Scpuluh Novcmbcr (ITS) Surubnyn 'LHI BPPT Surabaya
ABSTRAK Material kapal (di luar kapal-kapal nclayan) mulai masa tradisional llingga sel.arang terbanyak menggunakan material besi dan baja, namun perkembangan berikutnya, lebih dari 30 tahun lalu, pdduan aluminium (A1 alloy) tclah menggantikan posisi baja yaitu dalam pemakaian kapal-kapal komersial dan pada permukaan kapal-kapal pcrang khususnya untuk dek dan superstruktumya. Namun struktur kapal yang terbuat dnri paduan aluminium. apabila mengalami fatik yang disebabkan oleh retak stmktur kapal, merupakan masalah yang cukup serius. Keretakannya disebabkan oleh kombinasi tegangan putar dan konsentrasi tegangan yang berinteraksi dengan daerahdaer:h pada bahadmaterial yang lemah. Knrenanya dilakukan penelitian dengan mencoba membuat material baru yaitu bahan komposit berbasis aluminium, yaitu komposit dengan matrik paduan ,\I dan penguat (rei@rcement) bahan keramik silikon knrbida (Sic) menggunakan metode pembuatannyi secnra cor (carling). Hasil yang dipemleh masih jauh dari memuaskan anlara lain campuran matrik dan pengllatnya belum dapat tcrcampur merata. Nilai impak jauh dari standart, namun L'emikian nilni modulus elastisitasnya menunjukkan ti& terang. Kata kunci: Komposil berbaFis aluminium, prngecoran, ~n..lerial kapcl
ABSTRACT Ship material (outside fishing boa0 stort a period of traditional until now, a lot cf using material of iron and sfeel, but next growth, more than 30 last year, aluminium alloy hove replacedthe steel materials to commercial ship steel specially ships wur and for the dek and Its supershrcture. But, when shlp structure of aluminium alloy isfatigue, representlng problem which serious enough Because of combination stress can ,ZSUNcreep and f ~ l l ythe area of weak malerial. This condition h p i r i n g of research to make the new ma~erial The new n ar materials Is Aluminium mefal mabix c m t composite. Its mean composite to be made by a l u ~ ~ i n i walloy mabLx and reinforcement is ceramlc malerials Is sillcon carblde (Sic). Its makiny method by casting. The early ojresulf obtained a long w q offfrom grallfying. For exornple the mlxfure of monik and reinforcement is not p l homogenous and the ~ a l u eof impack of far from standarf value. But its elasliciry moduhrs show hove expecralton. Key word: Aluminium melal malrir cast composite, carting, ship material
1. PENDAHUL'JAN
Penelitinn ini mencoba membuat dan mengkaji
Selain itu keunggJlan MMC, adalah
a w l bahan b w u untuk material s w h u r kapal
kekuatan (strength) d m kekakuan spesifik (spec@
berupa plat yang dibuat dnri bahan komposit
srlffness) yang linggi, koefisien muai panasnya
Alvminivm
Composite
(Cmflslenf of Thermal Erponrion I CTE ) rendah
(AMMCC). AMMCC dikelo:nl)okkan jenis bahan
sekali hampir mcndekati nol. kehhanan ausnya
komposit matrik logam (Mefrl Malrk Composite I
cukup tinggi (Ngh wear resicronce), k e b h a n
MMC) yaitu bahan komposit bermatrik logam
deformavi panasnya ( rasio konduklivitar panas
aluminium (Al) atau paduan Al dengan penguat
terhadap koefisien muai panas) cukup baik, dapat
(reinfarccment) bcnrpa bahan keramik scperti
digunnkan luas untuk bidang industri, karena nyaris
silikon karbida (Sic), aluminium oksida (AizO,).
berupa bahan isotropis (lak bergantung arah) dan
silikon oksida (JiO2) atatl yang lainnya, dengan
mudah diproses lws Johluaol.l9(nl.
Meral
Matru
Casl
memiliki
metode pembuatannya secara cor (cariling). Sejauh ini perllitian yang telah dilakukan untuk bahan
2. METODE PENELlTlAN
komposit
paduan-paduan
2.1 Bahan
(Mg) dan titan
Matrik bahan AMMCC bempa paduan Al jenis Al-
(Ti) adalah diaplikasikan untuk komponen mesin
Si (ALSI 10%) densibs (p) = 3.3 gram/cm3.
(karena bent ringan dan tahan terlladap temperatur
Pemilihrn
linggi), piringan rcm (brake discs), drum, balok
keunggulan: sifat pengemran (castabilify) sangat
silindcr (karena lahall aus) dan dipakai untuk
baik, tahan korosi, digunakan sebagai bahan/logam
jangka lcngk~rng (c.oliper) kercna mempunyai
las dalam pengelasan paduan aluminium baik
modulus elastisitas tinggi (VGondhekhr..dalt9%1.
paduan cor maupun paduan lempa, pada kcadaan
Sementara untuk bahhn komposit bermalrik paduan
cair mempunyai sifat mampu alir yang baik proses
AI-Si telah dapat dibuat dengan teknik cor d m
pembekuannya hampir tidak lerjadi relak, sangat
lekdk metalurgi serbuk (Powder Metaluw) yang
mudah ditempa dan koefisien pemuaian panasnya
diaplikasilcan untuk induslri otomotif / dengan
rendah. Semenlara penguat yang d i p h i adalah SIC
dilambah bahan
penguat bempa keramik yang
pro analis (PA) dan SIC Teknik dengan u k m rata-
dapat menaikkan kekakuan bnhan, kckuatan pada
rata butiran masing-masing a d a l d ~IS0 pm dan 600
temperncur tinggi dan tahan terhadap aus [M
pm. Komposisi mavik dan penguatnya untuk Sic
T8ya.,eLa519891. Selain itu dengan ditambahkan
pro annlis (PA) ditunpllkan pada tabel I yang hanya
grafil (prckursor karbonasi) &an
dipakai untuk uji U i k xdangkan @a
MMC
berbasis
duminiu~n,litium (Li), magr,.sic
gesekan schingga
dapat
I
mengurangi
diaplikasikan
untuk
matrik
ALSI
ION,
mempunyai
tabel I1
unluk komposisi matrik d m penguat S i c teknik
komponen bearlng IS. wvsmjappa.2~61.
diijikan pad8 table 11 untuk dilakukan uji tarik clan
Apabila dibandingkan dengan material kapal yang
uji impak.
dibuat dari bahan kompsit plastik yang diperkuat m a t (Fiber Reinforced Plarllc / FRP ) maka MMC ini lebih tahan terhadap temperatur tinggi karena penurunan kekuatnn yang di~lamiMMC karena
Prosiding Seminar Najional Pascasarjana VII - 2007 ISBN 979-545-0270-1
Tabel I. Komposisi matrik ALSl10% dau SIC (PA) untukuji tarik No
S i c (PA)
Penamaan
matrik ALSI 10%
Fraksi volume (massa)
Fraksi volume (massa)
I.
Sampel I
10% (35,215 gram)
90% (3 16,933 gram)
2.
Sampel2
15% (52.822 gram)
85% (299,326 gram)
3.
Sampel3
20% (70.430 gram)
80% (281,718 gram)
.
.
Total massa = 352,148 gram ujl tarik dam uji impak
Total massa = 1.86 kg
2.2 Cetakan Bahan AMMCC
2.2.2 Pengujian Imp&
2.2.1 Pengujian Tarik
Pengujian impak menggunakan IS0 148
.
Pembuam sampel @enda uji) untuk pengujian
yaitu model Charpy V-notch dengan ukuran
tailk, menggunakan standart IS0 82 a!ail EN
dm bentuk bdhzn ujinja ~,P~njukkm pada
10002, dengan ukuran den bentuk bahan ujinya
gambar 2.
ditunjukkan pada gambnr 1.
Gambr 2. Bcnluk bahan uji dan ukurri nluk uji impak sesua: standart IS0 1.18 model Charpy V-norch 2.3 Pcmiata!! ilerigecora!; Pen@c:.u:an .h ix:m :. ,
uji dm ukuran r4!l; :!at1SO W. aLau EN . .
i '
. '2
Ci,.
kaji
::w3i
.
~i
AMMCC
.;lkukan ~ ! i, i r ? e ind:,.;!ri
pengezoran i,-s...im
Gamt.,s !
:(.
V O I L ~,: ,.,:i , ; ~men\:i::~a .
',:ngan
!;<
t
.,neng<j::.ol
temperatur L.:.urara l u x y . . - : nasuk da'::m
didapa&an nild modulus elartisitas (E), tegangan
3. HA.SIL DAN PEMBAEASAN
luluh bield srrengfh\, kekuatan w i k maksimum 3.1 Uji Tarik
(ultimare tenrile strengtN(UTS)) d m elongarlon
Haril pengujian tarik untuk logam Al alloy yang
dcngan kcseluruhan hasilnya ditampilkan daiam
diperkuat dengan Sic (PA) d m Sic Teknik.
tabel 111 dan IV.
I
Tabel 111. Hnrll uJi tarik Al alloy + SIC (PA)
' Held
E (GPa)
Jenis Sampel
Strengllr (N/mrn2)
:liC
+
I
-
Sampel I (10%
UUimafe Tenrile Strength (UTS) . . (~lmm')
Elongation
1
I
~
I Patab
aaat
dilakukan
90% ~.~ 41 ~
alloy) Samuel 2 (I:%
Keterangnn
(%)
1 (147.9*2.4) '
-
1
106.33
1
1,49
Tabel IV. Hasil uJi tarik A1 alloy + Sic (teknik)
-
Jlenis Sampel
E (GPa)
Sampel 4 (100% Al
(401 0.29)
Elongation ("A)
-
Ultimate TemiIe Strength (UTS) (Nlmm? 85,064
+ 1,2) -
107,408
0.93
* 3,s) -
103,684
1,28
-
99,862
1,24
:'ieIdStrcngth (~/mm')
I
+
1.24
alloy). -
Sampel i (10% Sic + -(463,55 I
90% Ai alloy) Sampel2 (15% Sic +
(626.1
85% A l ailoy)
-
*
Sampel3 (iO% Sic + (642,7 3.1) 80% Al plloy).
(eterangan: Untuk baja normal: 0
Modulus elastisitas
*
Yield ;/rength
-
-
205 GPa 235 ~ l m m '
?msiding Seminar Nasional Pascasarjana VII - 2007 ISBN 979-545-0270-1
Ultimate Tensile Strength (UTS) = (400 - 520) ~ l r n m ' l;iut~gotiu17
= 22
Oi,
3.2 Uji Impak Hasil pengujian impak untuk logam Al alloy yang diperkuat dengan S i c Teknik, hanya diperoleh nilai 2 loulc untuk sample 1,2,3 dan 4. Sampel sebelum dan sesudah di uji impak ditunjukkan pada gambar 3.
Onmbar 3. Sampel uji impak (a) scbelum patah (b) sesudah patah 3.3 Pengamatan Mikrostruklur. Pengomatan mikroslruktur bahan komposit ini diperlihatkan pada gambar 4.
S i c (PA)
S i c (teknik)
Gambar 4. Pengamatan mikmstruktur sampe! (a) Sampel4 (100% Al alloy) (b) Sampel3 ( 20% S i c (PA) + 80% Al alloy). (c) Sampel 3 ( 20% SIC (Teknik) + 80% A1 alloy).
Data pada tabel 111 dan tabel IV menunjuk!;an
bahan komposil ini saigat gcias, kaku tetapi rapuh.
bahwa
iarik
Kondisi tersebut didukung dengon i:ata impak yang
mokiimum (rrltinrute [ensile strengthl(UTS)) don
hiuiya mc~lcnpui2 Juulc. Artitiyu ;)ulian ini ssma
elongation sclain
masih
sekali tidak tangguh, tidak mempunyai energi yang
mcmpunyai nilal di bawnh baja. Bahknn untuk
cukup untuk malnpu ~ncnahan bcbunlgsya yang
yieldspengrh tidak ada sama sekali, artinya bahwa
datangnya secara tiba-tiba.
seeara
umum
nilai
modulus
kekuatan
elastisitas,
Pada pengamatan miloosruklur, terlihat bahwa
antnra Al alloy d m penguatnya tidak tejadi i
hasil car-caran belure-&tybentuk secara baik.
fisir dengan baik. Kondisi ini mengakibatkan
Penguat (Sic (PA))
S i c laknik belun
banyak pomsitss pada bahan yang berakibat bahan
menyebar secnrn merala dan homogen. sehingga
tidak mamp;~ menahanlmenerima pya-gaya dari
.! mruyun
luar. Demikian pula pada saat uji tariknya. Karena
c.
Kesalahan
otama
terletak
pada
b
saat
penl;uat dnn Al nlloy tidak menyebnr secara Inerala,
pengecoran (casdng) bahan. Pcngontmlan
maka fungsi pcnyuat hanya membunt bahan
suhu dan adukan (stirrer) s a d aluminum
menjadi keras leibukti dengan naiknya harga
alloy leleh perlu mendapat perhatian yang
modulus elastisitas dengan penambahan komposisi
sangat serius.
S i c baik untuk PA maupui untuk teknik, namun disisi lain karena terlalu kaku, maka bahan
SARAN
komposit pada daerah clnslis dcngan menerima
Melihat dari hnsil penelitinn yang masih jauh dari
beban tertentu akan langsung patah ranpa melalui
sempurna. maka perlu dilakukan pengecoran ulang
dacrah plastis, scb'ngga nilni yield strength tidak
dengan
ada (tidak dipunyai pada sample bahan komposit
(stirrer) saat aluminum alloy leleh. Hal ini sangat
ini. Dari keseluruhan hasil yang dipsroieh,
penting agar diperoieh hasil pengccoran buhan
kesalahan ulam I tmletak pada
pengecoran
yang rata, penguat temebar seoara homogen
(caring) bahan Pengontrolan suhu dan adukan
sehingga menguran~i adanya pornsitas-pornsitas
(sther) saat aluminum alloy leleh sangat berperan.
pada sampel hasil cor.
4. KESIMPULAN
5. REFERElrlSl
,
Kesimpulan
untuk
saar
penelitian
awal
tentang
me~nperhi~ungkan suhl dan .adukan
I. Jerry G Bac@Novembu 1998. 'Metal Matrix
pemhuatan material shlklur kapal dari bahan
Composites :Their Time H a Come ', Amspace
k o m l ~ s i t berbasis aluminium dengan melode
America pp.14 - 16.
pengecoran ini adalah: a.
2. M.Taya, RJ AmenaulLl989. Metal Matrix
Seearn umum hasil yang diperoleh dalam
Composltes : Thermomechanical Behavior. New
penelitinn ini masih jauh dwi nilai standart
York :Pergamon P m s , p. 157.
yang ditentukan, yaituuntuk sifat
3. S. Bmvarajappa, G. Chandramohan, R.
mekaniknya (kekuatan tarik maksimum
Subramanian, A. Chandrasekar, 2006,
(ultimate tensile strengtW(UTS)), yield
Materials Sclence-Poland. Vol. 24, No. 211.
strengfh, modulus elastisitas, elon&on
dan
kekuatan impak) bila dibandingkan dengan mnter;al baja yangdipakni di kapal. b. Nilai
modulus elastisitas untuk bahan
komposit ini menunjukkan kenaikan secara linier
sebanding
dengan
penambahan
kompcsisi SIC, baik untuk Sic pro analis maupun S i c teknik.
2006. Dry )sliding wear behaviour of Al 22191SiC nmal matrix composites 4. V.Gondhalakar,K Pah?i,1996. Advanced Materlats Processes, 149 (3),pp 24 - 25. 5. W.S Johnson,October 1987. Met01 Matrix Composites : Thelr Tlme to Shlne?, ASTM Standardization News pp. 36 -
