ANALISA DESAIN GATING SYSTEM SUDU TURBIN RADIAL INFLOW PADUAN AL-7SI-4MG-0.38CU PADA PROSES INVESTMENT CASTING Bayu Adam (1), Bondan T. Sofyan (1)*, Singgih Giri Basuki (1), Muhammad Syahid (1,2)
(1)Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424, Indonesia (2) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Tamalanrea Makassar *
[email protected]
Abstrak Proses permesinan umumnya digunakan untuk memproduksi sudu turbin radial inflow mini namun memiliki biaya yang tinggi karena material sisa. Proses ini bisa digantikan oleh investment casting yang mampu memproduksi komponen dengan geometri yang rumit dengan presisi yang tinggi . Namun tingkat kegagalan produksi sudu turbin dengan investment casting mencapai rata-rata 30-40%. Hal ini dapat dihindari dengan desain gating system yang baik, memperhatikan aspek cetakan keramik dan parameter penuangan. Pada penelitian ini dilakukan desain gating system sudu turbin radial inflow dan disimulasi dengan menggunakan software Z-Cast untuk memastikan tidak terjadinya cacat pengecoran. Hasil simulasi divalidasi dengan hasil pengecoran. Dilakukan pemeriksaan visual, uji kekerasan, pemeriksaan struktur mikro dengan mikroskop optik di 4 bagian yang berbeda dan SEM. Hasil penelitian menunjukkan desain gating system melalui simulasi software Z-Cast menghasilkan produk pengecoran yang baik. Tidak ditemukan cacat permukaan seperti makro porositas, penyusutan dan misrun. Nilai kekerasan produk adalah 43.2 HRB. Struktur mikro pada ujung sudu yang tipis lebih halus dibanding daerah lainya karena proses pembekuan yang lebih cepat. Hasil SEM memperlihatkan adanya stuktur αAl, Si eutectic, AlFeSi and Chinese script. Kata kunci : investment casting, , aluminium, sudu turbin radial inflow, Simulasi Z-cast, desain gating system
A. PENDAHULUAN Teknologi pembuatan sudu turbin radial inflow cukup rumit karena memiliki tingkat presisi yang tinggi, geometri yang rumitdan dimensi yang tipis pada sudu. Teknologi proses yang umum dipakai untuk memproduksi sudu turbin radial inflow adalah proses tempa, permesinan dan investment casting. Proses dengan tempa akan menghasilkan produk dengan kekuatan yang tinggi namun tingkat kepresisiannya rendah sehingga harus dilanjutkan dengan proses permesinan. Proses permesinan mampu menghasilkan komponen yang rumit dengan tingkat presisi yang tinggi namun memiliki biaya yang tinggi akibat material yang terbuang cukup tinggi. Investment casting memungkinkan untuk memproduksi komponen massal dengan geometri yang rumit, dimensi yang presisi dan lebih murah dibandingkan proses tempa atau permesinan. Material terbuang juga dapat di kendalikan sekecil mungkin [1]. Namun tingkat kegagalan produksi sudu turbin dengan investment casting masih tergolong tinggi yaitu mencapai
rata-rata 30-40%. Kegagalan produk industri
investment casting di Cina menunjukkan cacat yang disebabkan oleh inklusi 30%,
1 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
porositas 20%, hot cracks 10% dan misrun 10% [2]. Hal ini disebabkan oleh faktor cetakan keramik, parameter penuangan dan desain gating system [1-3]. Aspek desain gating system belum banyak dikaji padahal merupakan parameter penting dalam proses investment casting selain aspek cetakan keramik dan temperatur penuangan. Desain gating system yang buruk dapat menyebabkan terjadinya penyusutan dan misrun pada produk [2]. Untuk mendapatkan desain gating system yang baik dapat dilakukan dengan simulasi pengecoran. Salah satunya dengan software Z-Cast. Pada simulasi dengan ZCast, proses pengisian, pembekuan, dan cacat penyusutan yang akan terjadi pada proses pengecoran dapat diprediksi [4]. Proses trial and error untuk memperoleh desain gating system yang baik bisa dihilangkan dan digantikan oleh proses simulasi, sehingga akan menurunkan resiko cacat, mengurangi biaya dan memangkas waktu persiapan pengecoran. Hal ini terutama untuk produk dengan geometri yang rumit seperti sudu turbin. Proses simulasi juga dapat membantu meningkatkan yield pengecoran sehingga scrap menjadi berkurang [2,4]. Pada penelitian ini dilakukan desain gating system sudu turbin radial inflow yang disimulasi dengan menggunakan software Z-Cast untuk melihat proses pengisian, pembekuan dan cacat penyusutan. Desain gating system yang baik berdasarkan hasil simulasi akan divalidasi dengan hasil pengecoran dengan melakukan pemeriksaan visual, uji kekerasan, pemeriksaan struktur mikro dengan mikroskop optik dan SEM pada produk hasil pengecoran.
B. METODE PENELITIAN Desain gating system untuk investment casting turbin radial inflow dibuat dua model seperti pada Gambar 1. Pada desain yang pertama terdapat pouring basin, 2 down sprue dan 4 produk dengan posisi yang dimiringkan. Saluran masuk satu buah pada masingmasing produk dari samping atau pada bagian bawah badan sudu. Tinggi trees secara keseluruhan 300 mm. Pada desain yang kedua terdapat pouring basin, down sprue, runner dan saluran masuk 2 buah pada bagian atas dan bawah produk. Dimensi runner yang besar dimaksudkan untuk berfungsi sebagai riser. Tinggi trees secara keseluruhan 300 mm.
2 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Proses simulasi untuk desain gating system dilakukan dengan software Z-Cast dengan
parameter: material
produk AC4CH (Al-7%Si), material cetakan adalah
keramik, temperatur penuangan 750 o dan temperatur cetakan 730 oC. a
b
Gambar 1. Desain gating system sudu turbin radial inflow (a) Desain 4 produk (b) Desain 2 produk Untuk proses pengecoran, cetakan keramik dibuat berdasarkan desain gating system yang terbaik. Pola wax dirangkai untuk menjadi trees. Lapisan keramik terdiri dari larutan silica colloidal berbasis alkohol dengan serbuk zirconia (200-500 µm ) dan serbuk zirconia kering untuk membentuk lapisan utama yang diaplikasikan 1 kali. Lapisan sekunder dilakukan 3 kali dengan serbuk Mullite 3Al 2 O 3 .2SiO 2 yang lebih kasar (400 – 600 µm). Dewaxing dilakukan dalam autoclave dengan tekanan 9 bar dan temperatur 200 oC. Selanjutnya cetakan dibakar pada temperatur 1050 oC selama 3 jam. Material bahan cor adalah ingot aluminium Al7Si ditambah dengan Mg dan Cu batangan masing –masing 4 dan 1 (wt. %). Logam dicairkan pada dapur krusible. Sebelum penuangan pada logam cair dilakukan proses degassing dengan menggunakan gas argon selama 8 menit. Proses pengecoran dilakukan dengan sistem gravitasi pada temperatur penuangan 750 oC dengan temperatur cetakan pada saat penuangan adalah 730 oC. Setelah proses pembekuan dilakukan pembongkaran. Karakterisasi hasil pengecoran dilakukan dengan pemeriksaan visual, uji komposisi, pemeriksaan struktur mikro dilakukan mikroskop optik dan SEM/EDS serta pengujian kekerasan. Spesimen untuk pemeriksaan struktur mikro diambil pada ujung sudu, dietsa dengan 0,5% HF. Pengujian kekerasan Rockwell B dilakukan dengan 6 kali penjejakan pada bagian badan sudu turbin.
3 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
C. HASIL DAN PEMBAHASAN C.1 Hasil Simulasi Z-Cast Hasil simulasi terdiri atas distribusi temperatur aliran pengisian, simulasi distribusi temperatur pembekuan dan simulasi penyusutan pembekuan. Perbandingan hasil simulasi aliran pengisian dapat dilihat pada Gambar 2. Pada desain 1 untuk kondisi pengisian 5% terlihat logam cair mengalir memasuki down sprue. Pada kondisi pengisian 25% terlihat logam cair mengalir ke bagian produk lewat saluran masuk yang berada disamping produk. Posisi produk dengan bagian sudu di samping menyebabkan daerah sudu terisi secara tidak bersamaan. Posisi saluran masuk yang berada pada samping
runner
menyebabkan debit
aliran
masuk
menjadi
besar
sehingga
memungkinkan terjadinya turbulensi pada saluran masuk. Turbulensi pada saluran masuk dapat menimbulkan erosi pada cetakan, porositas dan adanya penyusutan sehingga harus dihindari [5]. Proses pengisian dengan saluran masuk disamping juga menyebabkan posisi bagian atas produk lebih tinggi dari saluran masuk.Hal ini menyebabkan debit aliran untuk bagian atas akan menjadi lebih kecil dan posisi runner tidak bisa berfungsi sebagai riser pada bagian atas produk. Kondisi ini akan rawan terjadinya penyusutan pada bagian atas produk . Pada saat kondisi pengisian 50% terlihat distribusi temperatur yang sangat bervariasi. Bagian atas produk belum terisi namun temperatur pada bagian sudu yang tipis dibagian bawah telah mengalami penurunan temperatur. Demikian pula saat kondisi pengisian 75% dan 100% distribusi temperatur tetap sangat bervariasi, sebagian produk belum terisi namun bagian ujung suduh sudah mengalami pendinginan. Hal ini sangat rawan untuk terjadinya hot spot dan penyusutan. Hal yang berbeda terlihat pada pada desain kedua (Gambar 2f-j). Pada kondisi pengisian 25% logam cair mengalir ke bagian produk lewat saluran masuk yang berada dibawah dan diatas produk. Posisi produk dengan bagian sudu dibawah menyebabkan daerah sudu lebih mudah dan cepat terisi sehingga misrun pada produk dapat dihindari. Keuntungan penggunaan dua saluran masuk adalah laju pengisian semakin tinggi sehingga penyusutan bisa dihindari. Selain itu turbulensi pada saluran masuk juga bisa dicegah karena debit aliran tidak terlalu besar. Turbulensi pada saluran masuk dihindari agar tidak menimbulkan cacat porositas dan penyusutan.
4 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Kondisi Pengisian (%)
Desain 1
Desain 2 a
f
b
g
c
h
d
i
e
j
5
25
50
75
100
Gambar 2. Simulasi distribusi temperatur selama proses pengisian cetakan pada (a-e) desain 1 dan (f-j) desain 2
5 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Pada saat kondisi pengisian 50% terlihat proses pengisian dari saluran masuk atas. Saluran masuk atas harus besar dan runner atas juga harus mampu berfungsi sebagai riser untuk memastikan seluruh bagian turbin terisi penuh dan tidak terjadi penyusutan pada produk. Pada kondisi pengisian 75% terlihat proses pengisian telah selesai pada badan produk. Tidak terdapat perbedaan temperatur antara bagian turbin seperti pada desain gating system pertama. Demikian pula pada kondisi pengisian 100%, temperatur pengisian relatif seragam pada seluruh badan turbin, kondisi ini menunjukkan hal yang baik, tidak rawan terjadi hot spot dan penyusutan. Perbandingan simulasi distribusi temperatur pembekuan dapat dilihat pada Gambar 3. Pada desain gating system yang pertama untuk dengan kondisi pembekuan 5% terlihat mulai muncul daerah yang mengalami penyusutan pada bagian runner, daerah tersebut belum berbahaya selama tidak mendekati produk. Namun pada bagian atas produk ternyata juga terdapat bagian dengan temperatur yang tinggi berbeda dengan daerah lain disekitarnya (hot spot). Hot spot muncul akibat proses pembekuan yang tidak merata, biasanya muncul pada daerah produk yang tebal dan terlambat mengalami proses pengisian [6]. Pada kondisi pembekuan 25%. terlihat distribusi temperatur pembekuan yang bervariasi. Pendinginan pada produk dimulai dari ujung sudu turbin yang lebih tipis. Distribusi temperatur pada bagian badan turbin seragam kecuali bagian atas produk yang tetap memiliki temperatur yang tinggi, bahkan daerah hot spot tersebut lebih besar dibandingkan sebelumnya. Pada saat akhir pembekuan terlihat distribusi temperatur yang relatif merata pada badan produk, kecuali pada bagian atas produk yang tetap mengalami hot spot. Adanya hot spot pada akhir pembekuan ini menunjukkan kegagalan desain gating system. Indikasi cacat penyusutan pada produk akan dipertegas oleh simulasi penyusutan selama proses pembekuan pada Gambar 4. Pada desain gating system yang kedua, hasil simulasi temperatur pembekuan pada kondisi 5% terlihat daerah yang paling cepat mengalami penurunan temperatur adalah ujung sudu turbin yang tipis dan daerah badan sudu dibawah saluran masuk atas merupakan daerah yang paling lambat mengalami penurunan temperatur. Hal ini diakibatkan oleh bagian sudu yang tipis sedangkan pada badan sudu berdimensi tebal. Pada Kondisi 25 % terlihat penurunan temperatur pada seluruh bagian sudu.
6 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Kondisi Pembekuan (%)
Desain 1
Desain 2
a
f
b
g
c
h
d
i
e
j
5
25
50
75
100
Gambar 3. Simulasi distribusi temperatur selama proses pembekuan pada (a-e) desain 1 dan (f-j) desain 2
7 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Kondisi Pembekuan (%)
Desain 1
Desain 2
a
f
b
g
c
h
d
i
e
j
5
25
50
75
100
Gambar 4. Simulasi penyusutan selama proses pembekuan pa (a-e) desain 1 dan (f-j) desain 2 8 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Daerah ujung sudu turbin memiliki temperatur lebih rendah dari badan sudu. Namun demikian, temperatur badang sudu turbin cenderung seragam sehingga tidak menghawatirkan terjadinya hot spot dan penyusutan. Distribusi temperatur pada kondisi 50%, 75% dan sampai 100% relatif sama. Hal ini menunjukkan hal yang positif, dimana tidak terlihat adanya hot spot pada badan sudu turbin seperti pada desain gating system yang pertama. Pada Gambar 4 terlihat perbandingan hasil simulasi penyusutan kedua desain gating system. Pada desain yang pertama, pada kondisi pembekuan 5 % terlihat daerah yang mengalami penyusutan mulai muncul pada daerah pouring basin, dan pada down sprue. Selain itu, terlihat adanya hot spot pada produk yaitu sisi atas badan sudu turbin. Penyusutan tersebut terjadi karena down sprue tidak mampu memasok material badan sudu secara cukup. Pada kondisi pembekuan 25%, 50% dan 75 % hasil simulasi menunjukkan daerah hot spot yang sama dan tidak mengalami pengecilan bahkan sampai pada kondisi pembekuan 100%. Hal ini mempertegas bahwa desain gating system ini tidak bisa dipergunakan karena akan menghasilkan cacat cor berupa penyusutan pada bagian badan turbin diatas saluran masuk. Pada desain gating system yang kedua, hasil simulasi penyusutan pembekuan pada kondisi 5 % belum terlihat adanya penyusutan atau daerah yang mengalami hot spot baik pada pouring basin, down sprue, runner bagian atas dan bawah, kedua saluran masuk dan pada produk. Namun pada kondisi pembekuan 25% terlihat adanya penyusutan pada daerah pouring basin dan saluran masuk bagian atas. Penyusutan tersebut terjadi akibat kurangnya pasokan pada produk. Jika runner bagian atas tidak mampu memasok badan sudu maka penyusutan mungkin saja akan sampai pada produk. Selain itu, pada saluran masuk bagian atas yang dekat dengan produk muncul daerah hot spot yang kecil. Munculnya hot spot ini cukup mengkhawatirkan jika berkembang karena sangat dekat dengan produk. Pada kondisi pembekuan 50 % hasil simulasi relatif sama dengan kondisi pembekuan 25%, dimana daerah penyusutan terjadi pada pouring basin dan saluran masuk bagian atas. Hot spot pada bagian bawah saluran masuk atas dekat badan turbin juga tetap ada, namun tidak menunjukkan adanya pembesaran. Demikian juga dengan kondisi pembekuan 75 % dan 100 %. Meskipun pada saluran masuk atas dekat sudu turbin terdapat hot spot namun daerah ini belum menyentuh badan sudu sehingga relatif aman.
9 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
Berdasarkan hasil simulasi, desain gating system yang kedua lebih baik dari desain yang pertama. Desain yang pertama lebih rawan timbul cacat penyusutan pada produk.oleh karena itu pengecoran dilakukan dengan menggunakan desain gating system yang kedua.
C.2 Karakterisasi Hasil Pengecoran Pengecoran dilakukan dengan menggunakan desain gating system yang kedua dengan material paduan Al-7Si-4Mg-0.38Cu. Pada pemeriksaan visual hasil pengecoran, tidak ditemukan adanya cacat permukaan seperti misrun, makro porositas ataupun penyusutan pada produk. Kualitas permukaan produk juga tergolong halus. Demikan pula pada pemeriksaan potongan badan sudu turbin tidak ditemukan adanya makro porositas (Gambar 5). Hasil pengecoran yang baik ini menunjukkan bahwa desain gating system dapat berfungsi dengan baik. Desain gating system yang buruk dapat menyebabkan terjadinya penyusutan dan misrun [2]. a
b
c
Gambar 5 Hasil pengecoran sesuai desain 2 dalam bentuk (a) Trees (b) produk tunggal (c) potongan vertikal Tidak
ditemukannya
cacat
misrun
dan
penyusutan
juga
menunjukkan
permeabilitas cetakan keramik yang baik sehingga gas yang berada dalam cetakan dapat keluar saat dilakukan penuangan sehingga tidak menghambat laju pengisian. Selain itu, kualitas cetakan keramik juga ditunjukkan oleh permukaan produk yang halus, dimana 10 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
hasil tersebut menunjukkan bahwa tidak ada interaksi antara lapisan pertama cetakan dan permukaan logam cor. Pada hasil pengamatan struktur mikro di bagian ujung sudu, bagian bawah sudu, badan sudu turbin dan saluran masuk atas terlihat struktur dendritik dengan ukuran butir yang berbeda (Gambar 6). Pada ujung sudu terlihat lebih kecil dibandingkan dengan pada bagian yang lain. Hal ini diakibatkan oleh pembekuan yang lebih cepat pada ujung sudu karena merupakan daerah yang tipis. Ukuran butir terbesar berada pada saluran masuk atas yang merupakan badan sudu, hal ini akibat pembekuan yang lambat pada daerah ini karena merupakan daerah yang tebal. Struktur Si eutektik terlihat berbentuk serpih yang halus. Selain
itu terdapat struktur Chinese script (AlMgFeSi).
Terbentuknya struktur Chinese script di dorong oleh kandungan Mg yang lebih tinggi dari 1 (wt. %) dan unsur Fe [5, 6]. a
b
50 µm
50 µm
c
d
50 µm
50 µm
Gambar 5.18. Struktur mikro sampel hasil pengecoran Al7Si4Mg0.38Cu pada empat posisi berbeda (a) ujung sudu (b) bagian bawah sudu (c) badan sudu turbin (d) saluran masuk sudu turbin
11 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
4
2
3
1
Gambar 7. Back scattered Elektron SEM pada ujung sudu turbin radial inflow aluminium Al7Si4Mg0.38Cu. Hasil mikroanalisis pada posisi (1) sampai (4) tercantum pada Tabel 1. Hasil SEM untuk paduan Al-7Si-4Mg-0.38Cu (wt.%) pada ujung sudu dapat dilihat pada Gambar 7. Beberapa fasa yang yang terlihat yaitu matriks α Al, Si eutektik yang berbentuk serpih, AlMgSi yang berbentuk Chinese script dan struktur
yang
berwarna putih AlMnFeSi. Fasa CuAl 2 tidak terlihat pada paduan ini karena konsentrasi Cu yang rendah yaitu 0.38 (wt. %). Hasil EDS beberapa fasa utama untuk paduan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil analisis EDS pada ujung sudu turbin sesuai posisi pada Gambar 7 No 1 2 3 4
Rata-rata Unsur (wt. %) Mg Cu Si Fe Al - Bal 41.23 - 21.23 Bal - - 73.50 Bal 7.6 - 21.23 11.64 Bal
Fasa yang mungkin Matriks α Al AlMgFeSi Si Eutektik AlMgFeSiMn
Nilai kekerasan yang diperoleh adalah 43.2 HRB . Nilai kekerasan ini dikontribusikan oleh struktur α Al, Si eutektik, AlMgSi (Chinese script) dan AlFeMgMn. Chinese script dan AlFeMgMn memiliki sifat yang keras namun getas sehingga cenderung untuk dihindari [7]. 12 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
D. KESIMPULAN 1. Hasil simulasi dengan software Z-Cast menunjukkan desain gating system yang kedua lebih baik dari yang pertama 2. Pemeriksaan visual hasil pengecoran dengan menggunakan desain gating system yang kedua tidak ditemukan cacat makro porositas dan misrun. Permukaan coran juga halus. Hal ini menunjukkan desain gating system, parameter pengecoran dan cetakan keramik berfungsi dengan baik 3. Struktur mikro pada ujung sudu yang tipis menunjukkan butir yang lebih halus dibandingkan pada bagian yang lain karena proses pembekuan yang cepat. Bagian badan turbin dekat saluran masuk menunjukkan butir yang paling kasar. 4. Produk cor memiliki kekerasan rata – rata 43.2 HRB dengan struktur mikro fasa αAl, Si eutektik, AlMgSi (Chinese script) dan AlFeSiMgMn.
E. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai oleh Riset Madya UI tahun 2012, Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada PT. Metinca Prima yang telah memfasilitasi investment casting. F. Daftar Pustaka [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
S. Jones, C. Yuan, Advances in shell moulding for investment casting, J. Mat. Proc. Tech. Vol. 135, 2003, pp. 258-265. D.Z. Lia, J. Campbellb,Y.Y.Li, Filling system for investment cast Ni-base turbine blades, J. Mat. Proc. Tech. Vol. 148, 2004, pp. 310-316. M.T. Jovanovi´c, B. Dimˇci´c, I. Bobi´c, S. Zec, V. Maksimovi´c, Microstructure and mechanical properties of precision casting cast TiAl turbocharger, J. Mat. Proc. Tech. Vol. 167, 2005, pp. 14-21. Soemardi, Johny Soedarsono, Sulamet, The role of casting flow and solidification simulation for the improvement of thin wall ductile iron quality. D.R. Gunasegaram, D.J. Farnsworth, T.T. Nguyen, Identification of critical factors affecting shrinkage porosity in permanent mold casting using numerical simulations based on design of experiments, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 209, 2009, pp 1209–1219 Syahid, T. Sofyan, Studi Awal Proses Investment Casting Sudu Turbin Aluminium Paduan A356, Prosiding Seminar Teknik Tahunan UGM, Yogyakarta 16 feb 2012, pp A83-A87. A.M. Kliauga, E.A. Vieira, M. Ferrante, The influence of impurity level and tin addition on the ageing heat treatment of the 356 class alloy, J.Mat. Sci. Eng. Vol A 480 , 2008, pp 5–16.
13 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
14 Analisa desain..., Bayu Adam, FT UI, 2013.
