BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah Perkembangan teknologi otomotif yang begitu pesat memerlukan material teknik dan cara produksi yang tepat untuk mewujudkan sebuah produk berkualitas, harga relatif murah dan berguna bagi masyarakat. Material teknik, terutama yang memiliki sifat-sifat seperti ringan, tahan aus, kuat, keras, murah dan mudah diproduksi, sangat memungkinkan sebagai material alternatif untuk menggantikan fungsi material logam berat seperti besi atau baja. Salah satu material yang memenuhi sebagian sifat-sifat tersebut adalah material berbahan dasar aluminium (Al), karena aluminium merupakan logam yang ringan, murah dan mudah diproduksi (Romiyarsu, 2005). Sifat-sifat mekanis aluminium masih memerlukan perbaikan karena sifatsifatnya relatif lebih rendah bila dibanding sifat-sifat mekanis logam berat, sehingga memerlukan rekayasa untuk memperbaikinya. Rekayasa material Al untuk memperbaiki sifat mekanis terutama kekerasan dan ketahanan aus, salah satunya dapat dilakukan dengan menambahkan material keramik misalnya partikel silicon carbide (SiC). SiC memiliki sifat-sifat seperti kekerasan tinggi dan tahan terhadap temperatur tinggi serta mampu dibasahi cukup baik oleh Al sehingga memungkinkan untuk dipadukan. Material berbahan dasar Al yang diperkuat partikel SiC merupakan salah satu jenis metal matrix composite (MMC) dan dikenal sebagai MMC Al-SiC. Berat MMC Al-SiC yang diperkuat 20 % partikel SiC lebih ringan 57 % dibanding berat baja, serta ketahanan aus dan konduktivitas termalnya tinggi (Chawla dan Chawla, 2006). Aplikasi MMC Al-SiC pada otomotif (mesin) yaitu sebagai material batang torak (piston rods), katup pegas (valve spring cap), torak (piston), pin torak (piston pins), piringan rem (brake disc) dan lain-lain. MMC Al-SiC dapat diproduksi dengan cara proses stir casting yaitu proses pencairan dan pengadukan
1
Al-SiC di dalam furnace, dilanjutkan proses penuangan ke dalam cetakan logam dengan memanfaatkan gaya gravitasi (Surappa, 2003; Kainer, 2006). Beberapa penelitian untuk meningkatkan sifat-sifat mekanis MMC Al-SiC yang dibuat dengan proses stir casting sudah dilakukan, diantaranya oleh Sakthivel dkk. (2008), Bhusan dan Kumar (2009), Singla dkk. (2009), Kathiresan dan Sornakumar (2010), dan Behera dkk. (2011). Hasil penelitian mereka menyimpulkan bahwa meningkatkan kandungan SiC dapat meningkatkan kekerasan MMC Al-SiC. Ramachandra dan Radhakrishna (2004), Basavarajava dkk. (2006), Curcle dan Ivanchev (2010), Hasan dkk. (2011), Purohit dan Verma (2012) dan Pradeep dkk. (2013) meneliti keausan MMC Al-SiC yang dibuat dengan proses stir casting. Hasil penelitian mereka menyimpulkan bahwa meningkatnya kandungan SiC dapat menurunkan keausan MMC Al-SiC. Permasalahan pembuatan MMC Al-SiC dengan proses stir casting salah satunya adalah penyebaran/distribusi partikel SiC yang kurang merata pada matriks Al. Distribusi partikel SiC pada matrik Al juga mempengaruhi sifat-sifat mekanis MMC Al-SiC. Distribusi partikel SiC yang merata pada matrik Al membuat sifat mekanis MMC Al-SiC lebih baik (Jayaseelan dkk., 2010). Penelitian untuk meningkatkan distribusi partikel SiC pada matrik Al sudah dilakukan, diantaranya oleh Prabu dkk. (2006), Shasha dkk. (2012), Hamedan dan Shahmiri (2012). Hasil penelitian mereka menyimpulkan bahwa meningkatkan kecepatan putar pengadukan pada proses stir casting akan menjadikan distribusi partikel SiC semakin merata pada matrik Al. Permasalahan pada proses pengecoran MMC Al-SiC dengan stir casting, selain distribusi partikel SiC yang kurang merata pada matrik Al adalah terbentuknya porositas. Porositas merupakan cacat berbentuk rongga-rongga halus yang terbentuk oleh reaksi interfacial karena oksigen dan hidrogen menyebabkan munculnya uap air pada permukaan partikel penguat, gas yang terjebak selama proses pencampuran dengan pengadukan dan penyusutan (shrinkage) selama pembekuan. Porositas juga terjadi akibat gelembung udara yang terjebak di dalam MMC Al-SiC cair selama proses pengecoran berlangsung (Aqida dkk., 2004).
2
Porositas MMC Al-SiC harus dikurangi karena dapat menurunkan kekuatan mekanis (Aqida dkk., 2004; Mahmoud dkk., 2007). Penelitian terdahulu pada uraian di atas dan tinjauan pustaka, pengamatan proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC dilakukan secara parsial sehingga hanya dapat mengetahui trend karakteristik yang terjadi pada kondisi tertentu. Penelitian terdahulu belum menganalisis parameter proses stir casting MMC AlSiC yang optimum secara simultan terhadap keausan, kekerasan, kekuatan tarik, dan porositas. Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, dalam penelitian ini dilakukan kombinasi variasi parameter proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC. Selanjutnya dilakukan analisis faktor yang paling berpengaruh, optimasi parameter faktor dan prediksi besarnya keausan, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas menggunakan metode Taguchi dan model regresi. Penggabungan metode ini dipilih karena dapat mengurangi biaya eksperimen dan dapat memprediksi besarnya sifat-sifat fisis dan mekanisnya.
1.2. Perumusan Masalah Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Bagaimana pengaruh variasi parameter dan faktor proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC yaitu variasi kandungan SiC, variasi temperatur cairan, variasi kecepatan putar dan variasi durasi pengadukan terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas. 2. Bagaimana optimasi variasi parameter faktor proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC yaitu variasi kandungan SiC, variasi temperatur cairan, variasi kecepatan putar dan variasi durasi pengadukan terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas. 3.
Bagaimana memprediksi besarnya keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas coran MMC Al-SiC karena pengaruh variasi parameter faktor proses pengecoran stir casting yaitu variasi kandungan SiC, variasi temperatur cairan, variasi kecepatan putar dan variasi durasi pengadukan.
3
1.3. Tujuan Penelitian Berdasarkan perumusan masalah, tujuan pelaksanaan penelitian ini adalah: 1. Meneliti pengaruh variasi parameter faktor proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik, dan porositas. 2. Menentukan parameter faktor proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas. 3. Membuat prediksi besarnya keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas coran MMC Al-SiC pada proses pengecoran stir casting.
1.4. Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Bahan penguat yang digunakan pada proses stir casting komposit adalah partikel SiC yang diproduksi oleh SIGMA-ALDRICH, Co, USA dengan ukuran 400 mesh (32 µm). 2. Bahan matrik adalah batang aluminium paduan Al-Si (ADC 12 %) yang diproduksi oleh PT. PINJAYA LOGAM, Mojokerto, Jawa Timur. 3. Proses stir casting komposit dilakukan pada komposisi SiC 0, 5, 10, 15 % berat, temperatur cair 680, 700, 720, 740 oC, kecepatan putar pengadukan 100, 200, 300, 400 rpm dan durasi pengadukan 10, 20, 30, 40 menit. 4. Sifat mekanis yang diteliti adalah keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik, sedangkan sifat fisis adalah porositas. 5. Desain eksperimen penelitian menggunakan desain eksperimen standar pada metode Taguchi. 6. Model prediksi dikembangkan menggunakan data hasil eksperimen standar metode Taguchi dilanjutkan analisis model regresi. 7. Ukuran relatif pengaduk dengan tempat logam cair adalah 0,79 yaitu diameter pengaduk 5,5 cm dan diameter bagian bawah graphite crucible 7 cm. Lebar sudu pengaduk adalah 1,5 cm dengan sudut kemiringan 25 o.
4
1.5. Keaslian Penelitian Berdasarkan penelusuran penulis pada tinjauan pustaka, penelitian MMC AlSiC yang menganalisis pengaruh parameter faktor proses pengecoran stir casting secara simultan terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas menggunakan kombinasi desain eksperimen Taguchi dan model regresi belum pernah dilakukan. Keaslian dan keterbaruan penelitian ini terletak pada: 1. Perekayasaan parameter dan pengujian pengaruh kombinasi dari beberapa parameter faktor proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC meliputi variasi kandungan SiC (% berat), variasi temperatur cairan (oC), variasi kecepatan putar (rpm) dan variasi durasi pengadukan (menit) terhadap keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas. 2. Metode eksperimen dan analisisnya yaitu menganalisis pengaruh dan optimasi parameter faktor secara simultan menggunakan metode Taguchi dan penerapan model regresi pada proses pengecoran stir casting MMC Al-SiC untuk memprediksi besarnya keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas.
1.6. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah: 1. Memberikan informasi bagi praktisi untuk meningkatkan sifat mekanis MMC Al-SiC yang diproduksi menggunakan proses stir casting, terutama untuk menghindari penggunaan parameter proses yang kurang tepat. 2. Memberikan kemudahan dalam memprediksi besarnya keausan spesifik, kekerasan, kekuatan tarik dan porositas coran MMC Al-SiC yang diproduksi menggunakan proses pengecoran stir casting, sehingga menghemat biaya pengujian.
5
