BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Kebutuhan material semakin meningkat seiring dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat pada saat ini. Material dengan kombinasi sifatsifat mekanis yang tidak ditemukan pada material konvensional seperti logam, keramik, polimer sangat diperlukan. Material terapan membutuhkan banyak alternatif sifat-sifat yang dapat disediakan pada material paduan. Material paduan adalah memadukan dua unsur material atau lebih untuk mendapatkan sifat yang lebih baik dari unsur penyusunnya. Aluminium adalah logam berwarna putih keperakan yang lunak. Aluminium memiliki beberapa kelebihan daripada logam lainnya. Aluminium relatif lebih ringan daripada baja, tembaga, maupun kuningan. Sebagai konduktor listrik dan panas yang baik, aluminium juga memiliki titik lebur yang rendah, mempunyai ketahanan korosi yang baik sehingga lebih mudah difabrikasi dibandingkan dengan logam lainnya. Seperti dituang dengan cara yang mudah. Kekurangan logam aluminium adalah ketahanan aus kurang, koefisien pemuaian rendah dan kekuatan rendah dibanding logam besi dan baja. Kekuatan logam aluminium murni memang tidak sebaik logam-logam lainnya, tetapi untuk meningkatkan kekuatan logam aluminium dipadukan dengan unsur-unsur lain seperti tembaga, magnesium, silikon, mangan dan seng. Aluminium paduan ini biasanya disebut Aluminium alloy. Paduan
1
aluminium diantaranya adalah untuk pembuatan piston, blok mesin, cylinder head, valve dan lain sebagainya. Silikon (Si) merupakan unsur yang umum digunakan dalam paduan aluminium. Hal ini dikarenakan penambahan unsur silikon meningkatkan karakteristik pengecoran seperti meningkatkan mampu alir (fluidity) dan ketahanan terhadap retak panas (hot tearing). Paduan Al-Si memiliki sifat mampu cor yang baik, tahan korosi, dapat diproses dengan permesinan dan dapat dilas. Fungsi lain dari unsur silikon adalah dapat mereduksi koefisien ekspansi termal dari paduan Aluminium. Selama pemanasan terjadi, pemuaian volume paduan tidak terlalu besar. Hal ini akan menjadi sangat penting saat proses pendinginan dimana akan terjadi penyusutan volume paduan Aluminium. Paduan Al-Si yang memerlukan perlakuan panas ditambah dengan Mg juga Cu serta Ni yaitu untuk memberikan kekerasan pada saat panas. Bahan paduan ini biasa dipakai untuk torak motor. Magnesium adalah unsur yang dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan pada paduan heat-treated Al-Si dan umumnya digunakan pada paduan Al-Si kompleks yang mengandung Cu, Ni dan elemen lain yang berfungsi sama. Mg adalah unsur logam, berwarna putih dengan titik lebur 651° C dan titik didih 1.107° C. Magnesium memiliki kelarutan 17.4 % pada temperatur 450 oC. Magnesium bersama-sama dengan Si membentuk fasa Mg2Si yang mengendap pada perlakuan panasnya. Pada kadar 0.1 % - 1.3 %, endapan Mg2Si yang terbentuk optimal. Mekanisme penguatannya adalah melalui
2
mekanisme precipitation hardening. Selain meningkatkan kekuatan dan kekerasan, unsur Mg juga meningkatkan ketahanan terhadap korosi paduannya. Fuad (2009), dalam penelitiannya tentang perlakuan panas paduan AlSi pada prototipe piston berbasis material piston bekas mengatakan bahwa unsur yang terkandung dalam piston antara lain Al, Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Cr, Ni, Sn, Ti, Pb, dan Ca. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1.1 di bawah ini : Tabel 1.1 Komposisi material piston
Unsur Prosentase
Deviasi
Unsur
Prosentase
Deviasi
Al
84,19
0,8298
Zn
0,00
0,00
Si
10,7
0,807
Sn
0,016
0,00
Fe
0,465
0,0504
Ti
0,0784
0,0049
Cu
0,981
0,0830
Pb
0,0007
0,000
Mn
0,0410
0,0057
Be
0,00
0,000
Mg
1,15
0,136
Ca
0,0162
0,0026
Cr
0,0318
0,0039
Sr
0,000
0,000
Ni
2,29
0,283
V
0,0070
0,000
Penelitian tentang tentang paduan Al-Si-Mg pada material piston bekas masih sangat kurang, sehingga penulis akan melakukan penelitian tentang pengaruh penambahan unsur magnesium (Mg) pada material piston bekas
3
dengan metode pengecoran yang diharapkan dapat menaikkan sifat mekanik seperti kekerasan dan ketangguhan impak. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan uraian tersebut diatas, maka penulis bermaksud untuk melakukan penelitian tentang bagaimana pengaruh penambahan unsur magnesium (Mg) pada piston berbasis material piston bekas terhadap sifat mekanik kekerasan dan impak. Dari hasil percobaan dan data masing-masing penambahan unsur Mg, akan dibandingkan satu sama lain sehingga akan diperoleh formula yang paling efektif untuk mendapatkan sifat mekanis yang paling optimal. 1.
Bagaimana pengaruh penambahan unsur Mg sebesar 0%, 5%, 10%, dan 15% terhadap tingkat kekerasan piston?
2.
Bagaimana pengaruh penambahan unsur Mg sebesar 0%, 5%, 10%, dan 15% terhadap kekuatan impak?
3.
Bagaimana pengaruh penambahan unsur Mg sebesar 0%, 5%, 10%, dan 15% terhadap struktur mikro piston?
1.3 Batasan Masalah Dalam skema penelitian ini, penulis membatasi permasalahan dengan batasan masalah sebagai berikut : 1.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah paduan Al-Si pada material piston bekas motor bensin merk Honda Supra X.
2.
Mg (magnesium) yang digunakan berbentuk ingot dengan penambahan fraksi berat sebesar 0%, 5%, 10% dan 15 %.
4
3.
Pengecoran yang dilakukan dengan menggunakan cetakan pasir.
4.
Pengujian yang dilakukan adalah uji komposisi, uji kekerasan, uji impak dan uji struktur mikro.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui : 1. Pengaruh penambahan fraksi berat magnesium terhadap kekerasan pada material piston berbasis piston bekas. 2. Pengaruh penambahan fraksi berat magnesium terhadap kekuatan impak pada material piston berbasis piston bekas. 3. Pengaruh penambahan fraksi berat magnesium terhadap struktur mikro, pengamatan struktur mikro dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik. pada material piston berbasis piston bekas. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini diharapkan dapat terbentuk material yang mempunyai karakteristik mekanik yang baik, dan hasilnya dapat bermanfaat sebagai data atau bahan referensi, memberikan kontribusi baik bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan industri pengecoran aluminium.
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Penelitian tentang paduan Al-Si- Mg pada material piston telah dilakukan oleh beberapa orang peneliti, antara lain : Duskiardi (2002), Eddy Djatmiko & Budiarto (2008), Taufik (2008), Fuad Abdilah (2009), Tjokrda (2010), Putu Hadi Setyarini (2011). Duskiardi (2002), dalam penelitiannya tentang pengaruh tekanan dan temperatur die casting terhadap kekerasan dan struktur mikro pada material piston komersial lokal ternyata mampu menurunkan porositas sampai 85.15 % dan memperbaiki kekerasan sebesar 5.29 % setelah dilakukan perlakukan panas T6. Tekanan serta temperatur die optimal didapatkan pada 70 – 100 MPa dan 400 – 450 oC. Sifat mekanik paduan Al-Si-Mg naik akibat adanya penambahan suhu saat perlakuan panas T6. Sifat mekanik optimum diperoleh ketika pemanasan pada suhu 210 oC. Pada kondisi ini paduan mempunyai nilai kekerasan 93,30 HVN, kekuatan impak 5,13 J/cm2 dan telah memenuhi standar
JIS
H
5201.
Pengamatan
struktur
mikro
menunjukkan
terbentuknya struktur hypoeutektik yang terdiri dari dendrit aluminium primer dan campuran eutektik Al-Si-Mg. Hasil identifikasi fasa setelah perlakuan panas T6 menunjukkan bahwa paduan Al-Si-Mg terdiri dari fasa α-Al, fasa Si dan fasa MnAl6 (Eddy Djatmiko dan Budiarto, 2008).
6
Taufik (2008), meneliti tentang pengaruh variasi penambahan tembaga dan magnesium terhadap tingkat kekerasan paduan AluminiumSilikon yang menyimpulkan bahwa nilai kekerasan paduan Al-Si dapat dipengaruhi oleh jenis dan kadar penambahan unsur paduan. Dan untuk menghasilkan kekerasan hasil pengecoran paduan Al-Si yang optimal dipilih penambahan tembaga (Cu) 10 % dan magnesium (Mg) 5%. Fuad Abdillah (2009), melakukan penelitian dengan komposisi 12.60 wt% Si, 2.80 wt% Cu, 1.58 wt% Ni, 0.87 wt% Mg, 0.36 wt% Fe, 0.15 wt% Mn, 0.076 wt% Zn, 0.016 wt% Pb, 0.009 wt% Sn, 0.006 wt% Ca dan selebihnya Al menyatakan metode direct squeeze casting secara signifikan dapat mengurangi cacat porositas dan tekanan yang optimal pada proses ini diantara 70-100 Mpa, dan temperatur die antara 450 oC. Tjokorda (2010), dalam penelitiannya tentang studi struktur mikro silikon dalam paduan Aluminium-Silikon pada piston dari berbagai merk sepeda motor, yang menyimpulkan bahwa struktur mikro silikon dari masing-masing
merk
sepeda
motor
ternyata
berbeda-beda
yang
menunjukkan piston tersebut dibuat melalui proses dan komposisi yang berbeda. Perbedaan ditemukan khusunya dalam ukuran dan bentuk silikon. Perbedaan ini selanjutnya menentukan sifat-sifat dari masing-masing piston tersebut dihubungkan dengan ketahanan aus. Putu Hadi Setyarini (2011), mengemukakan bahwa penambahan temperatur pemanasan pada proses pengecoran sentrifugal dapat mempengaruhi kekuatan impak paduan Al-Si-Mg, khususnya pada
7
temperatur pemanasan 400 oC didapat kekuatan impak sebesar 2.934 (kg.mm/mm2) dengan waktu putar cetakan ± 120 detik dan putaran 1450 rpm. 2.2 LANDASAN TEORI 2.2.1 Uji Komposisi Pengujian komposisi kimia bertujuan untuk mengetahui kandungan unsur-unsur pada hasil coran. Pengujian komposisi menggunakan Spektrometer. Setiap unsur yang terkandung dalam suatu material akan memberikan pengaruh pada material tersebut, baik dari kekerasan (Hardness), kekuatan (Strength), keuletan (Ductility), kelelahan (Fatique) maupun ketangguhan (Toughness). Dengan mengetahui komposisi kimia dari suatu material maka dapat diketahui sifat atau karakteristik dari material tersebut. Uji komposisi merupakan pengujian yang berfungsi untuk mengetahui seberapa besar atau seberapa banyak jumlah suatu kandungan yang terdapat pada suatu logam, baik logam ferro maupun logam non ferro. Uji komposisi biasanya dilakukan ditempat pabrik-pabrik atau perusahaan logam yang jumlah produksinya besar, ataupun juga terdapat di Instititut pendidikan yang khusus mempelajari tentang logam. Proses pengujian komposisi berlangsung dengan pembakaran bahan menggunakan elektroda dimana terjadi suhu rekristalisasi, dari suhu rekristalisasi terjadi penguraian unsur yang masing-masing beda warnanya. Penentuan kadar berdasar sensor perbedaan warna. Proses
8
pembakaran elektroda ini tidak lebih dari tiga detik. Pengujian komposisi dapat dilakukan untuk menentukan jenis bahan yang digunakan dengan melihat persentase unsur yang ada.
2.2.2 Uji Kekerasan Kekerasan (Hardness) adalah salah satu sifat mekanik (Mechanical properties) dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan (frictional force) dan deformasi plastis. Deformasi plastis sendiri suatu keadaan dari suatu material ketika material tersebut diberikan gaya maka struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali ke bentuk asal artinya material tersebut tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Di dalam aplikasi manufaktur, material dilakukan pengujian dengan dua pertimbangan yaitu untuk mengetahui karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menekan sebuah indentor ke permukaan benda uji. Ukuran hasil penekanan dikonversikan ke angka kekerasan. Hasil pengujian kekerasan tidak dapat diaplikasikan langsung dalam mendesain suatu kontruksi seperti halnya hasil pengujian tarik. Namun
9
demikian angka kekerasan material merupakan salah satu sifat mekanik yang penting dalam memilih suatu material. Pengujian kekerasan banyak dilakukan karena proses pengujian yang relatif sederhana dibandingkan dengan proses pengujian material lainnya. Hasil pengujian kekerasan dapat digunakan antara lain : a. Menentukan penggunaan dari bahan Klasifikasi suatu bahan dapat didasarkan pada kekerasannya. Dari nilai kekerasan akan dapat ditentukan penggunaan dari bahan tersebut. b. Kontrol kualitas suatu produk Dengan pengujian kekerasan dapat diketahui homogenitas suatu bahan akibat suatu proses pembentukan dingin, pengelasan, heat treatment, case hardening dan sebagainya. Dengan demikian pengujian kekerasan dapat juga berfungsi sebagai kontrol terhadap proses yang dilakukan. Tujuan pengujian kekerasan adalah mengukur angka kekerasan suatu bahan dengan metode Brinell, Rockwell, Vickers dan Micro Hardness. Pengukuran kekerasan secara umum dapat dilakukan dengan dua metode yaitu : a. Metode Dinamis (Dynamical Methode) Karakteristik dari Metode Dinamis adalah : -
Pembebanan terjadi dengan tiba-tiba.
-
Waktu penetrasinya singkat (Short penetration time).
10
-
Ketelitian rendah (Low Accuracy).
-
Pengujian dilakukan dengan cepat.
Jenis pengujian kekerasan yang menggunakan metode ini antara lain : Shore scleroscope, Herbert, Hammer Poldi, dsb. b. Metode Statis (Statical Methode) Karakteristik dari Metode Statis adalah : -
Pembebanan terjadi secara perlahan-lahan dengan beban tertentu.
-
Waktu penetrasinya panjang (Long penetration time).
-
Ketelitian tinggi (High accuracy).
-
Pengujian lebih lambat dari metode dinamis.
Jenis pengujian kekerasan yang menggunakan metode ini antara lain : Brinell, Vickers, Rockwell, Vickers Micro Hardness dan Knoop Micro hardness dll. Metode pengujian statis merupakan metode pengujian kekerasan yang umum digunakan dewasa ini. Hal ini didasarkan pada hasil pengujian yang lebih akurat. Pengujian ini dapat dikategorikan berdasarkan sasaran dari material yang akan diuji, yaitu : a. Untuk mengukur kekerasan suatu material digunakan pengujian kekerasan Brinell, Rockwell dan Vickers. b. Untuk mengukur kekerasan fasa pada struktur mikro atau lapisan tipis dari suatu material digunakan Micro-hardness test.
11
Pada panelitian ini peneliti menggunakan pengujian kekerasan Brinnel. Pengujian kekerasan dengan metode Brinnel bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja (identor) yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut (spesimen). Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kgf. Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Uji kekerasan brinnel dirumuskan dengan : (2.1)
dimana : D
= Diameter bola (mm)
d
= impression diameter (mm)
F
= Load (beban) (kgf)
HB
= Brinell result (HB)
Gambar 2.1 Pengujian brinnel
12
Gambar 2.2 Perumusan untuk pengujian brinnel
2.2.3 Uji Impak Pengujian kuat impak merupakan suatu pengujian yang mengukur ketahanan bahan terhadap beban kejut. Dasar pengujian impak adalah penyerapan energi potensial dari pendulum beban yang berayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi. Gambar 1.3 memberi ilustrasi suatu pengujian impak dengan metode Charpy:
Gambar 2.3 Ilustrasi skematis pengujian impak dengan benda uji Charpy
Uji ini bertujuan untuk mengukur ketangguhan atau kemampuan suatu bahan dalam menyerap energi sebelum patah (toughness). Energi yang diserap material :
13
E = mg (ℎ𝑜 – ℎ1 ) = mgL (cos β – cos α)
( 2.2 )
Dimana m adalah massa pendulum (kg), g adalah percepatan gravitasi, L adalah panjang lengan (m), ho adalah tinggi awal pendulum, ℎ1 adalah tinggi akhir pendulum, α adalah sudut awal lengan (º), dan β adalah sudut akhir lengan (º).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑠𝑒𝑟𝑎𝑝
𝐽
Kekuatan impak = 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑏𝑒𝑟𝑡𝑎𝑘𝑖𝑘 ( 𝑚2 )
( 2.3 )
Kemudian dari pengujian ini dapat dihitung kekuatan impak.
2.2.4 Uji Struktur mikro Struktur mikro adalah struktur terkecil yang terdapat dalam suatu bahan yang keberadaannya tidak dapat di lihat dengan mata telanjang, tetapi harus menggunakan alat pengamat struktur mikro diantaranya; mikroskop cahaya, mikroskop electron, mikroskop field ion, mikroskop field emission dan mikroskop sinar-X. Adapun manfaat dari pengamatan struktur mikro ini adalah: a. Mempelajari hubungan antara sifat-sifat bahan dengan struktur dan cacat pada bahan. b. Memperkirakan sifat bahan jika hubungan tersebut sudah diketahui. Pengujian struktur mikro ini bertujuan untuk mengamati struktur mikro pada paduan Al-Si-Mg, terutama untuk mengamati perubahan struktur mikro dari material yang diakibatkan dari proses peleburan.
14
Langkah-langkah untuk melakukan pengamatan struktur mikro adalah pemotongan spesimen menjadi ukuran yang kecil kurang lebih seukuran 10mm x 10mm x 10mm, penempatan spesimen ke dalam cetakan dan cetakan tadi diisi resin yang bertujuan untuk memermudah dalam proses penghalusan, pengampelasan dengan menggunakan amplas halus secara berurutan, mulai dari yang paling kasar (nomor kecil) sampai yang halus (nomor besar), pemolesan dengan menggunakan bubuk penggosok ataupun pasta diamond. Pemeriksaan struktur mikro memberikan informasi tentang bentuk struktur, ukuran butir dan banyaknya bagian struktur yang berbeda. Persiapan spesimen sama dengan persiapan untuk pengujian kekerasan, yaitu permukaan atas dan bawah harus sejajar, merata dan harus mengkilap. Pengerjaan selanjutnya setelah diamplas sampai nomor terhalus adalah pemolesan menggunakan media abrasif (autosol). Tujuannya adalah untuk membentuk permukaan yang mengkilap, sehingga dapat diperoleh pemantulan cahaya yang baik saat dilakukan pengamatan dibawah mikroskop. Selain itu juga bertujuan untuk menghilangkan sisa-sisa partikel abrasif serta amplas yang masih tertinggal pada benda uji. Proses pemolesan dengan menggunakan kain beludru yang sudah diberi autosol. Untuk menampakkan karakteristik struktur logam benda uji dilakukan proses etsa pada permukaan benda yang diamati. Etsa berupa HNO3 2,5% akan bereaksi dan melarutkan bagian-bagian tertentu, sehingga secara
15
mikro permukaan akan mengalami pengkorosian. Dengan demikian saat pengamatan, pemantulan yang terjadi akan berbeda dan kemudian kita dapat mengamati struktur yang berbeda satu dengan yang lain. Akhir dari proses etsa, benda uji dibersihkan dengan alcohol dan dikeringkan sesaat, dengan menggunakan mikroskop beserta kameranya bagian-bagian tersebut dipotret dan diamati struktur mikronya.
16
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 BAHAN DAN ALAT PENELITIAN 3.1.1 Bahan penelitian a. Piston standar pabrik Tujuannya adalah untuk mendapatkan data yang relevan dengan tuntutan piston pada mesin, dipilihnya piston standar pabrik juga berfungsi untuk keperluan identifikasi angka kekerasan, impak dan stuktur mikro sebagai pembanding dari angka kekerasan, impak dan struktur mikro piston baru berbasis material piston bekas sebelum dilakukan penambahan Mg sekaligus sebagai jawaban seberapa besar persentase peningkatan kekerasan dan impak setelah dilakukan penambahan Mg
Gambar 3.1 Piston
17
b. Piston baru berbasis material piston bekas Tujuannya untuk mendapatkan data yang relevan perihal sifat-sifat mekanis piston baru berbasis material piston bekas setelah diberi penambahan unsur Mg. c. Magnesium Sebagai bahan utama untuk ditambahkan pada paduan Al-Si dengan variasi yang telah ditentukan. Pada penelitian ini Mg yang digunakan adalah Mg dengan bentuk waffle ingot. d. Cetakan pasir
Pada suatu pengecoran digunakan bermacam-macam cetakan antara lain cetakan pasir, baik dengan pengeras maupun tidak. Cetakan pasir kadang-kadang dibuat dengan tangan atau dapat juga dibuat dengan mesin cetakan. Pada masa sekarang ini pembuatan cetakan mekanik sangat berkembang disebabkan kemajuan pada mesin cetakan dari yang kecil hingga yang besar. Dan untuk pembuatan cetakan dengan tangan bila jumlah produksinya kecil, atau bentuknya dibuat oleh cetakan mesin, atau memerlukan cetakan yang ukurannya besar sekali. Untuk pasir cetakan yang dipakai biasanya menggunakan tanah lempung sebagai pengikat. Pembuatan cetakan dengan tangan dari pasir basah dilakukan dengan urutan sebagai berikut : 1) Papan cetakan diletakkan pada lantai yang rata dengan pasir yang tersebar mendatar.
18
2) Pola dan rangka cetakan untuk drag diletakkan diatas papan cetakan. Rangka cetakan harus cukup besar sehingga tebalnya pasir 30 samapai 50 mm. Letak saluran turun ditentukan lebih dahulu. 3) Pasir muka yang telah diayak ditaburkan untuk menutupi permukaaan pola dalam rangka cetak. Lapisan pasir muka dibuat setebal 30 mm. 4) Pasir cetak ditimbun di atas dan dipadatkan dengan penumbuk. Dalam penumbukan ini harus dilakukan hati-hati agar pola tidak terdorong langsung oleh penumbuk. Kemudian pasir yang tertumpuk melewati tepi atas dari rangka cetakan digaruk dan cetakan diangkat bersama pola dari papan cetakan. 5) Cetakan dibalik dan diletakkan pada papan cetakan, dan setengah pola lainnya bersama-sama rangka cetakan untuk kup dipasang di atasnya, kemudian bahan pemisah ditaburkan di permukaan pisah dan di permukaan pola. 6) Batang saluran turun atau pola untuk penambah dipasang, kemudian pasir muka dan pasir cetak dimasukkan dalam rangka cetakan dan dipadatkan. Kemudian kalau rangka-rangka cetakan tidak mempunyai pen dan kuping, maka rangka-rangka cetakan harus ditandai agar tidak keliru dalam penutupannya. Selanjutnya kup dipisahkan dari drag dan diletakkan mendatar pada papan cetakan.
19
7) Pengalir dan saluran dibuat dengan mempergunakan spatula. Pola untuk pengalir dan saluran dipasang sebelumnya yang bersentuhan dengan pola utama, jadi tidak perlu dibuat dengan spatula. Pola diambil dari cetakan dengan jara, Inti yang cocok dipasang pada rongga cetakan dan kemudian kup dan drag ditutup, maka pembuatan cetakan berakhir.
3.1.2
Alat penelitian
a. Alat uji kekerasan
Alat uji kekerasan yang digunakan adalah Rockwell Hardness Tester. Pengujian kekerasan bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap benda uji (dapat berupa bola baja atau kerucut diamon) yang ditekankan terhadap permukaan material uji. b. Alat uji struktur mikro Untuk melihat struktur mikro yang terjadi dapat dilihat dengan alat mikroskop olympus BX 416. c. Alat uji komposisi Untuk uji komposisi kimia produk/bahan dari aluminium menggunakan alat spektrometer metal scan. d. Alat uji impak Alat uji impak untuk mengetahui kekuatan impak.
20
3.1.3 Metode Penelitian Bahan paduan untuk pembuatan benda uji diambil dari produk piston bekas. Piston tersebut dipotong menjadi beberapa bagian dimana sebagian untuk karakteristik awal dan sebagian yang lain untuk pembuatan ingot. Ingot ini akan menjadi bahan baku untuk pembuatan prototipe (benda uji). Adapun tahap proses pengecoran yang saya lakukan untuk membuat benda uji adalah sebagai berikut: Mempersiapkan bahan seperti piston dan magnesium. Persiapan material piston bekas sebelum dilebur dibersihkan dengan menggunakan larutan pembersih, digosok dengan menggunakan kertas amplas untuk menghilangkan oksidasi permukaan dan kerak hasil pembakaran pada ruang bakar. Memotong-motong piston bekas dan Mg, kemudian menimbang dengan prosentase yang ditentukan. Total berat piston bekas adalah 1000 gr (100%), dengan prosentase penambahan Mg (0%, 5%, 10%, 15%). Mg ingot dimasukkan kedalam tungku. Tungku dinyalakan, posisi penyemprotan panas dari bagian atas bahan. Setelah Mg lebur barulah piston bekas dimasukkan. Hal ini dilakukan karena Mg memiliki titik lebur yang tinggi dibandingkan dengan paduan Al-Si. Setelah kedua bahan tercampur kemudian diaduk ± 5 mnt. Kemudian menuangkan campuran kedua bahan tersebut kedalam cetakan dan didinginkan pada suhu kamar.
21
Setelah cetakan dingin bahan dikeluarkan dari cetakan dan kemudian dibuat benda uji dengan menggunakan mesin. Untuk benda uji kekuatan impak menggunakan standar ASTM E32, sedangkan untuk uji kekerasan benda uji berbentuk lingkaran dengan diameter 5 cm dan tebal 3 mm. Sampel benda uji berjumlah 16 buah a. Uji kekerasan
= 5 buah
b. Uji impak
= 5 buah
c. Uji struktur mikro
= 5 buah
d. Uji komposisi
= 1 buah
Setelah benda uji jadi barulah dilakukan pengujian. Tabel 3.1 Komposisi bahan Kode Sampel
Persen Berat (%)
I
II
Piston Bekas
Mg
K/Mg/0
I/Mg/0
100
0
K/Mg/5
I/Mg/5
95
5
K/Mg/10
I/Mg/10
90
10
K/Mg/15
I/Mg/15
85
15
22
3.2 Diagram alir penelitian :
Start
Uji komposisi piston
Penambahan unsur Mg (0%, 5%, 10%, 15%)
Pengecoran
Pembuatan spesimen
Uji kekerasan
Uji impak
Pengolahan Data
Kesimpulan
Selesai
23
Uji struktur mikro
Jadwal Penelitian Bulan ke No
Tahapan kegiatan I
1.
Mempersiapkan
bahan
dan
peralatan 2.
Pembuatan spesimen
3.
Pengujian spesimen
4.
Pengolahan data
5.
Penyusunan laporan
24
II
III
IV
V
VI
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Uji Komposisi Material Piston Bekas Pengujian komposisi dilakukan untuk mengetahui kandungan unsur apa saja yang pada raw material (piston bekas) dan berapa prosentase yang terkandung dari masing-masing unsur. Hasil yang diperoleh dapat dilihat pada table di bawah ini : Tabel 4.1 Hasil uji komposisi raw material (piston bekas)
Unsur
%
Al
82,87
Si
12,93
Fe
0,5515
Cu
1,4590
Mn
0,0472
Mg
0,6585
Zn
0,0619
Ti
0,0272
Cr
0,0133
Ni
1,3625
Pb
0,0116
Sn
0,0113
4.2 Uji Kekerasan 1. Hasil uji kekerasan pada raw material (0%Mg ) Metode yang digunakan dalam uji kekerasan ini menggunakan metode Hardnes Brinell. Dimana beban yang digunakan untuk menekan benda uji
25
sebesar 153,2 N dan diameter penetrator 2,5 mm. Untuk perhitungan hasil uji kekerasan menggunakan Persamaan 2.1, sehingga didapatkan Tabel 4.2 di bawah ini : Tabel 4.2 Hasil uji kekerasan paduan 100% PB + 0% Mg
Angka kekerasan Hb
No
Strip
1
20
69,73
2
20
69,73
3
21
64,10
(kg/mm2)
Rata-rata
67,85
Dari hasil uji pada raw material kekerasan rata-rata sebesar 67,85 kg/mm2. 2. Hasil uji kekerasan pada penambahan 5% Mg Hasil pengujian kekerasan pada penambahan unsure 5% Mg dapat dilihat pada Tabel 4.3 di bawah ini : Tabel 4.3 Hasil uji kekerasan paduan 95% PB + 5% Mg
No Strip
Angka kekerasan HB (kg/mm2)
1
19
79,49
2
19,5
74,99
3
20
69,73
Rata-rata
74,73
3. Hasil uji kekerasan pada penambahan 10 % Mg Hasil pengujian kekerasan pada penambahan unsure 10% Mg dapat dilihat pada Tabel 4.4 di bawah ini :
26
Tabel 4.4 Hasil uji kekerasan paduan 90% PB + 10% Mg
Angka kekerasan HB
No
Strip
1
18
88,32
2
18
88,32
3
18,5
84,56
Rata-rata
87,06
(kg/mm2)
Dari hasil uji kekerasan paduan 90% PB + 10% Mg didapatkan angka kekerasan rata-rata sebesar 87,06 kg/mm2. 4. Hasil uji kekerasan pada penambahan 15 % Mg Hasil pengujian kekerasan pada penambahan unsure 10% Mg dapat dilihat pada Tabel 4.5 di bawah ini : Tabel 4.5 Hasil uji kekerasan paduan 85% PB + 15% Mg
No
Strip
Angka kekerasan HB (kg/mm2)
17
96,94
17
96,94
17,5
92,43
Rata-rata
95,44
Dari hasil uji kekerasan paduan 85% PB + 15% Mg didapatkan nilai kekerasan rata-rata sebesar 95,44 kg/mm2. Dari table-tabel diatas maka dapat dibuat grafik di bawah ini :
27
120
Angka kekerasan HB
100 80 60 40 20 0 0% Mg
5% Mg
10% Mg
15% Mg
Penambahan Mg Gambar 4.1 Pengaruh penambahan unsur Mg terhadap sifat kekerasan
Dari hasil uji kekerasan paduan Al-Si berbasis material piston bekas dengan variasi penambahan Mg didapatkan bahwa tingkat kekerasan material meningkat seiring dengan banyaknya Mg yang ditambahkan. Hal ini dapat dilihat dari hasil uji kekerasan material sebelum ditambahkan Mg sebesar 67,85 kg/mm2. Setelah ditambahkan Mg tingkat kekerasannya meningkat menjadi 74,73 kg/mm2. Begitu juga dengan penambahan Mg sebesar 10% dan 15% tingkat kekerasannya meningkat. Tingkat kekerasan tertinggi didapatkan pada penambahan Mg sebesar 15% yaitu sebesar 95,44 kg/mm2. Hasil ini sejalan dengan sifat magnesium yaitu dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan terhadap paduannya. Hal ini dapat dilihat dari hasil uji kekerasan dari berbagai macam komposisi paduan dari 0% Mg sampai dengan 15% Mg, dimana dari berbagai macam komposisi tersebut paduan 85% PB + 15% Mg memiliki nilai kekerasan yang paling tinggi.
28
4.3.
Uji impak Pada pengujian impak ini spesimen yang digunakan mengacu pada standar ASTM E23. Metode yang digunakan dalam uji kekuatan impak ini menggunakan metode charpy. Dimana sudut ayunan tanpa beban sebesar 155o. Dari ketiga spesimen uji impak diperoleh beberapa nilai tenaga patah.
Harga Impak (HI) suatu bahan yang diuji dengan metode
Charpy dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.3. Sehingga dari hasil pengujian impak dan perhitungan didapat table di bawah ini : Tabel 4.6 Perbandingan harga impak rata-rata terhadap penambahan Mg
Paduan
100% PB + 0% Mg
No
0,019
2
0,019
3
0,025 0,021
1
0,03125
2
0,025
3
0,02875
Rata-rata
90% PB + 10% Mg
0,0283 1
0,03125
2
0,035
3
0,03125
Rata-rata
85% PB + 15% Mg
(J/mm2)
1
Rata-rata
95% PB + 5% Mg
Harga Impak
0,0325 1
0,03125
2
0,0375
3
0,0375
Rata-rata
0,035
29
Harga Impak
0,04 0,03 0,02 0,01 0 0% Mg
5% Mg
10% Mg
15% Mg
Variasi penambahan Mg Gambar 4.2 Grafik pengaruh penambahan unsur Mg terhadap kekuatan impak
Dari Gambar 4.2 di atas, hasil uji impak paduan Al-Si berbasis material piston bekas dengan variasi penambahan Mg didapatkan bahwa harga impak material meningkat seiring dengan meningkatnya Mg yang ditambahkan. Hal ini dapat dilihat dari hasil uji impak material sebelum ditambahkan Mg sebesar 0,021 J/mm2. Setelah ditambahkan Mg sebesar 5% Harga Impaknya meningkat menjadi 0,0283 J/mm2. Begitu juga dengan penambahan Mg sebesar 10% dan 15%. Harga Impak tertinggi didapatkan pada penambahan Mg sebesar 15% yaitu sebesar 0,035 J/mm2. Dari hasil ini ternyata penambahan unsur Mg dapat mempengaruhi Harga Impak paduan Al-Si berbasis material piston bekas. Hal ini dapat dilihat dari hasil uji impak yang memiliki Harga Impak paling tinggi yaitu paduan 85% PB + 15% Mg. Berikut grafik pengaruh penambahan unsur Mg terhadap paduan Al-Si berbasis material piston bekas terhadap kekuatan impak.
30
4.4
Uji Struktur Mikro Dari hasil foto struktur mikro penambahan unsur Mg pada paduan AlSi berbasis material piston bekas menunjukan bahwa adanya struktur mikro yang berubah, baik struktur yang tidak merata menjadi merata, unsur menjadi serpihan memanjang dan merata dan adanya penurunan porositas. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Porositas
Raw material (0% Mg)
Penambahan 5% Mg
31
Penambahan 10% Mg
Penambahan 15% Mg
Gambar 4.3 Foto mikro padua Al-Si (piston bekas) dengan penambahan unsur Mg
32
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan maka bisa diambil kesimpulan sebagai berikut: 1.
Hasil uji kekerasan dapat dilihat bahwa terdapat kenaikan pada tiap-tiap penambahan Mg pada paduan Al-Si berbasis material piston bekas. Angka kekerasan rata-rata terbesar terjadi pada penambahan Mg sebesar 15% yaitu sebesar 95,44 kg/mm2. Angka kekerasan rata-rata terkecil terjadi pada penambahan Mg sebesar 5% yaitu 74,73 kg/mm2, tetapi nilai kekerasan ini masih lebih tinggi bila dibandingkan dengan sebelum penambahan Mg (0%) yang hanya sebesar 65,41 kg/mm2.
2.
Hasil uji impak dapat dilihat bahwa terdapat kenaikan pada tiap-tiap penambahan Mg pada paduan Al-Si berbasis material piston bekas. Harga Impak rata-rata terbesar terjadi pada penambahan Mg sebesar 15% yaitu sebesar 0,035 J/mm2. Harga Impak terkecil terjadi pada penambahan Mg sebesar 5% yaitu 0,0283 J/mm2, tetapi nilai ini masih lebih tinggi bila dibandingkan dengan sebelum penambahan Mg (0%) yang hanya sebesar 0,021 J/mm2.
3.
Penambahan unsur Mg pada paduan Al-Si berbasis material piston bekas menyebabkan perubahan struktur mikro baik pada penambahan 0%, 5%, 10%, dan 15%. Hal ini dapat dilihat semakin bertambahnya Mg struktur semakin rata sehingga sifat mekaniknya meningkat.
33
5.2 Saran 1. Pengecoran pada penelitian ini menggunakan metode penuangan gravitasi, sehingga masih banyak diperlukan penelitian-penilitian lanjutan untuk mendalami proses pengecoran sentrifugal, cetak tekan, yang dapat meningkatkan sifat mekaniknya. 2. Suhu pada proses penuangan hasil pengecoran harus tepat karena untuk menghidari terjadinya porositas pada benda uji. 3. Perlu ketelitian dalam proses pmbuatan benda uji dan sesuai dengan standar yang ditentukan.
34
DAFTAR PUSTAKA
Duskiardi dan Soejono Tjitro, 2002, Pengaruh Tekanan Dan Temperatur Die Proses
Squeeze Casting Terhadap Kekerasan Dan Struktur Mikro
Pada Material Piston Komersial Lokal, Volume 4, No. 1.
Eddy Djatmiko dan Budiarto, 2008, Pengaruh Perlakuan Panas T6 Terhadap Kekerasan Dan Struktur Mikro Pada Paduan Al-Si-Mg.
M.Taufik Rizal, 2008, Pengaruh Variasi Penambahan Tembaga dan Magnesium Terhadap Tingkat Kekerasan pada Al-Si.
Putu Hadi Setyarini, 2011, Perilaku Impak Dan Porositas Paduan Al-SiMg Pada Pengecoran Sentrifugal Akibat Temperatur Pemanasan Awal Cetakan, Volume 2, No. 1. Surdia, T. dan Cijiiwa K, 1991, Teknik Pengecoran Logam, PT Pradnya Paramita, Jakarta.
Tjokorda Gde Tirta Nindhia, 2010, Studi Struktur Mikro Silikon Dalam Paduan Al-Si Pada Piston dari Berbagai Merk Sepeda Motor, Volume 4, No. 1.
35
LAPORAN PENELITIAN BIDANG KAJIAN REKAYASA
STUDI SIFAT MEKANIK PADUAN Al-Si PADA PISTON BEKAS DENGAN PENAMBAHAN MAGNESIUM (Mg)
OLEH
RUSNOTO, ST. M.Eng.
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PANCASAKTI TEGAL 2014
36
HALAMAN PENGESAHAN 1. Judul Penelitian
: Studi Sifat Mekanik Paduan Al-Si Pada
Piston Bekas Dengan Penambahan Magnesium (Mg). 2. Bidang Penelitian
: Kajian Rekayasa
3. Organisasi Pelaksana Peneliti a.
Nama Lengkap
: Rusnoto, ST. M.Eng.
b.
NIPY
: 14054121974
c.
Golongan Pangkat
: III a
d.
Jabatan Fungsional
: Asisten Ahli
e.
Jabatan Struktural
: Kepala Lab. Teknik Mesin
f.
Fakultas/Prog Studi
: Teknik/Teknik Mesin
g.
Perguruan Tinggi
: Universitas Pancasakti Tegal
h.
Alamat
: Jl. Halmahera Km. 1, Tegal
4. Lokasi Penelitian
: Lab. Teknik mesin UPS Tegal
5. Jumlah Biaya
: Rp. 2.000.000,-
Tegal, 10 Maret 2014 Mengetahui,
Peneliti
Dekan Fakultas Teknik
Mustaqim ST., M. Eng.
Rusnoto, ST. M.Eng.
NIPY. 9050751970
NIPY. 14054121974
Menyetujui, Kepala LPPM
DR. Dino Rozano, MPd. NIP.19530404 198803 1 001
37
Abstrak Piston merupakan material paduan Al-Si yang mempunyai karakteristik kekuatan dan kekerasan tinggi, tahan korosi, dan ringan. Tetapi setelah mengalami kerusakan akibat overheating maka beberapa sifat mekanik tadi akan mengalami penurunan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan unsur Mg pada pengecoran piston bekas terhadap kekerasan, kekuatan impak dan struktur mikro. Bahan yang digunakan adalah paduan Al-Si ( piston bekas ), Mg (magnesium) yang digunakan sebagai unsur penambah berbentuk waffle ingot dengan komposisi penambahan 0%, 5%, 10% dan 15%, cetakan yang digunakan menggunakan cetakan pasir. Material piston bekas sebelum dilebur dibersihkan dari kotoran terutama kerak dengan menggunakan larutan pembersih dan digosok dengan menggunakan kertas amplas. Kemudian memotong dan menimbang piston bekas dan Mg dengan komposisi yang sudah ditentukan. Piston bekas yang sudah ditimbang dimasukkan kedalam tungku pemanas untuk dilebur. Setelah piston bekas lebur barulah unsure Mg dimasukkan. Hal ini dilakukan karena paduan AlSi (piston) memiliki titik lebur yang tinggi dibandingkan dengan Mg. Setelah kedua bahan tercampur kemudian diaduk selama 1 menit. Hasil campuran dituang kedalam cetakan dan didinginkan pada temperatur kamar. Uji yang dilakukan adalah pengujian kekerasan, pengujian impak, foto mikro. Dari hasil penelitian menunjukkan kekerasan, kekuatan impak meningkat seiring dengan penambahan unsur Mg pada paduan Al-Si berbasis material piston bekas. Angka kekerasan rata-rata terbesar terjadi pada penambahan Mg sebesar 15% yaitu sebesar 95,44 kg/mm2. Harga Impak rata-rata terbesar terjadi pada penambahan unsur Mg sebesar 15% yaitu sebesar 0,035 J/mm2. Sedangkan pada raw material (0% Mg) angka kekerasan sebesar 65,41 kg/mm2 dan kekuatan impak sebesar 0,021 J/mm2. Kata kunci : Paduan Al-Si, unsur Mg, pengecoran, uji kekerasan, uji impak.
38
DAFTAR ISI ……………......................................................................... i
JUDUL
HALAMAN PENGESAHAN KATA PENGANTAR
....................................................................... ii
……...…………………………………………… iii
ABSTRAK
………………………………………………………….. iv
DAFTAR ISI
……………....................................................................... v . …….................................................................. 1
BAB I PENDAHULUAN
……. .............................................................. 1
1.1. Latar Belakang 1.2. Rumusan Masalah
................................................................ 4
1.3. Batasan Masalah
................................................................. 4
1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian
................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI .......................... 6 2.1. Tinjauan Pustaka
….................................................................... 6 ……................................................................. 8
2.2. Landasan Teori
……...…………………………………… 8
2.2.1 Uji Komposisi
2.2.2 Uji Kekerasan …… ...…………………………………….. . 9 2.2.3 Uji Impak ………………………………………………….. 13 2.2.4 Uji Struktur Mikro …………………………………………. 14 BAB III METODE PENELITIAN . ..…….......................................................17 3.1. Bahan dan Alat Penelitian 3.1.1 Bahan
....................................................... 17
…….……………………………………………..17
3.1.2 Alat Penelitian
…………… ................................................20
3.1.3 Metode Penelitian
........................................... 21
3.2. Diagram Alir Penelitian
…………………................................ 23
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
…………….................................. 25
4.1. Uji Komposisi Piston Bekas…………………………………….. 25 4.2. Uji Kekerasan ………………………………………………….. 25 4.3. Uji Impak
………………………………………………….. 29
4.4 Uji Struktur Mikro ……………………………………………… 31
39
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
……………………......................... 33
…………………………………………………… 33
5.2 Saran …………..……………………………………………….. 34 DAFTAR PUSTAKA
..................................................................................... 35
40
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, atas selesainya penyusunan laporan hasil penelitian dengan judul “Studi Sifat Mekanik Paduan Al-Si Pada Piston Bekas Dengan Penambahan Magnesium (Mg)”. Penelitian ini sebagai wujud pelaksanaan salah satu Tri Dharma Perguruan Tinggi dan upaya penerapan ilmu pengetahuan. Ucapan terima kasih atas selesainya laporan penelitian ini saya sampaikan kepada: 1. Rektor Universitas Pancasakti Tegal 2. Kepala Lembaga Penelitian Universitas Pancasakti Tegal 3. Dekan Fakultas Teknik Universitas Pancasakti Tegal 4. Ka.Progdi Teknik Mesin Fakultas teknik Universitas Pancasakti Tegal 5. Rekan-rekan kerja yang telah banyak memberikan dorongan moril Saran dan masukan sangat kami butuhkan demi penyempurnaan laporan ini, terimakasih.
Tegal,
Maret 2014
Penyusun
41
42
