BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Proses Pengecoran Logam Menurut jenis cetakan yang digunakan proses pengecoran dapat diklasifikan menjadi dua katagori : 1. Pengecoran dengan cetakan sekali pakai. 2. Pengecoran dengan cetakan permanen. Pada proses pengecoran dengan cetakan sekali pakai, untuk mengeluarkan produk corannya cetakan harus dihancurkan. Jadi selalu dibutuhkan cetakan yang baru untuk setiap pengecoran baru, sehingga laju proses pengecoran akan memakan waktu yang relatif lama. Tetapi untuk beberapa bentuk geometri benda cor tersebut, cetakan pasir dapat menghasilkan coran dengan laju 400 suku cadang perjam atau lebih. Pada proses cetakan permanen, cetakan biasanya di buat dari bahan logam, sehingga dapat digunakan berulang-ulang. Dengan demikian laju proses pengecoran lebih cepat dibanding dengan menggunakan cetakan sekali pakai, tetapi logam coran yang digunakan harus mempunyai titik lebur yang lebih rendah dari pada titik lebur logam cetakan. 2.1.1Pengecoran dengan cetakan sekali pakai Ada beberapa metode pengecoran dengan cetakan sekali pakai yaitu : Sand Casting (penuangan dengan cetakan pasir). Proses pembentukan benda kerja dengan metoda penuangan logam cair kedalam cetakan pasir (sand casting), secara sederhana cetakan pasir ini dapat
diartikan sebagai rongga hasil pembentukan dengan cara mengikis berbagai bentuk benda pada bongkahan dari pasir yang kemudian rongga tersebut diisi dengan logam yang telah dicairkan melalui pemanasan (molten metals). Cetakan pasir
merupakan cetakan yang paling banyak digunakan, karena memiliki
keunggulan : Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang tinggi, seperti baja, nikel dan titanium; Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil sampai dengan ukuran besar; Jumlah produksi dari satu sampai jutaan. Tahapan pengecoran logam dengan cetakan pasir ditunjukkan pada Gambar 2.1 sebagai berikut : Pembuatan pola, sesuai dengan bentuk coran yang akan dibuat; Persiapan pasir cetak; Pembuatan cetakan; Pembuatan inti (bila diperlukan); Peleburan logam; Penuangan logam cair kedalam cetakan; Pendinginan dan pembekuan; Pembongkaran cetakan pasir; Pembersihan dan pemeriksaan hasil coran;
Gambar 2.1 Tahapan pengecoran logam dengan cetakan pasir Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Gambar 2.2 Konstruksi cetakan pasir Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Proses Pengecoran dengan Cetakan Khusus : Proses pengecoran telah dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan khusus. Perbedaan antara metode ini dengan metode cetakan pasir terdapat dalam komposisi bahan cetakan, cara pembuatan cetakan, atau cara pembuatan pola. Cetakan kulit (shell molding) ditunjukkan dalam gambar 2.3 Menggunakan pasir dengan pengikat resin termoset
Gambar 2.3 Tahapan pembuatan cetakan kulit Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Cara pembuatan : (1) Pada logam dipanaskan dan diletakan diatas kotak yang telah berisi campuran pasir dengan resin termoset; (2) Kotak dibalik sehingga campuran pasir dan resin jatuh diatas pola yang masih panas, membentuk lapisan campuran yang melapisi permukaan pola sehingga membentuk kulit keras;
(3) Kotak dikembalikan ke posisi semula, sehingga kelebihan campuran pasir kembali jatuh kedalam kotak; (4) Kulit pasir dipanaskan dalam oven selama beberapa menit hingga seluruhnya mengering; (5) Cetakan kulit dilepaskan dari polanya; (6) Dua belahan cetakan kulit dirakit, di support dengan pasir atau butiran logam dalam sebuah rangka cetak, dan kemudian dilakukan penuangan. Coran yang telah selesai dengan saluran turun dilepaskan dari cetakan. Keuntungan dari cetakan kulit : Permukaan rongga cetak lebih halus dibandingkan dengan cetakan pasir basah; Permukaan yang halus tersebut memudahkan logam cair selama penuangan dan dihasilkan permukaan akhir yang lebih baik; Dimensi lebih akurat; Memilki kolapsibilitas yang sangat baik, sehingga dapat dihindarkan terjadinya keretakan pada hasil coran. Kelemahan : Pola logam lebih mahal dibandingkan dengan pola yang digunakan pada cetakan pasir basah; Kurang cocok bila digunakan untuk jumlah produksi yang rendah (hanya cocok untuk produksi massal). Contoh penggunaan : roda gigi, value bodies, bushing, camshaft
Proses pengecoran polisteren Nama lain dari proses ini adalah : proses penghilangan busa (lost-foam process), proses penghilangan pola (lost pattern process), proses penguapan busa (evaporative foam process), proses cetak penuh (full-mold process). Pola cetakan termasuk sistem saluran masuk, riser dan inti (bila diperlukan) dibuat dari bahan busa polisteren. Dalam hal ini cetakan tidak harus dapat dibuka dalam kup dan drug, karena pola busa tersebut tidak perlu dikeluarkan dari rongga cetak.
Gambar 2.4 Tahapan pengecoran polisteren Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Tahapan proses pengecoran polisteren adalah : (1) Pola polisteren dilapisi dengan senyawa tahan api; (2) Pola busa tersebut ditempatkan pada kotak cetakan, dan pasir dimasukkan kedalam kotak cetakan dan dipadatkan kesekeliling pola;
(3) Logam cair dituangkan kedalam bagian pola yang berbentuk cawan tuang dan saluran turun (sprue), segera setelah logam cair dimasukan kedalam cetakan, busa polisteren menguap, sehingga rongga cetak dapat diisi. Keuntungan proses ini : Pola tidak perlu dilepaskan dari rongga cetak. Tidak perlu dibuat kup dan drug, dan sistem saluran masuk serta riser dapat dibuat menjadi satu dengan pola polisteren tersebut. Kelemahannya : Pola polisteren merupakan pola sekali pakai, sehingga dibutuhkan pola baru setiap kali pengecoran. Biaya pembuatan pola mahal. Penggunaan : Produksi massal untuk pembuatan mesin automobil (dalam proses ini pembuatan dan pemasangan pola dilakukan dengan sistem produksi automatis).
Pengecoran presisi (investment casting) : Pola cetakan pada proses pengecoran ini dibuat dari lilin yang dilapisi denganbahan tahan api, setelah sebelumnya lilin tersebut mencair terlebih dahulu dan dikeluarkan dari rongga cetakan. Pola lilin dibuat dengan cetakan induk (master die), dengan cara menuang atau menginjeksikan lilin cair ke dalam cetakan induk tersebut.
Gambar 2.5 Tahapan proses pengecoran presisi Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Tahapan pengecoran presisi : (1) Pola lilin dibuat; (2) Beberapa pola ditempelkan pada saluran turun (sprue) membentuk pohon bola (3) Pohon pola dilapisi dengan lapisan tipis bahan tahan api; (4) Seluruh cetakan terbentuk dengan menutup pola yang telah dilapisi tersebut dengan bahan tahan api sehingga menjadi kaku; (5) Cetakan dipegang dalam posisi terbalik, kemudian dipanaskan sehingga lilin meleleh dan keluar dari dalam cetakan; (6) Cetakan dipanaskan kembali dalam suhu tinggi, sehingga semua kotoran terbuang dari cetakan dan semua logam cair dapat masuk kedalam bagian bagian yang rumit disebut proses preheating; (7) Setelah logam cair dituangkan dan membeku cetakan dipecahkan, dan coran
dilepaskan dari sprue-nya. Keuntungan dari pengecoran presisi : Dapat membuat coran dalam bentuk yang rumit; Ketelitian dimensi sangat baik (toleransi ± 0.076mm); Permukaan hasil coran sangat baik; Lilin dapat didaur ulang; Tidak diperlukan pemesinan lanjut; Kelemahan : Tahapan proses banyak sehingga biayanya mahal; Terbatas untuk benda cor yang kecil; Sulit bila diperlukan inti. Contoh penggunaan : komponen mesin turbin, perhiasan, alat penguat gigi. Cetakan presisi dapat digunakan untuk semua jenis logam, seperti : baja, baja tahan karat, paduan dengan titik lebur tinggi. Pengecoran dengan cetakan plaster dan keramik : Pengecoran dengan cetakan plaster mirip dengan cetakan pasir, hanya cetakannya dibuat dengan plaster (2CaSO4-H2O) sebagai pengganti pasir. Bahan tambahan, seperti bubuk dan silika dicampur dengan plaster untuk : mengatur kepadatan, mengatur waktu pengeringan cetakan, mengurangi terjadinya keretakan, dan meningkatkan kekuatan.
Untuk membuat cetakan, plaster dicampur dengan air dan dituangkan ke dalam pola plastik atau logam dalam rangka cetak (flask) dan dibiarkan mengering (catatan: pola kayu kurang sesuai untuk cetakan plaster). Kelemahan : Perawatan cetakan plaster sulit sehingga jarang digunakan untuk produksi tinggi; Kekuatan cetakan akan berkurang bila terlalu kering; Bila cetakan tidak kering uap lembab akan merusak hasil coran; Permeabilitas cetakan rendah, sehingga uap sulit keluar dari rongga cetak; Tidak tahan temperatur tinggi. Cara menanggulangi kelemahan : Keluarkan udara sebelum diisi cairan; Anginkan plaster agar dihasilkan plaster yang keras dan padat; Gunakan cetakan dengan komposisi dan perawatan khusus yang dikenal dengan proses Antioch. Proses Antioch adalah proses yang menggunakan campuran 50% pasir dengan plaster, memanaskan cetakan dalam autoclave (oven yang menggunakan uap air superpanas dan bertekanan tinggi), dan kemudian dikeringkan. Dengan cara ini akan dihasilkan permeabilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan cetakan plaster konvensional. Keuntungan : Permukaan akhir baik; Dimensi akurat;
Mampu membuat bagian coran yang tipis. Pengecoran dengan cetakan plaster digunakan untuk logam dengan titik lebur rendah seperti : aluminium, magnesium, dan paduan tembaga. Contoh Penggunaan : cetakan logam untuk mencetak plastik, karet, sudu-sudu pompa dan turbin, dan produk coran lainnya yang memiliki geometri yang rumit. Cetakan keramik Mirip dengan cetakan plaster, bedanya cetakan keramik menggunakan bahan keramik tahan api yang lebih tahan temperatur tinggi dibandingkan dengan plaster. Jadi cetakan keramik dapat digunakan untuk mencetak baja, besi tuang, dan paduan lainnya yang mempunyai titik lebur tinggi. Penggunaan sama dengan cetakan plaster hanya titik lebur logam coran lebih tinggi.
Gambar 2.6 Proses pembuatan cetakan keramik Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
2.1.2 Proses pengecoran cetakan permanen Pengecoran cetakan permanen menggunakan cetakan logam yang terdiri dari dua bagian untuk memudahkan pembukaan dan penutupannya. Pada
umumnya cetakan ini dibuat dari bahan baja atau besi tuang. Logam yang biasa dicor dengan cetakan ini antara lain aluminium, magnesium, paduan tembaga, dan besi tuang. Berbagai pengecoran cetakan permanen : 1. Pengecoran tuang (slush casting) Digunakan untuk benda cor yang berlubang dengan cetakan logam tanpa inti. Tahapan pengecoran: Logam cair dituangkan ke dalam cetakan dan dibiarkan sejenak sampai terjadi pembekuan pada bagian yang bersentuhan dengan dinding cetakan; Cetakan kemudian dibalik, sehingga bagian logam yang masih cair akan tertuang keluar dari rongga cetakan; Diperoleh benda cor yang berlubang, ketebalannya ditentukan oleh lamanya waktu penahan sebelum cetakan dibalik. Contoh penggunaan: patung, alas lampu, boneka, dan lain-lainnya. Logam cor yang biasa dipakai : timah hitam, seng, dan timah putih. 2. Pengecoran bertekanan rendah (low pressure casting) Pada pengecoran jenis ini cetakan diletakkan diatas ruang kedap udara (airtight chamber), kemudian gas bertekanan rendah dialirkan ke dalam ruang tersebut sehingga logam cair yang berada di dalam ladel tertekan ke atas melalui saluran batu tahan api masuk ke dalam cetakan, seperti ditunjukkan dalam gambar berikut
Gambar 2.7 Pengecoran dengan cetakan bertekanan rendah Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Keuntungan : Hasil cetakan bersih bebas dari inklusi, Kerusakan akibat porositas gas dan oksidasi dapat diperkecil, Sifat mekaniknya meningkat. 3. Pengecoran cetakan permanen vakum (vacuum permanent mold casting) Pengecoran cetakan permanen vakum merupakan bagian dari pengecoran bertekanan rendah, bedanya disini cetakannya divakum, sehingga cairan logam akan ditarik ke dalam rongga cetak karena adanya perbedaan tekanan.
Gambar 2.8 Proses pengecoran cetakan permanen vakum Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Kelebihan proses ini dibandingkan pengecoran bertekanan rendah adalah : - Kerusakan karena porositas udara dapat dikurangi; - Kekuatan benda cor lebih baik. 4. Pengecoran cetak tekan (die casting) Pengecoran cetak tekan termasuk proses pengecoran cetakan permanen dengan cara menginjeksikan logam cair ke dalam rongga cetakan dengan tekanan tinggi (7 sampai 350MPa). Tekanan tetap dipertahankan selama proses pembekuan, setelah seluruh bagian coran membeku cetakan dibuka dan hasil coran dikeluarkan dari dalam cetakan. Terdapat dua jenis mesin cetak tekan : - Mesin cetak tekan ruang panas (hot chamber), dan - Mesin cetak tekan ruang dingin (cold chamber) Proses pengecoran cetak tekan ruang panas : Proses pengecoran cetak tekan ruang panas dilakukan dengan cara logam dilebur di dalam kontainer yang menjadi satu dengan mesin cetaknya, seperti ditunjukkan dalam berikut
Gambar 2.9 Proses pengecoran cetak tekan ruang panas Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Tahapan pengecoran: (1) Cetakan ditutup dan pluger ditarik ke atas, logam cair masuk ke dalam ruang (chamber); (2) Plunger menekan logam cair dalam ruang sehingga mengalir masuk ke dalam rongga cetak; tekanan dipertahankan selama proses pendinginan dan pembekuan; (3) Plunger ditarik, cetakan dibuka, dan benda coran yang telah membeku ditekan keluar dengan pin ejektor; (4) Proses pengecoran selesai. Proses pengecoran cetak tekan ruang dingin : Proses pengecoran cetak tekan ruang dingin dilakukan dengan cara logam dilebur di dalam kontainer yang terpisah dengan mesin cetaknya, seperti ditunjukkan dalam gambar berikut
Gambar 2.10 Proses pengecoran cetak tekan ruang dingin Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Tahapan pengecoran : (1) Cetakan ditutup dan ram ditarik, logam cair dituangkan ke dalam ruang (chamber); (2) Ram ditekan sehingga mendorong logam cair masuk ke dalam rongga cetak, tekanan dipertahankan selama proses pendinginan dan pembekuan; (3) Ram ditarik, cetakan dibuka, dan benda coran yang telah membeku ditekan keluar dengan pin ejektor. Keuntungan pengecoran cetak tekan : 1) Laju produksi tinggi; 2) Sangat ekonomis untuk produksi massal; 3) Dimensi benda cor akurat (toleransi ± 0,076 mm untuk benda cor yang kecil); 4) Permukaan benda cor halus; 5) Dapat mencetak bagian benda cor yang sangat tipis hingga 0,5 mm; 6) Pendinginan cepat dengan ukuran butir kristal yang sangat halus sehingga hasil pengecoran memiliki kekuatan yang baik. Kelemahan : 1) Geometri benda cor harus dibuat sedemikian rupa sehingga dapat dikeluarkan dari dalam cetakan; 2) Sering terjadi efek cil, terutama bila temperatur tuang logam cair terlalu rendah. 5. Pengecoran Sentrifugal Pengecoran sentritugal dilakukan dengan menuangkan logam cair ke dalam cetakan yang berputar. Akibat pengaruh gaya sentritugal logam cair akan terdistribusi ke dinding rongga cetak dan kemudian membeku.
Jenis–jenis pengecoran sentritugal : 1) Pengecoran sentritugal sejati; 2) Pengecoran semi sentritugal; 3) Pengecoran sentrifuge. Pengecoran sentrifugal sejati : Proses pengecoran sentrifugal sejati dilakukan dengan cara logam cair dituangkan ke dalam cetakan yang berputar untuk menghasilkan benda cor bentuk tabular, seperti pipa, tabung, bushing, cincin, dan lain-lainnya.
Gambar 2.11 Proses pengecoran sentrifugal sejati Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Proses pengecoran sentrifugal sejati seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11 logam cair dituangkan ke dalam cetakan horisontal yang sedang berputar melalui cawan tuang (pouring basin) yang terletak pada salah satu ujung cetakan. Pada beberapa mesin, cetakan baru diputar setelah logam cair dituangkan. Kecepatan putar yang sangat tinggi menghasilkan gaya sentrifugal sehingga logam akan terbentuk sesuai dengan bentuk dinding cetakan. Jadi, bentuk luar dari benda cor bisa bulat, oktagonal, heksagonal, atau bentuk-bentuk yang lain, tetapi sebelah dalamnya akan berbentuk bulatan, karena adanya gaya radial yang simetri.
Pengecoran semi sentrifugal : Pada metode ini, gaya sentrifugal digunakan untuk menghasilkan coran yang pejal (bukan bentuk tabular). Cetakan dirancang dengan riser pada pusatuntuk pengisian logam cair, seperti ditunjukkan dalam gambar berikut
Gambar 2.12 Proses pengecoran semi sentrifugal Sumber : Kalpakjian & Schmid, 2008
Densitas logam dalam akhir pengecoran lebih besar pada bagian luar dibandingkan dengan bagian dalam coran yaitu bagian yang dekat dengan pusat rotasi. Kondisi ini dimanfaatkan untuk membuat benda dengan lubang ditengah, seperti roda, puli. Bagian tengah yang memiliki densitas rendah mudah dikerjakan dengan pemesinan.
2.2 Proses Semi Solid Casting Bahan baku yang diproses pada semi solid casting berada dalam keadaan campuran fasa cair dan padat (semi solid atau semi liquid), dan metoda pengerjaannya menggunakan metoda pengecoran atau pembentukan. Dengan cara tersebut diharapkan proses semi solid casting dapat menggabungkan kelebihankelebihan yang dimiliki oleh proses pengecoran dan pembentukan konvensional. Kelebihan proses semi solid casting antara lain adalah dapat dicapai kompleksitas
bentuk produk dan kecepatan produksi yang relatif tinggi seperti halnya proses die casting, cacat porositas dan segregasi makro yang relatif rendah sehingga kekuatan dan keuletannya relatif tinggi. Kondisi semi solid bahan baku pada proses semi solid casting diperoleh dengan cara memanaskannya di atas temperatur solidus. Bahan baku yang digunakan untuk proses semi solid casting adalah logam yang mempunyai struktur globular (nondendritik). Bahan baku yang dipanaskan di atas temperatur solidus, terdiri atas fasa padat berbentuk globular (spheroidal) dan fasa cair yang berada di antara fasa padat. Secara skematik proses tersebut dapat dijelaskan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.13 Diagram skematik proses semi solid casting Sumber : Shigeharu Kamado,dkk. 2000
2.2.1 Perbandingan semi solid casting dengan pengecoran konvensional
Pada proses pembentukan konvensional, bahan baku yang diproses berada dalam keadaan cair seluruhnya, sedangkan pada proses semi solid casting bahan baku berada dalam keadaan semi solid. Kondisi semi solid bahan baku menyebabkan
kompleksitas bentuk produk yang dapat dibuat dan kecepatan
produksi pada proses semi solid casting lebih tinggi dibandingkan dengan pembentukan konvensional. Gaya pembentukan proses semi solid casting juga lebih rendah karena terdapat fasa cair pada bahan baku. Jika dibandingkan dengan pengecoran konvensional, yang memproses bahan baku dalam keadaan cair penuh, proses semi solid casting memiliki keunggulan. Pada proses semi solid casting, bahan baku yang berada dalam kondisi semi solid menyebabkan viskositasnya lebih tinggi dibandingkan dengan jika berada dalam keadaan cair seluruhnya. Viskositas yang relatif tinggi menyebabkan aliran masuk logam semi solid ke rongga cetakan menjadi bersifat laminar. Kondisi seperti itu dapat mengurangi cacat porositas yang disebabkan oleh udara terjebak. Aliran yang bersifat turbulen, seperti halnya yang timbul pada proses die casting, dapat menyebabkan terbentuknya cacat porositas. Temperatur proses pada proses semi solid casting lebih rendah dibandingkan dengan proses pengecoran konvensional, sehingga komsumsi energi yang digunakan juga lebih rendah. Selain itu, temperatur proses juga berkaitan dengan banyaknya gas hidrogen yang terlarut pada bahan baku. Pada temperatur proses yang lebih rendah menyebabkan gas hidrogen yang terlarut ke bahan baku menjadi lebih rendah sehingga dengan proses semi solid casting cacat porositas yang disebabkan gas hidrogen dapat
dikurangi. Cacat porositas pada pengecoran konvensional dapat juga disebabkan oleh pengerutan. Karena temperatur prosesnya lebih rendah, pengerutan pada proses semi solid casting
lebih kecil dibandingkan dengan pengecoran
konvensional sehingga cacat porositas yang disebabkan oleh pengerutan dapat dikurangi. Selain itu juga dapat menghasilkan produk yang mendekati bentuk akhir sehingga tahapan proses pemesinan relatif sedikit. Selain berpengaruh terhadap kualitas produk, temperatur proses juga mempengaruhi umur cetakan. Umur cetakan akan semakin tinggi dengan semakin rendahnya temperatur proses (temperatur bahan baku), sehingga cetakan pada proses semi solid casting dapat digunakan lebih lama dibandingkan dengan proses pengecoran konvensional.
Disamping kelebihan dibandingkan dengan proses pembentukan dan pengecoran konvensional, proses semi solid casting memiliki beberapa kekurangan. Kekurangan tersebut antara lain adalah
perlunya proses khusus
untuk memperoleh bahan baku yang mempunyai struktur globular (nondendritik). Hal ini menyebabkan relatif tingginya harga bahan baku. Selain itu, investasi peralatan atau mesin pada proses semi solid casting relatif tinggi. Hal ini disebabkan oleh diperlukannya ketelitian dan otomasi di dalam pengontrolan temperatur proses (daerah temperatur proses relatif sempit).
2.2.2 Penerapan semi solid casting Salah satu contoh penerapan dari proses ini adalah untuk membuat komponen otomotif seperti velg, master cylinder body, engine piston, disk brake calipers, dan compresor housing. Sebagai contoh keunggulan proses semisolid ini
adalah pada pembuatan master cylinder body, dimana master cylinder body merupakan komponen dari master cylinder brake. Bahan yang dipakai pada awalnya adalah besi cor, agar lebih ringan maka material tersebut diganti dengan paduan aluminium melalui proses permanent mold casting. Perkembangan berikutnya, proses pembuatannya menggunakan proses semi solid casting. Semakin banyak komponen kendaraan yang menggunakan paduan aluminium hal ini akan mengakibatkan berat kendaraan menjadi lebih ringan sehingga konsumsi bahan bakar semakin berkurang.
2.3 Sifat – Sifat Material Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat. Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah: Sifat mekanik Sifat fisik Sifat teknologi Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut 1. Sifat Mekanik Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik.
Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu. Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari material tersebut. Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekuatan leleh dan sebagainya. Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan: Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi persatuan luas. Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas. Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material atau kemampuan material untuk menahan deformasi. Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.
Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan pada ukuran mula. Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah. Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi perpatahan. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis local akibat penetrasi pada permukaan. 2.3.1 Kekerasan Kekerasan adalah ukuran ketahanan suatu material terhadap deformasi plastis lokal. Nilai kekerasan tersebut dihitung hanya pada tempat dilakukannya pengujian tersebut (lokal), sedangkan pada tempat lain bisa jadi kekerasan suatu material berbeda dengan tempat yang lainnya. Tetapi nilai kekerasan suatu material adalah homogen dan belum diperlakupanaskan secara teoritik akan sama untuk tiap-tiap titik. Metoda pengujian kekerasan Pengujian kekerasan sering sekali dilakukan karena mengetahui kekerasan suatu material maka (secara umum) juga dapat diketahui beberapa sifat mekanik lainnya, seperti kekuatan. Pada pengujian kekerasan dengan metoda penekanan, penekan kecil (identor) ditekankan pada permukaan bahan yang akan diuji dengan penekanan tertentu. Kedalaman atau hasil penekanan merupakan fungsi dari nilai kekerasan, makin lunak suatu bahan makin luas dan makin dalam akibat penekanan tersebut, dan makin rendah nilai kekerasannya. Percobaan kekerasan secara umum dapat dibedakan atas tiga tipe yaitu :
1. Kekerasan terhadap goresan atau “Scratch Hardness” Percobaan ini adalah tipe pertama dikenal oleh para mineralogists dengan tujuan untuk mengetahui ketahanan material terhadap goresan dari material lainnya. Pengukuran hasil ini adalah sesuai dengan skala “Mohs”, yang mempunyai skala dari; 1 sampai dengan 10. Untuk material lembut, skalanya disebut “Talc” (Scratch hardness = 1), untuk tembaga anil (copperannealed) mempunyai nilai 3, martensit struktur adalah 7 dari material sangat keras seperti intan (diamond) mempunyai nilai 10. 2. Kekerasan dengan Indentasi atau “Identation Hardness” Percobaan ini yang sampai sekarang paling banyak dipergunakan untuk mengetahui karakteristik mekanik suatu material terutama kekerasannya. 3. Kekerasan dengan benam dinamika atau “Dynamik Hardness” Percobaan ini biasanya dilakukan dengan menjatuhkan indentornya pada material yang diuji dan hasil pengukuran dinyatakan sebagai energi impact. Percobaan kekerasan Vicker, menggunakan indentor bentuk pyramid dengan dasar bujur sangkar (a square - base diamond pyramid) dari bahan intan. Sudut puncak pyramid adalah 136. Karena bentuk dari kekerasan ini sering disebut “Diamond Pyramid Hardness Test”. Angka kekerasan pengujian Vickers adalah besarnya beban (P) dibagi dengan luasan indentasi biasanya diukur dengan mikroskop dengan mengukur diagonal-diagonalnya.
Perhitungan kekerasan Vickers : d = d1 – d2 …………………(2.1) 2 d = diagonal rata-rata (mm) P = beban (kg) O = sudut puncak = 136o Gambar 2.14 Percobaan Kekerasan Vickers Sumber : Engineering Materials Technology
HVN = 2.P.sin ( d2
/2
p kg.mm2 …. (2.2)
= 1.854 2
d
Gambar 2.15 Hasil indentasi uji Vickers Sumber : Engineering Materials Technology
Pengujian kekerasan Vickers dapat digunakan untuk material yang sangat lunak dengan VHN (Vickers Hardness Number) = 5 sampai material paling keras dengan VHD = 1500 umumnya beban pengujian di pakai dari 1 sampai 120 kg tergantung dan kekerasan materialnya. 2.3.2 Uji tarik Uji tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Pada uji tarik benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah secara kontinu,
bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji, seperti terlihat pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16 Gambaran singkat uji tarik dan datanya Sumber : Surdia T. 1994 Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut "Ultimate Tensile Strength" disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum.
Hukum Hooke (Hooke's Law) Hubungan antara gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut dan ini terjadi pada tahap awal dari uji tarik untuk hamper semua jenis logam. Hal ini disebut dengan daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut yaitu, rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan. Stress adalah beban dibagi luas penampang bahan dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.
Stress: ζ = F/A , …………………………………………………………….(2.3) dimana F: gaya tarikan, A: luas penampang Strain: ε = δL/L ………………………………………………………….…(2.4) dimana δL: pertambahan panjang, L: panjang awal Hubungan antara stress dan strain dirumuskan: E = ζ / ε …...……………..(2.5) Untuk memudahkan pembahasan, Gambar 2.16
dimodifikasi sedikit dari
hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya diperoleh Gambar.2.17, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik. E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (ζ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi nama "Modulus Elastisitas" atau "Young Modulus". Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap disingkat kurva SS (SS curve).
Gambar 2.17 Kurva tegangan – regangan Sumber : Surdia T. 1994
2.3.3. Detail profil uji tarik dan sifat mekanik logam Untuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat digeneralisasi seperti pada Gambar 2.18
Gambar 2.18 Profil data hasil uji tarik Sumber : Surdia T. 1994
Berikut ini akan dijelaskan sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada Gambar 2.18 dengan asumsi bahwa uji tarik dilakukan mulai dari titik O sampai D sesuai dengan arah panah dalam gambar. Batas elastic ζE ( elastic limit) Berdasarkan Gambar 2.18 dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi semula) yaitu regangan “nol” pada titik O (lihat inset dalam gambar 2.18). Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik A, hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi batas regangan
permamen (permanent strain) sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian referensi menyebutkan 0.005% . Tidak ada standarisasi yang universal mengenai nilai ini. Batas proporsional ζp (proportional limit) Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis. Deformasi plastis (plastic deformation) Deformasi plastis yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gambar 2.18 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing. Tegangan luluh atas ζuy (upper yield stress): Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis. Tegangan luluh bawah ζly (lower yield stress): Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini. Regangan luluh εy (yield strain): Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis. Regangan elastis εe (elastic strain): Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan plastis εp (plastic strain): Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan. Regangan total (total strain): Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe+εp. Perhatikan beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis. Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength): Pada Gambar.2.18 ditunjukkan dengan titik C (ζβ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik. Kekuatan patah (breaking strength): Pada Gambar 2.18 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
2. Sifat Fisik Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material. Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik. Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya
perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan pengembangan material bahkan penemuan material baru. 3. Sifat Teknologi Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan. Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk.
2.4 Paduan Aluminium
Berdasarkan metode peleburannya, paduan aluminium dikelompokkan menjadi dua kelompok utama yaitu paduan tempa (wrought) dan paduan tuang (casting). Jenis paduan aluminium saat ini sangat banyak dan tidak menutup kemungkinan ditemukannya lagi jenis paduan aluminium baru, oleh karena itu dibuatlah sistem penamaan sesuai dengan komposisi dan karakteristik paduan aluminium tersebut untuk memudahkan pengklasifikasiannya. Salah satu penamaan paduan aluminium adalah dengan standar AA, seperti pada Tabel 2.1. Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan persentase minimum dari aluminium tersebut. Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan
kelompok paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam paduan.
Tabel 2.1 Pengkodean aluminium tempa
Sumber : Wahid Suherman, 1987
Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan unsur lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti khusus, hanya untuk membedakan paduan aluminium tersebut dalam kelompoknya. Paduan aluminium tuang penamaannya memakai sistem tiga digit diikuti dengan satu bilangan desimal. Tabel 2.2 menunjukkan seri paduan aluminium tuang berdasarkan unsur paduannya.
Tabel 2.2 Pengkodean aluminium tuang No Seri
Komposisi Paduan
1xx.x
Aluminium murni
2xx.x
Aluminium-tembaga
3xx.x
Aluminium-silikon-magnesium
4xx.x
Aluminium-silikon
5xx.x
Aluminium-magnesium
6xx.x
Tidak digunakan
7xx.x
Aluminium-seng
8xx.x
Aluminium-timah
9xx.x
Belum digunakan .Sumber : Wahid Suherman,1987
Dalam standar AA, angka pertama menunjukkan kelompok paduan, angka kedua dan ketiga menunjukkan kemurnian minimum untuk aluminium tanpa paduan dan sebagai nomor identifikasi untuk paduan tersebut, angka keempat menandakan bentuk produk (.0 = spesifikasi coran, .1 = spesifikasi ingot, .2 = spesifikasi ingot yang lebih spesifik) Paduan Aluminium 5154 Kelebihan dari paduan aluminium AA5154 yaitu sangat liat, mampu dibentuk dengan baik melalui ekstrusi dan tahan korosi. Selain itu, dapat pula diperkuat dengan perlakuan panas. Paduan AA5154 banyak dipergunakan untuk rangka-rangka konstruksi, permesinan, industri otomotif dan industri pesawat
terbang. Paduan dalam sistim ini mempunyai kekuatan yang
baik tanpa
mengurangi hantaran listrik, maka digunakan sebagai bahan kabel rumah tangga. Tabel 2.3 Komposisi kimia paduan aluminium 5154 Component
Amount (wt.%)
Aluminium
Balance
Magnesium
3.1-3.9
Silicon Iron
0.2 Max. 0.7
Copper
0.1
Zinc
0.2
Titanium
0.2
Manganese
0.1
Chromium
0.15-0.35
Others
0.05 Sumber : Wikipedia
Kadar magnesium 3,1 % sampai 3,9 % ditambahkan pada aluminium akan meningkatkan kekuatan, selain itu penambahan unsur magnesium digunakan untuk meningkatkan ketahanan korosi aluminium. Apabila dipadukan dengan silikon maka daya tahannya akan meningkat, selain itu Mg juga akan meningkatkan sifat mampu bentuk dan mampu mesin aluminium tanpa menurunkan keuletannya.
Diagaram fasa paduan Al-Mg ditunjukkan pada Gambar 2.19
Gambar 2.19 Diagram fase paduan Al-Mg Sumber : Mohammad Mezbahul,dkk. 2014
