BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Alumunium Alumunium adalah logam yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari – hari, material ini dipergunakan dalam bidang yang luas bukan saja untuk peralatan rumah tangga tapi juga dipakai untuk keperluan kontruksi pesawat terbang, mobil dan lain – lain. Aluminium sangat menarik bagi dunia industri, karena memiliki sifat yang ringan, ketahanan korosi yang tinggi, densitasnya rendah, dapat dibentuk dengan baik, serta memiliki daya konduktifitas yang tinggi, baik konduktivitas panas maupun listrik. Namun,kelemahan dari aluiminium ini adalah kekuatannya yang kurang, sehingga jarang sekali dijumpai logam aluminium murni dalam pemanfaatannya ( Arifin, S, 2004 ) Secara umum, jenis logam yang banyak digunakan untuk pembuatan produk cor adalah aluminium. Aluminium murni mempunyai sifat mampu cor dan sifat mekanik yang jelek. Oleh karena itu dipergunakan paduan aluminium untuk memperbaiki sifat – sifat mekaniknya dengan menambahkan Silikon karbida , tembaga, silisium, magnesium, mangan, nikel, dan sebagainya (surdia, 2000). Aluminium yang telah dipadukan dengan unsur lain mempunyai sifat mekanik yang baik, sehingga logam aluminium paduan banyak digunakan untuk kontruksi. Aluminium paduan seri 5083 adalah salah satu jenis aluminium paduan dengan paduan utama magnesium (Mg) 4.5 %. Paduan seri 5000 adalah tipe paduan aluminium yang tidak dapat diperbaiki sifat mekaniknya dengan pelakuan panas sehingga dinamakan non heat treatable alloy. Aluminium paduan seri 5083 adalah jenis aluminium yang banyak digunakan dalam dunia industri, karena mempunyai sifak mekanik ( mechanical Properties ) dan kemampuan las (weldability ) yang baik. Paduan aluminium-magnesium umumnya digunakan sebagai bahan pembuat badan kapal. Paduan lainnya akan mudah mengalami korosi ketika berhadapan dengan larutan alkali seperti air laut. Paduan aluminiumtembaga-lithium digunakan sebagai bahan pembuat tangki bahan bakar pada pesawat ulang-alik milik NASA. Uang logam juga terbuat dari aluminium yang diperkeras. Hingga saat ini, sulit dicari apa bahan paduan untuk membuat uang
5
logam berwarna putih keperakan ini, kemungkinan dirahasiakan untuk mencegah pemalsuan uang logam. Piston mobil juga menggunakan bahan aluminium yang dipadu dengan magnesium, silicon, atau keduanya, dan dibuat dengan cara ekstrusi atau dicor. Beberapa jenis roda gigi menggunakan paduan Al-Cu. Penggunaan paduan Cu untuk mendapatkan tingkat kekerasan yang cukup dan memperpanjang usia benda akibat fatigue ( makalah aluminium 2009 ).
2.1.1
Sifat-Sifat Mekanik Aluminium Sifat dari bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh
konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut. Aluminium dikenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yakni proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium setelah logam terpapar oleh udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium. Adapun sifat-sifat Aluminium antara lain sebagai berikut: a. Ringan Logam Aluminium Memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja, atau tembaga. Logam aluminium banyak digunakan didalam industri, alat berat dan transportasi.
b. Mudah dibentuk Proses pengerjaan Aluminium mudah dibentuk karena dapat disambung dengan logam/material lainnya dengan pengelasan, brazing, solder, adhesive bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik penyambungan lainnya.
c. Kekuatan Tarik Kekuatan tarik adalah besar tegangan yang didapatkan ketika dilakukan pengujian tarik. Kekuatan tarik ditunjukkan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan-regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadi ketika terjadinya necking. Kekuatan tarik bukanlah ukuran kekuatan yang sebenarnya
6
dapat terjadi di lapangan, namun dapat dijadikan sebagai suatu acuan terhadap kekuatan bahan. Kekuatan tarik pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tarik yang tinggi, aluminium perlu dipadukan.
d. Modulus Elastisitas Aluminium memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan baja maupun besi, tetapi dari sisi strength to weight ratio, aluminium lebih baik. Aluminium yang memiliki titik lebur yang lebih rendah dan kepadatan. Dalam kondisi yang dicairkan dapat diproses dalam berbagai cara. Hal ini yang memungkinkan produk-produk dari aluminium yang akan dibentuk, pada dasarnya dekat dengan akhir dari desain produk.
e. Recyclability (Mampu untuk didaur ulang) Aluminium adalah 100% bahan yang didaur ulang tanpa penurunandari kualitas awalnya, peleburannya memerlukan sedikit energi, hanya sekitar 5% dari energi yang diperlukan untuk memproduksi logam utama yang pada awalnya diperlukan dalam proses daur ulang.
f. Ductility (Liat) Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Dalam suatu pengujian tarik, ductility ditunjukkan dengan bentuk neckingnya, material dengan ductility yang tinggi akan mengalami necking yang sangat sempit, sedangkan bahan yang memiliki ductility rendah, hampir tidak mengalami necking. Pada logam aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni.
g. Kuat Aluminium memiliki sifat yang kuat terutama bila dipadukan dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan komponen yang memerlukan kekuatan
7
tinggi seperti: pesawat terbang, kapal laut, bejana tekan, komponen mesin dan lain-lain.
h.
Reflectivity (Mampu pantul) Aluminium adalah reflektor yang baik dari cahaya serta panas, dan dengan bobot yang ringan, membuatnya ideal untuk bahan reflektor.
i. Tahan terhadap korosi Aluminium memiliki sifat durable, sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsur-unsur kimia. Aluminium memiliki sifat – sifat fisik seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut ini:
Tabel 2.1 Sifat - sifat fisik aluminium Aluminium
Hasil Fisik Aluminium
Jari-jari atom
125 pm
Density
( 20 °C) 2,6989 gr/cm³
Kapasitas panas
(25 °C) 5,38 cal/mol °C
Tensile strength
700 Mpa
Hantaran panas
(25 °C) 0,49 cal/det °C
Panas peleburan
10,71 kJ•mol−1
Massa atom
26,98 gr/mol
Density
(660 °C) 2,368 gr/cm³
Potensial elektroda
(25 °C) -1,67 volt
Panas pembakaran
399 cal/gr mol
Kekerasan brinnel
245 Mpa
Kekentalan
(700 °C) 0,0127 poise
Panas uap
294,0 kJ•mol−1
Titik lebur
660 °C
Struktur kristal kubus
FCC
(Sumber : Douglas M. Considin P. E., 1983)
8
2.1.2
Macam–Macam Paduan Aluminium
Klasifikasi pada paduan aluminium yang biasanya digunakan pada proses pembuatan piston dapat kita lihat sebagai berikut ; a. Paduan Al - Si Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur, dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol. Struktur kristal aluminium adalah struktur kristal FCC, sehingga aluminium tetap ulet meskipun pada temperatur yang sangat rendah. Keuletan yang tinggi dari aluminium menyebabkan logam tersebut mudah dibentuk atau mempunyai sifat mampu bentuk yang baik. Aluminium memiliki beberapa kekurangan yaitu kekuatan dan kekerasan yang rendah bila dibanding dengan logam lain seperti besi dan baja. Aluminium memiliki karakteristik sebagai logam ringan dengan densitas 2,7 g/cm³. Selain sifat - sifat tersebut, Aluminium mempunyai sifat-sifat yang sangat baik dan bila dipadu dengan logam lain bisa mendapatkan sifat - sifat yang tidak bisa ditemui pada logam lainnya. Paduan logam Al-Si sangat cocok untuk penggunaan pada pengecoran HPDC (High Pressure Die Casting). Diagram fasa paduan Al-Si ditunjukkan pada Gambar 2.1 dimana diagram fasa ini digunakan sebagai pedoman umum untuk menganalisa perubahan fasa pada proses pengecoran Al-Si.
Gambar 2.1 Diagram fasa Al-Si (Rahmawati, Z.S 2010 )
9
Paduan logam Aluminium memiliki daerah sistem biner, mulai dari sistem yang paling sederhana hingga sistem yang paling kompleks. Secara garis besar paduan Aluminium-Si dibagi 3 daerah utama, seperti terdapat pada gambar 2.2 yaitu :
Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si (Rahmawati, Z.S 2010 )
1. Daerah Hypoeutectic Padual Al-Si disebut Hypoeutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon < 11.7% dimana struktur akhir yang terbentuk pada fasa ini adalah struktur ferrite (alpha) yang kaya akan aluminium dengan struktur eutektik sebagai tambahan.
2. Daerah Eutectic Paduan Al-Si disebut Eutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon sekitar 11.7% sampai 12.5%. Pada komposisi ini paduan Al-Si dapat membeku secara langsung (dari fasa cair ke fasa padat).
10
3. Daerah Hypereutectic Paduan Al-Si disebut Hypereutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silikon lebih dari 12.2% sehingga kaya akan kandungan silikon dengan fasa eutektik sebagai fasa tambahan. Dimana struktur Kristal silikon primer pada daerah ini mengakibatkan karakteristik sebagai berikut: 1. Ketahanan aus paduan meningkat. 2. Ekspansi termal rendah. 3. Memiliki ketahanan retak panas yang baik.
(A)
(B)
(C)
Gambar 2.3 (a) Struktur mikro paduan hypoeutectic. (b) Struktur mikro Paduan eutectic. (c) Struktur mikro paduan hypereutectic. (Rahmawati, Z.S 2010)
Tipe paduan tergantung pada presentase kandungan silikon ini akan berpengaruh terhadap titik beku (freezing point) yang dipakai pada proses pengecoran aluminium yang dapat dilihat pada tabel 2.2.
11
Tabel 2.2. Kandungan Si terhadap temperatur titik beku paduan aluminium Alloy
Si conten
BS alloy
Typical freezing range (0C)
Low silicon
4–6%
LM 4
625 – 525
Medium Silicon
7,5 – 9,5 %
LM 25
615 – 550
Eutectic alloys
10 – 13 %
LM 6
575– 565
Special hypereutectic alloys
>16 %
LM 30
650 – 505
(Sumber: ASM International, 2004)
b. Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg ditemukan oleh A.Wilm dalam usaha mengembangkan paduan alumunium yang kuat dinamakan duralumin ini sering diaplikasikan pada rangka sepeda motor, pulley, roda gigi, velg mobil. Paduan Al-Cu-Mg adalah paduan yang mengandung 4% Cu dan 0,5% Mg dapat ditingkatkan kekerasanya dengan prosesnatural aging setelah solution heat treatment dan quenching.
c. Paduan Al-Mn Mangan (Mn) adalah unsur yang memperkuat Aluminium tanpa mengurangi ketahanan korosi dan dipakai untuk membuat paduan yang tahan terhadap korosi. Paduan Al-Mn dalam penamaan standar AA adalah paduan Al 3003 dan Al 3004. Komposisi standar dari paduan Al 3003 adalah Al, 1,2 % Mn, sedangkan komposisi standar Al 3004 adalah Al, 1,2 % Mn, 1,0 % Mg. Paduan Al 3003 dan Al 3004 digunakan sebagai paduan tahan korosi tanpa perlakuan panas.
d. Paduan Al-Mg Paduan dengan 2–3% Mg dapat mudah ditempa, dirol dan diekstrusi, paduan Al 5052 adalah paduan yang biasa dipakai sebagai bahan tempaan. Paduan Al 5052 adalah paduan yang paling kuat dalam sistem ini, dipakai setelah dikeraskan oleh pengerasan regangan apabila diperlukan kekerasan tinggi.
12
Paduan Al 5083 yang dianil adalah paduan antara (4,5% Mg) kuat dan mudah dilas oleh karena itu sekarang dipakai sebagai bahan untuk tangki LNG .
e. Paduan Al-Mg-Si Sebagai paduan Al-Mg-Si dalam sistem klasifikasi AA dapat diperoleh paduan Al 6063 dan Al 6061. Paduan dalam sistem ini mempunyai kekuatan kurang sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan–paduan lainnya, tetapi sangat liat, sangat baik mampu bentuknya untuk penempaan, ekstrusi dan sebagainya. Paduan 6063 dipergunakan untuk rangka–rangka konstruksi, maka selain dipergunakan untuk rangka konstruksi juga digunakan untuk kabel tenaga.
f. Paduan Al-Mn-Zn Permulaan tahun 1940 Iragashi dan kawan-kawan ( jepang ) mengadakan studi dan berhasil dalam pengembangan suatu paduan dengan penambahan kira– kira 0,3% Mn atau Cr dimana butir kristal padat diperhalus dan mengubah bentuk presipitasi serta retakan korosi tegangan tidak terjadi. Pada saat itu paduan tersebut dinamakan ESD atau duralumin super ekstra. Selama perang dunia ke dua di Amerika serikat dengan maksud yang hampir sama telah dikembangkan pula suatu paduan yaitu suatu paduan yang terdiri dari: Al, 5,5 % Zn, 2,5 % Mn, 1,5% Cu, 0,3 % Cr, 0,2 % Mn sekarang dinamakan paduan Al-7075. Pengggunaan paduan ini paling besar adalah untuk bahan konstruksi pesawat udara, disamping itu juga digunakan dalam bidang konstruksi (Surdia, 2006).
Aluminium memiliki kelas atau Grade yang tergantung pada unsur paduan dan perlakuan panas yang dilakukkan terhadap paduan aluminium tersebut. Grade ( kelas ) dari aluminium dapat menunjukkan berbagai sifat mekanik dari aluminium tersebut dari penampilan yang baik, kemudahan fabrikasi, ketahanan korosi yang baik, mampu las yang baik dan ketangguhan retak tinggi. Pemilihan grade ( kelas ) aluminium yang tepat tergantung pada aplikasi yang diperlukan dan kondisi kerja.
13
Grade aluminium Seri 1xxx Grade dari aluminium ini (1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350 dll) ditandai dengan ketahanan korosi yang sangat baik, konduktivitas termal dan elektrik yang tinggi, sifat mekanik yang rendah, dan kemampuan kerja yang sangat baik. Grade aluminium ini memiliki kandungan Besi dan silikonyang besar.
Grade aluminium Seri 2xxx Paduan aluminium ini (2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319, 201,0; 203,0; 206,0; 224,0; 242,0 dll) memerlukan solution heat treatment untuk mendapatkan sifat yang optimal, didalam kondisi solution heat treatment , sifat mekanik yang mirip dengan baja karbon rendah dan kadang-kadang melebihi sifat mekanik baja karbon rendah. Dalam beberapa contoh, proses perlakukan panas (aging) digunakan untuk lebih meningkatkan sifat mekanik. Paduan aluminium dalam seri 2xxx tidak memiliki ketahanan korosi yang baik ketimbang kebanyakan paduan aluminium lainnya, dan dalam kondisi tertentu paduan ini mungkin akan terjadi korosi pada antar butir. Grade aluminium dalam seri 2xxx ini baik untuk bagian yang membutuhkan kekuatan yang bagus yaitu pada suhu sampai 150 ° C (300 ° F). Kecuali untuk kelas 2219, paduan aluminium ini sudah memiliki mampu las tetapi masih
terbatas. beberapa paduan dalam seri ini
memiliki kemampuan mesin yang baik.
Grade aluminium Seri3xxx Paduan aluminium ini (3003, 3004, 3105, 383,0; 385,0; A360; 390,0) umumnya memiliki ketidakmampuan panas tetapi memiliki kekuatan sekitar 20% lebih dari
paduan aluminium seri 1xxx karena hanya memiliki
presentase
mangan yang sedikit (sampai sekitar 1,5%) yang dapat ditambahkan ke aluminium. mangan digunakan sebagai elemen utama dalam beberapa paduan.
Grade aluminium Seri 4xxx Unsur paduan utama dalam paduan seri 4xxx (4032, 4043, 4145, 4643 dll) adalah silikon, yang dapat ditambahkan dalam jumlah yang cukup (hingga 12%)
14
menyebabkan substansial menurunkan rentang lebur. Untuk alasan ini, paduan aluminium-silikon yang digunakan dalam kawat las dan sebagai paduan untuk menyolder digunakan untuk menggabungkan aluminium, di mana titik lebur lebih rendah dari logam dasar yang digunakan.
Grade aluminium Series 5xxx Unsur paduan utama grade aluminium ini adalah magnesium, bila digunakan sebagai elemen paduan utama atau digabungkan dengan mangan, hasilnya adalah paduan yang memiliki kekerasan sedang hingga kekuatan yang tinggi. Magnesium jauh lebih efektif daripada mangan sebagai pengeras - sekitar 0,8% Mg sama dengan 1,25% Mn dan dapat ditambahkan dalam jumlah yang jauh lebih tinggi. Paduan aluminium dalam seri ini (5005, 5052, 5083, 5086, dll) memiliki karakteristik pengelasan yang baik dan ketahanan yang relatif baik terhadap korosi dalam atmosfer laut. Namun, pada pekerjaan dingin harus dilakukkan pembatasan dan suhu operasi (150 ° F) diperbolehkan untuk paduan aluminium yang memiliki magnesium tinggi untuk menghindari kerentanan terhadap korosi retak.
Grade aluminium Seri 6xxx Paduan aluminium dalam seri 6xxx (6061, 6063) mengandung silikon dan magnesium sekitar dalam proporsi yang diperlukan untuk pembentukan magnesium silisida (Mg2Si), sehingga membuat paduan ini memiliki mampu perlakukan panas yang baik. Meskipun tidak sekuat pada paduan 2xxx dan 7xxx, paduan aluminium seri 6xxx memiliki sifat mampu bentuk yang baik, mampu las , mampu mesin, dan ketahanan korosi yang relatif baik dengan kekuatan sedang.
Grade aluminium Seri 7xxx Zinc jumlah dari 1% sampai 8% ) merupakan unsur paduan utama dalam paduan aluminium seri 7xxx (7075, 7050, 7049, 710,0; 711,0 dll) dan ketika digabungkan dengan persentase magnesium yang lebih kecil didalam perlakuan panas yang cukup maka paduan ini akan memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Biasanya unsur-unsur lain, seperti tembaga dan kromium, juga ditambahkan
15
dalam jumlah kecil. paduan seri 7xxx digunakan dalam struktur badan pesawat, peralatan besar yang bergerak dan bagian lainnya memiliki tekanan yang sangat tinggi.
Grade aluminium Seri 8xxx Seri 8xxx (8006; 8111; 8079; 850,0; 851,0; 852,0) dicadangkan untuk paduan unsur selain yang digunakan untuk seri 2xxx sampai 7xxx. Besi dan nikel yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan tanpa kerugian yang signifikan dalam konduktivitas listrik, dan begitu juga berguna dalam paduan konduktor seperti 8017. Aluminium-lithium paduan 8090, yang memiliki kekuatan dan kekakuan yang sangat tinggi, dikembangkan untuk aplikasi ruang angkasa. Paduan aluminium dalam seri 8000 sesuai dengan Sistem Penomoran A98XXX dll.
2.2
Metal Matrix Composites (MMC) Metal matrix composite mewakili material yang sangat luas, termasuk
didalamnya adalah metallic foam, cermets, juga partikel-partikel yang bersifat lebih konvensional, dan fiber yang diperkuat metal. Teknik pembuatan MMC tergantung pada matrix dan penguat yang digunakan, yang diklasifikasikan berdasarkan apakah matrix tersebut berada pada fasa padat, cair atau gas, ketika akan digabungkan dengan penguatnya. Matrix Composite merupakan gabungan material yang berbahan dasar logam dengan keramik. Hasil penggabungan material ini terdiri dari dua atau lebih bahan, dimana sifat masing - masing bahan tersebut berbeda antara satu dengan yang lainnya. Baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit). Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan kuat. Komposit berdasarkan jenis penguatnya dibagi menjadi 3 macam yaitu komposit partikulat, komposit fiber dan komposit struktural. Setiap jenis – jenis komposit tersebut memiliki beberapa sub bagian lainnya. Adapun pembagian komposit berdasarkan penguatnya dapat secara jelas dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut ini:
16
Gambar 2.4 Pembagian komposit berdasarkan jenis penguat (widyastuti, 2009).
Setiap proses atau teknik tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Adapun kelebihan Metal Matrix Composites (MMC) adalah : Kelebihan MMC : 1) Transfer tegangan dan regangan yang baik. 2) Ketahanan terhadap temperatur tinggi 3) Tidak menyerap kelembapan. 4)Tidak mudah terbakar. 5) Kekuatan tekan dan geser yang baik. 6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik.
Kekurangan MMC : 1) Biaya mahal. 2) Standarisasi material dan proses yang sedikit.
Aplikasi metal matrix composite (mmc) pada kehidupan sehari-hari dan dalam dunia keteknikan, yaitu : 1) Komponen automotive (blok-silinder-mesin,pully,poros gardan,dll) 17
2) Peralatan militer (sudu turbin,cakram kompresor,dll) 3) Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang) 4) Peralatan Elektronik.
2.3
Silikon Karbida (SiC) Silkon karbida atau juga dikenal dengan carborundum adalah suatu
turunan senyawa silikon dengan rumus molekul SiC, terbentuk melalui ikatan kovalen antara unsur Si dan C. Silikon karbida merupakan salah satu material keramik non-oksida paling penting, dihasilkan pada skala besar dalam bentuk bubuk (powder), bentuk cetakan, dan lapisan tipis. Teknik untuk membentuk bubuk SiC menjadi bentuk keramik dengan menggunakan agen pengikat, kemudian memberi pengaruh yang besar terhadap nilai komersial SiC. Sekarang ini, SiC merupakan salah satu material yang memiliki kegunaan yang besar dan memiliki peranan penting dalam berbagai industri seperti industri penerbangan, elektonik, dan industri-industri komponen mekanik berkekuatan tinggi. Silikon karbida SiC memiliki densitas sekitar 3.2 g/cm³ dan memiliki temperatur sublimasi sekitar 2700 °C. Umumnya, industri metalurgi dan refraktori merupakan pengguna SiC dalam jumlah paling besar (Kirk dan Othmer, 1981). Aplikasi silikon karbida (SiC) dalam industri karena sifat mekaniknya yang sangat baik, konduktivitas listrik dan termal tinggi, ketahanan terhadap oksidasi kimia sangat baik, dan SiC berpotensi untuk fungsi keramik atau semikonduktor temperatur tinggi. SiC juga memiliki sifat-sifat penting sebagai berikut unggul tahan oksidasi, unggul tahan rayapan, kekerasan tinggi, kekuatan mekanik baik, Modulus Young sangat tinggi, korosi baik dan tahan erosi serta berat relatif rendah. Material-material mentah SiC relatif murah, dan dapat dibuat dalam bentuk-bentuk kompleks, dimana memungkinkan disiasati melalui proses fabrikasi konvensional. Hasil akhir mempunyai harga kompetitif disamping menawarkan keuntungan-keuntungan teknis yang unggul dan berdaya guna lebih dari material - material penyusunnya (Suparman, 2010). Silikon karbida memiliki beberapa sifat – sifat fisik seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.3 berikut ini :
18
Tabel 2.3 Sifat - sifat fisik dari Silikon Karbida Property Unit Composition Grain Size μm Density g/cm3 Hardnees (Knoop) kg/mm2 Flexural Strengh 4 pt @ RT MPa x 10 3 lb/in2 Flexural Strenght 3pt @ RT MPa x 10 3 lb/in2 Compressive strenght @ RT MPa x 10 3 lb/in2 Modulus of Elasticity @ RT GPa x 106 lb/in2 Welbull Modulus (2 Parameter) Poisson Ratio Fracture Toughness @ RT MPa x m1/2 Double Torsion & SEN B x 103 lb/in2 x in1/2 Coefficient of Thermal Expansion x 104 mm/mmk RT to 700 °C x 104 in/in °F Maximum Service Temp. oC Air oF Mean Specific Heat @ RT J/gmk Thermal Conductivity @ RT W/mK Btu/ft h °f @ 200 °C W/mK Btu/ft h °f @ 400 °C W/mK Btu/ft h °f Permeability @ RT to 1000 °C Impervious to gases over Electrical Resistivity @ RT Ohm-cm @ 1000 °C Ohm-cm Emissivity Sumber : Khairul Sakti 2009
Typical Value SiC 4 – 10 3.10 2800 380 55 550 80 3900 560 410 59 8 0,14 4,60 4,20 4,02 2,20 1900 3450 0,67 125,6 72,6 102,6 59,3 77,5 44,8 31 MPa 102 - 1011 0.001 – 0.2 0,9
Keramik SiC memiliki kuat tekan sebesar 4600 Mpa, dan koefisien ekspansi termal yang relatif rendah, yaitu: 4.51 – 4.73 μm/m °C Sifat-sifat SiC merupakan sifat yang paling istimewa. Ketahanan SiC terhadap korosi ditunjukkan dengan adanya abu batubara, slag asam, dan slag netral pada saat material tersebut diaplikasikan. Ketahanan panas SiC ditunjukkan dari suhu pemakaian yang dapat mencapai 2200 – 2700 °C. Pada 1000 °C terbentuk lapisan oksidasi berupa SiO2. Material SiC mempunyai ketahanan oksidasi di udara terbuka mampu mencapai suhu 1700 °C (Peter,T.B, 1990).
19
SiC memiliki titik lebur yang tinggi sekitar 1415 °C sampai dengan 2830 °C yang dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut ini :
Gambar 2.5 diagram phase dari SiC ( Tairov dan Tsvetkov 1988 )
Silikon Karbida termasuk dalam bahan keramik dan memiliki beberapa kelebihan yang digunakan dalam bidang industri dan otomotif. Kelebihan silikon karbida dari jenis keramik yang lain yaitu tahan korosi, gesekan, dan memiliki temperatur yang tinggi. Berikut adalah aplikasi dari penggunaan bahan Silikon Karbida yaitu :
1. Furnace Proses - proses industri kebanyakan selalu membutuhkan temperatur tinggi dan bahan yang tetap stabil pada temperatur dan kondisi lingkungan tertentu. Pada kasus pembentukan logam diperlukan suatu bahan yang mampu bertahan pada sifat kimia yang korosif, temperatur, dan tekanan tinggi. Satu-satunya bahan yang mampu memenuhi syarat diatas adalah bahan keramik seperti SiC.
20
2. Alat Penukar Panas Alat penukar panas atau heat exchanger memiliki tujuan untuk menggunakan kembali panas yang merupakan buangan untuk memanaskan udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran. Dengan menggunakan bahan keramik dapat dihasilkan pengurangan bahan bakar yang digunakan sampai 50%.
3. Bahan Abrasif SiC merupakan bahan keramik yang juga bersifat abrasive sehingga dapat digunakan untuk berbagai keperluan industri seperti mengikis, menghaluskan, membuat kasar ataupun memotong permukaan benda kerja.
4. Seal Seal adalah suatu alat untuk mencegah kebocoran pada dua permukaan material yang bersinggungan. Pemakaian seal biasanya banyak digunakan pada mesinmesin yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Oleh karena itu, karateristik material seal haruslah bertahan baik pada temperatur dan tekanan tinggi.
5. Ceramic Ball Ceramic ball biasanya digunakan pada bearing, valve, dan sebagai grinding ball pada temperatur dan tekanan yang tinggi. SiC merupakan bahan yang mampu memenuhi syarat diatas karena bahan SiC memiliki ketahanan terhadap temperatur yang tinggi dan tahan terhadap tekanan yang tinggi.
6. Motor Bakar Salah satu contoh penggunaan SiC dalam motor bakar adalah turbine inlet guide vanes. Komponen turbine inlet guide vanes digunakan untuk menghasikan aliran udara pendingin gas turbine engine. Pada penggunaan keramik SiC yang lebih tahan terhadap temperatur tinggi dapat membuat sistem pendingin bekerja dengan baik bila dibandingkan dengan material lainnya. 7. Elemen Panas Beberapa bahan keramik memiliki suatau derajat tingkat hantaran elektrik terbatas dengan hambatan listrik tertentu. Pada saat listrik berusaha untuk
21
melewatinya, panas akan dihasilkan. Contoh keramik yamg dapat digunakan elemen pemanas adalah SiC. (Kirk dan Othmer, 1981).
2.4 Stir Casting Stir casting adalah proses pengecoran dengan cara menambahkan suatu logam murni (biasanya aluminium) dengan suatu unsur penguat, dengan cara melebur logam murni tersebut kemudian logam murni yang sudah mencair tersebut diaduk-aduk secara terus menerus hingga terbentuk sebuah pusaran, kemudian unsur penguat (berupa serbuk) tersebut dicampurkan sedikit demi sedikit melalui tepi dari pusaran yang telah terbentuk itu. Mesin stir casting dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut ini:
Gambar 2.6 mesin stir casting
Sebuah proses stir casting, bahan penguat didistribusikan kedalam logam paduan yang mencair dengan pengadukan mekanik. Stir casting dari metal matrix composite dimulai pada 1968, ketika S.Ray memperkenalkan partikel – partikel alumina yang terdapat pada peleburan aluminium yang dicampur pada proses pencampuran aluminium alloys yang mengandung serbuk keramik pada proses pengadukan. Pengadukan mekanik dalam furnance adalah elemen kunci dari
22
proses ini. Proses pencampuran logam paduan dengan serbuk keramik dapat digunakan pada die casting, permanent mold casting atau sand casting Komposit coran kadang – kadang dapat menurunkan porositas, memperhalus mikrostruktur dan keseragaman distribusi dari proses penguatan logam paduan. Perhatian sekarang ini yang dihubungkan dengan proses stir casting adalah terpisahnya partikel – partikel penguat dari logam paduan yang disebabkan oleh permukaan atau keadaan dari partikel – partikel penguat selama peleburan dan proses pengecoran. Distribusi terakhir dari partikel – partikel pada saat pembekuan bergantung pada sifat – sifat material dan parameter – parameter proses seperti kondisi cair dari partikel – partikel pada saat pencampuran, kekuatan dari pengadukan, density, dan waktu pembekuan. Distribusi dari partikel – partikel pada saat pencampuran matrix bergantung pada geometry dari pengadukan mekanik, parameter pengadukan, letak dari pengaduk mekanik pada saat pencampuran, temperatur peleburan dan karakteristik dari partikel yang ditambahkan. Sebuah perkembangan yang menarik dalam stir casting adalah proses pencampuran dua langkah. Dalam proses ini material utama dipanaskan diatas temperatur cairnya sehingga
logam benar – benar tercampur. Campuran
kemudian didinginkan pada temperatur antara titik cair dan padat dan dan dijaga tetap pada sebuah temperatur tersebut . pada langkah ini, partikel – partikel yang sudah dipanaskan di tambahkan dan dicampur. Hasil pencampuran dipanaskan lagi ke bentuk cair yang sempurna dan dicampurkan secara menyeluruh (PradeepSharma dkk 2011 ). Ada beberapa keuntungan dari proses stir casting, diantaranya adalah : 1. Dapat memperoleh suatu material tertentu yang sulit dan tidak mungkin didapatkan dengan proses lain (memadukan suatu logam dengan suatu bahan penguat). 2. Proses stir casting mempunyai prospek yang sangat baik dalam bidang pekerjaan karena produk dari stir casting tersebut relatif lebih baik sifat mekaniknya bila dibandingkan dengan hasil-hasil casting yang lain.
23
3. Proses stir casting lebih ekonomis karena material paduan yang ditambahkan merupakan material sisa-sisa dari suatu produksi yang pada umumnya sudah tidak dipakai lagi. 4. Dengan adanya proses pengadukan dalam stir casting maka hasil produk cor akan menjadi lebih baik. Karena memungkinkan gelembung-gelembung udara yang terperangkap dalam logam cair selama proses penuangan untuk naik ke permukaan logam cair, sehingga cacat akibat terjebaknya udara dalam produk cor dapat berkurang ( hashim 2001 ).
2.5 Cetakan Pasir Proses pembentukan benda kerja dengan metode penuangan logam cair ke dalam 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 untuk pembentukan benda tuangan melalui pengecoran harus dibuat dan dikerjakan sedemikian rupa dengan bagian-bagian yang lengkap sesuai dengan bentuk benda kerja sehingga diperoleh bentuk yang sempurna sesuai dengan yang kita kehendaki. Bagian-bagian dari cetakan pasir ini antara lain meliputi : 1. Pola, mal atau model (pattern) 2. Inti (core) 3. Cope dan Drag, 4. Gate dan Riser
Cetakan pasir merupakan cetakan yang paling banyak digunakan, karena memiliki keunggulan : a. Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang tinggi, seperti baja, nikel dan titanium b. Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil sampai dengan ukuran besar c. Jumlah produksi dari satu sampai jutaan.
24
Ada beberapa syarat bagi pasir untuk cetakan yang harus dipenuhi agar hasil coran tersebut sempurna, antara lain: 1. Kemampuan pembentukan sifat ini memungkinkan pasir cetak bisa mengisi semua sisi dari ujung dan pola sehingga menjamin bahwa hasil coran memiliki dimensi yang benar.
2. Plastisitas Plastisitas bisa bergerak naik maupun turun mengisi rongga-rongga yang kosong. Sifat plastisitas ini berkait erat dengan kandungan air pada pasir cetak yang bertindak sebagai pelumas sehingga memungkinkan pasir cetak mudah bergerak antara satu dengan lainnya.
3. Kekuatan basah kekuatan ini menjamin cetakan tidak hancur/rusak ketika diisi dengan cairan logam ataupun ketika dipindah-pindahkan. Kekuatan ini tergantung pada jumlah dan jenis pengikat dari pasir cetak.
4. Kekuatan kering kekuatan ini diperlukan pada saat cetakan mengering karena perpindahan panas dengan cairan logam. Kekuatan ini juga tergantung pada jumlah dan jenis pengikat.
5. Permeabilitas sifat ini memungkinkan udara dan uap atau gas-gas lain dari evaporasi air dan pengikat. Jika bahan-bahan ini menempati rongga cetakan maka akan menjadi hasil pengecoran yang kurang baik terutama bila terjebak pada hasil coran yang menjadikan cacat pada coran.
25
Gambar 2.7. Proses pembuatan cetakan (Surdia.T, 1996). Pasir cetak yang lazim digunakan dalam proses pengecoran adalah sebagai berikut: 1. Pasir Silika Pasir silika didapat dengan cara menghancurkan batu silika, kemudian disaring untuk mendapatkan ukuran butiran yang diinginkan.
2. Pasir Zirkon Pasir Zirkon berasal dari pantai timur australia yang mempunyai daya yahan api yang efektif untuk mencegah sinter
3. Pasir Olivin Pasir Olivin didapat dengan cara menghancurkan batu yang membentuk 2MgO, SiO2 dan 2FeO.SiO2. Pasir olivin mempunyai daya hantar panas yang lebih besar dibanding pasir silika.( Simanjuntak dkk 2013 )
26
2.6 Sistem Saluran Saluran tuang merupakan saluran untuk mengalirnya logam cair ke ronga cetakan. Sistem saluran terdiri dari cawan tuang, saluran turun (sprue), saluran pengalir (runner), dan saluran masuk (ingate). Jenis – jenis sistem saluran dapat dilihat paga gambar 2.8. Besarnya diameter saluran ditentukan berdasarkan berat coran yang akan digunakan untuk mengetahui perbandingan berat coran dengan ukuran diameter saluran dapat dilihat pada tabel 2.4.
Gambar 2.8 Jenis – Jenis Sistem Saluran (Abrianto Akuan, 2010: 33) Tabel 2.4. Perbandingan Berat Coran dengan Ukuran Diameter Saluran
(Sumber: Hardi Sudjana, 2008: 208 )
1. Saluran turun (sprue) Sprue merupakan saluran vertical tempat penuangan logam cair turun. Bentuk saluran turun ada beberapa macam diantaranya adalah sprue seperti terompet, sprue dengan irisan yang semakin mengecil dari atas ke
27
bawah dan sprue yang tegak lurus dengan irisan lingkaran yang memeiliki ukuran saluran sama dari atas ke bawah. Standar ukuran sprue tegak lurus seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9. Pertimbangan untuk menentukan lokasi sprue diantaranya; a. Distribusi logam cair dapat merata kedalam cetakan. b. Panjang runner dari sprue
Gambar 2.9 Sprue Tegak Lurus (sumber: Abrianto Akua, 2010:35) 2. Saluran pengalir (runner) Pengalir umumnya memiliki bentuk trapesium atau setengah ligkaran. Pengalir dipilih sesuai dengan panjangnya seperti gambar 2.10 (Surdia, Kenji. 1986). Pengalir ada beberapa macam diantaranya pengalir dengan saluran penjebak kotoran (dross) seperti gambar 2.11 dan pengalir tanpa penjebak kotoran. Pengalir dengan penjebak kotoran memeiliki keuntungan yaitu menyaring logam cair dari kotoran yang terbawa sebelum memasuki rongga pengecoran.
Gambar 2.10 Ukuran Pengalir (Surdia, Kenji 1986: 67) 28
Gambar 2.11 Saluran Pengalir dengan Jebakan Kotoran (Abrianto Akuan, 2010:37)
3. Saluran masuk (Ingate) Ingate merupakan yang langsung trhubung dengan rongga cor yang berfungsi untuk mengalirkan logam cair kedalam rongga cetak. Beberapa pertimbangan desain gate dapat dilihat pada gambar 2.12. Desain gate memeiliki beberapa macam desain seperti gambar 2.13.
Gambar 2.12 Ukuran Gate (Surdia & Kenji, 1986:77) Dimana : H1 < 0,5 H2 W1 > 2H1 P < 8T
Gambar 2.13 Macam – macam Gate (Sumber : Abrianto Akuan,2010:39) Jarak gate, runner dan cetakan yang sempit menyebabkan cetakan mudah rusak tertekan logam cair, akan tetapi jarak antara runner dengan rongga cor yang terlalu jauh menyebabkan porositas mudah terjadi pada
29
gate. Akuan (2010) menyatakan bahwa gate yang baik yaitu berjarak min 25 mm, seperti terlihat pada gambar 2.14
Gambar 2.14 Ukuran Panjang Gate yang Baik (sumber: Abrianto Akuan, 2010:42) 2.7 Jenis – Jenis Keausan Material jenis apapun akan mengalami keausan dengan mekanisme yang beragam, yaitu: keausan abrasi, adhesi, oksidasi, erosi dan friting. Di bawah ini diberikan penjelasan ringkas dari mekanisme-mekanisme tersebut. a) Keausan Abrasif Keausan yang terjadi pada pengujian tipe pin on disk adalah Keausan Abrasif (Abrasive wear). Terjadi bila suatu partikel keras (asperity) dari material tertentu meluncur pada permukaan material lain yang lebih lunak sehingga terjadi penetrasi atau pemotongan material yang lebih lunak. Tingkat keausan pada mekanisme ini ditentukan oleh derajat kebebasan (degree of freedom) partikel keras atau asperity tersebut. Abrasif dan kontak lelah (fatigue cantact) adalah hal yang paling penting dalam perhitungan keausan pada permesinan. Bisa diperkirakan bahwa total keausan yang terjadi pada elemen-elemen mesin dapat kisarkan antara 80-90% adalah keausan abrasif dan dalam 8% adalan keausan lelah (fatigue wear). Besarnya jejak permukaan dari material tergesek itulah yang dijadikan dasar penentuan tingkat keausan pada material. Semakin besar dan dalam jejak keausan maka semakin tinggi volume material yang terkelupas dari benda uji. Ilustrasi skematis dari kontak permukaan antara revolving disc dan benda uji diberikan oleh gambar 2.15.
30
Gambar 2.15 Pengujian keausan dengan metode pin on disk (Sumber: ASTM G 99-04)
Keterangan: F = gaya yang diberikan pada pin (N) R = jarak antara disk dengan pin (mm) d = diameter bola/pin (mm) D = diameter disk (mm) W = putaran (rpm)
Laju keausan Wear rate digunakan untuk menghitung laju keausan per satuan waktu. Unit yang digunakan tergantung pada jenis keausan dan sifat tribosystem yang terjadi. Laju keausan dapat dinyatakan sebagai: 1. Volume material yang dibuang per satuan waktu, per unit jarak luncur, per putaran dari komponen atau per osilasi dari tubuh (yaitu, di keausan sliding). 2. Volume rugi per unit normal gaya per satuan jarak luncur (mm³/N.m, yang kadang-kadang disebut faktor keausan). 3. Massa rugi per satuan waktu. 4. Perubahan dalam dimensi tertentu per satuan waktu. 5. Perubahan relatif dalam dimensi atau volume sehubungan dengan perubahan yang sama di lain substansi.
31
b ) Keausan Adhesi Keausan adhesive terjadi bila kontak permukaan dari dua material atau lebih mengakibatkan adanya perlekatan satu sama lain dan pada akhirnya terjadi pelepasan/pengoyakan salah satu material. Keausan adhesive biasanya terjadi pada piston yang bergesek pada dinding silinder.
c ) Keausan Oksidasi Keausan oksidasi: seringkali disebut sebagai keausan korosif. Pada prinsipnya mekanisme ini dimulai dengan adanya perubahan kimiawi material di bagian permukaan oleh faktor lingkungan. Kontak dengan lingkungan ini akan menghasilkan pembentukan lapisan pada permukaan dengan sifat yang berbeda dengan material induk. Sebagai konsekuensinya, material pada lapisan permukaan akan mengalami keausan yang berbeda Hal ini selanjutnya mengarah kepada perpatahan interface antara lapisan permukaan dan material induk dan akhirnya seluruh lapisan permukaan itu akan tercabut.
d ) Keausan Erosi Keausan yang terjadi akibat gesekan logam dengan cairan yang mengalir terutama cairan yang mengandung partikel keras. Keausan ini dapat terjadi akibat partikel cair yang terdapat dalam gas yang bergerak dengan cepat. Keausan erosi biasanya terjadi pada pipa-pipa pengalir minyak dan pipa-pipa keluar dari turbin uap.
e ) Keausan Friting Keausan yang terjadi akibat kombinasi dari gesekan dan getaran, sepertipada poros dan bearing. Kerusakan akan dipercepat dengan adanya partikel yang lepas dari permukaan yang terperangkap diantara kedua permukaaan tersebut,sehingga keausan yang terjadi juga disebabkan oleh keausan abrasi (Aditya 2011).
32
