JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271
1
Studi Simulasi Dan Eksperimen Pengaruh Ketebalan Dinding Exothermic Riser Terhadap Cacat Shrinkage Pada Pengecoran Aluminium 6061 Metode Sand Casting Rachmadi Norcahyo dan Indra Sidharta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak—Kebutuhan akan aluminium 6061 yang berkualitas dalam dunia industri, otomotif, dan penerbangan semakin meningkat. Hal ini disebabkan oleh sifat aluminium 6061 yang ringan, murah, dan mudah dibentuk baik secara pemesinan maupun pengecoran. Pada produk hasil pengecoran aluminium 6061 dengan cetakan pasir sering terjadi cacat, salah satunya adalah cacat penyusutan (shrinkage). Sistem saluran yang secara khusus menanggulangi shrinkage adalah penambah (riser). Riser adalah bagian yang berfungsi untuk menambahkan logam cair pada rongga cetakan yang kekurangan logam cair pada saat proses solidifikasi dan riser diharapkan menjadi bagian terakhir yang membeku lebih lama dari produk cor. Untuk menjadikan riser menjadi bagian yang membeku paling akhir dapat menggunakan material exothermic untuk menyelimuti riser. Penelitian ini dilakukan dengan metode simulasi dengan menggunakan software finite element, kemudian dilakukan eksperimen pengecoran untuk mengetahui fenomena yang terjadi saat praktik pengecoran. Benda coran yang digunakan berbentuk kubus berukuran 75 mm × 75 mm × 75 mm dengan sistem saluran bottom-horizontal gating system. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan dinding exothermic riser dalam menanggulangi cacat shrinkage, riser biasa dengan bentuk silindris yang mempunyai diameter 49 mm dan tinggi 75 mm dibandingkan dengan exothermic riser dengan diameter yang sama. Dinding exothermic riser memiliki ketebalan mulai 5 mm dan ditambah setiap 2 mm hingga cacat shrinkage tidak terjadi lagi pada benda coran. Dari penelitian ini didapatkan Seiring meningkatnya ketebalan dinding exothermic riser akan mempertahankan kondisi aluminium untuk cair lebih lama.Yang mengakibatkan logam cair mampu mengisi benda coran dengan lebih baik. Sehingga cacat shrinkage yang terjadi akan semakin kecil. Cacat shrinkage yang terbesar terletak pada riser dengan ketebalan dinding exothermic 5 mm. dan yang tidak terjadi cacat shrinkage terletak pada ketebalan dinding exothermic 9 mm.
semakin meningkat. Hal ini disebabkan oleh sifat aluminium yang ringan, murah, dan mudah dibentuk baik secara permesinan maupun pengecoran. Pada produk hasil pengecoran aluminium dengan cetakan pasir sering terjadi cacat, salah satunya adalah cacat penyusutan (shrinkage). Cacat Shrinkage terjadi karena tidak terisinya rongga cetakan oleh logam cair yang disebabkan oleh penyusutan logam cair akibat tidak meratanya pendinginan dan pembekuan pada logam cair. Terjadinya Shrinkage harus dihindari karena akan menurunkan kualitas dari produk hasil coran, baik dari segi dimensi yang kurang atau salah maupun dari segi kekuatan material tersebut. Penyebab utama cacat Shrinkage adalah akibat pembekuan yang tidak merata karena perbedaan ketebalan pada produk coran. Sehingga dalam merancang sistem saluran (gating system) harus memperhatikan prinsip-prinsip pembekuan atau solidifikasi. Salah satu bagian dari sistem saluran yang secara khusus berfungsi untuk mengurangi terjadinya shrinkage adalah penambah (riser). Riser adalah bagian yang menambahkan logam cair pada rongga cetak yang kekurangan logam cair pada saat proses solidifikasi dan riser diharapkan menjadi bagian terakhir dari sistem saluran yang membeku sesudah produk cor. Bentuk, dimensi, ketebalan, dan bahan penyusun riser mempengaruhi proses solidifikasi cairan logam aluminium di dalam rongga cetak sehingga mengurangi terjadinya cacat shrinkage pada produk cor cetakan pasir. Upaya untuk menjadikan riser menjadi bagian yang membeku paling akhir ada 2 metode, yaitu Exothermic dan Insulation. Insulation adalah metode yang bertujuan untuk mengisolasi panas logam cair didalam riser dengan cara melapiskan material insulation pada dinding riser. Exothermic adalah metode yang bertujuan untuk menjaga temperature logam cair dengan cara menambahkan material exothermic pada dinding riser. Dinding ini berfungsi untuk menahan perpindahan panas dari logam cair ke dinding cetakan sekaligus menghasilkan panas pada riser. Dimensi riser juga dapat dikurangi dengan exothermic riser sehingga kebutuhan volume logam cair dapat diminimalisir. II. TINJAUAN PUSTAKA
Kata Kunci—Aluminium 6061, Exothermic Riser, Shrinkage. I. PENDAHULUAN Kebutuhan akan aluminium yang berkualitas dan tanpa cacat baik dalam dunia industri, otomotif, dan lain-lain
Riser atau penambah merupakan saluran yang berfungsi untuk menanggulangi cacat shrinkage pada produk hasil pengecoran[1]. Riser diharapkan menjadi bagian yang paling akhir membeku agar mampu mensuplai logam cair kedalam rongga cetak yang telah mengalami penyusutan akibat
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 solidifikasi. Riser pada umumnya terbagi menjadi dua jenis yaitu blind-type dan open-type. Untuk menentukan volume riser menurut John R. Brown [2] merumuskan sebagai berikut : = erat riser (lb) =Berat benda coran (lb) C%=16% dengan menggunakan natural feed riser =33% dengan menggunakan foseco sleeve (exothermic riser ) S%=Shrinkage yang terjadi pada logam cair (sesuai dengan tabel 2.2) Tabel.1. Shrinkage pada beberapa paduan[2] Jenis Paduan Shrinkage (%) Carbon steel Alloyed steel High alloy steel Malleable iron Al AlCu4Ni2Mg AlSi12 AlSi5Cu2Mg AlSi9Mg AlSi5Cu1 AlSi5Cu2 AlCu4 AlSi10 AlSi7NiMg AlMg5Si AlSi7Cu2Mg AlCu5 AlMg2Si AlZn5Mg Cu (pure) Brass Bronze Al Bronze Sn Bronze
6.0 9.0 10.0 5.0 8.0 5.3 3.5 4.2 3.4 4.9 5.2 8.8 5.0 4.5 6.7 6.5 6.0 4.7 4.7 4.0 6.5 7.5 4.0 4.5
2
Exothermic[4] dalam thermodinamika menjelaskan suatu proses atau reaksi yang melepaskan energi panas. Asal mula kata exothermic adalah awalan kata bahasa yunani “ex-“ yang berarti di luar dan “thermein” yang berarti panas. Material exothermic bukanlah suatu material yang memiliki sifat exothermic sendiri, melainkan akan ketika bereaksi dengan material lain akan menghasilkan reaksi exothermic. Exothermic riser terbuat dari dinding material exothermic yang tersusun atas campuran iron oxide dan aluminium dalam bentuk bubuk. Reaksinya adalah 4𝐹𝑒2 𝑂3 + 8𝐴𝑙 4𝐴𝑙2 𝑂3 + 8𝐹𝑒 + 248 ° ℎ𝑒𝑎𝑡 . Penggunaan exothermic riser menambah feeding efficiency hingga 70% [4]. Penelitian mengenai penggunaan exothermic riser sudah pernah dilakukan oleh Richard A, dkk [5] yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh riser sleeve terhadap kecepatan solidifikasi dan menentukan riser sleeve yang sesuai dan efektif untuk pengecoran baja secara simulasi dan eksperimen.
Gambar 1. Cara Penempatan Termokopel pada Riser Exothermic (kiri) dan Riser Biasa (kanan)
Untuk mengukur kecepatan solidifikasi logam cair di riser digunakan termokopel dengan peletakan sesuai gambar 1. Hasil simulasi dan percobaan didapat perbandingan antara penggunaan riser biasa dan exothermic riser pada gambar 2.17. Diketahui pada gambar (a) dengan membandingkan laju solidifikasi antara penggunaan riser biasa dan KALMINEX 2000 menunjukkan bahwa laju pendinginan exothermic riser lebih lambat daripada menggunakan riser biasa dengan selisih kurang lebih 1300 detik. Pada gambar (b) ditunjukkan bahwa exothermic riser mampu menghasilkan panas yang lebih besar daripada riser biasa dengan perbedaan 400°C.
Dengan mengetahui berat riser dapat mencari volume riser dengan mengalikan berat dengan masa jenis logam cair. ................................................................................ (2.9) Dimana
:
= Volume riser (𝑖𝑛3 ) = Berat riser (lb)
Cacat penyusutan (shrinkage) merupakan cacat pada coran berupa rongga dengan bentuk tidak beraturan dan permukaannya kasar yang terjadi karena penyusutan volume logam cair pada saat proses pembekuan dan tidak mendapatkan pasokan logam cair dari riser[3]. Pada saat logam membeku, tiap bagian coran yang berbeda bentuknya memiliki kecepatan pembekuan yang berlainan sehingga cacat tersebut mudah terjadi pada bagian yang paling lambat membeku.
(a)
(b)
Gambar 2. (a) Grafik Laju Pendinginan Baja pada Riser dan (b)Grafik Perubahan Temperatur pada Pasir Cetak Exothermic Riser dan Riser Biasa
Hasil percobaan dan simulasi antara penggunaan Insulation sleeve riser KALMIN 70 dan exothermic riser KALMINEX 2000 dapat dilihat pada gambar 2 menunjukkan bahwa laju pendinginan exothermic riser lebih
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271
3
lambat daripada menggunakan insulation sleeve riser dengan perbedaan hingga 300 detik.
Gambar 5. Peralatan Akuisisi Data
(a)
(b)
Gambar 3. Grafik Laju Pendinginan Baja pada (a) Insulation sleeve riser KALMIN 70 dan (b) Exothermic Riser KALMINEX 2000
III. METODE PENELITIAN A. Pembuatan Pola dan Sistem Saluran Pola benda coran berbentuk kubus dengan ukuran 75 mm ×75 mm ×75 mm , mengacu pada Indian Standart is.15865.2009[6]. Membuat sistem saluran denga ukuran seperti pada tabel 1 dengan mengacu pada standart AFS[7] dengan pemasangan seperti gambar 5. Ø Atas Ø Bawah Tinggi
Ø = 49mm Tinggi =75mm
=18,8mm =10,2mm =150mm
Panjang =75mm Lebar =75mm Tinggi =75mm
Ø =22,7mm Tinggi =32mm
Lebar =20mm Tinggi =16mm
Gambar 4. Benda Coran dan Gating System
B. Pembuatan Riser Exothermic Tabel.2. Bahan Penyusun Exothermic Riser [7]
Material Foundry Silica Sand Zircon Sand Aluminium Powder Iron Oxide (𝐹𝑒3 𝑂4 ) Potassium Nitrat (𝐾𝑁𝑜3 )
Termokopel diletakkan bagian riser dengan 3 titik pada riser exothermic dan 2 titik riser biasa. Pada riser exothermic titik 1 digunakan untuk mengukur aluminium cair, titik 2 untuk mengukur temperatur dinding exothermic riser, dan titik 3 digunakan untuk mengukur temperatur pasir. Pada riser biasa titik 4 digunakan untuk mengukur aluminium cair dan titik 5 digunakan untuk mengukur temperatur pasir
Jumlah 40 wt% 25 wt% 25 wt% 8 wt% 2 wt%
(a)
(b)
Gambar 6. Peletakan Termokopel Untuk (a) Exothermic Riser (b) Riser Tanpa Exothermic
D. Pengukuran Cacat Shrinkage Pengukuran cacat shrinkage menggunakan metode pengukuran tak langsung dengan media lilin mainan (malam), air dan gelas ukur. Malam ditempelkan pada benda coran yang terjadi shrinkage hingga rata. Kemudian malam dimasukkan kedalam gelas ukur yang berisi air. Perbedaan ketinggian antara sebelum dan sesudah dicelupkan malam adalah volume cacat shrinkage yang terjadi. IV. DATA HASIL SIMULASI DAN EKSPERIMEN A. Proses Pembekuan Secara Simulasi
Pembuatan exothermic riser mengacu pada paten Amerika nomor US6096253[8] dengan dimensi riser diameter 49 mm, tinggi 75 mm, dan ketebalan dinding 9 mm mengacu pada John R. Brown [2]. Setelah riser dicetak kemudian dikeraskan dengan menghembuskan gas 𝑂2 C. Pengukuran Temperatur Pengukuran temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopel tipe K yang disambungkan dengan alat akuisisi data yang dibuat sendiri seperti pada gambar 5.
Gambar 7. Proses Solidifikasi Benda Cor Detik ke 500 pada (a) Tanpa Riser (b) Riser Biasa (c) Riser Exothermic Tebal 5mm (d) Riser Exothermic Tebal 7mm (e) Riser Exothermic Tebal 9 mm
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 B. Waktu Solidifikasi Secara Simulasi
4
E. Grafik Perubahan Temperatur Logam Cair di Riser
Gambar 8 Pengaruh Ketebalan Dinding Exothermic Terhadap Laju Pendinginan Logam Aluminium Pada Temperatur Solidifikasi
C. Letak dan Presentase Cacat Shrinkage Secara Simulasi
Gambar 11. Perbedaan Temperatur Terhadap Waktu Pada Logam Cair Di Riser Antara Tanpa Exothermic Riser dan Dengan Exothermic Riser
F. Cacat Shrinkage Secara Eksperimen Tabel 3 Cacat Shrinkage Eksperimen 20,3%
24,3%
12,6%
Benda hasil pengecoran
2,4%
Volume shrinkage cm3
%Shrinkage
Tanpa Penambah
74
17,54%
Dengan Penambah Biasa
0.4
0,09%
Dengan Exothermic
0
0%
Gambar
0%
Gambar 9. Cacat Shrinkage pada Benda Cor (a) Tanpa Riser (b) Riser Biasa (c) Riser Exothermic Tebal 5mm (d) Riser Exothermic Tebal 7mm (e) Riser Exothermic Tebal 9 mm
D. Grafik Perubahan Temperatur Dinding Exothermic dan Pasir Cetak
Gambar 10. Perbedaan Temperatur Terhadap Waktu Pada Pasir Biasa dan Dinding Exothermic
V. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Cacat shrinkage pada benda cor tanpa riser disebabkan oleh tidak adanya supply logam cair pada benda coran saat terjadi penyusutan. Dari gambar 7. dan gambar 8 terlihat bahwa untuk benda coran dengan riser tanpa exothermic cacat shrinkage yang terjadi sebesar 20,3% dengan waktu pembekuan selama 449 detik. Hal ini disebabkan karena logam cair pada riser membeku bersamaan dengan benda coran, sehingga logam cair pada riser tidak mampu mengisi bagian yang menyusut pada benda coran. Cacat shrinkage pada benda cor dengan exothermic riser tebal 5 mm pada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 daerah riser dan sedikit menuju ke benda coran. Logam cair pada riser bertahan panas lebih lama dari benda coran karena panas dari logam cair ditahan oleh exothermic riser. Hal ini dapat dilihat pada gambar 8. yang menunjukkan waktu pembekuan logam cair lebih lama 73 detik daripada benda cor dengan riser tanpa exothermic. Hal ini menyebabkan riser menjadi bagian yang membeku paling akhir dan mampu mensuplai logam cair ke dalam benda coran. Namun dinding exothermic dengan tebal 5 mm belum cukup baik untuk mengatasi cacat shrinkage yang terjadi pada benda coran. Ketika tebal dinding ditambah menjadi 7 mm cacat shrinkage pada benda coran sudah berkurang, tetapi masih terdapat cacat shrinkage sebesar 2,4% pada bagian atas benda coran yang berbatasan langsung dengan riser. Saat tebal dinding ditambah menjadi 9 mm, cacat shrinkage tidak terjadi pada benda coran karena logam cair pada riser bertahan panas lebih lama dari benda coran dan membeku paling akhir. Hal ini menyebabkan logam cair pada riser lebih mampu mengalirkan logam cair untuk mengatasi penyusutan pada benda coran, sehingga cacat shrinkage hanya terjadi pada bagian riser saja. Gambar 10 menunjukkan secara eksperimen perbedaan temperatur dalam rentang waktu yang sama antara pasir cetak dan dinding exothermic bahwa temperatur dinding exothermic lebih tinggi daripada pasir cetak, sehingga perpindahan panas logam cair ke pasir cetak akan lebih besar daripada perpindahan panas antara logam cair ke dinding exothermic. Hal ini menyebabkan logam cair pada riser exothermic akan tetap panas pada waktu yang lebih lama daripada riser non exothermic. Terlihat pada gambar 11 bahwa pada detik ke 420 logam cair di riser tanpa exothermic mempunyai temperatur 447,6°C sedangkan pada riser exothermic ada pada temperatur 567°C. Penggunaan riser mampu mengakomodasi cacat shrinkage yang terjadi pada benda coran.[3]. Terbukti pada saat eksperimen dan simulasi pada benda cor dengan riser tanpa exothermic, cacat shrinkage lebih sedikit daripada benda cor tanpa riser. Dengan menambah ketebalan dinding exothermic pada riser akan mempertahankan kondisi logam aluminium pada riser tetap cair untuk waktu yang lebih lama, sehingga riser akan lebih mampu mengisi logam cair ke benda coran dengan lebih baik lagi. Hal ini dapat dilihat pada waktu solidifikasi (gambar 8). pada hasil simulasi, dimana untuk riser tanpa exothermic berlangsung selama 449 detik, riser exothermic dengan tebal 5mm membutuhkan waktu 522 detik, tebal 7mm 544 detik dan tebal 9mm 563 detik Penggunaan exothermic riser dengan ketebalan tertentu mampu mengatasi cacat shrinkage lebih baik daripada riser biasa. Hal ini terbukti dari hasil eksperimen dengan menggunakan riser biasa masih menghasilkan cacat shrinkage sebesar 0,09% pada benda coran. Namun ketika menggunakan exothermic riser pada benda coran tidak dijumpai terjadinya cacat shrinkage. Secara simulasi cacat shrinkage pada ketebalan 5 mm sebesar 12,6%, tebal 7mm berkurang menjadi 2,4% , hingga tebal 9mm tidak lagi terjadi cacat shrinkage.
aluminium untuk cair lebih lama.Yang mengakibatkan logam cair mampu mengisi benda coran dengan lebih baik. Sehingga cacat shrinkage yang terjadi akan semakin kecil. 2. Dengan merubah material dinding riser dari pasir silika dengan bahan exothermic akan menghasilkan logam cair pada riser tetap panas waktu yang lebih lama. Pada hasil eksperimen di detik ke 420, temperatur logam cair di exothermic riser adalah 567°C sedangkan pada riser tanpa exothermic adalah 447,6°C. 3. Seiring meningkatnya ketebalan dinding exothermic riser, maka waktu yang dibutuhkan logam cair untuk membeku juga semakin lama. Waktu terlama pada benda coran dengan riser exothermic ketebalan dinding 9 mm selama 563 detik, dan tercepat pada benda coran tanpa riser selama 424 detik. 4. Seiring meningkatnya ketebalan dinding exothermic riser, maka cacat shrinkage akan semakin menurun. Cacat shrinkage yang terbesar terletak pada riser dengan ketebalan dinding exothermic 5 mm. dan yang tidak terjadi cacat shrinkage terletak pada ketebalan dinding exothermic 9 mm. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5]
[6]
[7] [8] [9] [10]
[11]
VI. KESIMPULAN
[12]
Adapun beberapa kesimpulan yang didapat dari penelitian ini diantaranya :
[13]
1. Seiring meningkatnya ketebalan dinding exothermic riser akan mempertahankan kondisi
5
[14]
Surdia, Tata. Chijiwa, Kenji. 1986. Teknik Pengecoran Logam. Jakarta:PT Pradanya Pratama. R.Brown, John.2000. Foseco Non-Ferrous Foundryman’s Handbook. Butterworth Heinemann. Jain, P.L. 1980. Principles Of Foundry Technology. New Delhi: TATA McGraw-Hill Banga, R. 1981. Foundry Engineering. New Delhi : Khanna Publishers. Richard A. H, Thomas J.W, dan Beckermann C. 2013. Riser Sleeves Properties for Steel Casting and the Effect of Sleeve Type on Casting Yield. Proceeding of the 67th SFSA Technical and Operating Conference. The University of Iowa, Iowa City Bureau Of Indian Standars. 2009. Exothermic and Insulating Sleeves For Use in Foundries.. Indian Standard, New Delhi. AFS Training.1973. Basic Principles of Gating & Risering. Illnois. Process for producing foundry exothermic body URL: http://www.google.com/patents/US6096253 Steel Founders Society of America. 2001. Feeding & Risering Guidelens for Steel Castings. Aluminium Rod URL:http://www.meltech.co.uk/wpcontent/uploads/201 3/06/Aluminium-billet.jpg ASM. 1992. ASM Handbook Volume 2 Properties and Selection : Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials.ASM International. Exothermic
Aluminium 6061 Hermawan, Yudhi. 2012. Simulasi Z-CAST dan Pengecoran Aluminium 6061 Variasi Letak Penambah
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271 Buta (Blind Riser) dan Temperatur Tuang Terhadap Cacat Shrinkage. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. [15] Akuan, Abrianto. 2010. Teknik Pengecoran dan Peleburan Logam : Modul Praktikum.. Universitas Jendral Achmad Yani, Bandung.
6
