NASKAH PUBLIKASI
ANALISIS SIFAT FISIS DAN MEKANIS ALUMINIUM PADUAN AL-SI-CU DENGAN MENGGUNAKAN CETAKAN PASIR
Disusun oleh: AZIS NUR EVA NIM: D200 06 0072
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2012
ANALISIS SIFAT FISIS DAN MEKANIS ALUMUNIUM PADUAN AL-SI-Cu DENGAN MENGGUNAKAN CETAKAN PASIR Azis Nur Eva, Masyrukan, Agus Hariyanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Unversitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura Email:
[email protected]
ABSTRAKSI
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sifat fisis dan mekanis pada aluminium paduan yang dicetak dengan menggunakan cetakan pasir. Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah aluminium paduan yang berasal dari daur ulang aluminium bekas, yang dilebur di dalam dapur krusible tipe ciduk dan dicetak didalam cetakan pasir. Alat yang digunakan dalam uji tarik yaitu Servopuser. Sedangkan alat yang digunakan dalam uji impak, uji kekerasan, uji struktur mikro, dan uji komposisi kimia secara berturut-turut adalah Charpy Testing, Hardness tester, Olympus Metallurgycal Microscope, Metal Scan Spectrometer. Adapun cara pengujian ini adalah, pada pengujian tarik menggunakan standar ASTM B557 pengujian ini dilakukan dengan cara menarik spesimen sampai patah yang hasilnya dapat dilihat pada komputer, pengujian impak menggunakan standar ASTM E23, pengujian ini dilakukan dengan cara memukulkan bandul ke spesimen uji hingga patah, dan hasilnya bisa terlihat pada indikator pencatatan hasil, pengujian kekerasan menggunakan pengujian brinell dengan standar ASTM E10, pengujian struktur mikro dilakukan dengan standar ASTM E3 cara melihat spesimen dibawah mikroskop dan pengujian komposisi kimia dilakukan dengan standar ASTM E1251 cara menembakkan gas argon kepermukaan spesimen, sehingga hasilnya akan terbaca pada komputer. Dari hasil pengujian pada aluminium paduan dengan cetakan pasir diperoleh harga tegangan tarik maksimal yaitu 93.8 N/mm2. Pada pengujian impak energi yang diserap rata-rata adalah 1.47 Joule, harga impak rata-rata 0,018 (J/mm2). Pada pengujian kekerasan didapat HB = 84.3 BHN. Komposisi kimia pada aluminium paduan dengan cetakan pasir didapat kandungan unsur-unsur utama yaitu Al = 87.58 %, Si = 7.93 %, Cu = 2.8030 % dan Mg = 0,5047 %. Kata kunci : Aluminium (Al), Cetakan, Paduan, Pasir.
PENDAHULUAN Ilmu
dan
teknologi
bahan
merupakan
penerapan
teknologi
mengenai hubungan antara komposisi dan pemprosesan logam, dengan sifat-sifat dan pemakaian yang sesuai dengan kebutuhan dan tuntutan yang ada. Semakin banyaknya industri, khususnya industri otomotif maka persaingan semakin ketat untuk memperoleh pangsa pasar yang ada. Untuk
memenangkan pangsa
pasar
dan persaingan ini, maka para
produsen berlomba-lomba untuk menemukan bahan yang relatif murah, kuat, ringan, dan tahan lama (Surdia .T.,Saito,S., 1995). Aluminium (Al) adalah salah satu logam non ferro yang memiliki beberapa keunggulan, diantaranya adalah memiliki berat jenis yang ringan, ketahanan terhadap korosi, dan hantaran listrik yang baik. Adapun sifat dasar dari aluminium (Al) murni adalah memiliki sifat mampu cor yang baik dan sifat mekanik yang jelek (Surdia .T.,Saito,S., 1995). Untuk mengatasi sifat mekanis aluminium murni yang jelek maka dipergunakan aluminium paduan sebagai bahan baku pengecoran sebab sifat mekanisnya akan dapat diperbaiki dengan menambahkan unsurunsur lain seperti tembaga (Cu), silisium (Si), mangan (Mn), magnesium (Mg) dan sebagainya (Surdia .T.,Saito,S., 1995). TUJUAN PENELITIAN Adapun tujuan dari penelitian paluminium paduan Al-Si-Cu dengan menggunakan cetakan pasir ini adalah :
1. Mengetahui komposisi kimia yang terkandung dalam aluminium paduan yang mengacu pada standar ASTM E1251. 2. Mengetahui sifat fisis (struktur mikro) dari meterial aluminium paduan yang mengacu pada standar ASTM E3. 3. Mengetahui harga kekerasan dari aluminium paduan yang mengacu pada standar ASTM E10. 4. Mengetahui kekuatan tarik dari aluminium paduan yang mengacu pada standar ASTM B557. 5. Mengetahui harga impak dari aluminium paduan yang mengacu pada standar ASTM E23. LANDASAN TEORI 1. Aluminium Aluminium merupakan unsur logam terbanyak di muka bumi, dimana hampir 8% berat dari kerak bumi adalah aluminium. Aluminium ditemukan oleh Sir Humphrey Davy pada tahun 1809 sebagai suatu unsur, dan pertama kali direduksi sebagai suatu logam oleh H.C. Oersted pada tahun 1955. Bijih bauksit adalah bahan utama untuk pembuatan aluminium yang terdapat di dalam batu-batu dalam kerak bumi. Di dalam bebatuan tersebut aluminium masih berbentuk silikat dan komponen lain yang lebih kompleks, karena komponen aluminium yang begitu komplek tersebut maka diperlukan penelitian lebih dari 60 tahun untuk menemukan cara yang ekonomis untuk membuat aluminium dari bijih bauksit (Surdia .T.,Saito,S., 1995).
2. Aluminium murni Aluminium memiliki berat jenis 2,7 gram/ cm3, kira-kira sepertiga dari berat jenis baja (7,83 gram/ cm3), tembaga (8,93gram/ cm3), atau kuningan. Selain itu aluminum menunjukan ketahanan korosi yang baik pada kebanyakan lingkungan termasuk udara, air (air garam), petrokimia dan lingkungan kimia lainya. Dilihat dari konduktivitas thermalnya adalah antara 50-60 % dari tembaga, bersifat nonmagnetic dan tidak beracun (Surdia .T.,Saito,S., 1995). 3. Aluminium paduan Aluminium secara umum dapat di klasifikasikan menjadi dua yaitu heat treatable dan non heat treatable. Pada paduan non heat treatable dapat diperkuat dengan pengerjaan dingin, dan perlakuan panas yang dapat dilakukan adalah annealing untuk memperlunak akibat dari proses pengerasan. Paduan ini terdiri dari Al-Mn, Al-Mg, dan Al-Si. Sedangkan pada paduan heat treable adalah paduan yang mengandung Cu, Zn, dan Mg serta Si. Paduan heat treable dapat diperkuat dengan memberikan perlakuan pengerasan penuaan, pengerasan presipitasi dan proses perlakuan panas lainnya (Surdia .T.,Saito,S., 1995). TINJAUAN PUSTAKA Prayitno,A. (2007), meneliti tentang aluminium paduan Al, Si, Cu dengan cetakan pasir. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh aluminium paduan dengan cetakan pasir dan logam terhadap sifat fisis dan mekanis. Disimpulkan bahwa hasil tegangan tarik rata-rata 72,36
(MPa), regangan rata-rata 2,48 (%), Modulus Elastisitas rata-rata 3073,3 (MPa), Kekakuan rata-rata 124989,66 (MPa), harga kekerasan rata-rata 78,8 kg/mm², energi yang diserap rata-rata 2 Joule, haraga impak ratarata 0,025 (J/mm²), hasil pengujian komposisi kimia didapatkan hasil yang dominan antara lain Al = 83,69%, Si = 4,83%, Cu = 7,44%, Zn = 2,01%, Fe = 1,14%. Pada pengujian struktur mikro terlihat bahwa unsur Si terlihat panjang didalam kelompok yang sedikit. Ahmadi, N (2002), meneliti tentang pengaruh pengecoran batang torak dari aluminium padauan AL-Cu-Ni dengan cetakan pasir dan cetakan logam terhadap kekerasan dan kekuatan tarik. Disimpulkan bahwa Hasil penelitian menunjukkan cetakan logam mempunyai kekerasan lebih dibanding cetakan pasir, dengan kekerasan rata-rata 109,20 kg/mm 2 dan 81 kg/mm 2 sedangkan kekuatan tariknya 13,56 kg/mm 2
dan 9,77 kg/mm 2 .
JENIS-JENIS PENGECORAN Dalam dunia industri pengecoran logam dikenal beberapa jenis metode pengecoran logam yang lazim digunakan antara lain : 1.
Pengecoran dengan Cetakan Pasir. Pasir yang dipakai sebagai bahan untuk cetakan adalah pasir
dalam atau pasir buatan yang mengandung tanah lempung. Cetakan dibuat dengan memadatkan pasir. Cetakan jenis ini mudah dibuat dan biaya pembuatannya juga tidak mahal dalam pembuatannya kadangkadang diberikan pengikat khusus untuk memperkuat cetakan, misalnya
semen, dan sebaiknya dalam menggunakan pengikat tersebut perlu mempertimbangkan bentuk, bahan dan jumlah produk, sehingga biaya pembuatan dapat ditekan (Surdia, T., Chijiiwa,K.,2000). 2.
Pengecoran dengan cetakan logam Pengecoran
dalam
cetakan
logam
dilaksanakan
dengan
menuangkan logam cair ke dalam cetakan logam seperti pada pengecoran pasir. Sebagai bahan cetakan terutama dipakai baja khusus, atau besi cor paduan. Sebagai bahan coran umumnya diambil paduan bukan besi yang mempunyai titik cair rendah seperti paduan aluminium, paduan magnesium atau paduan tembaga (Surdia, T., Chijiiwa,K.,2000).
METODOLOGI PENELITIAN 1. Bahan Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah aluminium bekas yang didaur ulang melalui proses pengecoran. Setelah mengalami proses pengecoran bahan baku dari kedua jenis material akan diketahui unsur paduannya melalui pengujian komposisi kimia.
Gambar 3.1. Aluminium, Silikon, Tembaga (Asih Wulan, 2011)
2. Diagram Alir penelitian Mulai
Studi Literatur
Studi Lapangan
Penyiapan Bahan Aluminium Cor
Cetakan Pasir
Peleburan Aluminium (Al) Proses Peleburan Aluminium
Proses Penuangan Aluminium Cair Ke Dalam Cetakan Pasir
Pembuatan Spesimen Sesuai Standar Pengujian Peleburan Aluminium (Al)
Peleburan Aluminium (Al) Pengujian Komposisi Kimia
ASTM E1251
Pengujian Struktur Mikro ASTM E3
Pengujian Kekerasan
ASTM E10
Pengujian tarik ASTM B557
Hasil Penelitian
Pembahasan
Kesimpulan
Selesai
Gambar Diagram Alir Penelitian
Pengujian impak ASTM E23
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Hasil Uji Komposisi Kimia dan Pembahasan Hasil pengujian komposisi kimia dengan menggunakan alat spectrometer memberikan hasil pembacaan secara otomatis kandungan rata-rata (average) komposisi kimia seperti pada tabel dibawah ini. Tabel 4.1. Data Hasil Uji Komposisi Kimia Aluminium Paduan al-si-cu Dengan Menggunakan Cetakan Pasir Unsur
%
Al
87.58
Si
7.93
Cu
2.8030
Mg
0.5047
Fe
0.4862
Mn
0.4225
Zn
0.1894
Ti
0.0317
Ni
0.0137
Pb
0.0129
Cr
0.0115
Sn
0.0099
Dari hasil pengujian komposisi kimia pada aluminium paduan yang dicetak menggunakan cetakan pasir, diperoleh sebanyak 12 unsur penyusun pada aluminium paduan cetakan pasir. Adapun unsur yang
paling dominan antara lain: Aluminium (Al), Silikon (Si), dan Tembaga (Cu)). Dengan persentase masing-masing adalah: Al 87.58 %, Si 7.93%,dan Cu 2.8030 %. Berdasarkan prosentase unsur penyusunnya, jenis aluminium paduan ini dikategorikan kedalam aluminium paduan Casting Alloy, dengan nomor seri mendekati 3xx.x (Al-Si-Cu). Dalam standar AA ( Aluminium Association ) aluminium paduan ini tergolong kedalam aluminium paduan jenis A380.0, aluminium ini juga termasuk dalam paduan aluminium tinggi karena pada paduan Al-Si-Cu terdapat unsur pemadu yang lebih dari 10%. Adanya unsur-unsur paduan Silikon (Si), Tembaga (Cu), dan Magnesium (Mg) dalam aluminium paduan akan dapat memperbaiki sifat fisis dan mekanis dari material aluminium tersebut. 2. Hasil Pengujian struktur mikro dan Pembahasan Berdasarkan data hasil pengamatan struktur mikro dengan menggunakan Olympus Photomicrographic System dengan perbesaran 200 . Adapun hasilnya adalah sebagai berikut :
Al
Al
CuAl2
Cu Al2
AlSi
A
B
Gambar (A) Struktur Mikro Spesimen Aluminium paduan al-si-cu dengan menggunakan cetakan pasir, (B) Struktur mikro paduan Al-Si-Cu (Surdia,T.,Saito,S., 1995). Berdasarkan hasil pengujian struktur mikro pada aluminium paduan daur ulang dengan menggunakan cetakan pasir terbentuk beberapa fasa, diantaranya fasa Al, fasa CuAl2 dan fasa AlSi. Adapun karakteristik dari fasa-fasa tersebut adalah sebagai berikut : 1. Fasa Al (berwarna terang) adalah larutan padat primer. 2. Fasa CuAl2 (berwarna kelabu kehitam-hitaman). Dengan adanya fasa ini akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan aluminium paduan. 3. AlSi (berwarna kelabu terang). Fasa ini terbentuk karena jumlah prosentase silikon (Si) lebih besar dari magnesium (Mg). Pada
umumnya akan dapat meningkatkan tingkat kekerasan dan dapat menghambat laju korosi. Pada aluminium paduan yang dicetak menggunakan cetakan pasir, dengan unsur paduan silikon (Si) 7,93% dan tembaga (Cu) 2.8030%, memiliki distribusi dan bentuk struktur butiran fasa AlSi yang cenderung menggumpal dengan ukuran butiran lebih besar dan jarak antar butirannya meregang, serta fasa CuAl2 yang terbentuk memiliki struktur butiran yang mengelompok. 3. Hasil Uji Kekerasan dan Pembahasan Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan alat uji kekerasan mikro Brinell, yang terdiri dari tiga titik pada spesimen dengan letak secara acak. Tabel Data Hasil Uji Kekerasan Aluminium Paduan Al-Si-Cu Diameter Injakkan (mm)
Beban (kgf)
HBN
0,955
62,5
84.3
Berdasarkan
data
hasil
pengujian
kekerasan
Brinell
pada
aluminium paduan daur ulang yang dicetak dengan menggunakan cetakan pasir, diketahui bahwa harga kekerasan rata-rata aluminium paduan Al-Si-Cu yang dicetak dengan menggunakan cetakan pasir sebesar 84.3 HBN. Dari hasil pengujian ini dapat disimpulkan bahwa aluminium paduan al-si-cu ini menmpunyai harga kekerasan yang lebih baik jika dibandingkan dengan aluminium murni yang hanya sekitar 65 HBN.
4. Hasil Uji Tarik Dan Pembahasan Table Data Hasil Uji Tarik Aluminium Paduan Al-Si-Cu No 1 2 3 4 5 6 7 8
Beban Tegangan Modulus Kekakuan Regangan (%) 2 2) (N) (N/mm ) (N/mm (N/mm2) 357.2 13.0 0.35 37.58 110.18 714.3 26.0 0.56 52.28 113.49 1071.5 39.1 0.73 62.29 109.50 1428.7 52.1 0.91 68.98 101.96 1785.8 65.1 1.03 76.88 102.13 2143.0 78.2 1.15 83.39 101.05 2500.2 91.2 1.29 90.12 102.76 2619.3 93.8 1.65 69.47 60.56 Berdasarkan grafik dari hasil pengujian tarik pada aluminium paduan Al-Si-Cu yang dicetak dengan menggunakan cetakan pasir, menunjukkan bila tegangan meningkat maka regangan juga meningkat, dan bila semakin tinggi kekakuannya maka semakin menurun nilai regangannya, ini berarti bahwa material tersebut memiliki sifat elastis. Hal ini disebabkan pengaruh unsur-unsur Si, Cu, Fe, Mn, dan Mg. Dimana kita tahu unsur- unsur tersebut memiliki sifat dapat meningkatkan kekuatan tarik. Adapun harga dari setiap variabel-variabel tersebut adalah sebagai berikut. Harga kekuatan tarik maksimal 93.8 N/mm2, regangan maksimal 1.65 %, Modulus Elastisitas maksimal 90.12 N/mm2, kekakuan maksimal 113.49 N/mm2. 5. Data Hasil Uji Impact Dan Pembahasan Tabel Data Hasil Pengujian Impact Aluminium Paduan Al-Si-Cu
Ao(mm2)
Energi diserap(J)
Harga Impact(J/mm2)
80
1,47
0,018
Dari hasil pengujian impak diketahui energi serap rata-rata yang dihasilkan aluminium paduan menggunakan cetakan pasir, yaitu sebesar 1.47 Joule, dengan harga impak 0.018 Joule/mm2. Apabila ditinjau dari jenis patahannya, aluminium paduan mengindikasikan jenis aluminium getas. Hal ini diindikasikan oleh warna patahan yang mengkilat dan bekas patahan yang cenderung merata. KESIMPULAN DAN SARAN 1. Kesimpulan Penelitian Berdasarkan analisa dan pembahasan hasil penelitian pada aluminium paduan Al-Si-Cu yang dicetak dengan menggunakan cetakan pasir, diperoleh kesimpulan sebagai berikut ; 1. Pada aluminium paduan dengan menggunakan cetakan pasir diperoleh 12 unsur penyusun aluminium paduan. Dari unsur penyusunnya diperoleh 5 unsur dominan, yang antara lain ; Al, Si, Cu, Mg, dan Fe. Besarnya prosentase unsur dominan aluminium paduan menggunakan cetakan pasir adalah : Al 87,58 %, Si 7,93 %, Cu 2,8030 %, Mg 0,5047% dan Fe 0,4862%. 2. Dari pengamatan struktur mikro pada spesimen uji, terbentuk beberapa fasa yang dapat diamati, yang antara lain : fasa Al (berwarna terang), fasa AlSi (kelabu terang) dan fasa CuAl 2 (berwarna kelabu gelap kecoklatan).
3. Dari pengujian kekerasan diperoleh harga kekerasan rata-rata aluminium paduan dengan cetakan pasir, sebesar HB= 84.3 HBN 4. Dari
hasil
pengujian
tarik
pada
aluminium
paduan
dengan
menggunakan cetakan pasir didapatkan tegangan tarik maksimal 93.8 N/mm2, regangan maksimal 1,65 (%), Modulus Elastisitas maksimal 90.12 N/mm2, dan kekakuan maksimal 113.49 N/mm2. 5. Dari hasil pengujian impak diketahui energi serap rata-rata yang dihasilkan aluminium paduan menggunakan cetakan pasir, yaitu sebesar 1,47 Joule, dengan harga impak 0,018 Joule/mm 2. 2. Saran 1
Dalam penyiapan spesimen uji sebaiknya dipersiapkan dengan jumlah yang lebih, guna menghindari kekurangan spesimen akibat dari kegagalan pada saat pengujian, ada pun jumlah spesimen yang akan diujikan disesuaikan dengan standar pengujian yang digunakan.
2
Dalam penelitian ini penulis menyadari bahwa tidak ada suatu apapun ciptaan atau pekerjaan manusia yang sempurna kecuali ciptaan Allah SWT. Untuk itu penulis dengan lapang hati menerima saran dan kritik yang sifatnya membangun. Akhirnya penulis berharap
semoga
karya
ini
pengetahuan kita semua. Amin.
bermanfaat
dan
menambah
DAFTAR PUSTAKA ……….Annual Hand Book ASTM B577. Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminum- and MagnesiumAlloy Products1. ……….Annual Hand Book ASTM E 23 – 02, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials1, ……….Annual Hand Book ASTM E 3 – 01 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens1. ……….Annual Hand Book ASTM E 10 – 01 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials1. ……….Annual Hand Book ASTM E1251 - 11 Standard Test Method for Analysis of Aluminium and Aluminum Alloys by Spark Atomic Emission Spectrometry. Ahmadi ,N.,2002,Pengaruh Pengecoran Batang Torak Dari Aluminium Paduan Al,Cu,Ni Dengan Cetakan Pasir Dan Logam, Laporan Tugas Akhir Fakultas Teknik UMS, Juli 2002, Surakarta. Bondan T. Sofyan, 2008, Peran 1 Dan 9 Wt. % Zn Dalam Proses Pengerasan
Presipitasi
Paduan
Aluminium
AA319,
http:www.wikipedia.com/.html/Bondan T. Sofyan/2008 “Makara, Teknologi, Volume, 12, No. 1”. Diakses pada bulan april 2008/ yefrichan,2011, Jenis-Jenis Baja ( Types Of Steel ), http://www.yefrichan. wordpress.com/2011/04/16/jenis-jenis-baja/,
mechanical
Diakses pada 12 maret 2012 pada pukul 08:10 WIB
blog.
Nadca,
2006,
product
specification
standart
for
die
casting,
http://www.phbcorp.com/cms/uploads/downloads/alloy%20data3.pdf, diakses pada desember 2011 pada pukul 09.30 WIB Prayitno, A.,2007, Analisis Sifat Fisis Dan Mekanis Aluminium (Al) Paduan Daur Ulang Dengan Menggunakan Cetakan Logam Dan Cetakan Pasir, Laporan Tugas Akhir Fakultas Teknik UMS, Juli 2007, Surakarta. Surdia,T., Chijiwa,K.,2000, Teknik Pengecoran Logam, Cetakan Ke-8, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Surdia,T., Saito,S., 1995, Pengetahuan Bahan Teknik, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Vliet,V., W. Both, 1984, Tegnologi Untuk Bangunan Mesin Bahan-Bahan 1 , Erlangga, Jakarta.
