Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pemetaan Potensi Limbah Aluminium untuk Bahan Baku Jendela Kapal Norman Iskandar1,a *, Abitama Mukti Raharjo1,b , Fahmi Fasya 1,c Rusnaldy 1,d 1
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia
a
[email protected],
[email protected],
[email protected], d
[email protected]
Abstrak Aluminium banyak digunakan sebagai bahan baku pada industri pembuatan komponen kapal seperti jendela kapal serta komponen otomotif di IKM Kabupaten Tegal. Pembuatan jendela kapal hanya menggunakan dua jenis limbah aluminium sebagai bahan baku yaitu velg mobil dan blok mesin. Hal ini dilakukan secara turun temurun tanpa adanya data pendukung secara ilmiah. Kondisi ini mengakibatkan kebutuhan limbah aluminium khususnya berupa limbah velg dan blok mesin meningkat padahal suplai sangat terbatas. Proses produksi kadangkala berhenti disebabkan karena tidak adanya kedua jenis bahan baku tersebut atau karena permasalahan harga bahan baku yang tidak ekonomis. IKM di Kabupaten Tegal juga tidak berani beralih ke limbah aluminium yang lain meskipun limbah tersebut cukup tersedia karena khawatir kualitas produk tidak tercapai. Penelitian ini bertujuan untuk memetakan potensi secara kuantitas serta kualitas ketersediaan berbagai macam limbah aluminium, sifat dan jenis aluminium, serta potensi secara keekonomian limbah aluminium yang ada untuk bisa menjadi material subtitusi bahan baku jendela kapal. Diharapkan nantinya akan ada limbah aluminium lain selain velg dan blok mesin yang memenuhi standar sifat material bahan baku, jumlah ketersediaan yang cukup, serta harga yang bersaing untuk bahan baku jendela kapal yang bisa digunakan sebagai alternatif oleh IKM di kabupaten Tegal. Metode penelitian yang digunakan adalah dengan proses remelting dan recasting limbah aluminium. Komposisi campuran limbah yang digunakan dalam penelitian ini masing-masing 50%. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian komposisi dan karakter sifat material jendela kapal IKM kabupaten Tegal serta empat kelompok terbesar limbah aluminium yang tersedia di lapangan. Pengujian yang sama juga dilakukan pada campuran dua jenis limbah dengan komposisi masing-masing 50% dari setiap limbah. Dari hasil survei ketersediaan dilapangan didapatkan empat kelompok besar limbah aluminium yaitu dari limbah kaleng makanan dan minuman, limbah aluminium rumah tangga, velg mobil dan blok mesin. Dari hasil pengujian material jendela kapal dari IKM Tegal didapatkan data termasuk jenis Al 213.0, densitas (gr/cm3) 2,64, kekerasan Rockwell (HRB) 48,8. Hasil pengujian untuk campuran masing-masing 50% limbah aluminium diperoleh data untuk limbah kaleng-velg termasuk jenis Al 850.0, nilai melt loss 11%, porositas 4,95%, densitas (gr/cm3) 2,71, kekerasan Rockwell (HRB) 58. Limbah kaleng-blok mesin termasuk jenis Al 213.0, nilai melt loss 11%, porositas 12,96%, densitas (gr/cm3) 2,55, kekerasan Rockwell (HRB) 46,3. Limbah rumah tanggavelg termasuk jenis Al 355.0, nilai melt loss 11,5%, porositas 1,58%, densitas (gr/cm3) 2,67, kekerasan Rockwell (HRB) 76,3. Limbah rumah tangga-blok mesin termasuk jenis Al 213.0, nilai melt loss 13%, porositas 10,92%, densitas (gr/cm3) 2,61, kekerasan Rockwell (HRB) 59 . Dari hasil pengujian dan dari data keekonomian maka material yang diperoleh dari campuran masing-masing 50% antara limbah kaleng dan blok mesin bisa digunakan sebagai alternatif bahan baku jendela kapal di IKM Kabupaten Tegal. Kata kunci: Aluminium, daur ulang, jendela kapal, IKM, remelting, recasting, melt loss, porositas.
Material 29
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Latar belakang Aluminium digunakan dalam berbagai bidang, bukan saja untuk peralatan rumah tangga tapi juga dipakai untuk keperluan material pesawat terbang, mobil, kapal laut, konstruksi dsb [1]. Daur ulang aluminium sangatlah menguntungkan karena proses ini dapat dilakukan secara berulang tanpa kehilangan sifat-sifat pada aluminium [2]. Selain itu proses daur ulang memerlukan energi yang jauh lebih kecil dibandingkan jika mengekstrak logam ini dari bijih aluminium. Jendela kapal adalah produk unggulan IKM di Kabupaten Tegal dari bahan baku limbah aluminium. Ada dua jenis limbah aluminium yang digunakan sebagai bahan baku yaitu limbah velg mobil dan blok mesin. Penentuan jenis limbah sebagai bahan baku hanya berdasarkan kebiasaan secara turun temurun tanpa adanya data pendukung secara ilmiah. Kondisi ini mengakibatkan kebutuhan limbah jenis velg mobil dan blok mesin sangat tinggi. Hal ini berakibat proses produksi kadangkala berhenti disebabkan karena tidak adanya kedua jenis bahan baku tersebut atau karena permasalahan harga bahan baku yang tidak ekonomis. IKM di Kabupaten Tegal belum berani beralih ke limbah aluminium yang lain meskipun limbah tersebut cukup tersedia karena khawatir kualitas produk terganggu. Penelitian ini bertujuan untuk memetakan potensi secara kuantitas serta kualitas ketersediaan berbagai macam limbah aluminium, sifat dan jenis aluminium, serta potensi secara keekonomian limbah aluminium yang ada untuk bisa menjadi material subtitusi bahan baku jendela kapal. Subtitusi yang dimaksud adalah bisa memberikan rekomendasi limbah aluminium lain yang bisa menggantikan velg mobil dan atau blok mesin. Standar yang digunakan sebagai pembanding adalah kualitas dari paduan limbah blok mesin dan velg mobil. Diharapkan nantinya tidak ada lagi permintaan pasar yang tidak bisa terlayani dikarenakan permasalahan bahan baku yang minim atau harga bahan baku yang terlalu mahal.
Metodologi penelitian yang digunakan menggunakan metode eksperimen. Tahapan metode penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut : Survei lapangan untuk memetakan potensi limbah aluminiu yang ada di masyarakat untuk dikelompokkan berdasarkan jumlah ketersediaan di lapangan dan harga. Dari data ini selanjutnya akan di lakukan proses eksperimen dan pengujian untuk menentukan jenis aluminium dari kelompok limbah lauminium yang telah dibuat. Dalam proses eksperimen menggunakan proses pengecoran yaitu sand casting. Pengujian yang dilakukan meliputi uji komposisi bahan, uji densitas, perhitungan porositas, uji kekerasan. Setelah proses identifikasi limbah yang dipetakan selesai, dilanjutkan dengan mengidentifikasi hasil paduan limbah aluminium dari velg mobil dan blok mesin yang dicor dengan komposisi masing-masing 50% sebagaimana yang dilakukan di IKM Kabupaten Tegal. Setelah dicor material dibuat spesimen uji. Selanjutnya dilakukan uji komposisi bahan, uji densitas, perhitungan porositas, uji kekerasan. Tahap berikutnya adalah membuat kombinasi campuran dari limbah yang sudah dipetakan dengan komposisi masing-masing 50% untuk dicor. Material hasil pengecoran ini sama seperti proses sebelumnya dibuat menjadi spesimen uji untuk kemudian diuji komposisi bahan, uji densitas, perhitungan porositas, uji kekerasan. Pembuatan spesimen Pada proses pengecoran limbah aluminium untuk pembuatan spesimen, ditentukan masing-masing limbah ditimbang seberat 1kg dan dibuat spesimen coran sebanyak 3 buah. Adapun bentuk spesimen coran seperti pada Gambar 1 dan Gambar 2.
Gambar 1. Desain spesimen (cm).
Metodologi Penelitian Material 29
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Porosity 1 m x100% th dimana: m : densitas aktual (gram/cm3) th : densitas teoritis (gram/cm3)
Gambar 2. Spesimen. Pemeriksaan dan pengujian spesimen Spesimen hasil pengecoran diteliti secara fisik untuk kemudian dilakukan proses pengujian. Uji komposisi bahan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar atau seberapa banyak kandungan yang terdapat pada suatu logam, baik logam ferro maupun logam non ferro. Alat yang digunakan adalah spektrometer model shimadzu Uji densitas dilakukan dengan menggunakan bantuan alat density meter. Adapun pengukuran densitas yang materialnya berbentuk padatan digunakan metode Archimedes. Untuk menghitung nilai densitas aktual dan teoritis digunakan Persamaan 1 dan 2 [3]. Densitas aktual:
m
ms H 2O (ms mg )
Densitas teoritis: th Al .VAl FA .VFA
(1)
(2)
dimana: : densitas aktual (gram/cm3) m : massa sampel kering (gram) ms : massa sampel yang digantung di mg dalam air (gram) H 2O : massa jenis air = 1 gram/cm3 th Al
FA VAl VFA
: densitas teoritis (gram/cm3) : densitas Al (gram/cm3) : densitas paduan (gram/cm3) : fraksi massa Al (gram) : fraksi massa paduan (gram)
(3)
Pengujian kekerasan pada penelitian ini dilakukan dengan salah satu metode kekerasan lekukan (Identation hardness) yaitu uji kekerasan Rockwell [4]. Alat uji kekerasan yang digunakan adalah rockwell hardness tester model HR-150A dengan menggunakan skala B (HRB). Dengan pembebanan 100 kgf dan menggunakan pendentor 1/16” bola. Penitikan dilakukan sebanyak tiga kali pada masing-masing bagian. Untuk Konversi nilai Hardness ke Ultimate Tensile Strength diperlukan melakukan konversi terlebih dahulu nilai kekerasan yang tidak dalam satuan vickers ke dalam satuan vickers (HV) dengan menggunakan tabel konversi di ASTM E140. Kemudian dari nilai kekerasan dalam satuan vickers tersebut didapat nilai UTS dengan menggunakan Persamaan 4 [5].
y 2.8515x 59.187
(4)
dimana: y : Ultimate Tensile Strength (Approximately) x : Hardness Vickers (HV) Hasil dan Pembahasan Dari hasil survei lapangan di dapatkan data empat kelompok besar limbah aluminium yang biasa dijumpai di beberapa titik lokasi pengepul limbah besar. Keempat jenis tersebut adalah limbah aluminium kaleng, limbah aluminium dari rumah tangga, limbah velg dan limbah blok mesin. Keempat kategori ini yang dipilih untuk proses eksperimen. Setelah melewati proses peleburan, pemeriksaan spesimen serta preparasi spesimen untuk berbagai pengujian maka didapatkan data hasil uji komposisi kimia dari keempat kategori limbah tersebut seperti terlihat pada Tabel 1.
Dengan diketahuinya densitas aktual dan densitas teoritis, maka porositas material dapat ditentukan dengan Persamaan 3 [3]. Material 29
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Tabel 1. Hasil Uji Komposisi
kategori seperti terlihat pada Tabel 3 sampai dengan Tabel 7.
Composition, wt%
N o
Spesimen
1 2
Ni
Zn
Pb
S n
Al
Tabel 3. Hasil Uji Komposisi Kaleng+Velg
7.8 6
M n 1.0 7
0.5 0
3.9 3
...
...
85. 04
Spesimen
0.9 1
8.1 4
1.0 2
0.5 1
3.8 9
...
...
74. 09
K+V
1.1 0 0.6 0
7.9 4 6.2 7
1.0 2 1.0 3
0.4 9 0.2 9
4.0 3 5.7 3
0.0 1 0.1 9
85. 41 85. 88
Tabel 4. Hasil Uji Komposisi Kaleng+Blok
Si
Fe
Cu
Kaleng
0.6 9
0.9 2
Rumah Tangga
11. 44
3
Velg
...
4
Blok Mesin
...
... ...
Composition, wt% Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Ni
Sn
Ti
Al
0.7
0.7
1
0.1
0.1
1
6.25
0.2
89.95
Composition, wt%
Dari hasil uji densitas dan uji kekerasan didapatkan data sebagaimana terlihat pada Tabel 2. Dari data jenis aluminium dan data sifat fisik material hasil pengukuran masih terdapat perbedaan dengan data resmi spesifikasi jenis aluminium tersebut. Hal ini dimungkinkan akibat pengaruh proses peleburan dan proses pembuatan spesimen yang belum baik. Tabel 2. Pemetaan Jenis Aluminium No
Spesimen
1.
Kaleng Rumah Tangga Velg Blok Mesin
2. 3. 4.
Jenis Al
Porositas (%)
Densitas (gr/cm3)
Kekerasan Rockwell (HRB)
UTS (MPa)
213.0
4.90%
2,58
54
336
384.0
5.64%
2,56
55
341
213.0
3.79%
2,61
69
412
213.0
7.16%
2,72
53
332
Spesimen
K+BM
S i . . .
Fe
Cu
Mn
Ni
Zn
Pb
0.7 1
6.9 7
1.0 5
0.3 8
4.8 6
0.1 1
S n . . .
Al 85.92
Tabel 5. Komposisi Kimia Limbah RT+Velg Composition, wt% Spesimen
RT+V
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
Al
5
0.6
1.3
0.4
0.4
0.25
0.35
0.25
89.95
Tabel 6. Komposisi Kimia Limbah RT+Blok Composition, wt% Spesimen
RT+BM
S i .. .
Fe 0.6 7
Cu 6.8 2
Mn 1.0 3
Ni 0.3 6
Zn 5.1 9
Pb 0.1 3
S n .. .
Al 85.81
Tabel 7. Komposisi Kimia Jendela Kapal
Setelah pemetaan jenis aluminium dari limbah yang sudah dikategorikan, langkah selanjutnya adalah membuat campuran antara masing-masing kategori dengan komposisi masing-masing 50%. Tahapan eksperimen dan pengujian yang dilakukan sama dengan saat pengujian untuk masing-masing kategori limbah. Pada tahap ini dibuat lima kategori campuran yaitu : 1. Limbah kaleng + limbah velg (K+V). 2. Limbah kaleng + limbah blok mesin (K+RT). 3. Limbah rumah tangga + limbah velg (RT+V). 4. Limbah rumah tangga + limbah blok mesin (RT+BM). 5. Limbah velg + limbah blok mesin (jendela kapal) Dari hasil pengujian spesimen berdasarkan pencampuran diatas didapatkan data hasil uji komposisi kimia untuk masing masing
Composition, wt% Spesimen Bahan Jendela Kapal
S i . . .
Fe
Cu
Mn
Ni
Zn
Pb
0.1 8
7.2 4
1.0 3
0.3 2
4.3 9
0.1 3
S n 0. 0 1
Al 86.71
Dari hasil uji komposisi kimia diperoleh data bahwa campuran antara limbah kaleng+velg dan limbah rumah tangga+velg memiliki komposisi aluminium lebih besar dibanding ketiga campuran lainnya. Ketiga campuran yang lain memiliki kandungan Al yang hampir seragam. Dari hasil uji densitas dan kekerasan diperoleh data seperti terlihat pada Tabel 8. Dengan mempertimbangkan aspek komposisi, densitas serta tingkat kekerasan yang dimiliki, bisa disimpulkan bahwa dari pencampuran diatas bisa didapat aluminium yang dikategorikan pada jenis 850.0, aluminium jenis 213.0 dan aluminium jenis 355.0.
Material 29
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Tabel 8. Pemetaan Jenis Al Campuran N o
1 2
3
4
5
Spesimen
Kaleng Velg Kaleng Blok Mesin Rumah Tangga Velg Rumah Tangga Blok Mesin Jendela Kapal
+
Jenis Al
Porosita s (%)
Densita s (gr/cm3 )
Mel t loss (%)
Kekerasa n Rockwel l (HRB)
UTS (MPa )
850.0
4.90
2,71
11
58
356
213.0
12.96
2,55
11
46,3
310
355.0
1.58
2,67
11, 5
76,3
455
213.0
10.92
2,61
13
59
361
213.0
9.89
2,64
19
48,8
318
+
+
+
Rekomendasi ini bukan berarti menyatakan bahwa bahan baku ini telah terstandarisasi. Hasil penelitian ini hanya menyatakan bahwa material yang selama ini digunakan IKM di Kabupaten Tegal untuk pembuatan jendela kapal bisa disubtitusi. Namun untuk menyatakan apakah material ini sudah memenuhi standarisasi yang ada, masih perlu proses pegujian untuk memverifikasi lebih lanjut. Referensi
Dari Tabel 8 bisa disimpulkan bahwa untuk subtitusi bahan baku jendela kapal komponen blok mesin harus tetap digunakan sebagai bahan baku. Sedangkan untuk bahan baku velg mobil bisa disubtitusi dengan material kaleng aluminium atau limbah rumah tangga. Secara nilai ekonomi, data harga limbah velg, limbah rumah tangga dan velg dalam takaran kg, yang memiliki harga termurah adalah limbah kaleng. Namun hal ini mungkin saja berbeda disetiap daerah. Kesimpulan Dengan pertimbangan hasil uji yang dilakukan dan aspek nilai ekonomi maka rekomendasi untuk subtitusi bahan baku jendela kapal adalah limbah velg bisa diganti oleh limbah kaleng. Hal ini berlaku untuk komposisi campuran masing-masing 50%.
[1] Kaufman J.G., (2000), “Introduction to Aluminum Alloys and Tempers,” United States of America, ASM international [2] Husband. Tom, 2012, “ChemMatters: Recycling Aluminium A Way of Life or A Lifestyle?”, United Kingdom. [3] Surdia Tata, Shinroku Saito, (1995), “Pengetahuan Bahan Teknik,” Jakarta, Pradnya Paramita. [4] ASTM Handbook, E 18-05, “Standard Tes Methods Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness.” United States, ASTM International. [5] Chee F. Tan dan Mohamad R. Said, (2009), “Effect of Hardness Test on Precipitation Hardening Aluminium Alloy,” Melaka, Universiti Teknikal Malaysia.
Material 29
