'?b
Prosiding PertemuanIImiah Sains Materi
PENGARUH RPM DALAM SPIN CASTING PADA JUMLAH POROSIT AS DAN SIF A T MEKANIK AL -P ADUAN1 A. Wahid1,T. Taryamaw, T. Z. Hutagalung3 ABSTRAK
'-
PENGARUH RPM DALAM SPIN CASTING PADA JUMLAH POROSITAS DAN SIFAT MEKANIL ALPADUAN. Spin casting yang selama ini hanya dikenal dalam menghasilkan asesories perempuan telah dimanfaatkan dalam penelitian ini guna meningkatkan sifat mekanik dari hasil casting dengan menggunakan material dengan kwalitas rendah. Oleh karenanya dalam penelitian ini sengaja digunakan Al-paduan tanpa fluxing dan degassing. Adanya gaya sentrifugal maka dihepotesakan akan membantu menurunkan "barier energy" dalam pengintian sekaligus menurunkan porositas dan meningkatkan tingkat kepadatan hasil casting. Sehingga akan didapat kekuatan material hasil casting yang relatif tinggi dengan makin tingginya gaya sentrifugal yang prpoposional dengan RPM. Hasil penelitian yang menggunakan rentang 500 sid 1000 RPM ini menunjukkan bahwa ukuran porositas (25 ~m ) dan butir terkecil (36 ~m) didapat dengan RPM diatas 800 dengan peningkatan kekuatan tarik mencapai sekitar 60 %. Penelitian ini sedang dimanfaatkan untuk menghasilkan Trigger Frame senjata hasil produksi P.T. PINDAD.
ABSTRACT THE INFLUENCE ON SPIN CASTING ON POROUSITY AND MECHANICAL PROPERTY OF AL -ALLOY. Spin casting technology has been recognized long time ago as one of methods to produce women aseccories. In this research, centrifugal force of the spin casting is utilized to improve mechanical properties of the as cast material. It was hypothised that the centrifugal force will reduce the nucleation "barrier energy" which will yield small size of porosities and grains. Thus the material will have a higher mechanical properties with increasing centrifugal force which is proportional to the RPM. In this research, 500 up to 1000 RPM were used and it was found that the smallest size of porosity (25 ~m) and the smallest grain size (36 ~m) wich accordanced with the RPM larger than 800 and with an increase of tensile strength of about 60 %. The results of this research is being implemented in producing trigger frame of P.T. PINDAD.
PENDAHULUAN Spin casting dengan sumbu vertikal selama ini banyak digunakan hanya untuk menghasilkan alat-alat perhiasan perempuan daD ornamen daTi material yang merniliki titik lebur rendah dan dengan cetakan yang terbuat daTi karet silicon. Padahal dalam spin casting tersebut terdapat gaya sentrifugal yang sangat mungkin untuk dimanfaatkan guna menekan energi rintangan dalam pengintian sperti yang akan dijelaskan dalam Bab Teori. Tujuan daTi penelitian ini adalah mencoba memanfaatkan gaya sentrifugal guna menghasilkan kwalitas material yang lebih baik khususnya sifak mekanik dengan komposisi atau grade ordinary material. Dengan dernikian sifat mekanik tertentu yang tadinya bisa dicapai dengan grade material yang lebih tinggi maka dengan dikembangkannya spin casting technology ini sifat mekanik tersebut dapat dicapai walaupun menggunakan grade material yang lebih rendah. Keuntungan lain daTi spin casting ini adalah bahwa harga mesin dan diesnya yang relatif lebih murah dibandingkan dengan misalnya pressure die casting machine yang harganya bisa mencapai ratusanjuta rupiah. Tentu saja beberapa keterbatasan juga menyertai teknologi ini antara lain rnisalnya tidak bisa diterapkan untuk produkproduk yang berukuran besar dan untuk sementara ini teknik ini baru dapat diterapkan
untuk material -material yang memiliki melting point yang relatif rendah. Penggunaan teknologi ini untuk material yang memiliki suhu lebur lebih tinggi dari Al-paduan sedangdikerjakan. Adapun basil teknik spin casting ini sedang diterapkan untuk menghasilkan trigger frame senjata api produksi P.T. PINDAD yang semula dihasilkan dari material wrought Al -
paduan melalui proses pemesinan.Proses ini disamping akan banyak material yang terbuang juga membutuhkan waktu yang relatif lebih lama. Sehingga dengan spin casting yang memiliki tingkat kepadatan material yang cukup baik
diharapkan akan mampu menggantikanproses produksi yang melalui pemesinan tersebut. Dalam penelitian ini pengaruh RPM telah dipelajari terhadap ukuran porositas dan ukuran butir serta sifat mekanik material Alpaduan rendah. Selama proses peleburan sengaja tidak ditambahkan Fluxing guna mengambil kotoran serta Degassing guna mengurangi jurnlah gas yang terperangkap dalam material untuk menguji hipotesa yang akan disajikan.
TEORI Sudah lazim diketahui orang bahwa pengintiandalamprosespembekuansuatulogam cair selalu dipengaruhi oleh faktor ekternal sehingga hampir semua logam teknik didunia membeku berdasarkan fenomana secara
1. Dipresentasikan padaSeminarIlmiah PPSM-1996 2. PenelitiMetalurgiBBLM -MIDC danDosenJur. Metalurgi-UNJANI 3. Alumni Jur. Metalurgi UNJANI 50
49
heterogen yang dapat dinyatakan dalam bentuk matematis sbb. (I): (OC;)* = Os Exp -( ~G*/kT)
.:.. (1).
dimana (ocJ*adalah jumlah critical size dari cluster perunit volume, Os adalah jurnlah atom diperrnukaan kontak perunit volume. Dan AG* adalah energi bebas pengintian logam pada dinding yang merupakan fungsi dari bidang kontak terrnasuk sudut kontak antara logam cair dengan logam padat (f(9». Dimana fungsi ini sebanding dengan nilai sudut (9) bahwa makin kecil sudut kontak ini maka fungsi f -nya pun menjadi semakin kecil pula. Dalam hal ini
dikatagorikan sebagai pembasahan. Artinya energi rintangan pembentukan kristal akan makin kecil dengan makin kecilnya sudut kontak tersebut.
Persamaan (1) menjelaskan bahwa makin besarharga energi bebasnyamaka makin kecil jumlah clusteryang dibutuhkanuntuk dapat berfungsi sebagai inti yang kemudian tumbuh menjadibutir. Bila disimak hubungan antara energi bebas dengantekanan dimana hubungansecara umum dapatdinyatakandalambentuksbb.(2): dG = [oG/OT]p dT +
~G/~P ]T dP ..(2)
Dengan asumsi bahwa proses terjadi pada suhu yang tetap, maka diperoleh persarnaan yang sangat sederhana mengingat faktor [ ~G/~P ]T sarna dengan volume. Sehingga perubahan energi bebas untuk voluma yang tetap hanya bergantung
pada perubahantekanan. Artinya makin besar perubahan tekanannya makin besar pula energi bebasnya yang akhimya akan memperkecil jumlah cluster yang dibutuhkan untuk pengintian suatu proses pembekuan. Disarnping itu makin tinggi tekanan yang diterapkan maka makin kecil sudut bidang kontak. Artinya akan lebih banyak inti yang akan membentuk butir sehingga secara keseluruhan butir -butir logarn akan berukuran kecil. Hall -Petch menjelaskan bahwa makin kecil ukuran butir suatu logarn maka makin tinggi kekuatan luluh logarn tersebut seperti yang ditulis dalarn rumus di bawah ini (3): O'y = O'j + k I..JD
dimana O'y adalah kekuatan luluh , 0'1 adalah kekuatan intrinsik, k adalah konstanta dan D adalah diameter butir. Dalam spin casting (centrifugal -casting) terdapat gaya sentrifugal yang tampaknya dapat dimanfaatkan guna meningkatkan tekanan seperti yang dijelaskan diatas. Adapun penambahan tekanan pada suatu elemen pada jarak dR dituliskan sbb.(4) : dP = dFc/dA = (rig) (V u)l (dR/R)
(4)
dimana P adalah tekanan, Fc gaya sentrifugal, A luas penampang,'Y massa pervolume, g konstanta garvitasi, V u kecepatan tangential yang proportional dengan RPM, daD R adalah jarak
radius. Persamaan (4) menjelaskan bahwa penambahan tekanan dapat dilakukan secara efektif dengan menaikkan RPM dari motor penggerak disamping itu tekanan akan menurun dengan makin jauhnya jarak dari titik pusat. Dengan demikian jelas bahwa penambahan RPM pada dasarnya akan menurunkan nilai jumlah kritis dari cluster untuk dapat berfungsi sebagai inti butir, sehingga untuk suatu volume tertentu jumlah intinya akan makin banyak sehingga ukuran butimya akan menjadi lebih kecil.
HIPOTESA Dengan menerapkangaya sentrifugal pada Al -paduan rendah maka akan didapat kekuatan material yang makin tinggi dengan jumlah porositasyangrelatif rendah. PERCOBAAN Untuk menguji hepotesa tersebut dilakukan percobaan dengan menvariasikan kecepatanputar (RPM) daTispin castingmachine yang dirancang dan diproduksi oleh bagian Perencanaan dan Pemesinan Balai Besar Pengembanganlndustri Logam dan Mesin (MIDC) .Dep. PERINDAG,Bandung.Mesin ini terdiri daTi motor listrik 1420 watt dengan pengaturRPM yang dapat diatur daTi 500 sId 1000RPM. Adapuntoto mesinspincastingyang sederhanaini ditunjukkan pada Lampiran 1. Cetakan dibuat daTi ductile cast iron dengan bentuk sepertiyang ditunjukkan dalam gambar teknispadaLampiran 2.
(3)
51
~
Adapun komposisimaterial sepertiyang ditunjukkan padaTabell di bawahini.
~!
1. KomposisKimia (.%) Unsur
Si Co
(%)
antara500 sid 1000RPM dimanaukuranrata-rata butir padaRPM 500 adalah52 ~ m sedanguntuk RPM 1000menghasilkan besarbutir 36 ~m. Secara keseluruhanbasil pengujian besar butir maupunporositasdisajikan dalam bentuk grafik yang merupakanfungsi dari RPM seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 daD 4.
Cr
0.73 0.10 0.01
Ni
0.17
Fe
0.50
Komposisi kimia tersebutmenunjukkan bahwajumlah kandunganunsur Si sangatkecil dimana unsur ini terkenal, dalam dunia pengecoran, meningkatkan mampu alir Al paduano
Adapunsuhupreheatingyang diterapkan pada cetakanadalahdipertahankansekitar300 °c selama percobaan. Sedang variasi kecepatan putarnyadilakukandalamrentang 500, 600, 700, 800,900, dan 1000RPM. Pengamatan visual dilakukan untuk mengindentifikasi cacat permukaan yang kemudian diikuti dengan pemotongandaerah penampungkotorandangas~ Selanjutnya kekuatan tarik diuji sekaligus mengidentifikasi dan mengukur porositasdan ukuranbutir daTispesimenuji.
BASIL DAN PEMBABASAN Tarnpak visual basil spin casting ditunjukkanpada Gambar 1. Spesimenbasil spin casting tarnpak tidak mengalami penyusutan sepertiyang biasanyaterjadi pada spesimenbasil gravity casting. lni menunjukkanbahwa produk tersebutmemiliki tingkat kepadatanyang relatif lebih baik dibandingkandenganbasil gravity die casting yang biasanya ditandai oleh adanya bagian yang kempot (unsoundproduct). Dalarn foto tersebutjuga ditunjukkan adanyaekor dari spesimen yang berfungsi untuk menarnpung kotoran maupun gas-gas yang terperangkap selarna proses pembekuanakibat adanya gaya sentrifugal. Dengan menggunakan etsa Keller Reagentukuran butir serta porositas dievaluasi dimana basil dari mikrograf untuk ukuran butir ditunjukkan pada Gambar 2. Pada garnbar tersebutterlihat denganjelas adanya perbedaan ukuran besar butir spesimenyang dihasilkan
52
Gambar 1. Foto spesimenbasil spin cast Gambar-gambar tersebutmenunjukkan bahwa makin tinggi kecepatan putaran spin casting machineternyatamemang menghasilkan ukuran butir dan porositas yang makin kecil sepertiyang diestimasikanberdasarkan teori.
Untuk 800 RPM
Untuk 500 RPM
Untuk 900 RPM
Untuk 600 RPM
Untuk 700RPM Gambar 2. Mikrograf basil spin casting (IOOx) untuk berbagaiRPM.
Untuk 1000 RPM
53
k~kuatantariknya hampir tidak ada peningkatan setelahRPM 800. Hal ini kemungkinanyang tampak lebih beralasan karena keterlibatan porositas yang lebih dominan mengingat perbedaanukuran porositas antara RPM 800 denganRPM 1000 hanya0.008 mm atau8 ~m.
Gambar 3. Hubungan Ukuran Butir YS.RPM
I
~!
Gambar 5. KekuatanTarik vs. RPM
Ii
i
QCeA
tAN PUTAR (RI'MI
Gambar 4. Hubungan Porositas vs. RPM
Kedua gambar tersebut menunjukkan kemungkinan adanya peningkatan kekuatan mengingat besar butir maupun porositas yang makin mengecil dengan meningkatnya RPM, sepertiyang dijelaskanoleh teori Hall-Petch. Dalam kenyataannyaternyata memang kekuatanmeningkatdenganmeningkatnyaRPM sepertiyang disajikan pada Gambar 5. Gambar tersebutmenunjukkanbahwakekuatanmeningkat sampaidenganRPM mencapai800 RPM sedang kenaikan kekuatan dari 800 sid 1000 RPM hampir tidak berarti. Hasil ini mengisyaratkan bahwa kekuatan maksimumdicapai pada RPM 800. Bila Gambar 3 dan teori Hall-Petch dikaji ulang maka tampaknya terdapat sedikit ketidak konsistenan antara besar butir dengan kekuatan tarik mengingat besar butir terus mengecil dengan makin tingginya RPM sementara
,,4
Pada garnbar tersebut di atas ternyata kekuatan tarik material pada RPM 1000 dapat menghasilkan sekitar 60 % lebih kuat dari kekuatan tarik material basil RPM 500. Hasil -basil pengujian tersebut menunjukkan secara konsisten bahwa penarnbahan tekanan pada cairan logarn dapat menurunkan barrier energy baik melalui makin kecilnya sudut kontak e ataupun makin tingginya
energi bebas thermodinamik sehingga jumlah kritis cluster dapat diturunkan. Akibatnya jumlah inti butir akan makin banyak dalarn suatu volume tertentu sehingga menghasilkan ukuran butir yang makin kecil dengan makin tingginya tekanan, yang dalarn hal spin casting technology, proporsional terhadap tingginya RPM seperti yang dijelaskan pada Bab Teori. Keuntungan penggunaanmesin ini cukup banyak seperti misalnya konstruksi mesinnya cukup sederhana, lihat Larnpiran 3, sedang hasilnya memiliki kwalitas yang hampir menyarnai pressure die casting yang mesin clan diesnya berharga ratusan kali lipat dari harga mesin clandies spin casting. Adapun keunggulan proses ini ditinjau dari sisi metallurgis yaitu bahwa dengan menggunakanmatterial dengan grade yang rendah dapat dicapai sifat mekanik yang lebih tinggi dibandingkan hila material yang sarna diproses dengan menggunakan gravity casting baik dengan
permanent mould apalagi dengan menggunakan sand mould. Hal ini karena dengan spin casting akan didapat ukuran butir yang lebih kecil sehingga berdasarkan Hall-Petch .akan didapat kekuatan yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan oleh basil penelitian ini. Keterbatasan selalu menyertai suatu teknologi termasuk teknologi spin casting ini yaitu bahwa tampaknya untuk ukuran produk yang relatif besar akan sulit diproduksi. Disamping itu untuk sementara ini keterbatasan material cetakan juga akan meIIibatasi tingkat grade material terutama menyangkut suhu lebur cetakannya. Sehingga untuk sementara ini baru diterapkan pada Al-paduan yang memiliki suhu lebur sekitar 600 DC. Hasil penelitian ini sedang diterapkan untuk menghasilkan trigger frame senjata buatan P.T. PINDAD yang semula menggunakan wrought Al -alloy melalui proses pemesinan. Cara pemesinan ini dianggap kurang effisien karena banyak material yang terbuang daD memakan waktu yang tidak sedikit. Diyakini banyak lagi produk-produk keteknikan yang dapat diproduksi dengan teknologi spin casting ini selama ukuran produknya tidak terlalu besar. Di MIDC sendiri sedang dilakukan juga penelitian spin casting ini dengan menggunakan material AI-bronze sebagai pengembangan dari penelitian-penelitain sebelumnya. Selanjutnya akan pula dikembangkan pemakain Ceramic Dies yang memiliki Thermal Shock daD Dimensional Stability yang tinggi sehingga produknya diharapkan mampu menandingi produk basil investment casting.
KESIMPULAN DAN SARAN Pengaruh RPM dalam spin casting telah diteliti dimana makin tinggi putaran RPM-nya makin kecil ukuran butir daD porositasnya sehingga menghasilkan produk dengan kekuatan tarik yang makin tinggi pula seperti yang telah diestimasi berdasarkanleon. Perlu dilakukan penelitian lanjutan yaitu pengaruh dari preheating temperature pada dies terhadap sifat-sifat mekanik pada RPM yang tertentu. Mengingat kesederhanaan proses Spin casting ini sementara terdapat keunggulan teknologi manufaktur maka perlu dilakukan penyebaran teknologi ini kepada industri pengecoran berskala kecil clan menengah guna
menghasilkan produk dengan kekuatan yang relatif lebih tinggi sementara material yang digunakanadalahberkadarrelatif rendah. DAFTARPUSTAKA I. MERTON C. FLEMMINGS, "Solidification Processing", McGraw-Hili, 1974. pp: 290-
300. 2. L. COUDURIER et aI, "Fundamentals
of
Metallurgical Processes" 2nd. Ed. Pergamon Press, 1985, pp : 1 -9. 3. AUSTIN H. .CHURCH, " Blower and Centrifugal Pump", R.E. Kreiger Publ. Co. Inc. 1944. 4. J. A. GONICBERG & M. L. RITCH, " Principles of Centrifugal Rubber Mold Casting", The Oster Group Co. 1980. 5. OWEN F. DEVEREUX, " Topics
in
Metallurgical Thermodynamics", John Wiley & Sons Inc. 1983. 6. BRALLA J.G. "Hand Book of Product Design for Manufacturing", McGraw-Hili, Alpha Metals Inc. New Jersey, 1986. 7. MARC VAN LANCKER, "Metallurgy of Aluminium Alloys", John Wiley & Sons Inc. New York, 1967. 8. Tumbur Z. Hutagalung, Skripsi S -I Jur Metallurgi -Univ. Jen. A. Yani., Juli 1996
DlSKUSI Aslina Dr. Ginting : Coba dan mohon dijelaskan : Dengan naiknya rpm maka diameter butir semakin kecil, begitu juga denganporositas. Dengan apakah Bapak amati diameter butir. Apakah menggunakan mikroskop optik atau mikroskop elektron (SEMrrEM)? Bagaimana penentuan besar butir. Apakah menggunakanmetodaASTM ahlu Metoda Hyen ataumetodayang lain? Abdul Wahid : *) rpmt -+ NasanuddinSalam: Mengapa pada putaran 800 rpm memberikan
sifat
mekanis yang maksimum ?
Abdul Wahid : Pada putaran 800 rpm -1000 rpm diameter butiran hampir sarna, sedangkan pada putaran 500 rpm diameter butiran jauh 1ebih meningkat (:!: 60
%).
55
LA \-~PlRAN 1
",1mJ"\f
56
3.2
It
M(~I!'
S"frtril1 ~(Ii 11.<'I1\(1I\I<(\t6$.
LAMPmAN%.
-... ~
~ ~.':!
Iii
III .~
I
I
I..
:. ~
"
i
~
-..:
... -=
~
57
