Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta
PENGARUH TEMPERATUR TUANG DAN TEMPERATUR CETAKAN PADA HIGH PRESSURE DIE CASTING (HPDC) BERBENTUK PISTON PADUAN ALUMINIUMSILIKON Budi Harjanto dan Suyitno Casting and Solidification TechnologyGroup Laboratorium Teknik Bahan, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Email:
[email protected]
ABSTRAK Pengecoran logam dengan metode High Pressure Die Casting (HPDC) adalah metode pengecoran dengan cara menginjeksikan cairan logam kedalam cetakan dengan kecepatan dan tekanan tertentu menggunakan mesin HPDC. Cetakan yang digunakan berbahan dasar baja karbon. Metode pengecoran tersebut dilakukan pada pembuatan piston dengan bahan dasar Al-Si12(wt%) Penelitian ini menggunakan tekanan sebesar 40 bar. Variasi suhu tuang adalah 700ºC, 750ºC dan 800ºC sedangkan untuk suhu cetakan adalah 150ºC, 175ºC dan 200ºC. Variasi suhu tuang dan suhu cetakan akan mempengaruhi karakteristik dari benda hasil coran. Kekerasan secara umum menurun dengan meningkatnya suhu tuang dan suhu dies. Didapatkan hasil suhu tuang maksimal adalah 700ºC dan suhu cetakan 150 ºC dengan kekerasan 97.86 VHN. Kata kunci: HPDC, kekerasan, temperatur tuang, temperatur cetakan PENDAHULUAN Perkembangan industri transportasi sekarang ini sangatlah pesat. Komponen otomotif kendaraan yang memiliki karakteristik baik diperlukan untuk mendukung sebuah kendaraan. Komponen otomotif membutuhkan material yang kuat, tetapi juga harus ringan, tahan korosi dan mampu menahan beban yang besar. Salah satu dari sekian banyak komponen otomotif itu adalah piston. Saat ini masih terus dilakukan penelitian untuk mengembangkan proses manufaktur pembuatan piston pada mesin otomotif menggunakan bahan dasar Aluminium paduan. Di dalam perkembangannya, piston untuk mesin otomotif diproduksi dengan metode: gravity die casting, hot forging, squeze casting, powder forging dan thixoforging proses. Diantara sekian teknik pembuatan piston, gravity die casting yang paling dominan, hampir 90% proses pembuatan piston dilakukan dengan teknik ini (Choi dkk, 2005). Penelitian untuk memperbaiki karakteristik dari piston yang beredar dipasaran saat ini sudah banyak dilakukan. Salah satunya yang akan dilakukan oleh peneliti, yaitu membuat model piston dengan teknik High Pressure Die Casting (HPDC). Pembuatan piston menggunakan teknik ini, diharapkan bisa memperbaiki karakteristik dari piston yang ada dipasaran. Pengecoran dengan HPDC adalah salah satu metode pengecoran dengan cara menginjeksi cairan logam ke dalam cetakan dengan kecepatan dan tekanan tertentu. HPDC dibagi menjadi dua kategori yaitu HPDC Cold Chamber dan HPDC Hot Chamber. HPDC Hot chamber biasanya digunakan untuk logam dengan temperatur cair yang rendah dan logam yang tidak bereaksi membentuk paduan dengan logam die (baja) seperti timah hitam, timah putih dan zinc. HPDC Cold Chamber digunakan untuk logam dengan temperatur cair tinggi seperti aluminium dan tembaga (dan paduannya). Metode ini adalah suatu metode yang efisien dan hemat untuk memproduksi komponen yang memiliki kekasaran permukaan rendah dan memiliki ketelitian dimensional yang tinggi, mampu untuk menghasilkan kompleksitas geometri produk dan kapasitas produksi yang tinggi serta efisiensi beaya produksi yang tinggi. Namun proses ini membutuhkan investasi awal yang cukup besar yaitu pengadaan mesin injeksi, pengadaan tungku dan pembuatan cetakan. Teknik yang digunakan pada penelitian ini adalah teknik HPDC Cold Chamber. Bahan baku yang digunakan adalah paduan standar yang umum digunakan pada pembuatan komponen otomotif seperti blok silinder, piston, tuas rem, dan velg. Walaupun sudah luas penggunaannya namun paduan ini masih jarang diteliti, paduan tersebut adalah paduan Al-Si12(%wt) Penelitian ini akan mengkarakterisasi nilai kekerasan Al-Si12(%wt) terhadap temperatur tuang dan temperatur cetakan pada HPDC dalam proses pembuatan piston.
86
Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta
Tinjauan Pustaka Penelitian tentang pembuatan piston dengan metode die casting telah dilakukan oleh penelitipeneliti terdahulu, diantaranya adalah: gravity die casting oleh Doehler (1951), powder forging oleh Park dkk (2001), squeeze casting oleh Duskiardi dkk (2002), thixoforging oleh Choi dkk (2005). Park dkk (2001) menggunakan bahan 89.8%wt Al, 2%wt Si, 4.5%wt Cu, 2.0%wt Ni, 0.5%wt Mn, 0.5%wt Mg dan 1.2%wt unsur lainnya. Duskiardi dkk (2002) menggunakan bahan 12.62 wt% Si, 2.83 wt% Cu, 1.58 wt% Ni, 0.89 wt% Mg, 0.38 wt% Fe, 0.15 wt% Mn dan sisanya Al. Choi dkk (2005) menggunakan bahan 7.0 wt% Si, 0.2 wt% Cu, 0.2 wt% Ti, 0.35 wt% Mg, 1.2 wt% Fe, 0.1 wt% Mn, 0.1 wt% Zn dan sisanya Al. Doehler (1951) telah mematenkan alat untuk memproduksi piston secara masal dengan menggunakan production die casting machine. Mesin ini sampai sekarang masih dipakai dalam pembuatan piston, bahkan 90% proses pembuatan piston menggunakan teknik ini. Park dkk (2001) membuat piston dengan cara serbuk yang sudah ditekan disinter pada suhu 580 ºC selama 25 menit. Duskiardi dkk (2002) melebur bahan pada suhu 700 ºC, dituang pada cetakan yang dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 400 ºC dan dilakukan squeeze casting. Choi dkk (2005) memanaskan cetakan pada suhu 275 ºC, ditekan dengan beban sebesar 200 ton dan ditahan selama 60 detik. Choi dkk (2005) Penelitian Park dkk (2001) menghasilkan piston dengan kekerasan sebesar 77.5 HRB dan kekuatan tarik sebesar 630 MPa. Penelitian Duskiardi dkk (2002) menghasilkan piston dengan kekerasan sebesar 115 BHN. Penelitian Choi dkk (2005) menghasilkan piston dengan harga kekerasan sebesar 52 HRB. Peralatan yang digunakan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Mesin PDC 2. Dies (cetakan) 3. Dapur peleburan 4. Hardness tester 5. Termokopel 6. Pressure gage
Gambar 1. Mesin High Pressure Die Casting
Prosedur Al-Si12(%wt) dilebur pada dapur lebur, temperatur logam cair dikontrol dengan thermokopel hingga sesuai untuk penuangan. Cetakan dipanasi dengan nyala api hanya pada proses injeksi pertama hingga temperatur 200°C, selanjutnya pemanasan cetakan hingga 200°C terjadi karena panas logam cair yang diinjeksi secara kontinyu. Proses penuangan dimulai dari temperatur yaitu 800°C, 750°C, dan 700°C. Pengontrolan suhu cetakan dilakukan diantara proses injeksi untuk memastikan kondisi temperatur cetakan tepat untuk melakukan injeksi selanjutnya. Tahapan pengecoran sebagai berikut (gambar 2): (a). Cetakan tertutup, logam cair dituang ke dalam cold chamber (b). Plunger didorong dengan tekanan tertentu, sehingga logam cair akan mengisi ruang cetakan dan akan memadat (solidification) (c) Cetakan dibuka, dengan memanfaatkan dorongan dari plunger, hasil coran akan menempel di ejector pin. Jika menggunakan inti, inti diambil dari benda coran. (d). Ejector pins mendorong benda coran dan akan terlepas dari cetakan. Plunger kembali ketempat semula.
87
Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta
(a)
(b)
(c) (d) Gambar 2 Proses pressure die casting (Mc Clain, 1997)
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh temperatur tuang dan temperatur cetakan terhadap kekerasan Kekerasan terlihat menurut seiring meningkatnya temperatur penuangan. Kekerasan terendah terjadi pada temperatur tuang 800°C dan kekerasan tertinggi terjadi pada temperatur penuangan 700°C. Begitu pula untuk temperatur cetakan terlihat kekerasan cenderung semakin menurun dengan meningkatnya temperatur cetakan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini: T Tuang 700
750
800
T Dies 150 175 200 150 175 200 150 175 200
VHN 97.86 9316 87.18 95.20 86.74 81.65 88.78 82.35 77.62
Gambar 3 Data hasil penelitian
120 100 80 VHN
700 750
60
800 40 20 0 150
175
200
tem peratur cetakan
Gambar 4 Grafik kekerasan vs temperatur cetakan Hasil pengujian (gambar 3) menunjukkan bahwa kekerasan benda uji pada tekanan konstan menurun dengan semakin tingginya temperatur cetakan. Kekerasan maksimum sebesar 97.86 VHN 88
Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta
terjadi pada temperatur cetakan 150ºC dengan tekanan 40 Bar. Kenyataan ini menunjukkan bahwa perubahan temperatur die sangat signifikan pengaruhnya terhadap kekerasan produk hasil HPDC. Hal ini mungkin disebabkan pada temperatur cetakan 150ºC pembekuan terjadi dengan laju pendinginan yang lebih besar, meningkatnya laju pendinginan akibat meningkatnya laju perpindahan panas antar muka material dengan cetakan. Struktur mikro Berdasarkan jumlah kandungan Si sebesar 12% menunjukkan bahwa paduan masih berada pada kondisi aluminium silikon eutektik. Hasil pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik (gambar 5) memperlihatkan bahwa struktur hypoeutektik terdiri dari dendrit aluminium primer yang dikelilingi oleh campuran eutektik aluminium silikon.
Matrik Al-Si
Silikon primer Gambar 5 Benda uji hasil HPDC dengan tekanan 40 Bar Perubahan temperatur cetakan sangat signifikan pengaruhnya terhadap perubahan ukuran dari fasa silikon primer (gambar 6). Pada temperatur die 150ºC terlihat fasa silikon lebih kecil dibandingkan dengan fasa silikon hasil proses dengan temperatur die 175ºC dan 200ºC. Ukuran dari fasa silikon primer membesar dengan naiknya temperatur cetakan dimana ukuran fasa paling besar didapatkan pada temperatur die 200ºC.
(a)
(b)
(c) Gambar 6 Pengaruh temperatur cetakan
89
Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta
terhadap ukuran fasa silikon primer secara visual dengan mikriskop optik, (a) 150ºC, (b) 175ºC, (c)200ºC.
KESIMPULAN
1. Kekerasan benda uji pada tekanan konstan terlihat menurun dengan semakin tingginya temperatur cetakan.
2. Kekerasan benda uji pada tekanan konstan terlihat menurut seiring meningkatnya temperatur penuangan.
3. Laju pendinginan sangat signifikan pengaruhnya terhadap perbaikan struktur mikro. Secara visual, hasil struktur mikro optimal didapatkan pada penerapan temperatur tuang 700ºC dengan temperatur cetakan 150ºC.
DAFTAR PUSTAKA American Foundry’s Society, 1992, “Proceedings of 3rd International Conference of Molten Aluminum”, Orlando, Florida. ASM International, 1993, “ASM Specialty Handbook: Alumunium and Alumunium Alloys”, Ohio, Chapter: Foundry Products. Callister, W., 2001, “Fundamental of Materials Science and Engineering”, John Wiley & Son Inc., pp. 164. Campbell, J., 2000, “Casting”, Chapter: Fluid Dynamic Doehler, H., 1957, “Die Casting”, McGraw Hill Book Company, New York. Duskiardi, Tjitro, S., 2002, Pengaruh Tekanan dan Temperatur Die Proses Squeeze Casting terhadap Kekerasan dan Struktur Mikro pada Material Piston Komersial Lokal, Jurnal Teknik Mesin Vol. 4 No. 1 April 2002, Universitas Kristen Petra Surabaya, pp. 1-5. Choi, J.I., Park, H.J., Kim, J.H., Kim, S.K., 2005, “A Study on Manufacturing of Aluminium Automotive Piston by Thixoforging”, Int J Adv Manuf Technol, Springer-Verlag London Ltd, pp. 32-40. McClein, S.T., 1997, “A Study of Porosity Quantification Techniques in Aluminium Alloy Casting”, Thesis, May 1997. Park, J.O., Park, C.W., Kim, Y.H., 2001. “A Study on the Powder Forging of Aluminium Alloy Pistons”, International Journal of the Korean of Precision Engineering, Vol. 2 No. 4, pp. 69-74. Surdia, T., Saito, S., 1992, “Pengetahuan Bahan Teknik”, P.T. Pradnya Paramitha, Jakarta, pp.135.
90
