Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pengaruh Variasi Laju Solidifikasi terhadap Struktur Mikro, Sifat Mekanis dan Akustik Perunggu *
I Ketut Gede Sugita1, Ketut Astawa1, I G N Priambadi1 1
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana e-mail :
[email protected]
Abstrak Perunggu khusunya perunggu timah putih banyak digunakan sebagai bahan instrumen musik tradisional seperti gamelan, lonceng maupun gong. Proses pengecoran berpengaruh terhadap sifat mekanik maupun akustik hasil coran. Penelitian ini dirancang untuk mengetahui pengaruh laju pembekuan proses pengecoran terhadap struktur mikro, sifat mekanis dan akustik paduan perunggu 20% wt. Sn. Perunggu yang merupakan paduan tembaga dan timah putih murni komersial dilebur pada dapur peleburan hingga mencapai temperatur 1000 oC. Logam yang telah mencair dituang ke dalam cetakan yang memiliki variasi temperatur 200 oC, 300 oC and 400 oC. Grafik laju pembekuan direkap dengan mengunakan termokopel tipe K yang dilengkapi dengan data aqusisi. Material coran dipotong-potong dan dimachining untuk pengujian kekerasan dan damping capacity. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan temperatur cetakan yang rendah mempercepat pembekuan yang terjadi. Variasi laju solidifikasi berpengaruh pada morphologi mikrostruktur. Ukuran dendrite arm spacing (DAS), menurun dengan meningkatnya laju solidifikasi, yang mengakibatkan kekuatan impact menurun namun kekerasan material meningkat. Damping capacity material semakin rendah terjadi pada material yang semakin keras. Kata kunci : tin bronze, dendrite, DAS, laju pembekuan I. Pendahuluan Perunggu merupakan material yang memiliki sifat mekanik dan akustik yang baik sehingga material ini banyak digunakan sebagai bahan instrumen musik seperti bel maupun gamelan. Biasanya perunggu yang digunakan sebagai bahan gamelan adalah perunggu timah putih (tin bronze). Proses pembuatan gamelan menggunakan metode yang masih tradisional ynag bertmpu pada proses pengecoran. Proses pembekuan menjadi pertimbangan yang sangat penting dalam mempengaruhi sifat mekanik perunggu. Variasi laju pembekuan (solidification) sangat berpengaruh pada perubahan struktur mikro berpengaruh langsung terhadap sifat mekanik hasil coran. Penelitian tentang pembekuan perunggu belum banyak yang melakukan. Beberapa penelitian pembekuan yang telah dilakukan adalah: pembekuan paduan perunggu Cu8%Sn [1], pembekuan pada cetakan permanen [2], paduan peritectic Cu-Sn [3] dan evolusi
struktur pada paduan Cu-Sn [4][5]. Laju pembekuan (solidification rate) berpengaruh pada bentuk stuktur mikro seperti grain size dan dendrite arm spacing (DAS). Variasi bentuk struktur mikro berpengaruh langsung terhadap sifat mekanis hasil coran. [6] Penelitian tentang variasi laju solidifikasi terhadap sifat akustik material sangat terbatas keberadaannya. Penelitian solidifikasi material perunggu sebagai instrumen musik, keberadaannya sangat terbatas. Cacat coran yang terjadi pada material berkontribiusi terhadap meningkatnya damping capacity material tersebut. Damping capacity yang tinggi dihindari pada material yang diperuntukkan sebagai bahan istrumen musik khususnya gamelan. Penelitian ini menitik beratkan pada variasi laju solidifikasi terhadap struktur mikro dan cacat coran terhadap akutik hasil coran. II. Metodologi
Material 13
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Penelitian ini menggunakan paduan perunggu timah putih timah putih 20% wt. Sn. Komposisi kimia paduan ditunjukkan pada Tabel 1. Paduan murni (pure commercial) dilebur pada dapur peleburan hingga temperatur 1000 oC. Logam cair dituang pada cetakan logam dengan ukuran 250 x 55 x 15 mm yang mendapat pemanasan awal (preheat) pada temperatur 200 oC, 300 oC, 400 oC. Bilet hasil coran dimachining untuk spesimen kekerasan dan damping capacity dan struktur mikro. Pengujian damping capacity menggunakan metode getaran bebas batang. Perhitungan damping capacity menggunakan metode logarithmic decrement. Tabel 1. Komposisi kimia paduan Unsur Komposisi kimia wt% Cu 79,18 Sn 19,1 Pb 1,18 Zn 0,505 Mn 0,0008 S 0,014 As 0,015 III Data 3.1 Karateristik Pembekuan Gambar 1 menunjukkan karateristik pembekuaan paduan Cu-20 % wt. Sn pada variasi temperatur cetakan. Temperatur awal cetakan bervariasi pada setiap proses pengecoran yaitu temperatur 200 oC, 300 oC, 400 oC. Variasi temperatur cetakan mempengaruhi kurva laju pembekuan. Laju pembekuan pengecoran pada penggunaan cetakan bertemperatur 200 oC yaitu 13.112 o C/dt, paling tinggi dibandingkan dengan penggunaan temperatur cetakan 300 oC yaitu 10.206 oC/dt dan 400 oC yaitu 7.722 oC/dt. Makin tinggi laju pembekuan, waktu yang diperlukan dalam pembekuan secara komplit makin singkat dibandingkan dengan laju pembekuan yang lebih rendah.
Gambar 1 Karateristik pembekuan paduan perunggu 3.2 Struktur Mikro Gambar 2 a-c menunjukkan bentuk struktur mikro paduan perunggu 20% wt. Sn akibat variasi laju solidifikasi dalam pembesaran 200x. Bentuk struktur dendrite berbeda untuk laju pendinginan yang berbeda. Bentuk unjung dendrite relatif runcing terjadi pada laju solidifikasi 13.112oC/dt (Gambar 2a), kemudian ujung dendrite semakin bulat dan semakin membesar seiring dengan menurunnya laju solidifikasi (Gambar 2b-c). Tidak ada perubahan fase yang terjadi akibat perbedaan laju pembekuan. Hubungan ukuran secondary dendrite arm spacing (SDAS) dan laju solidifikasi ditunjukkan pada Gambar 3. Ukuran SDAS semakin menurun seiiring dengan meningkatnya laju solidifikasi.
Material 13
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 4. Pengaruh solidfikasi terhadap kekerasan Vickers. . Kekerasan rata-rata paduan adalah: 192,25 VHN, 193,75 VHN, dan 202,71 VHN secara berurutan untuk variasi temperatur tuang 7.722, 10.206 dan 13.112 oC/dt 3.4 Damping capacity
Gambar 2 Struktur mikro pada variasi laju solidifikasi, a). 13.112 oC/dt, b).10.206 o C/dt.dan c).7.722 oC/dt.
Gambar 3 Pengaruh laju solidifikasi dengan SDAS 3.3
Gambar 5 Time domain respons paduan
Sifat Mekanis
Gambar 4 menunjukkan pengaruh laju solidifikasi terhadap kekerasan Vickers hasil coran. Kecendrungan nilai rata-rata kekerasan menngkat seiiring dengan meningkatnya laju solidifikasi
Gambar 5 menunjukkan time domain respons bilah perunggu ketika bilah tersebut digetarkan. Gambar tersebut menunjukkan besaran damping capacity masing-masing paduan dan perlakuannya. Damping capacity merupakan ukuran kemampuan paduan untuk melepaskan energi selama benda tersebut bergetar.
Material 13
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 6 Hubungan laju solidifikasi dengan damping capacity Damping capacity rendah berarti kemampuan paduan tersebut melepaskan energi mekanis/getaran rendah yang ditandai oleh material tersebut lebih lama bergetar dibandingkan dengan material yang memiliki damping capacity yang lebih tinggi. Perhitungan damping capacity menggunakan metode logarithmic decrement. Hasil perhitungan damping capacity diplot dalam grafik pada Gambar 6. Laju solidifikasi berpengaruh pada damping capacity paduan perunggu. Damping capacity memiliki kecenderungan menurun seiring dengan meningkatnya laju solidifikasi. IV Pembahasan Laju solidifikasi dipengaruhi oleh variasi gradien temperatur antara logam cair dengan temperatur cetakan. Semakin besar selisih temperatur antara logam cair dengan temperatur cetakan, maka laju solidifikasi akan meningkat dengan menurunkan waktu solidifikasi. Perbedaan laju solidifikasi berpengaruh pada bentuk struktur mikro yang dihasilkan. Bentuk DAS yang dihasilkan bertambah besar diakibatkan oleh laju solidifikasi yang semakin rendah. Ukuran SDAS memiliki kecendrungan menurun seiring dengan meningkatnya laju pembekuan yang disebabkan karena sedikit waktu yang tersedia untuk difusi partikel inti [7][8]. Selama proses pembekuan temperatur cetakan meningkat akibat transfer panas dari logam cair ke cetakan. Cetakan menyerap panas yang dilepas oleh logam cair kemudian melepaskan ke sekeliling. Peningkatan panas pada cetakan menurunkan gradien temperatur logam cair dengan interface sehingga laju pembekuan terhambat dan waktu yang
tersedia untuk pembekuan secara komplit semakin lama. Penelitian laju solidifikasi pada material bukan perunggu juga diamati bahwa variasi bentuk struktur dendrite dipengaruhi oleh variasi kecepatan solidifikasi dari dinding cetakan hingga ke dalam cetakan.[9][10]. Kecepatan solidifikasi juga berpengaruh pada radius ujung dendrite yang terbentuk. Makin tinggi laju pendinginan (cooling rate), struktur mikro yang terbentuk semakin halus dan radius ujung dendrite akan semakin runcing [11]. Kekerasan paduan perunggu cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya laju pembekuan (Gambar 4). Laju pembekuan yang tinggi menghasilkan struktur yang lebih halus. Butiran halus ini akan membentuk banyak batas butir yang mampu menghambat gerakan dislokasi sehingga meningkatkan kekuatan paduan [7]. Butiran yang halus memberi sifat yang baik pada sifat akustik material dimana struktur yang halus memperkecil adanya porositas. Porositas pada material berdampak pada damping capacity yang material. Semakin banyak porositas damping capacity material akan semakin meningkat [12]. Material yang memiliki damping capacity yang tinggi dihindari untuk digunakan sebagai bahan instrumen musik seperti perunggu. VI Kesimpulan Laju pembekuan pada proses pengecoran berpengaruh pada srutur mikro. Struktur mikro yang lebih halus dan SDAS yang semakin kecil berpengaruh terhadap peningkatan sifat mekanik yaitu kekerasan material meningkat. Peningkatan kekerasan material berpengaruh pada penurunan damping capacity perunggu. Material dengan damping capacity material yang kecil sangat baik digunakan untuk material instrumen musik (gamelan) Ucapan Terimakasih Ucapan terimakasih yang sangat dalam penulis sampaikan kepada DIKTI melalui LPPM Universitas Udayana yang telah membiayai penelitian ini. Ucapan terimakasih juga penulis sampaikan kepada segenap pihak yang membantu kelancaran penelitian ini
Material 13
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Referensi [1] Lee, S.L. and Tzong, R., Y., Latent Heat Method for Solidification Process of a Binary Alloy System, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 38, No. 7, pp. 12371247, [2] Martorano, M.,A. and Capocchi, J., D.,T., Heat Transfer Coefficient at the MetalMould Interface in the Unidirectional Solidification of Cu-8%Sn Alloys, Journal of Heat and Mass Transfer vol. 43 pp.2541-2552, 2000. [3] Halvaee, A. and Talebi, A., Effect of Process Variables on Microstructure and Segregation in Centrifugal Casting of C92200 Alloy, Journal of Materials Processing Technology 118, pp 123–127, 2001. [4] Kohler, F., Germond L, Wagniere J-D., Rappaz M., 2008, Peritectic Solidification of Cu–Sn Alloys: Microstructural Competition at Low Speed, Acta Materialia 57 pp 56–68. [5] Zhao, Y., Bian, X., Qin, J, Qin, X., Hou, X., Structural Evolution in the Solidification Process of Cu–Sn Alloys Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 353, pp 4845–4848, 2007.
[6] Hemanth, J, Effect of Cooling Rate on Dendrite Arm Spacing (DAS), Eutectic Cell Count (ECC) and Ultimate Tensile Strength (UTS) of Austempered Chilled Ductile iron, Materials and Design 21 pp 1-8,2000. [7] Askeland, D.R., 1984, The Science and Engineering of Materials, University of Misouri-Rolla, California, USA. [8] Campbell, J., 2000, The Concept of Net Shape for Casting, Material Design, 21, pp. 373 380 [9] Halvaee, A.dan Talebi, A., 2001, Effect of Process Variables on Microstructure and Segregation in Centrifugal Casting of C92200 Alloy, Journal of Materials Processing Technology 118, pp 123–127. [10] I KetutGedesugitar Soekrisnor l Made Miasa,Suyitno,The Effect of Solidification Rate on Morphology Microstructures and Mechanical Properties of 80%Cu-20%Sn Bronze Alloys, Material Science Research India, Vol 07 No 01, 2010. [11] Stefanescu, D.M.and Ruxanda, R., 2004, Fundamentals of Solidification, Metallography and Microstructures, ASM Handbook Vol 9, pp. 71–92. De Silva, C. W., 1999, Vibration Fundamental and Practice, Boca Raton London, CRC Press.
Material 13
