PUBLIKASI ILMIAH
STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS PADA SOLIDIFIKASIBESI COR KELABUDALAM CETAKAN PERMANEN UNTUK TAPPINGAKHIR
Publikasi Tugas Akhir ini disusun sebagai Salah Satu Syarat untuk Menyelesaikan Program Studi Strata Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun Oleh : HERI SUPRIYANTO NIM : D200040055
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta 2016
i
ii
iii
iv
STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS PADA SOLIDIFIKASI BESI COR KELABU DALAM CETAKAN PERMANEN UNTUK TAPPING AKHIR
Heri Supriyanto, Masyrukan. Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email : aslipelatge gmail.com
Abstraksi Penelitian ini mengambil salah satu bagian dari pengecoran logam yaitu masalah peleburan yang bertujuan untukmengetahui pengaruh dari peleburan besi cor kelabu pada tapping akhir dengan tanur induksi frekuensi tinggi terhadap nilai kekerasan, struktur mikro dan komposisi kimianya. Penelitian ini dilakukan terhadap spesimen uji besi cor kelabu dari cetakan permanen. Pengujian yang dilakukan adalah uji komposisi kimia dengan spektrometer, uji kekerasan dengan metode rockwell menggunakan hardness tester yang dikonversi ke metode hardness brinell, dan pengujian struktur mikro dengan menggunakan mikroskop metalografi. Dari hasil pengujian terhadap spesimen didapatkan bahwa spesimen besi cor kelabu memiliki beberapa komposisi kimia yaitu: karbon (C):3,52%, silikon (Si):1,95%, mangan (Mn):0,470%, dan banyak lagi lainya yang terkandung dalam spesimen uji. Pada uji kekerasan dilakukan pada 2 sisi, yaitu sisi bagian atas dan samping, masing-masing terdapat 5 titik pengujian. Disisi samping didapat harga kekerasan (97,24; 97,81;97,30; 98,79; 97,82). Didapat harga kekerasan rata-rata yaitu 97,79. Pada sisi atas didapat harga kekerasan (46,67; 45,90; 45,70; 46,53; 45,31) dan didapat nilai rata-rata 46,02.
v1
STUDI SIFAT FISIS DAN MEKANIS PADA SOLIDIFIKASI BESI COR KELABU DALAM CETAKAN PERMANEN UNTUK TAPPING AKHIR Heri Supriyanto, Masyrukan. Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email : aslipelatge gmail.com
ABSTRACT This research took a part of metal casting, that was a matter of melting which aimed at knowing the influene of the melting of grey cast iron in the final tapping with a high frequency induction on the values of hardness, micro structure and chemical composition. This research was conducted on the specimen of greay cast iron testing from a permantent mold. The testings conducted were a testing of chemical composition using spectrometer, a testing of hardness through the rockwell method using a hardness testinger converted into the hardness brinell method, and the testing of micro structure using a metalography microscope. From the results of the testing of specimen, it was obtained that the bahwa specimen of grey cast iron has several chemical composition, they were: carbon (C): 3.52%, silicon (Si): 1.95%, manganese (Mn): 0.,470%, etc. The hardness testing was conducted on two sides: the upper-part testing and the side part testing, each had 5 testing points. In the side part, it was obtained the hardness values (97.24; 97.81; 97.30; 98.79; 97.82). it was obtained the average hardness value as much as 97.79. In the upper-part, it was obtained the hardness value (46.67; 45.90; 45.70; 46.53; 45.31) and the average value 46.02.
2
vi
sangat jarang digunakan untuk besi
PENDAHULUAN
cor; Singkatnya, pembekuan adalah Ilmu
bahan
logam
pendorong
utama
sifat-sifat
dari
(Doru
M.
digolongkan dalam kelompok logam
proses
pengecoran.
Ferro yaitu logam yang mengandung
Stefanescu The Ohio State University,
unsur besi dan non Ferro merupakan
Columbus, Ohio, USA2005)
logam bukan besi. Proses pengolahan logam harus memperhatikan jenis
PERUMUSAN MASALAH
logam dan sifatnya terutama pada Dari latar belakang di atas
proses pembentukan dapat
Pengecoran dapat diartikan sebagai
suatu
proses
material yang
akan di uji dan
spesimen tersebut.
bagian dengan bentuk yang mendekati akhir
permasalahan
bagaimana sifat fisis dan mekanis dari
cetakan untuk menghasilkan bagian-
geometri
rumuskan
yaitusampai sejauh mana kekuatan
manufaktur
dengan menggunakan materi cair dan
bentuk
di
produk. BATASAN MASALAH
Pengecoran dapat berupa material logam cair , termoplastik , material
Berdasarkan
latar
yang terlarut air misalnya beton atau
belakang dan perumusan masalah
gips , dan material lain yang dapat
diatas, penelitian ini berkonsentrasi
menjadi cair atau pasta ketika dalam
pada:
kondisi basah seperti tanah liat yang
a.
Proses
pembekuan
akan menjadi keras saat dalam kondisi
dalam
cetakan
kering.
berbahan Studi tentang solidifikasi besi
beberapa
jawaban
b.
adanya c.
cor memungkinkan rekayasa mikro; besi
cor
permanen cor
nodular
Pembuatan spesimen besi cor kelabu.
pertanyaan tersebut. Solidifikasi besi
solidifikasi
cor
(ductile iron).
cor mengapa penting untuk dipahami, ada
besi
besi
Pengujian sifat fisis &mekanik dari spesimen yang di uji.
menentukan
hasilnya pengecoran; perlakuan panas
3
yang menggunakan baja tuang
TUJUAN PENELITIAN
sebagai material pendukungnya
Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahuipengaruhcetakan
TINJAUAN PUSTAKA
permanen pada solidifikasi besi cor kelabuuntuk tapping akhir.
Stefanescu, Doru M. B., Jul 2007, “Modeling Of
2. Mengetahui sifat fisis & mekanis
Cast Iron
besi cor kelabu dalam cetakan
Solidification” Tata McGraw Hill,
permanen pada tapping akhir.
dalam
penelitiannya
menjelaskan
bahwa pembahasan tentang pengaruh pembekuan serpihan grafit mikro dan
MANFAAT PENELITIAN 1.
sifat mekanik dari ASTM A-48 besi
PengembanganAkademis Penyusun menerapkan dipelajari
ilmu dan
pengetahuan
cor kelabu menggunakan cetakan baja
dapat yang
SKD 11, baja karbon sedang S45C
telah
dan cetakan baja hot –rolled SS400.
dapatmemberi tentang
Sifat mekanik ASTM struktural A-48
hasil
bahan
penelitian yang telah dilakukan kepada
pembaca
atau
bergantung
ahli
yang
penelitian
mikro.
relevan
parameter,
sebagai
mekanik : Konten grafit di kurangi
Pengembangan Industri
dapat
struktur
berkolerasi dengan yang di ukur sifat
pengetahuan dan teknologi.
diharapkan
pada
eutektik dan konten inklusi. Hasil
untuk memperkaya khasanah ilmu
penelitian
sangat
lamellar grafit morfologi, ukuran sel
selanjutnya sehingga bermanfaat
Hasil
kelabu
kuantitatif mengukur struktur mikro
konsumensebagaireferensi
2.
cor
Bagian metalografi diamati secara
permesinandan
pengembangan
besi
meningkatkan ini
kekuatan
tarik.
(Ganwarich Pluphrach, 2010).
memberikan
kontribusi pada dunia industri
Pembekuan paduan aluminium
terutama industri mesin, pompa,
dengan penambahan besi dan silikon
alat-alat berat dan industri lain
dipelajari gabungan
4
untuk
menyelidiki
keduanya
efek pada
pembentukan
dan
pengendapan
permukaan
tidak
menyebabkan
intermetallics, khususnya fase Fe. Besi
kerugian konsentrasi dalam sel bahan
diendapkan terutama oleh β (CuFe)
bakar oksida padat. Analisis lebih
atau
lanjut
α
(MnFe),
atau
keduanya
dilakukan
dan
tergantung dari kandungan besi dan
disajikan
silikon,
pentingnya antarmuka difusi pada
serta
Ditemukan
laju
bahwa
pendinginan. dalam
paduan
untuk
hasilnya mendukung
perilaku pada perilaku tegangan pada
memiliki hingga 0,3 persen berat Fe,
membatasi arus.
pengendapan fase β (CuFe) dapat
Sebuah model fase multi-
ditekan jika rasio limit Si / Fe = 1 dan
grain digunakan untuk mempelajari
laju
pembentukan
pendinginan
cukup
tinggi.
garis
ikatan
Mobilitas rendah dari fase β (CuFe)
bergelombang
akan membatasi jumlah fase ini,
transient’ Hal ini diteliti oleh Jabbareh
terutama ketika atom besi memiliki
M.A. dan Assadi H (2009).Simulasi
kemungkinan untuk ditangkap oleh
menunjukkan bahwa kondisi prima
fase lain, dalam hal ini, fase α (MnFe)
migrasi
.(ZHANG Wei' , YU Yan' , FANG
dicapai di bawah gradien suhu secara
Yuan', LI Jian-guo, 2011).
signifikan lebih kecil dari pada yang
Pengaruh difusi merupakan
pada
antarmuka
diprediksikan
difusi
searah
fase
dapat
oleh
model
pada kinerja sel bahan bakar oksida
analitis.Keduanya juga menunjukkan
padat diselidiki oleh Janardhanana V.
bahwa ketidakstabilan morfologi dapat
M., Deutschmannb O, (2011). Sebuah
terbentuk tidak hanya selama padat,
pendekatan
metodis
untuk
tetapi juga dalam keadaan cair.
mengevaluasi
koefisien
difusi
Klasifikasi paduan
berdasarkan metode konservasi orde
industri mesin,Kuryłoa P( 2012 ),
ikatan potensial (BOC-MP). Fluks
tujuan utama dari penelitian yang
difusi permukaan di gunakan untuk
dilakukan adalah untuk melihat sifat-
evaluasi perubahan temporal dalam
sifat teknologi dan mekanik perbedaan
pertanggungan permukaan. Analisis
antara besi cor kelabu dengan struktur
ini
grafit lamelar dan besi cor bulat
bahwa
difusi
5
diperlukan
material
permukaan berbagai jenis terserap
menunjukkan
sangat
jenis
dalam
dengan struktur grafit nodular.
dengan
melakukanheat
treatmen
1. Pengertian dan jenis besi cor
terurai menjadi matriks ferrit,
umumbesi
cor
perlite
danmartensite.
adalah besi yang mempunyai
Mempunyai sifat yang mirip
kandungan
dengan baja.
karbon
antara
Besi cor kelabu (grey cast
2,5%-4%, karena itu maka besi cor mempunyai kemampuan las
b.
seluruh
gumpalan grafit (Fe3C) akan
Pengertian besi cor Secara
tujuanya
menguraikan
LANDASAN TEORI
a.
yang
yang
rendah.
iron)
Karbon
Jenis besi tuang ini
dalambesi cor dapat berupa
sering dijumpai (sekitar 70%
sementit (Fe3C) atau biasa
besi tuang ini berwarna abu-
disebut dengan karbon bebas
abu). Mempunyai grafit yang
(Grafit).
berbentuk flake. Sifat dari
Jenis-jenis besi cor
besi
Besi cor terbagi menjadi
tuang
ini
kekuatan
tariknya tidak begitu tinggi
beberapa jenis, yaitu:
dan keuletanya rendah sekali.
Besi cor putih (white cast
Besi cor nodular
iron)
Besi cor nodular dibuat Dimana pada besi cor
dengan menambahkan sedikit
ini seluruh karbonya berupa
unsur
sementit
serium. Penambahan unsur
sehingga
magnesium
mempunyai sifat sangat keras
ini
dan getas. Mikro strukturnya
grafit
terdiri
nodular,
dari
karbida
yang
menyebabkan berwarnaputih Besi
cor
mampu
tuang
menyebabkan besi
cor
atau
bentuk menjadi
bulat
atau
speroid. Perubahan bentuk
tempa
struktur
(malleable cast iron) Besi
atau
inidiikuti
dengan
perubahan keuletan. Keuletan jenis
besi
inidibuat dari besi tuang putih
cor
persen.
6
berkisar
10-20
2. Pengertian solidifikasi besi cor
Besi cor kelabu mempunyai
kelabu
sifat mampu las yang buruk, ketahanan korosi rendah, dan Solidifikasi
besi
cor
ketahanan
kelabu ialah pemadatan besi cor kelabu,salah
satu
aus
yang
juga
rendah.Namun demikian besi cor
karakteristik
ini memiliki sifat mampu mesin
yang dimiliki oleh besi cor kelabu
yang baik dan mampu cor yang
adalah bidang patahannya.Patahan
sangat baik.
terjadi dengan rambatan yang melintasi satu serpih ke serpih
3. Pengertian struktur mikro
yang
lainnya.Karena
sebagian
besar
permukaan
patahan
fasa Fe-Fe3C adalah alat penting
grafit,
untuk memahami struktur mikro
melintasi maka
serpih-serpih
permukaannya
Diagram
berwarna
dan
kesetimbangan
sifat-sifat
kelabu.Untuk itu disebut besi cor
Karbon
larut
kelabu.
dalam
bentuk
baja di
karbon.
dalam
larutan
besi padat
(solution) hingga 0,05% berat Besi cor kelabu memiliki
pada
kandungan karbon antara 2,7
dengan
sampai 4 persen dan unsure
alphaferrite
cor kelabu ini mengandung unsur
dari
satu sampai tiga persen. Dengan
terlarut
pada
temperatur
0,05%
akan
terbentuk
endapan karbon dalam bentuk
silicon sebesar ini, besi cor akan
hard intermetallic stoichiometric
membentuk garfit dengan mudah,
compound (Fe3C) yang dikenal
sehingga fasa karbida Fe3C tidak
sebagai cementite atau carbide.
terbentuk. Grafit serpih besi cor saat
karbon
Baja
ruang. Pada kadar karbon lebih
silicon relative tinggi yaitu antara
terbentuk
atom
ruang.
hingga jumlah tersebut memiliki
mangan sekitar 0,8 persen. Besi
ini
temperatur
Selain
proses
ferrite
pembekuan.
larutan
padat
yang
alphadalam
kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat
7
fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite austenite.
dan Logam
polymorphism struktur
kristal
prosses
bersifat
kelabu yaitu struktur Kristal BCC
memiliki
dan struktur Kristal FCC dimana
berbeda
temperatur berbeda. murni,
gamma
Fe
yaitu
pada
alpha-
berubah
menjadi
Pada
temperature
temperatur
tinggi,
yang
mendekati
gamma austenite menjadi
(Alpha
dan
Ferrite
910°C.
adalah
fase
larutan padat yang memiliki
lebih
struktur BCC (body centered
o
1400 C
cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang
delta-ferrite.
Delta)
cor
a. Ferrite
akan kembali
berubah
besi
antara lain :
gamma austenite saat dipanaskan melewati
solidifikasi
keduanya terdapat perbedaan fase
Pada Fe
misalnya,
ferriteakan
Ada dua struktur dalam
Ferrite
dalam hal ini memiliki struktur
dapat
ditemukan
pada temperatur ruang,
yaitu
alpha-ferrite
pada
atau
temperatur tinggi, yaitu delta-
kristal BCC sedangkan gamma
ferrite. Secara umum fase
austenite memiliki struktur kristal
bersifat
FCC.
lunak
(ductile),
dan
(soft),
ini ulet
magnetik
(magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, Gambar 1. Diagram alir Fe-Fe3C
yaitu
fase
temperatur 4. Perbedaan antara struktur Kristal
Austenite. ruang,
Pada
kelarutan
karbon di dalam alpha-ferrite
BCC dan struktur Kristal FCC
hanyalah
sekitar
0,05%.
Berbagai jenis baja dan besi cor
8
dibuat
dengan
mengeksploitasi
sifat-sifat
eutectoid.
Pearlite
ferrite. Baja lembaran berkadar
struktur
karbon
fase
daripada ferrite, yang terutama
misalnya,
disebabkan oleh adanya fase
rendah dengan
yang
memiliki
lebih
keras
tunggal
ferrite
banyak
diproduksi
untuk
cementite atau carbide dalam
proses pembentukan
logam
bentuk lamel-lamel.
lembaran. Dewasa ini bahkan telah
dikembangkan
baja
4 Komposisi kimia
berkadar karbon ultra rendah untuk
karakteristik
bentuk
yang
Pengujian komposisi kimia
mampu
lebih
adalah
suatu
pengujian
untuk
baik.
mengetahui kandungan unsur kimia
Kenaikan kadar karbon secara
yang terdapat pada logam dari
umum akan meningkatkan sifat-
suatu benda uji.Komposisi kimia
sifat mekanik. Untuk paduan
dari logam sangat penting untuk
baja dengan fase tunggal ferrite,
menghasilkan sifat logam yang
faktor lain yang berpengaruh
baik.Optical
signifikan terhadap sifat-sifat
Spectrometer (OES) adalah alat
mekanik adalah ukuran butir.
yang mampu menganalisa unsure unsur
b. Pearlite adalah
suatu
dan
dan mudah dioperasikan. Prinsip
campuran lamellar dari ferrite
dasar dari diketahuinya kandungan
dan cementite. Konstituen ini dari
unsure dan komposisinya pada alat
dekomposisi
Austenite
melalui
eutectoid
pada
setimbang,
di mana
ini adalah apabila suatu logam
reaksi
dikenakan energ listrik atau panas
keadaan
maka kondisi atom-atomnya akan
lapisan
menjadi
ferrite dan cementite terbentuk secara
induk
campurannya dengan akurat, cepat
Pearlite
terbentuk
logam
Emission
bergantian
menjaga kesetimbangan
tidak stabil. Elektron-
elktron yang bergerak pada orbital
untuk
atomnya akan melompat ke orbital
keadaan
yang lebih tinggi. Apabila energy
komposisi
yang dikenakan dihilangkan maka
9
electron tersebut akan kembali ke
METODOLOGI PENELITIAN
orbit semula dan energi yang diterimanya
akan
1.
Diagram alir penelitian
dipancarkan
kembali dalam bentuk sinar. Sinar yang terpancar memiliki panjang gelombang tertentu sesuai dengan jenis atom unsurnya, sedangkan intensitas sinar terpancar sebanding dengan kadar konsentrasi unsure. Hal ini berarti bahwa jenis suatu unsure
dan
diketahui
kadarnya melalui
dapat panjang
Gambar 3. Diagram alir
gelombang dan intensitas sinar
penelitian
yang terpancar.
2. Penyiapan bahan a.
Geram bekas bubut
5 Kekerasan Didefinisikan
sebagai
kekuatan bahan terhadap penetrasi pada
permukaan.
diperkirakan
bahwa
Dapat terdapat
hubungan antara kekerasan dan
Gambar4. Gerambekas bubut
kekuatan bahan . Bilangan kekerasa
b.
Karbon
biasanya menurut alat uji yang digunakan
untuk
menguji
kekerasan
benda.
Brinnel
dinyatakan dalam HB, kekerasan Vickers dinyatakan dalam HV, dan kekerasan
/rockwell
dinyatakan
Gambar5. Karbon
dalam HRB untuk penetrator bola baja atau HRC untuk penetrator kerucut imtan.
10
3. Alat penelitian a.
6. Alat uji foto mikro
Tungku induksi
Gambar10. Alat uji struktur Gambar6. Tungku Induksi b.
mikro
Cetakan (mold) fcd
7. Alat uji komposisi kimia
Gambar11. Alat uji komposisi Gambar7. Cetakan FCD
kimia HASIL PENELITIAN
4. Alat uji CE meter 1.
Pengujian kekerasan cetakan FCD Jenis
kode
Kekerasan
cetakan
rata
Besi
A
96,29
Cor
B
95,10
FCD
C
95,75
D
95,49
E
96,84
Gambar8.CE meter 5. Alat uji kekerasan
Rata-
95,89
Tabel 1. Hasil Pengujian Kekerasan
Dari 5 kali pengujian diatas diambil nilai rata-rata yaitu 95,89. Maka dapat dipastikan bahwa Gambar9. Rockwell Hardness
cetakan
tester
yang
digunakan
merupakan besi cor nodular. Hal
11
2.
ini diperkuat dengan adanya foto
Belerang
S
0,035
mikro dibawah.
kromium
Cr 1
0,152
Molibden
Mo
0,000
Nikel
Ni 1
0,042
Aluminium
Al
0,019
Boron
B
0,0010
Kobalt
Co
0,000
Tembaga
Cu
0,034
Magnesium
Mg
0,000
Niobium
Nb
0,002
Gambar 12, Foto mikco cetakan
Timbel
Pb
0,0024
FCD
Timah
Sn
0,009
Titanium
Ti
0,000
Vanadium
V
0,040
Wolfram
W
0,047
Pengujian Struktur Mikro cetakan FCD
3.
Pengujian CE Meter
Tabel 2. Data pengujian komposisi kimia Gambar13 .Grafik hasil
5.
Pengujian kekerasan
pengujian CE meter 4.
Pengujian komposisi kimia Dari
pengujian
komposisi
kimia didapatkan :
Tabel 3. Hasil pengujian RHN
KODE KOMPOSISI KIMIA (%) Besi
Fe 2
93,46
Karbon
C
3,52
Silikon
Si
1,95
Mangan
Mn 1
0,470
Fosfor
P
0,023
Tabel 4. Hasil pengujian RHN
12
Grafik 1. Perbandingan HRB dan
perbesaran 500X
HRC
Gambar 15 . struktur mikro sisi
6. Pengujian struktur mikro
samping
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat di ketahuibahwa
perbesaran 100X
cetakan yang digunakan merupakan besi cor FCD, hal ini diketahui dari hasil pengujian struktur mikro yang menampakan struktur berupa nodular atau bulat.Spesimen uji benar-benar perbesaran 500X
merupakan besi cor kelabu. Hal ini dapat dibuktikan dengan data hasil
Gambar 14 . Struktur mikro sisi
pengujian
atas
Kandungan spesimen
komposisi yang yaitu
kimia.
terdapat besi(Fe)
pada
93,46%,
karbon (C) 3,52%, Silikon (Si) 1,95%, Mangan (Mn) 0,470%, dan masih banyak lagi. Harga rata-rata kekerasan yang didapat pada spesimen melalui uji kekerasan yaitu 46,02 pada bagian
perbesaran 100X
atas, 97,79 pada bagian samping.
13
kinerja sel bahan bakar oksida
DAFTAR PUSTAKA
padat Fani Adnan Setiawan, 2001, Pengaruh variasi
penambahan
nikel
terhadap kekuatan lelah besi cor kelabu. ZHANG Wei' , YU Yan' , FANG Yuan',
LI
Jian-guo,
2011.
Pembekuan paduan aluminium dengan penambahan besi dan silikon Stefanescu, Doru M. B., Jul 2007, “Modeling
Of
Solidification”
Cast Tata
Iron
McGraw
Hill, 7 West Patel Nagar, New Delhi 110 008 Jabbareh M.A. dan Assadi H (2009). Sebuah model fase multi-grain digunakan
untuk
pembentukan
mempelajari
garis
ikatan
bergelombang pada difusi fase transient’. Janardhanana Deutschmannb
V. O,
M., (2011).
Pengaruh difusi permukaan pada
14
