SKRIPSI KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH

SKRIPSI KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si) PADA ZONE PEMBEKUAN PENGECORAN CETAKAN PASIR

Oleh : I Made Krisna Dwipayana NIM : 1104305028

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2016

i

KEMENTERIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS UDAYANA FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN Kampus Bukit Jimbaran

Telp/Faks: 0361-703321, Email; [email protected]

LEMBAR PENGESAHAN KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si) PADA ZONE PEMBEKUAN PENGECORAN CETAKAN PASIR Skripsi Ini Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Studi Strata Satu dan Memperoleh Gelar Sarjana di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana. Oleh : Nama : I Made Krisna Dwipayana Nim : 1104305028 Bidang Studi : Rekayasa Manufaktur Telah Disetujui dan Diuji Dalam Ujian Skripsi Hari/Tanggal : Jum’at, 1 April 2016

Telah Disahkan Oleh : Pembimbing I

Pembimbing II

(Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT) NIP : 19660414 199203 1 004

(Dr.Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT) NIP. 196511031992031002

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana

(Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT) NIP : 19660414 199203 1 004

ii

KEMENTERIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS UDAYANA FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN Kampus Bukit Jimbaran

Telp/Faks: 0361-703321, Email; [email protected]

LEMBAR PERSETUJUAN

KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si) PADA ZONE PEMBEKUAN PENGECORAN CETAKAN PASIR Skripsi Ini Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Studi Strata Satu dan Memperoleh Gelar Sarjana di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana Oleh: Nama : I Made Krisna Dwipayana Nim : 1104305028 Bidang Studi : Rekayasa Manufaktur Telah Disetujui dan Diuji Dalam Ujian Skripsi Hari/Tanggal : .................................. Pembimbing I

Pembimbing II

(Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT) NIP : 19660414 199203 1 004

(Dr.Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT) NIP. 19651103199203 1 002

Penguji I

Penguji II

(Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT, Ph.D NIP. 19640917198903 1 002

(Dr. Ir. I Gst. Ngr. Nitya Santhiarsa, MT) NIP. 19680124199402 1 001

Penguji III

(I Dewa Gede Ary Subagia, ST, MT, Ph. D NIP. 19680601199412 1 001

iii

PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu Perguruan Tinggi dan sepanjang pengetahuan saya, juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Saya menyetujui hasil skripsi ini dipergunakan oleh Pembimbing I maupun Pembimbing II untuk publikasi ilmiah dengan mencantumkan nama saya dalam tulisan.

Bukit Jimbaran, ....................... Mahasiswa Materai Rp 6000,-

I Made Krisna Dwipayana NIM. 1104305028

iv

KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu-20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu-5%Si) PADA ZONE PEMBEKUAN PENGECORAN CETAKAN PASIR Oleh Dosen Pembimbing

: I Made Krisna Dwipayana : Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT Dr. Ir.I Gusti Ngurah Priambadi, MT ABSTRAKSI

Perunggu merupakan material terbaik untuk pembuatan alat musik seperti lonceng, simbal drum, gamelan, senar gitar dan beberapa alat musik tiup seperti terompet, saxophone dan clarinet. Perunggu terbuat dari paduan tembaga dan timah putih, paduan ini memiliki sifat paduan yang tahan korosi, namun alat musik yang terbuat dari perunggu timah putih cenderung mempunyai sifat mekanik yang mudah retak ataupun patah. Adanya paduan tembaga dengan silikon atau perunggu silikon (CuSi) sebagai pengganti perunggu timah putih (CuSn) untuk mendapatkan sifat mekanik yang lebih baik, merekomendasikan paduan perunggu silikon sebagai pengganti bahan pembuatan alat musik yang berbahan dasar perunggu. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik kekuatan impak masingmasing zone pembekuan pengecoran dari bahan perunggu (80%Cu-20%Sn) dan paduan tembaga silikon (95%Cu-5%Si). Material uji selanjutnya diuji mekanik pada masing-masing zone pembekuannya dengan standar uji impak ASTM E23 dan diuji struktur mikro. Zone pembekuan pengecoran terdiri dari daerah chill zone, collumnar zone dan equaixed zone. Hasil penelitian menunjukkan bahwa masing-masing zone pembekuan pengecoran memiliki karakteristik kekuatan impak dan struktur mikro yang berbeda. Nilai impak tertinggi dari dua paduan berbeda terdapat pada daerah chill zone diikuti zona collumnar zone dan terakhir equaixed zone.

Kata Kunci: Paduan Perunggu, Tembaga, Silikon, Zone Pembekuan Pengecoran, Impak, Struktur Mikro.

v

THE CHARACTERISTIC OF IMPACT STRENGHT AND MICROSTRUCTURE TIN BRONZE (80%Cu-20%Sn) AND SILLICONE BRONZE (95%Cu-5%Si) AT MOLD CASTING ZONE BY SAND CASTING METHOD Author Guidance

: I Made Krisna Dwipayana : Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT Dr. Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT

ABSTRACT Bronze is the best material for the manufacture of musical instruments such as bells, cymbals drums, gamelan, guitar strings and some wind instruments music such as trumpet, saxophone and clarinet. Bronze made of copper and tin materials, that alloy have a corrosion resistant properties but tin bronze has mechanical properties are easily cracked or broken. with the presence of silicone bronze (CuSi) substitute tin bronze a replacement for tin bronze alloy for as materials a musical instrument who made of bronze alloy. This research is done for to get impact strenght of tin bronze (80%Cu-20%Sn) and silikone bronze (95%Cu-5%Si) at each mold casting area. Materials are tested for mechanical test on each zone were detained by the test standard ASTM E23 and microstructure test. The mold casting such ass chill zone, collumnar zone, equaixed zone. The result of research test shows, mold casting area are effect for impact strenght materials and this microstructures, all of mold casting area by impact strenght test and microstructure test the result test was different. The higher impact value of two alloy materials was found at chill zone area, after that collumnar zone area and the last equaixed zone area.

Keyword: Bronze alloy, Copper, Silikone, Mold Casting Zone, Impact Strenght, Microstructure.

vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat

rahmat-Nya

penulis

dapat

menyelesaikan

skripsi

yang

berjudul

“KARAKTERISTIK KEKUATAN IMPAK DAN STRUKTUR MIKRO PERUNGGU TIMAH PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si) PADA ZONE PEMBEKUAN PENGECORAN CETAKAN PASIR’’. Dalam penyusunan skripsi ini penulis mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapakan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana., MT., Ph.D. Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Dr.Ir. I Ketut Gede Sugita, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak Dr.Ir. I Ketut Gede Sugita, MT Selaku Dosen Pembimbing I. 4. Bapak Dr.Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT Selaku Dosen Pembimbing II. 5. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana., MT., Ph.D. Selaku Dosen Pembimbing Akademik. 6. Bapak/Ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 7. Kakek, Almarhum Ayah, Ibu, Kakak dan Seluruh Keluarga yang selalu mendukung serta membantu memberikan motivasi, dorongan dan semangat dalam perkuliahan hingga penyusunan skripsi. 8. Semua rekan - rekan Jurusan Teknik Mesin yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tentu jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan pengetahuan dan refrensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya konstruktif dan membangun sangat penulis harapkan dari berbagai pihak. Bukit Jimbaran, Penulis

vii

April 2016

DAFTAR ISI Halaman COVER LEMBAR PENGESAHAN..................................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN.................................................................................... iii LEMBAR PERNYATAAN..................................................................................... iv ABSTRAKSI............................................................................................................ v ABSTRACT….......................................................................................................... vi KATA PENGANTAR.............................................................................................. vii DAFTARISI.............................................................................................................viii DAFTAR GAMBAR................................................................................................ x DAFTAR TABEL.................................................................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN............................................................................................xiii NOMENKLATUR...................................................................................................xiv BAB I PENDAHULUAN.........................................................................................1 1.1.

Latar Belakang................................................................................... 1

1.2.

Rumusan Masalah............................................................................. 3

1.3.

Tujuan Penelitian.............................................................................. 3

1.4.

Batasan Masalah............................................................................... 3

1.5.

Manfaat Penelitian............................................................................ 4

BAB II DASAR TEORI……………………………………………..................... 5 2.1.

Bahan Utama Penelitian..................................................................... 5

2.2.

Jenis-Jenis Paduan Perunggu............................................................. 7

2.3.

Pengecoran Logam.............................................................................9

2.4.

Keunggulan dan Kelemahan Pengecoran.......................................... 10

2.5.

Pengecoran Cetakan Pasir (Sand Casting)…………………………. 10

2.6.

Cacat Pengecoran............................................................................... 11

2.7.

Sifat-Sifat Mekanik Material……………………………………..... 17

2.8.

Pengujian Spesimen............................................................................18 2.8.1

Pengujian Uji Impak……………………………………...... 18

2.8.2

Pengujian Struktur Mikro………………………………...... 23

2.8.3

Uji SEM (Scaning Electron Microscopy).............................. 25

viii

2.9.

Fase Solidfication.............................................................................. 27

BAB III METODE PENELITIAN………………………………………………. 30 3.1.

Diagram Alir Penelitian................................................................................ 30 3.2.Variabel Penelitian……………………………………………............... 32 3.2.2

Variabel Bebas……………………………………………………... 32

3.2.2

Variabel Terikat……………………………………………………. 32

3.2.3

Variabel Kontrol…………………………………………………….32

3.3 Bahan Dan Alat Penelitian...................................................................... 32 3.3.1

Bahan Penelitian…………………………………………… 32

3.3.2

Alat Penelitian………………………………………………34

3.4 Pelaksanaan Penelitian ........................................................................... 43 3.4.1

Proses Pembuatan Spesimen (proses Pengecoran)……..… 43

3.4.2

Proses Pengujian Spesimen…………………………………44

3.5 Tempat Penelitian .................................................................................. 50 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................. 51 4.1 Data Hasil Penelitian...............................................................................51 4.1.1 Data Penurunan Temperatur Pada Proses Pengecoran............. 51 4.1.2 Pengujian Impact.......................................................................52 4.1.3 Hasil Uji Struktur Mikro........................................................... 64 4.2 Pembahasan............................................................................................67 4.2.1 Karakteristik Material............................................................. 67 4.2.2 Karakteristik kekuatan Impak. ............................................... 67 BAB V PENUTUP................................................................................................... 69 5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 69 5.2 Saran...................................................................................................... 70 DAFTAR PUSTAKA LEMBAR ASISTENSI LAMPIRAN

ix

Daftar Gambar

Halaman Gambar 2.1 Diagram Fase Paduan CuSn…………………………………... ……... 8 Gambar 2.2 Diagram Fase Paduan CuSi…………………………………………... 9 Gambar 2.3 Pengecoran Dengan Cetakan Pasir (Sand Casting)…………………... 10 Gambar 2.4 Porositas ……………….…………………………………................... 12 Gambar 2.5 Hot Tear And Crack ……………………………………...................... 12 Gambar 2.6 Inclusion ……………………………………………………………… 12 Gambar 2.7 Misruns ………………………………………………………………..13 Gambar 2.8 Cold Shut ………..……………………………………………………. 13 Gambar 2.9 Shrinkage ………………………………………………….................. 13 Gambar 2.10 Ilustrasi Uji Impak ………………………………………….............. 19 Gambar 2.11 Perpatahan Ulet……………………………………………………… 22 Gambar 2.12 Perpatahan Granunal / Kristalin……………………………............... 22 Gambar 2.13 Ilustrasi Pengujian Struktur Mikro ……………………….................. 24 Gambar 2.14 Ilustrasi Skematik Mikro Pembekuan Struktur Logam………………24 Gambar 2.15 Perbandingan hasil uji SEM................................................................. 25 Gambar 2.16 Skema kerja SEM.................................................................................26 Gambar 2.17 Chill Zone,Columunar Zone dan Equiaxed Zone ……………………29 Gambar 2.18 Ilustrasi pembentukan kristal pada proses pembekuan pengecoran.....29 Gambar 3.1 Tembaga……………………………………………………………..... 32 Gambar 3.2 Timah Putih…………………………………………………………… 33 Gambar 3.3 Silikon………………………………………………………………… 33 Gambar 3.4 Pasir Cetak……………………………………………………………. 33 Gambar 3.5 Arang Kayu …………………………………………………………... 34 Gambar 3.6 Dapur Peleburan ……………………………………………………… 34 Gambar 3.7 Blower ………………………………………………………………... 35 Gambar 3.8 Kowi………………………………………………………………....... 35 Gambar 3.9 Tang Panjang…………………………………………………………..36 Gambar 3.10 Timbangan Digital…………………………………....………………36 Gambar 3.11 Cetakan dan Pemasangan Pola………………………………………. 37

x

Gambar 3.12 Alat Uji Impak………………………………………………………………..38 Gambar 3.13 Alat uji SEM ( Scaning Electron Microscopy ).............................................. 38 Gambar 3.14 Mikroskop…………………………………………………………………….39 Gambar 3.15 Thermocouple dan Display…………………………………………………...39 Gambar 3.16 Varnier Caliper………………………………………………….....................40 Gambar 3.17 Mesin skrap dan pahat skrap............................................................................ 40 Gambar 3.18 Mesin Frais.......................................................................................................41 Gambar 3.19 Gergaji Tangan……………………………………………………………….41 Gambar 3.20 Kikir…………………………………………………………………………. 41 Gambar 3.21 Amplas………………………………………………………………………. 42 Gambar 3.22 Kain Beludru dan Autosol………………………………………………........42 Gambar 3.23 Proses Penuangan Material kedalam Cetakan……………………………… 44 Gambar 3.24 Spesifikasi ukuran pola untuk pengecoran dalam bentuk 3D.......................... 45 Gambar 3.25 Ilustrasi Daerah Zone Pengambilan Sampel Uji.............................................. 45 Gambar 3.26 Skematik spesimen uji..................................................................................... 46 Gambar 3.27 Campuran larutan etsa...................................................................................... 48 Gambar 4.1 Grafik penurunan suhu 80%Cu-20%Sn............................................................. 51 Gambar 4.2 Grafik penurunan suhu 95%Cu-5%Si................................................................52 Gambar 4.3 Grafik nilai rata-rata kekuatan impact............................................................... 54 Gambar 4.4 foto hasil pengujian impact (Chill Zone )...........................................................55 Gambar 4.5 foto hasil pengujian impact (Collumnar Zone).................................................. 56 Gambar 4.6 foto hasil pengujian impact (Equaixed Zone).................................................... 57 Gambar 4.7 foto pengujian SEM Equaixed zone Paduan 80%Cu-20%Sn............................ 58 Gambar 4.8 foto pengujian SEM Collumnar zone Paduan 80%Cu-20%Sn........................ 59 Gambar 4.9 foto pengujian SEM Chill zone Paduan 80%Cu-20%Sn................................. 60 Gambar 4.10 foto pengujian SEM Equaixed zone Paduan 95%Cu-5%Si..............................61 Gambar 4.11 foto pengujian SEM Collumnar zone Paduan 95%Cu-5%Si........................... 62 Gambar 4.12 foto pengujian SEM Chill zone Paduan 95%Cu-5%Si.................................... 63 Gambar 4.13 struktur mikro paduan 80%Cu-20%Sn pada chill zone................................... 64 Gambar 4.14 struktur mikro paduan 80%Cu-20%Sn pada collumnar zone.......................... 64 Gambar 4.15 struktur mikro paduan 80%Cu-20%Sn pada equaixed zone............................ 65 Gambar 4.16 struktur mikro paduan 95%Cu-5%Si pada chill zone...................................... 65 Gambar 4.17 struktur mikro paduan 95%Cu-5%Si pada collumnar zone............................. 66 Gambar 4.18 struktur mikro paduan 95%Cu-5%Si pada equaixed zone............................... 66 xi

Daftar Tabel

Halaman Tabel 2.1 Cacat-cacat pengecoran dan pencegahan...................................................14 Tabel 3.1 Chemical etching for Copper and its alloys.............................................. 48 Tabel 4.1 Data hasil uji impact paduan 80%Cu-20%Sn............................................ 53 Tabel 4.2 Data hasil uji impact paduan 95%Cu-5%Si...............................................54

xii

Daftar Lampiran

Halaman Lampiran 1................................................................................................................. 71 Lampiran 2................................................................................................................. 72 Lampiran 3................................................................................................................. 73 Lampiran 4................................................................................................................. 74 Lampiran 5................................................................................................................. 75

xiii

Nomenklatur g/cm3 = gram per sentimeter kubik °C

= derajat celsius

N/m2 = newton per meter persegi N/mm2 = newton per milimeter persegi Nm

= newton meter

nm

= nano meter

µm

= mikro meter

%

= persen

kgf

= kilogram force

kgm

= kilogram meter

kg

= kilogram

º

= derajat

“

= inchi

ml

= mililiter

kV

= kilo volt

m/sec = meter/secon

xiv