STUDI EKSPERIMEN PENGARUH KOMPOSISI CERAMIC SHELL PADA INVESTMENT CASTING TERHADAP KEKASARAN PERMUKAAN DAN POROSITAS PRODUK TOROIDAL PISTON
Arif Setiyono NRP : 2108 100 141 Dosen pembimbing : Dr. Ir. Soeharto, DEA NIP : 130 937 168
1.1 Latar Belakang 1.2 Perumusan Masalah 1.3 Batasan Masalah 1.4 Tujuan Penelitian 1.5 Manfaat Penelitian
1.1 Latar Belakang 1.
Penelitian di Hangyang University (Korea) tentang desain piston toroidal dengan tipe shallow bowl telah menghasilkan geometri ruang bakar yang optimal pada mesin diesel → SFC meningkat 35% dan Gas polutan (jelaga, NOx,CO, HC) turun
2.
Inisiatif untuk merealisasikan desain piston toroidal dengan investment casting menggunakan metode ceramic shell jika dibandingkan dengan metode yang lain, seperti: squeeze casting dan powder metallurgy
3.
Permasalahan investment casting khususnya dengan metode ceramic shell tentang penggunaan komposisi ceramic shell yang berdampak pada kekasaran permukaan dan porositas pada produk cor
1.2 Perumusan Masalah 1. Bagaimana hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap kekasaran permukaan produk cor hasil investment casting? 2. Bagaimana hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap porositas produk cor hasil investment casting?
1.3 Batasan Masalah 1. Aliran logam cair pada saat melalui sistem saluran dan rongga cetakan adalah aliran incompressible flow 2. Peralatan pengecoran dalam investment casting dan peralatan uji dapat bekerja dengan baik 3. Temperatur penuangan dan waktu tuang adalah seragam pada tiap proses pengecoran 4. Proses coating pada pohon lilin menghasilkan ketebalan cetakan ceramic shell yang seragam disetiap bagiannya
5. Pada saat proses pengecoran tidak dilakukan degasing
1.4 Tujuan Penelitian 1.Mengetahui hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap kekasaran permukaan produk cor hasil investment casting 2. Mengetahui hubungan antara komposisi alumina dan gipsum pada ceramic slurry terhadap porositas produk cor hasil investment casting
1.5 Manfaat Penelitian 1.Mendapatkan kualitas produk pengecoran yang memiliki kekasaran permukaan dan persentase porositas yang rendah 2. Dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam pemilihan komposisi ceramic shell pada investment casting untuk mendapatkan kualitas produk sesuai dengan yang diinginkan
2.1 Investment Casting 2.2 Lapisan Ceramic Shell 2.3 Komposisi Ceramic Shell 2.4 Keramik 2.5 Sistem Saluran 2.6 Piston
2.7 Aluminium 2.8 Porositas 2.9 Kekasaran Permukaan 2.10 Pengujian Spesimen
2.1 Investment Casting • CERAMIC SHELL
• SOLID MOLD
2.2 Lapisan Ceramic Shell
Coating
• Primary coating = menggunakan ceramic slurry (material pengikat + material tahan api halus) • Secondary coating = menggunakan material tahan api kasar (silica, zircon, alumina, dan aliminium silica)
Hardening
• Selama 60 menit (primary coating + secondary coating ═ 2 – 3 mm)
Dewaxing
• Penghilangan pola lilin pada temperatur 120 C selama 60 menit
Sintering
• Penghilangan pengotor dan pengerasan ceramic shell pada temperatur 25 – 730 C
2.3 Komposisi Ceramic Shell
(Material Pengikat + Material tahan Api Halus) + AIR
Material Tahan Api Kasar = Pasir aluminium silikat, alumina, silica, atau pasir zircon
(25%-30%) CERAMIC SLURRY
(70%-75%) REFRACTORY MATERIAL
CERAMIC SHELL
2.4 Keramik
Feldspar
Silika
Alumina
• Susunan kimia feldspar adalah (K, Na) AlSi3O8 • Ketahanan temperatur hingga 1200 C
• Terdiri dari kristal-kristal silika (SiO2) • Ketahanan temperatur hingga 1710 C
• Terdiri dari alumina hidrat (Al2O3.nH2O, n = 1, 2, 3) • ketahanan temperatur hingga 2040 C
2.5 Sistem Saluran
2.6 Piston Kepala
Land atas Alur ring kompresi 1 Land kedua Alur ring kompresi 2 Land ketiga Alur ring oli Skirt
Desain crown
Bagian piston
Lubang pin
Celah katup
Saluran oli Alur pin Lubang oli Alur pegas pengunci Lubang pin
2.7 Aluminium
2.8 Porositas Permeabilitas Cetakan
• Permeabilitas rendah menyebabkan udara yang terjebak tidak dapat berdifusi keluar dan membeku didalam dan dipermukaan logam cair
Gas Hidrogen (H2)
• Temperatur penuangan logam cair yang tinggi meyebabkan gas hidrogen di lingkungan mudah larut secara difusi
Gas Sulfur Dioksida (SO2)
• Cetakan Ceramic Shell bereaksi dengan logam cair: • CaSO4 => CaO + SO2 • 2SO2 => S2 + 2O2
2.9 Kekasaran Permukaan
Rt = Kekasaran Total Rp = Kekasaran Perataan Ra = Kekasaran rata-rata Aritmetik Rz = Kekasaran Total rata-rata
2.9 Pengujian Spesimen Pengujian kuantitatif Pengujian porositas
Pengujian spesimen Pengukuran kekasaran permukaan
Pengujian kualitatif
3.1 Diagram Alir Penelitian 3.2 Desain Toroidal Piston 3.3 Material dan Peralatan Penelitian 3.4 Langkah-langkah Percobaan
3.5 Rancangan Lembar Pengambilan Data
3.1diagram Alir Penelitian
3.2 Desain Toroidal Piston Desain Toroidal Piston 3D
Spesifikasi Piston : Tipe Diameter Bore Panjang Piston Diameter Pin Pajang Pin
: FORD 1000 cc 1.0LAE : 70,5mm : 61,8 mm : 20 mm : 54 mm
Desain Toroidal Piston 2D
3.3 Material dan Peralatan Penelitian Neraca Jarum Investment Mixing Basin Pengayak Pasir Lilin (Wax)
Jangka Sorong
Gypsum
Wax Melting Out Container
Silicon Rubber
Burn Out Furnance
Ceramic Powder
MATERIAL
PERALATAN
Dapur Peleburan Logam
Pasir Silica
Palu Besi
Aluminium Paduan
Gergaji Logam Mesin Grinding & Polishing Bejana Ukur Timbangan Digital Surface Roughness Tester
3.4 Langkah-langkah Percobaan
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
Duplikasi master pola lilin dan perakitan pohon lilin Pembuatan cetakan master pola
Pembuatan master pola
Pendekatan standart AFS: Panjang sisi sprue atas = 35 mm Tinggi sprue = 210 mm Panjang sisi sprue bawah = 31 mm Panjang sisi gate = 31 mm
TAHAP PERSIAPAN
Perancangan dan pembuatan sistem saluran
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Pembuatan bahan ceramic slurry
Pembuatan ceramic slurry dengan perbandingan (alumina) : air adalah 1 : 3
Pengaukan hingga merata selama minimal 10 menit
VARIASIKOMPOSISI CERAMIC SLURRY : Ceramic Slurry tipe 1 : 95% Alumina + 5% gipsum Ceramic Slurry tipe 2 : 90% Alumina + 10% gipsum Ceramic Slurry tipe 3 : 85% Alumina + 15% gipsum Ceramic Slurry tipe 4 : 80% Alumina + 20% gipsum
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan Pelapisan pohon lilin dengan ceramic shell
Pelapisan sekunder dengan pasir silica
Proses primary coating sebanyak 5x dan secondary coating sebanyak 3x hingga mencapai ketebalan sekitar 10 mm
Pelapisan primer dengan ceramic slurry
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
Proses oven cetakan ceramic shell
Sintering bertahap pada temperatur 25 – 340 C dan 340 - 730 C Masing-masing dengan engan holding time 30 menit Untuk menghilangkan pengotor dan pengerasan ceramic shell Dewaxing pada temperatur 120 C selama 60 menit untuk memlelehkan pola lilin
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
Penghacuran cetakan ceramic shell dan pemotongan produk cor dari sistem saluran Penuangan logam cair kedalam cetakan ceramic shell
Peleburan aluminium paduan pada teperatur 700 C
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
TAHAP PERSIAPAN
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
3.3 Langkah-langkah Percobaan
SURFACE
TAHAP PERSIAPAN
SUBSURFACE
PELAPISAN CERAMIC SHELL
PROSES PENGECORAN
TAHAP PENGUJIAN
4.1 Pembuatan Pola Lilin 4.2 Pembuatan Ceramic Shell 4.3 Proses Pengovenan Ceramic Shell 4.4 Proses Pengecoran 4.5 Pengukuran Kekasaran Permukaan 4.6 Pengukuran Porositas
Duplikasi Pola
Pohon Lilin
Cetakan Pola
Master Pola
4.1 Pembuatan Pola Lilin
Coating Pasir Silika
Ceramic Shell
Coating Ceramic Slurry
Ceramic Slurry
4.1 Pembuatan Ceramic Shell
Sintering Tahap 2
Sintering Tahap 1
Dewaxing
4.3 Proses Pengovenan Ceramic Shell
Api
Peleburan Logam
Pengecoran 4
Asap Api
Pengecoran 2
Pengecoran 3
Asap
Pengecoran 1
4.4 Proses Pengecoran
Api
Api
Bagian Silinder Bore
Bagian Crown Piston
4.5 Pengukuran Kekasaran Permukaan
Pengukuran Volume Spesimen
Pengukuran Massa Spesimen
4.5 Pengukuran Porositas
5.1 Produk Hasil Pengecoran 5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan 5.3 Data Hasil Pengukuran Porositas Kuantitatif 5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif
Ceramic Shell tipe 1
Ceramic Shell tipe 2
Ceramic Shell tipe 3
Ceramic Shell tipe 4
5.1 Produk Hasil Pengecoran
Pengusutan = 0,16 mm
5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan
5.2 Data Hasil Pengukuran Kekasaran permukaan
5.3 Data Hasil Pengukuran Porositas Kuantitatif
5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif Produk 1
Produk 2
Produk 3
Produk 4
5.4 Data Hasil Pengukuran Porositas Kualitatif Produk 1
Produk 2
Produk 3
Produk 4
6.1 Analisa Produk Cor 6.2 Analisa Data Hasil Pengukuran Kekasaran Permukaan 6.3 Analisa Data Hasil Pengukuran Porositas
6.1 Analisa Produk Cor
6.2 Analisa Data Kekasaran Permukaan
6.3 Analisa Data Hasil Pengukuran Porositas
7.1 Kesimpulan 7.2 Saran
7.1 Kesimpulan 1. Peningkatan persentase gipsum (CaSO4) dalam ceramic slurry sebesar 5% hingga 20% telah meningkatkan kekasaran permukaan produk cor dari 7,71μm hingga 11,36μm 2. Peningkatan persentase gipsum (CaSO4) dalam ceramic slurry sebesar 5% hingga 20% telah meningkatkan porositas produk cor dari 5,16% hingga 15,38% 3. Produk cor berupa toroidal piston yang dihasilkan dari investment casting dengan komposisi gipsum (5% hingga 20%) dan alumina (95% hingga 80%) belum dapat menghasilkan produk yang dengan kualitas yang baik
7.2 Saran Untuk mengindari terjadinya ledakan logam cair pada saat penuangan logam cair maka pegecoran harus dilakukan langsung setelah proses sintering selesai
