STUDI METODA TURBULENCE FLOW CASTING PADA BAJA COR KHROM 25%
TESIS
Karya ilmiah sebagai syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh SUTARSO NIM : 23106002 Program Studi Teknik Mesin
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ABSTRAK STUDI METODA TURBULENCE FLOW CASTING PADA BAJA COR KHROM 25%
Oleh SUTARSO 23106002 Metoda Turbulence Flow Casting (TFC) adalah metoda baru dalam proses pengelasan yang menggabungkan antara proses pengecoran dan pengelasan. Pengembangan metoda ini telah berhasil memperbaiki cacat permukaan pada komponen yang terbuat dari besi cor kelabu dengan kualitas sambungan yang baik dan memiliki sifat menyerupai sifat logam induknya. Untuk mengetahui penerapan metoda TFC pada komponen yang terbuat dari baja karbon maka dilakukan eksperimen pada spesimen baja cor khrom 25%. Syarat utama metoda TFC adalah aliran logam cair harus turbulen. Pada eksperimen ini digunakan aliran turbulen dengan bilangan Reynold 11150. Beberapa parameter proses TFC yang menentukan keberhasilan proses penyambungan antara lain temperatur pemanasan mula (preheat) dan ketebalan penetrasi logam cair. Parameter tersebut dihitung dengan menggunakan beberapa sifat fisik (physical properties) baja karbon pada kondisi cair. Sedangkan parameter pendukung lainnya seperti sudut kemiringan saluran dan waktu tuang disesuaikan dengan parameter eksperimen TFC yang digunakan pada penelitian sebelumnya. Hasil eksperimen TFC pada spesimen baja cor khrom 25% menunjukkan kemiripan struktur mikro dan kekerasan antara daerah solid-liquid interface (mushy zone), weld pool dan logam induk. Sehingga dapat disimpulkan bahwa metoda TFC dapat diterapkan pada baja cor khrom 25%.
Kata kunci : Turbulence Flow Casting (TFC), pengecoran (casting), pengelasan (welding), solid-liquid interface, mushy zone, weld pool, logam induk, baja cor (steel casting), khrom 25%, cacat permukaan (surface defect).
i
ABSTRACT STUDY OF TURBULENCE FLOW CASTING METHOD FOR STEEL CASTING CHROME 25%
By SUTARSO 23106002 Turbulence Flow Casting Method (TFC) is a new welding method that combined casting and welding processes. This method has been successfully applied to repair surface defect at gray cast iron component. The result is a good quality joint with properties similar to the base metal. Experimental study of TFC method at steel casting chrome 25% will be conducted to approve the application of TFC method at carbon steel component. The important point in TFC process is that the liquid metal flow must be turbulence. This experiment applied turbulence flow with Reynolds number 11150. Other parameters determine the success of joining process are preheat temperature and thickness of liquid metal penetration. The parameters are calculated by mean of physical properties of carbon steel at liquid condition. The other support parameters such as inclination angle of gating system and pouring time are according to parameters used in previous research. The result of this experiment shows similar of microstructure and hardness among solid-liquid interface (mushy zone), weld pool and base metal. This experiment approves that TFC method can be applied at cast steel chrome 25%. Keywords : Turbulence Flow Casting (TFC), casting, welding, solid-liquid interface, mushy zone, weld pool, steel casting, chrome 25%, surface defect.
ii
HALAMAN PENGESAHAN
STUDI METODA TURBULENCE FLOW CASTING PADA BAJA COR KHROM 25%
Oleh SUTARSO 23106002
Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal, 14 Februari 2008
( Prof. Dr. Ir. Rochim Suratman ) iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung.
iv
HALAMAN PERSEMBAHAN
I dedicate this work to: My lovely child, Abhi Setyaka Putra My parents, my brothers and my sister Thanks for your supports
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillaahi Robbil ’Aalamin, puji syukur penulis panjatkan kepada Alloh SWT sebagai dzat yang menguasai segala rahasia yang tersembunyi di langit dan di bumi, memberikan sifat khas kepada setiap materi serta membuka berbagai ilmu dan teknologi yang bermanfaat bagi kehidupan manusia.
Tesis yang berjudul “Studi Metoda Turbulence Flow Casting Pada Baja Cor Khrom 25%” ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Program Studi Teknik Mesin, Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung.
Penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang membantu penulis dalam menempuh dan menyelesaikan studi di Institut Teknologi Bandung, yaitu : a. Prof. Dr. Ir. Rochim Suratman selaku pembimbing dalam penulisan tesis ini, atas segala bimbingan dan pengarahannya. b. Seluruh staf pengajar, administrasi, teknisi, dan rekan-rekan mahasiswa S1, S2, dan S3 Program Studi Teknik Mesin serta Program Studi Ilmu dan Teknik Material – ITB atas segala bantuan dan kerjasamanya c. Asia Pulp and Paper Group dan PT. Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry sebagai pemberi beasiswa scholarship yang penulis terima selama pendidikan program magister. d. Politeknik Manufaktur Bandung atas ijin penggunaan tempat melakukan pengujian selama pengerjaan tesis. e. Pihak-pihak yang telah membantu dalam pengujian material: Laboratorium Program Studi Ilmu dan Teknik Material – ITB dan Laboratorium Pengujian Teknik Pengecoran POLMAN – Bandung untuk OES.
vi
f. Manager PT. Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry – Jambi atas ijin belajar yang diberikan. g. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan pendidikan megister Program Studi Teknik Mesin – ITB.
Penulis berharap laporan tesis ini bisa membuka wacana pengembangan metoda turbulence flow casting (TFC) untuk proses perbaikan cacat permukaan pada komponen-komponen yang dibuat dengan berbagai macam material.
Bandung, Februari 2008 Penulis
vii
DAFTAR ISI
ABSTRAK.................................................................................................................... I ABSTRACT...................................................................................................................II HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................... III PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ....................................................................... IV HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................................V KATA PENGANTAR ............................................................................................... VI DAFTAR ISI............................................................................................................VIII DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI....................................................................X DAFTAR TABEL.....................................................................................................XII DAFTAR LAMPIRAN............................................................................................XIII BAB I PENDAHULUAN........................................................................................... 1 I.1
Latar Belakang....................................................................................... 1
I.2
Tujuan Penelitian ................................................................................... 2
I.3
Pembatasan Masalah.............................................................................. 2
I.4
Sistematika Penulisan ............................................................................ 3
BAB II DASAR TEORI ............................................................................................. 4 II.1
II.2
Baja Cor (Steel Casting) ........................................................................ 4 II.1.1
Klasifikasi dan Sifat-Sifat Baja Cor.......................................... 4
II.1.2
Penggunaan Baja Cor Pada Industri.......................................... 7
II.1.3
Baja Cor Paduan Tinggi Khrom 25% ....................................... 7
II.1.4
Pengelasan Pada Baja Cor....................................................... 11
Turbulence Flow Casting (TFC) [18] .................................................... 15 II.2.1
Parameter-Parameter Pada TFC .............................................. 18
II.2.2
Pengaruh Bilangan Tak Berdimensi Pada Proses TFC ........... 24
viii
II.2.2.1 Bilangan Reynold[11] .................................................. 24 II.2.2.2 Bilangan Prandtl[11] ................................................... 25 II.2.3
Difusi Pada Proses TFC .......................................................... 27
BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................... 29 III.1 Flowchart Penelitian............................................................................ 29 III.2 Perhitungan Parameter-Parameter TFC ............................................... 30 III.3 Pembuatan Pola dan Cetakan............................................................... 32 III.3.1 Pembuatan Pola dan Flask ..................................................... 32 III.3.2 Pembuatan Cetakan................................................................. 33 III.3.2.1 Pembuatan Cetakan Spesimen Uji........................... 33 III.3.2.2 Pembuatan Cetakan Untuk Pengujian TFC ............. 35 III.4 Proses Pengecoran TFC ....................................................................... 36 III.5 Pengujian Spesimen Hasil TFC ........................................................... 38 III.5.1 Uji Struktur Mikro................................................................... 38 III.5.2 Uji Kekerasan Mikro............................................................... 39 BAB IV HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS .................................................. 40 IV.1 Hasil Eksperimen TFC........................................................................ 40 IV.2 Analisis Hasil Eksperimen TFC ......................................................... 40 IV.2.1 Analisis Gambar Struktur Mikro............................................. 40 IV.2.2 Analisis Hasil Uji Keras.......................................................... 47 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 49 V.1 Kesimpulan .......................................................................................... 49 V.2 Saran .................................................................................................... 49 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 51 LAMPIRAN............................................................................................................... 54
ix
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Gambar II.1 Hubungan Antara Kadar Karbon dan Proses Perlakuan Panas Dengan Sifat Mekanik Baja Cor (a) Kekuatan Tarik dan Pengurangan Luas Penampang (b) Kekuatan Luluh dan Perpanjangan[2] ........................... 5 Gambar II.2 Hubungan Antara Kadar Karbon dan Proses Perlakuan Panas Dengan Sifat Mekanik Baja Cor (a) Kekerasan Brinell (b) Harga Impak (Charpy V-Notch)[2] ............................................................................... 6 Gambar II.3 Struktur Mikro Baja Cor 1,05C-25Cr-0,49Si-0,47Mn[Lab. Polman] .......... 8 Gambar II.4 Diagram Fasa Terner Fe-Cr-C[17] .......................................................... 9 Gambar II.5 Diagram Fasa Pseudo-binary Fe-25%Cr-C ........................................ 10 Gambar II.6 Diagram Fasa Pseudo-binary Fe-Cr-C Untuk Kandungan Khrom Bervariasi[17] ........................................................................................ 11 Gambar II.7 Hubungan Karbon Ekivalen (Cek) Dengan Kekerasan Pada HAZ Hasil Pengelasan Baja Cor[8] ........................................................................ 13 Gambar II.8 Sketsa Proses Perbaikan Dengan Metoda TFC................................... 15 Gambar II.9 Cetakan, Rangka Cetak dan Spesimen Pada Proses TFC [18] .............. 18 Gambar II.10 Sketsa Distribusi Temperatur Proses Pencairan Pada TFC[18] ............ 19 Gambar II.11 Rangkaian Termal Proses TFC[18] ....................................................... 19 Gambar II.12 Sketsa Distribusi Temperatur Proses Pembekuan Pada TFC[18] ......... 22 Gambar II.13 Grafik Hubungan Antara Temperatur Preheat Dengan Waktu Penuangan Pada Pembekuan Logam Cair Dengan Proses TFC[18] ..... 24 Gambar II.14 Lapisan Batas Panas dan Lapisan Batas Momentum Untuk Bilangan Prandtl Kecil (proses TFC)................................................................. 26 Gambar II.15 Daerah Interface Yang Mengalami Pencampuran Pada Eksperimen TFC Besi Cor Kelabu[18] ..................................................................... 28 Gambar II.16 Struktur Mikro Hasil TFC Dengan Logam Induk Baja Karbon dan Logam Pengisi Besi Cor Kelabu[18]..................................................... 28 x
Gambar III.1 Flowchart Penelitian ........................................................................... 29 Gambar III.2 Ukuran Spesimen TFC........................................................................ 32 Gambar III.3 (a) Pola Spesimen, (b1) Pola Saluran Masuk, (b2) Pola Saluran Keluar, (b3) Pola Rongga Aliran Berulang...................................................... 32 Gambar III.4 (a) Flask Atas (b) Flask Bawah .......................................................... 33 Gambar III.5 Saluran Pembagi Pada Cetakan........................................................... 34 Gambar III.6 Rangkaian Alat Eksperimen TFC ....................................................... 36 Gambar IV.1 Hasil Eksperimen TFC ........................................................................ 40 Gambar IV.2 Struktur Mikro Solid-Liquid Interface Sepanjang Rongga Cacat....... 41 Gambar IV.3 Struktur Mikro Spesimen Hasil Eksperimen TFC.............................. 44 Gambar IV.4 Diagram Fasa Fe-Cr-C (Pseudobiner) Untuk Kandungan Khrom 25% (Thermo-Calc Demo Version)............................................................. 45 Gambar IV.5 Sebaran Inklusi Pada Spesimen .......................................................... 47 Gambar Lamp. 2.1 Contoh Perhitungan Fraksi Volume Struktur Mikro Logam Induk ............................................................................................................. 55 Gambar Lamp. 2.2 Contoh Perhitungan Fraksi Volume Struktur Mikro Interface... 55 Gambar Lamp. 2.3 Contoh Perhitungan Fraksi Volume Struktur Mikro Weld Pool 56 Gambar Lamp. 2.4 Sebaran Inklusi Menurut Standar ASTM E 45[3]........................ 56
xi
DAFTAR TABEL
Tabel II.1
Temperatur Preheat Untuk Pengelasan Baja Cor[8] ............................ 12
Tabel II.2
Cara Pengurangan Atau Pembebasan Tegangan Sisa[8] ...................... 14
Tabel III.1
Data Perhitungan Parameter-Parameter TFC Pada Baja Cor Khrom 25% ..................................................................................................... 30
Tabel III.2
Hasil Perhitungan Parameter-Parameter TFC Pada Baja Cor Khrom 25% ..................................................................................................... 31
Tabel IV.1
Hasil Perhitungan Fraksi Volume Menggunakan Program Fovea ..... 42
Tabel IV.2
Data dan Hasil Perhitungan Uji Kekerasan Mikro (Beban 0,2 kgf) Spesimen TFC..................................................................................... 48
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Hasil Perhitungan Parameter Eksperimen TFC Dengan Menggunakan Program Microsoft Exel ...................................................................... 54 Lampiran 2. Hasil Perhitungan Fraksi Volume Spesimen TFC Dengan Menggunakan Program Image Analyzer Fovea Adobe Photoshop CS 2. ............................................................................................................. 55 Lampiran 3. Gambar Sebaran Inklusi Menurut Standar ASTM E 45[3] .................. 56
xiii
