Volume 12 nomor 1, Januari 2012
JURNAL TEKNIK MESIN ISSU 1411 - 9 4 7 1 Jurno! TeknikXIcsiii lerbil ligo knii .rerohun pildo hulan Jonuori .Mei don Seprember. Berisi tulisiin yaizg diorigkor
Penyunting Pelaksana Ir. Sudjud Darsopuspito, ST. MT Dr. ArifTVahyudi, ST. MT Dr. Eng. Unggul \I1as~nitono M. Lhoirul Efendi, ST. Msc. Is Bunyamin Sotyo, ST. Ltrc. Wah!u Wi.innnr'eo, ST. Msc. Yohnnrs. S T MSC.
Ketua Pengunting Prof. Ir. Sutardi, M.Eng. PhD
Wakil Penyunting Dr. Agus Sigit Pramono. DE.4
Anggota Prof. Dr. In Wajan Berata. DEA. Prof Ir. I Eyoman Sutantra, Msc.. PhD. Prof. Dr. Ir. TriyogiYu\vono. DEA. Prof. Dr. Ing. I Made Londen Batan. ME. Dr. Bambang Sudarmanta Prof. Dr. Eng. Yanuar M.Eng Prof. Mulyadi Bur Prof. Hawin Saptoadi, M.Eng Dr. Ir. Iman Kanolaksono Reksowardojo Prof. Dr. Ir Budiarso. M.Eng
hletalurgi - Jururan Teknik Mesin ITS .Automotive - Jurusan Teknik Mesin ITS Mekanikatihiesin Fluida - Jumsan Teknik Mesin ITS Pengembangn Produk - Jurusan Teknik Mesin ITS Teknik Pembakaran - Jurusan Teknik Mesin ITS Mekmika Fluida - Jurusan Tcknik Mesin UI - Jurusan Teknik Mesin Unand Tekn~kPembakaran - Jumsan Teknik Mesin UGM Lai, Motor Bakar & Pwpulsi - Jnnlsan Teknik Mesin ITB Mekanika ilulda - .lumsan Teknik Mesin UI
Tatn Pelaksana Usaha Sn Suhant, B A Imam Dahmnl
Jurnal Teknik Mesin diterhitkan olrh Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS
E-mail :
[email protected].~d,
[email protected]
l a m a t Rcdaksi Junlsan Trknih Mrsin FTI-ITS
Website : u~w.me.its.uc.irl'Data/jmal.html,
Kampus ITS Sukol~lo,Smabaya 601 I1 Telp. 0 3 1 5922941,5946230, Fax. 031592294!
jumalmr.bravshost.com
-
Pmfijunting mrnrrirnn surrtbnrrgon tulisnn p n , o brlum perrtnh diterbilkon dolom rnedin lain. iVaskoh diketik ntmgikutiPersjnraton ,Vorkah Jurnnl Teknik Ufrirr sepeni tercnntum pndn baginn dalnnr s ~ ~ r n bulokong ~ul Jurnol Tfknik .Mesin.
il
Jumal Teknik Mesin. Volume 12. Nornor I , Januari 2012
KATA PENGANTAR Pada penerbitan kali ini, JTM berhasil memuat artikel dari beragam lingkup studi dan asal peneliti di bidang Teknik Mesin. Sepuluh artikel yang berhasil dimuat secara merata tersebar dalam empat kelompok lingkup studi, yaitu: Desain, Materiametalurgi, Manufaktur, dan Konversi Energi. Lima artikel berasal dari peneliti luar ITS, yaitu dari Universitas Islam Indonesia, Universitas Gajah Mada, Universitas
Merdeka
Malang,
Universitas
Muhammadiyah
Sidoarjo
dan
Universitas Indonesia. Dewan penyunting mengucapkan terima kasih kepada para pengirim artikel dan penyunting ahli yang telah memberi sumbangan pada kualitas Jumal ini. Kami juga berterima kasih kepada seluruh pelanggan kami yang telah memanfaatkan JTM sebagai bahan rujukan dan inspirasi dalam penelitiannya. Kami mengajak para peneliti dan praktisi bidang Teknik Mesin dan bidang terkait untuk menulis artikel pada Jumal Teknik Mesin ini (terbit setiap Januari, Mei, dan September). Artikel anda akan dirujuk oleh pelanggan kami dari seluruh penjuru Indonesia. Akhimya kami berharap semoga artikel-artikel berkualitas dalam jumal ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan memberikan inspirasi dalam pengembangan teknologi di bidang rekayasa mesin.
Dewan Penyunting
Sifat Mampu Las Material Komposit EN AC-43100 (AlSilOMg(b))+SiC*/l 5p Dilihat Dan Hasil Uji Mekaniknya
'
Prantasi Harmi ~jahjanti",Eko panungga13, armi into" ,Wibowo Harso Nugroho "Jurusan T.Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyak Sidoarjo (UMSIDA) Jalan Raya Gelam 250, Candi Sidoarjo (61217), Indonesia 2' Jumsan Teknik Perkapalan FTK ITS "Jurusan Fisika F MIPA ITS BPPT Lab. Hidrodinamika Indonesia UPT-BPPH Surabaya Telp. 08165429915, (031)72856082, (031)8070107, Fax: (031) 8949333 Email: pmn /u.~i@~.ahoo.corli
"
Diter~ma16 Mei 201 I ; diterima terkoreks~27 Juni 201 1; dlsetu~ui05 Desember 201 l
Abstract
Con7posite EN AC-43100 (AISilOMg /bj) + SIC * / I5p is a composite material with a composition of 85% AC-43100 IAISiIOMg /b)) + 15% Sic. Material AC-43 100 (AISiIOMg (b)) as the marrI.r (parent material) is a boar building material of alu1nincm7 casring alloy in accordance with the rules of DIN EN 1706, Casting Aluminum alloy (ACI -43 100 with the silicon content of' 10% + Magnesium. While, reinforcen7ent is silicon carbide (Sic*) tl~nrhas been pre-heated at a ten7perafure of 1100". Welding using Gas Tungsten Arc Welding (GTAWj. The results of mechanical testing afier the t+,eldingprocess showed that the tensile strengrl~o f composites EN AC43100 (AlSilOMg ( b ) )+ SiC"l5p that has been in the welding by using filler ~netalmaterial, such as parents, a value of22745 MPa. It%ile the value of impact strength and energv needed to break. ~oule/mm.' and 36.5 Jo~rle. Generally it has some properties of composzfe materiuls 65 x 10.' capable of welding. Keywords: composite materials, EN AC-4.1100 (I4ISilO.big 01, silicon carbide (Sic). capable of welding Material komposit yang dipakai untuk kapal selama ini dibuat dari bahan komposit plastik diperkuat serat (Fiber Reinforced Plastic / FRP ) yang memiliki kelemahan tidak tahan terhadap temperatur tinggi serta apabila mengalami retaklpatah, maka penanganannya membutuhkan perlakuan dan penelitian khusus. Karena itu dalam penelitian ini dicoba membuat material komposit lainnya yang berbasis logam (matrik logam) yang biasa disebut dengan komposit matrik logam (Metal Mah.ix Composite / MMC). MMC lebih tahan terhadap temperatur tinggi karena penurunan kekuatan yang dialami MMC karena kenaikan temperatur, berlangsung secara bertahap [I]. Selain itu keunggulan MMC, adalah memiliki kekuatan (strengrh) dan kekakuan spesifik (specific st$fiess) yang tinggi, koefisien muai
panasnya (Coeffisient of Thermal Expansion 1 CTE ) rendah sekali hampir mendekati nol, ketahanan ausnya cukup tinggi (high wear resistance), ketahanan deformasi panasnya (rasio konduktivitas panas terhadap koefisien muai panas) cukup baik, dapat digunakan luas untuk bidang industri, karena nyaris berupa bahan isotropis (tak bergantung arah) dan mudah diproses [2]. Apabila matrik yang dipakai adalah logam aluminum dan cara pembuatannya dengan cara pengecoran, maka disebut dengan bahan komposit Aluminium Metal Mairi.7 Cast Composite (AMMCC). Sedangkan penguat (reinforcement) yang umumnya dipakai berupa bahan keramik seperti silikon karbida (Sic), aluminium atau oksida (A1201), silikon oksida (SiO:) yang lainnya.
R
-
Jurnal TehikMesin. Volz~nre12, Namor I . Januan 2012
*a%.
$$& Disamping memiliki keunggulan di atas, mater~alkomposit MMC juga mempunyai kelemahan pada terbatasnya cara penyambungan dan proses machining-nya, sehingga pemasaran dalam dunia industri juga terbatas. Penyambungan dengan cara las non konvensional yang saat ini ada adalah memakai metode pengelasan gesek-putar (friction stir welding), namun biaya alat dan operasionalnya cukup mahal. Sehingga selama ini masih memakai cara pengelasan konvensional dengan menegunakan Gas Tu~lgsten Arc Welding (GTAW). Pemilihan GTAW dalam proses penyambungan material MMC, diambil selain mempertimbangkan kecepatan pengelasan, arus yang dipakai yang mempakan variabel-variabel yang diperlukan dalam rancangan penelitian (design of' erperimentsiDOE) juga pertimbangan Penelitian difokuskan pada keuangan. kemampuan MMC untuk dilas (weldabili@) serta mengetahui kekuatan p e n g e l a s a ~ y a dengan dilakukan pengujian tarik, dan uji kekuatan impak.
METODE Material Matrik yang dipakai adalah paduan Aluminum Casting (AC)-43100 dengan kandungan silikon 10 7'0 + Magnesium biasa ditulis dengan EN AC-43 100 (AISi 10Mg(b)) mempakan material bangunan kapal paduan aluminum cor (alurninun~costing alloy) sesuai dengan amran DIN EN 1706 dengan brakteristik bahan dimuat dalam Tabel I. Penguat (reinfircement): hahan keramik silikon karbida (SIC) dengan karakteristik bahan dimuat dalam Tabel 2. Perlakuan SIC dengan dipanaskan lebih dulu ~ a d asuhu 1 1 0 0 dan ~ ~ didineinkan oerlahanlahap selama 4 jam, selanjutnya diberi simbol S i c . Material komposit yang dibuat dengan komposisi 85% AC-43 100 (AlSilOMg(b)) + lj%SiC, ditulis dengan: EN AC-43 100 (AISilOMg(b))+SiC*!I jp. Material komposit tersebut, selanjutnya sebagaiparenr metul. ~
-
39
Tabel 1. Karakteristik Bahan EN AC-43100 (*lSilOMg(b))
-
Karakteristik Bahan Prosedur pengecoran
--
Keterangan s = pengecoran pasir K= pengecoran dengan cetakan tetap L = invesrmenr casring
Keadaan material
F = kondisi cor
Pengynaan di air
T6 = penuaan timan setelah perlak~an pelamtan T64 = penuaan riman Setelah perlakuan pelarutan yang tidak komplet (hanya untuk pengecoran dengan cetakan tetap) bagus, layak
Densitas Kekuatan Tarik (R,) perpanjangan saat patah
2.7 . emmicm3 176,64 MPa 1,0639'0
IA \ \.."8
Kekuatan impak (suhu 0,009 ~oulelmm~ kamar27") Energi yang digunakan 4,93Joule untuk mematahkan 70000 MPa
~
Tabel 2 . Karakteristik Bahan Sic Karakteristik Bahan Keterangan lJkuan Iata-Iata 600 W" butiran Densitas 3_2gradcm3 Ten'i1e Strength (R,) j40 elastisitas 470000 h'Pa --
Proses pengelasan menggunakan GTAW, elektroda tungsten: hijau (T murni) diameter 2,4 mm, panjang 16 cm, gas pelindung (Inert gas) = argon. MembutUhkan waktu las 3 jam sepanjang 400 mm (plat sampel las), dilakukan selama 3 kali. Arus listrik awal 100 A berakhir pada ams konstan 210 A. Menggunakan 2 jenis kawat,filler: (a). Kawat filler pengelasan No.S 21, AWS
40
~ohjimri,S!fai Mamp?~Lo5 Moterial Komposil
Classification ERl I00 diameter 2 mm, panjang 4 mm. (b). Kawat filler seperti material induknya (base/parenr material) = dengan ukuran luas ( 2 5 x 2,5) mm2 6,25mm2 , panjang 400 mm. Rancangan sambungan pengelasan (Weld loin1 design) sesuai BKl Rules F o r Welding Edition 2004 Section 5-Welding Consumables and Au.xiliaty Materials for .Ilunlinum allo.v, ditunjukkan pada Gambar 1 Sampel uji tarik sesuai dengan standart EN 895lISO 4136. Sampel uji kekuatan impak sesuai dengan ASTM E 23 - 94a. Pemeriksaan metalografi untuk mempelajari srmktur mikro material komposit EN AC-43100 (AISiIOMg(b))+SiC*ll5p dengan menggunakan mikroskup optik. Pemeriksaan fraktografi merupakan pemeriksaan visual untuk melihat bentuk patahan dari material komposit EN AC-43 100 (AISi IOMg(b))+SiCX115p. Kekuatan impak (~oulelmm~) menunjukkan besarnya energi ketangguhan material tiap satuan luas saat menerima heban secara tiba-tiba. Sedangkan energi patah adalah energi yang dimiliki hingga material menjadi patah (Joule). Pada tabel 3 ditampilkan nilainilai kekuatan tarik perpanjangan saat patah, kekuatan impak (suhu kamar 27' C), dan energi patah untuk material komposit yang
belum di las dan yang sudah di las. Dua material yang belum di las adalah: AC-43100 (AlSilOMg(b)) (tanpa penguat) dan AC-43 100 (AISilOMg(b)tSiC 115p (dengan penguat). Sedangkan dua material yang sudah di-las adalah: AC-43 100 (AISilOMg(b)) + SIC' 115p (dengan filler las ER1100) dan AC-43100 (AlSilOMg(b)) + SIC' 115p (dengan filler las seperti material induknya). HASlL DAN PEMBAHASAN Plat komposit EN AC-43100 (AISi1 OMg(b))+SiC*l15p hasil cor ditunjukkan pada Gambar 2 dan selanjutnya dibentuk untuk sampel pengelasan seperti pada Gambar 3. Hasil plat yang telah di las dengan 2 jenis kawat filler (Gambar 4). Grafik untuk kekuatan impak dan energi patah, pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Z
= Flal tensile lestspecimen
r _ ,
.-.
1 0 . ~' ~
F 8 = ~ Transversa bend test specimen. a v e r pa65 in tension
..
.
Ree = Transveme bend teslspsamen. back pars in tension M
= Macrographlcspwmen
Gambar 1. Rancangan pcngelasan untuk material paduan alurn~num
-
Gambar 2. Plat komposit hasil cor
Gambar 3. Dibentuk untuk sampel pengelasan
Gambar 4. Plat yang telah di las
%Nilai No.
k e k u a t a n p e r p a n j a n g a n saat palah. kekuatan impak, dan cnergi lenis Material Kekuatan Tarik Perpanjangan Kekuatan irnpak Energi patah (MPa) saat patah (11 0 ~ ~ ~ 0 u l e l r n m ~ ) (Joule) ("/.I
-
1.
AC-43100 (AISilOMg(b)) (tanpa penguat)
176,64
1,063
9
4.93
-
2.
3.
4.
AC-43 100 (AISilOblg(h) +SiC'!lSp dengan penguat). AC-43100 (AISilOMg(b)) +SIC' 115p (dengan filler las ER1100) AC-43 I00 (AISilOMg(b)) i SIC' 115p (dengan filler las sepeni material induknya).
23086
0,84
34
18.37
200,08
0.95
9
8.7
227.45
1,07
65
36.5
42
7jahja1?ti,Sifal Ma~npuLos Materirrl Konly,arit
a
-
Gambar 5 . Graiik kekuatan imoak l~ouielnini'~
I
Gambar 6. Energi yang dimiliki hingga material menjadi patah (Joule) Sementara material komposit EN AC-43100 (A1SilOMg(b))+SiC*ll5p yang dibuat dengan cara pengecoran, hasil pemeriksaan metalografinya dengan menggunakan mikroskup optik perbesaran 1000 kali (Gambar 7). 1. Hasil Uji Tarik
Dari data-data pada Tabel 1 nampak bahwa kekuatan tarik tertinggi dimiliki oleh material komposit yang ditambah dengan (di-treatnzent dengan penguat s i c ' i l 5 p dipanaskan pada I IOO'C), memiliki kekuatan tarik 230,86 MPa. Sementara kekuatan tarik untuk material yang telah di las dengan filler las ERllOO dan dengan filler las seperti material induknya, keduanya mempunyai nilai
masing-masing 200,08 MPa dan 227,45 MPa, nilainya masih lebih rendah dibandingkan material komposit yang b e l ~ mdi las (AC43100 (AISilOMg(b)) + SIC 5 % ) Namun deniikian ditinjau dari nilai kekuatan tarik, material komposit ini memiliki sifat mampu las (weldability), karena mempunyai nilai kekuatan tarik yang tidak berbeda jauh dengan material sebelum di las @oren/ metal). Sedangkan berkurangnya nilai kekuatan tarik setelah di las, terjadi karena dalam mencampur antara parent nzetal dan filler, membutuhkan temperatur di atas titik lebumya agar diperoleh viskositas tinggi. Namun viskositas tinggi juga menyebabkan pencampuran antar keduanya menjadi sulit 1.31. Secara umum dengan melihat hasil perpanjangan saat patah, material komposit
Jurnul Tclmrk ,Me.!in. Volume I:. h ' o ~ ~ Io, rJon~,ori201-1
43
A 2. Hasil Uji Kekuatan Impak dan Energi yang diperlukan untuk Mematahkan
Al matrik (AC)-43 I00 Gambar 7. Ciamhar mrtalografi privenl me101 material komposit EN AC-43 I00 (AISilOMg(b))+SiC*:ISp yang dihuat dengan cara pengecoran ini tergolong jenis material getas, karena nilainya dalam rentang 0.5 - 5 %. sementara pada material ulet, perpanjangan yang terjadi antara 5- 500%. Gambar patahannya diamati secara visual (Gambar 8).
Kekuatan impak dan energi yang diperlukan untuk mematahkan material komposit, yang teninggi dimiliki oleh material komposit dengan filler las seperti material induknya, sebesar 65 x 10'ioulelmm2 dan 3 6 3 Joule. Sedangkan untuk material komposit yang di las dengan. menggunakan filler las ER1100, memiliki nilai kekuatan impak dan energi patah yang lebih rendah (9 x 10~'loulelmm' dan 8,7 Joule). Kondisi tersebut terjadi karena filler yang diisikan kepada material induknya, tidak dari jenis yang sama. sehingga cukup sulit untuk menyatu. Karena untuk interaksi antara rein$?rcement dan matrik memang membutuhkan temperatur di atas titik leburnya untuk mendapatkan viskositas tinggi. Namun demikian viskositas yang tinggi menyebabkan pencampuran antara ,filler- dan parent nretal yang telah tnelebur menjadi sulit. Kemudian dicoba untuk menurunkan temperatumya di bawah titik lebur, justru kondisi semacam itu malah menjadi masalah barn dalam interaksi antara I-einforcemenr dan matrik, karena akan terbentuk fasa AI&; (aluminium karbida) yang bersifat keras dan rapuh. Reaksi yang terjadi adalah: 4 A1(ll + 3 Sic,,, 3 AI,C,(,, + Si(,,
Gambar 8. Perpatahon material kolnposit EN ACsetelah uji larik. Hasil patah menunjukkan matcrioi rrrsebut getas
43Il~O(hlSilOMg(h)):S1(',15p
(I)
Senyawa AlaC; mempunyai formasi energi bebas yang terbentuk dari tiap mol karbon dan lebih stabil secara termodinamika dibandingkan dengan S i c [4]. Bentuk butiran AI&; yang muncul pada daerah las, bempa plat-plat hexagonal yang runcing, ditunjukkan dalam Gambar 9, menggunakan mikroskup optik perbesaran 500 kali. Sementara merujuk pada basil penelitian [5,6,7], dengan menggunakan Scanning Electron Microscope, tampak lebih jelas butiran-butiran yang muncul yaitu selain butiran AI,C: juga terdapat silikon dengan butirannya yang berbentuk pipih serta MgO dan MgAI,O, dengan bentuk butiran cuboidal (Gambar 10).
sebelum di las dan sesudah di las dengan nilai hampir sama (hanya selisth 1,48%). 2. Material komposit yang dibuat ini bersifat getas. sehingga sifat keuletannya kecil, namun demikian tetap memiliki kekuatan tarik yang tinggi. 3 . Pengelasan dengan menggunakan filler sama seperti material induknya. rnemberikan hasil yang lebih baik.dari pada menggunakan,filler dari jenis yang lain. 4. Dilihat dari hasil pengelasannya, secara umum material komposit EN AC-43100 (A1Si10Mg(b))+SiC*/l5p dapat dipakai sebagai material alternatif bangunan kapal.
UCAPAN TERIMAKASIH
Gambar 9. Gambar rnetalograti daerah las material kompos~tEN AC-43 100 (AISi l0Mg (b))rS~C*/l Sp
Tenmakasih kepada Dikti untuk bantuan dana Hibah Doktor sesuai dengan No: 10473!12.7/PMl2009 tanggal 1 April 2009.
DAFTAR PUSTAKA
(b)
Gambar 10. Bentuk butilan-butiran untuk: a. "Hadalah A14C3berbentuk plat Heksayonal yang mnclng b. "C" adalah MgO dan MgAI,O, berbentuk cuboid01 c. "F" adalah Si bentuk pipih [5.6.7]
KESIMPULAN Dilihat dari kekuatan tarik. kekuatan impak dan besamya energi yang dipakai untuk mematahkan, maka kesimpulamya adalah: 1. Material komposit EN AC-43100 (AISi10Mg(b))+SiCt/15p memiliki sifat mampu las (weldability), ditunjukkan dengan nilai kekuatan tarik pada material
[I]. Alcan Inc. 2004, "Metal matrix composites Propertiesn,available at: l~ttp:!.'~n~iica~~e~~.tuwien.ac.at~datalprmld uralcan/aa6061~a1203.htm, diakses I I Nopember 2004. [2]. Luijendijk, T. 2000, "Interface studies of aluminum metal matrix composites", Journal of Materials Processing Technology", Vol. 103, 29-35. [3]. Ellis, MBD. 1996, "Joining of composite matrix Materials", I17ternational Material Review", Vol. 41, 41-58. [4]. Barin, I. 1989, Thermochemical Data of Pure Substances", Vols. 1 and 2, VCH mbH, D-6940, Verlagsgesellschaft Weinheim. Germany. [5]. Lee, J:C., Ahn, 1.-P., Shim, J.-H., Shi, Z.. & vLee; H.-I. 1999 ,"Material flow behavior and microstructural integrity of friction stir butt weldments", Scripta Melal.Vol.41 (8) 895. [6]. Shi, Z., Yang, J.-M., Lee, J.C.; Zhang, D., Wu, & Mater. R. 2001, " Design and Manufacturing of Advanced Composites", Science Engineering, A303 46. 171. Lee, 1.-C., Byun, J.-Y., Park, S.-B., & Lee, H.-I. 1998, "Fusion Welding of S i c Particulate-reinforced Aluminum 392
Metal Matrix Composite", .&fatarerial,Vol. 46 (5), 1771.
Acta
