BAB II. LANDASAN TEORI
2.2 Dasar Teori
2.2.15 Hipotesa
Letak saluran masuk (ingate) memiliki peran terhadap besar kecilnya cacat porositas yang timbul pada paduan aluminium pada pengecoran menggunakan cetakan pasir.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Pengecoran dan Laboratorium Material Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu : 1. Paduan aluminium yang berasal dari piston bekas.
2. Pasir cetak
Pasir cetak terdiri dari campuran pasir silika 80% (ukuran butir 60-80 mesh), bentonit 10%, dan air 10% (persen berat).
3. Kayu
Kayu ini gunakan sebagai bahan untuk pembuatan pola.
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Timbangan
Timbangan ini digunakan untuk menimbang komposisi pasir silika, bentonit, dan air.
2. Cethok pasir
Digunakan untuk mencampur pasir cetak.
3. Penumbuk
Digunakan untuk memadatkan pasir pada saat pembuatan cetakan pasir.
4. Ayakan 60-80 mesh
Digunakan untuk menyaring pasir silika 5. Dapur peleburan
Digunakan untuk tempat melebur paduan aluminium
20
commit to user
Gambar 3.1 Dapur peleburan 6. Arang, briket, dan spiritus
Digunakan sebagai bahan bakar pada proses peleburan.
7. Blower
Digunakan sebagai peniup pada proses peleburan.
8. Kowi
Digunakan sebagai tempat logam paduan aluminium yang akan dilebur 9. Ladle
Digunakan untuk mengambil dan menuang logam cair ke dalam cetakan.
10. Termokopel tipe-K
Digunakan sebagai sensor suhu untuk mengetahui temperatur logam cair. Termokopel jenis ini mampu mendeteksi suhu sampai 12500 C.
11. Thermocouple Reader
Digunakan untuk membaca temperatur yang terdeteksi oleh termokopel.
Gambar 3.2 Thermocouple Reader 12. Timbangan digital
Digunakan untuk menimbang massa spesimen.
13. Gelas ukur
Digunakan untuk mencari volume spesimen.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 14. Gergaji
Digunakan untuk memotong kayu untuk pembuatan flask dan pola serta gergaji besi untuk memotong spesimen yang akan diuji.
15. Amplas
Digunakan untuk menghaluskan permukaan spesimen yang akan diuji.
Amplas yang digunakan yaitu nomor 320, 800, 1000.
16. Autosol
Digunakan untuk menghilangkan goresan yang timbul pada permukaan spesimen uji setelah dilakukan pengamplasan.
17. Larutan Etsa
Etsa dilakukan sebelum melakukan pengujian struktur mikro, hasil pengetsaan adalah korosi pada batas butir, sehingga dapat diamati struktur mikronya. Larutan etsa yang digunakan adalah HF 40% dan air dengan perbandingan 1: 5.
18. Micro Vickers Hardness Tester
Digunakan untuk menguji kekerasan spesimen yang dihasilkan. Alat ini dilengkapi indentor piramida intan dengan sudut 1360.
Gambar 3.3 Micro vickers hardness tester 19. Mikroskop optik
Mikroskop ini digunakan untuk membantu mengamati struktur mikro spesimen. Mikroskop dilengkapi lensa obyektif dengan perbesaran 4X, 10X, 20X, 40X dan dipasang kamera yang terhubung dengan komputer sehingga dapat diamati dan disimpan gambar struktur mikronya.
commit to user
Gambar 3.4 Mikroskop optik 20. PC dilengkapi dengan software image pro-plus 6
Software ini digunakan untuk mengolah data yang berupa file gambar struktur mikro untuk mengetahui ukuran butirnya.
3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Persiapan Pola
1. Membuat pola sesuai desain yang sudah dibuat (gating ratio 1 : 2 : 2)
Gambar 3.5 Pola dengan letak saluran masuk atas
Gambar 3.6 Pola dengan letak saluran masuk di bawah
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user Dimensi sistem saluran
1. Saluran turun (sprue) Φ
Φ A1=290,7 mm2 A1 A2=130 mm2
h1=10 mm h2=50 mm
A2 Φ
Gambar 3.7 Saluran turun tampak samping 2. Saluran pengalir (runner)
Luas penampang runner (Ar) =260 mm2 panjang 100 mm
Gambar 3.8 Penampang saluran pengalir 3. Saluran masuk (ingate)
Luas penampang ingate (Ag) =260 mm2 Panjang 20 mm
Gambar 3.9 Penampang saluran masuk
4. Waduk (well)
Gambar 3.10 Well tampak samping
commit to user 5. Gas ven
140
Gambar 3.11 Gas ven
6. Benda cor
Gambar 3.12 Benda cor tampak atas
Gambar 3.13 Benda cor tampak samping 7. Basin
Gambar 3.14 Basin tampak samping
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Gambar 3.15 Basin tampak atas 3.3.2 Pembuatan Pasir cetak
a. Menyiapkan pasir silika, bentonit, dan air
b. Mengayak pasir dengan ayakan ukuran 60-80 mesh
c. Menimbang pasir silika, bentonit, dan air dengan komposisi berat 80%, 10%, 10%
d. Mencampur semua bahan sampai tercampur rata.
3.3.3 Pembuatan Cetakan Pasir
a. Menyiapkan flask, lantai yang bersih dan pola serta sistem salurannya.
b. Meletakkan pola pada papan cetakan kemudian mengisi pasir cetak pada drag (cetakan bawah)
c. Memadatkan pasir menggunakan penumbuk sampai permukaan cetakan rata
d. Mengangkat pola dengan hati-hati jangan sampai cetakan rusak e. Memasang inti di atas rongga cetakan
f. Mengulangi langkah b - e untuk membuat cetakan atas (cope)
g. Menggabungkan cope diatas drag dengan hati-hati jangan sampai terjadi pergeseran
h. Mengulangi langkah a – g untuk variasi letak saluran masuk di bawah.
3.3.4 Tahap Peleburan
a. Menyiapkan dapur peleburan
b. Menyiapkan ladle kemudian memasukkan aluminium ke dalam ladle
commit to user
c. Memasukkan arang dan briket ke dalam tungku peleburan kemudian menyalakan api
d. Menghidupkan blower.
3.3.5 Tahap Penuangan
a. Mengukur suhu aluminium cair sampai didapat suhu 850O C b. Mendekatkan cetakan pasir di dekat dapur peleburan
c. Mengambil alumunium cair kemudian menuangkannya di atas cawan tuang secara kontinyu.
3.3.6 Tahap Pembongkaran Cetakan Pasir
Cetakan pasir didiamkan selama ± 1 jam kemudian membongkar dan membersihkan coran dari pasir sampai bersih.
3.3.7 Tahap Pengujian
a. Menguji komposisi kimia produk coran
b. Menyiapkan spesimen uji dengan variasi letak saluran masuk atas dan bawah. Jumlah spesimen uji 10 buah.
c. Menghitung besarnya True density sesuai ASTM E-252 d. Menimbang massa spesimen menggunakan timbangan uji.
e. Mencari volume spesimen menggunakan gelas ukur
f. Menghitung besarnya apparent density menggunakan rumus
슸 ಀ ...(3.1) dimana :
ρ : densitas (gr/cm3) m : massa (gr) V : volume air (cm3)
g. Menghitung persentase porositas menggunakan rumus
%岠 슸 _ ...(3.2) dimana :
%P : persentase porositas produk cor (%)
ρ
o : densitas nyata (gr/cm3)perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ρ
s : densitas semu (gr/cm3)h. Melakukan pengujian kekerasan Vickers sesuai standar ASTM E-92-82 tiap spesimen 7 titik pengujian
i. Melakukan pengamplasan dengan tingkat kekasaran bertahap yaitu 320, 800, 1000
j. Melakukan pemolesan pada spesimen uji menggunakan autosol k. Mencelupkan spesimen uji ke dalam larutan etsa selama ± 5 detik l. Mengamati struktur mikro menggunakan mikroskop optik dengan
perbesaran 100X serta merekamnya dalam foto menggunakan kamera yang sudah dipasang pada mikroskop dan disambungkan dengan komputer
m. Mencari ukuran butir menggunakan software image pro-plus 6 dengan pendekatan keliling butir.
3.3.8 Tahap Analisa
a. Menghitung angka Reynold tiap variasi
b. Menganalisa cacat porositas yang timbul dan membandingkannya tiap – tiap variasi
c. Menghitung besarnya VHN menggunakan perumusan (2.11) dan membandingkannya tiap – tiap variasi
d. Menghitung besarnya rata-rata keliling ukuran butir dan membandingkannya tiap – tiap variasi
e. Menyimpulkan.
commit to user 3.5 Diagram Alir Penelitian
a.
Gambar 3.16 Diagram alir penelitian
METALOGRAFI MULAI
SELESAI
KESIMPULAN
PEMBUATAN CETAKAN PASIR (Variasi letak saluran masuk atas dan bawah)
PENGECORAN
FINISHING SPESIMEN
ANALISA DATA PEMBUATAN POLA
%岠 슸 ρ _ρ ρ
UJI DENSITAS 1. Menghitung true density spesimen uji
2. Menghitung apparent density dengan rumus 슸 ಀ 3. Menghitung persentase porositas menggunakan rumus
UJI KOMPOSISI KIMIA
1. Uji keras vickers 2. Pengamatan mikro
menggunakan mikroskop optik
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user BAB IV
DATA DAN ANALISA
4.1 Hasil uji komposisi kimia
Setelah proses pengecoran selesai didapatkan coran yang masih lengkap dengan sistem salurannya. Sebelum dilakukan pengujian untuk mengetahui persentase porositas, maka diperlukan data komposisi komposisi kimia dari logam aluminium cor dimana data komposisi kimia dalam bentuk persentase berat ini akan digunakan untuk menghitung besarnya densitas nyata pada aluminium cor.
Pengujian komposisi kimia dilakukan dengan memotong sampel pada aluminium hasil pengecoran kemudian mengujinya. Pengujian komposisi kimia dilakukan di Laboratorium Logam, POLMAN, Ceper.
Tabel 4.1 Data hasil uji komposisi kimia
Dari hasil uji komposisi kimia diatas dapat diketahui bahwa sampel uji termasuk paduan Al-Si hypoeutectic dengan kadar Si sebesar 5,67%.
Unsur Komposisi
commit to user 4.2 Produk coran hasil pengecoran pasir
(a) (b) Gambar 4.1 Coran beserta sistem salurannya
( a. Letak saluran masuk di atas, b. Letak saluran masuk di bawah ) 4.3 Turbulensi aliran
Tabel 4.2 Data dimensi parting line
4.3.1 Perhitungan bilangan Reynold
Contoh perhitungan untuk spesimen 1 dengan letak ingate di atas:
Efektif Sprue Height (ESH)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 6,83宠i , = 6,83宠i 0,39 宠i = 6,44 cm Besarnya kecepatan aliran di ingate adalah : 誀 슸 宠 2 c = konstanta aliran = 0,35
슸 0,35 2 981宠i/ຠ烠 6,44宠i 슸 39,33 宠i/ຠ
Dengan menerapkan hukum kontinuitas, maka kecepatan aliran logam cair yang ada di sprue dan runner dapat dicari sebagai berikut :
- Kecepatan aliran di runner
슸 誀 슸 誀
슸 39,33 宠i/ຠ 2,54 宠i烠 슸 誀 誀 슸 슸99,9 宠is/ຠ
2,82宠i烠 슸 35,42 宠i/ຠ - Kecepatan aliran di sprue
슸 誀 슸 誀
슸 35,42宠i/ຠ 2,82 宠i烠 슸 誀 誀 슸 슸 99,9 宠is/ຠ
1,91 宠i烠 슸 52,29 宠i/ຠ
Besarnya angka Reynold dengan ingate di atas sebagai berikut :
n슸 ಀ ...(4.1)
Dimana ρ = 2,7 g/cm3 untuk µ = 0,02 g/cm.detik untuk paduan aluminium silikon (Kaptay, 2001), dan d adalah diameter untuk penampang lingkaran, selain lingkaran digunakan diameter hidrolik dengan perumusan sebagai berikut (Cengel, 2003).
슸 ...(4.2) Dimana dh = diameter hidrolik (m)
Ac = luas penampang saluran (m2) P = Perimeter (m)
commit to user
Tabel 4.3 Data hasil perhitungan diameter hidrolik (dh)
ndi ຠǴ瑨 n슸 誀
Hasil perhitungan seperti contoh di atas untuk letak ingate di atas spesimen 2,3,4 dan 5 dan letak ingate di bawah sebagai berikut :
Tabel 4.4 Data laju aliran dan Reynold Number hasil perhitungan
Variasi Spesimen ESH
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
Gambar 4.2 Grafik Reynold Number letak saluran masuk di atas dan di bawah Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa letak saluran masuk baik di atas maupun di bawah sama-sama memiliki pola aliran turbulen karena sesuai teori, Reynold Number di atas 2000 pola alirannya sudah mulai turbulen. Pola aliran turbulen akan mempercepat reaksi yang terjadi baik aluminium cair dengan udara ataupun aluminium cair dengan cetakan. Logam aluminium memiliki keelektropositifan yang cukup tinggi, sehingga ia akan dapat dengan mudah bereaksi dengan oksigen dan membentuk lapisan oksida yang tipis pada permukaannya ( Sipayung, 2008 ) dan oksida logam tersebut akan tereduksi dengan karbon yang ada pada kotoran atau terak sehingga menghasilkan gas CO (campbell, 2003) seperti ditunjukkan di bawah ini :
2Al + 3/2 O2 Al2O3 (oksida aluminium) bersama aluminium cair, inilah yang akan menimbulkan cacat porositas pada aluminium cor. Semakin turbulen aliran logam cair semakin besar pula gas yang ditimbulkan karena reaksinya semakin cepat sehingga cacat porositas yang ditimbulkan juga semakin besar.
commit to user 4.4 Persentase porositas
( a ) ( b )
Gambar 4.3 Spesimen uji dengan letak ingate ( a. atas, b. bawah )
Untuk mencari besarnya persentase porositas terlebih dahulu menentukan true density dan apparent density. Besarnya true density didapatkan sesuai perhitungan yang mengacu pada ASTM E-252 sebagai berikut:
Tabel 4.5 Data perhitungan sesuai ASTM E-252 Unsur 1/densitas
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
Sedangkan apparent density didapat dari pengujian densitas. Data yang didapatkan dari pengujian seperti tabel dibawah ini.
Tabel 4.6 Data hasil uji densitas
Gambar 4.4 Grafik perbandingan persentase porositas letak saluran masuk di atas dengan letak saluran masuk di bawah
Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa letak saluran masuk di atas persentase porositas tertinggi yaitu pada spesimen 5 sebesar 10,87% dan terendah yaitu pada spesimen 3 sebesar 9,7%. Sedangkan untuk letak saluran masuk di
commit to user terendah yaitu pada spesimen 2 sebesar 6,07%. Rata-rata persentase porositas yang terjadi pada spesimen dengan letak saluran masuk di atas sebesar 10,34%, nilai ini lebih besar dibanding persentase rata-rata porositas yang terjadi pada spesimen dengan letak saluran masuk di bawah yang hanya sebesar 8,16%. Hal ini disebabkan pola aliran logam cair yang turbulen sehingga menyebabkan gelembung gas yang lebih banyak. Gas hidrogen yang terjebak akan menimbulkan cacat porositas. Pada letak saluran masuk di atas, cacat porositas yang timbul lebih banyak dibandingkan dengan letak saluran masuk di bawah, hal ini mungkin disebabkan pada spesimen dengan letak saluran masuk diatas, kotoran atau terak yang menempel pada piston bekas setelah logam mencair kotoran tersebut mengapung diatas permukaan logam cair dan ikut terbawa masuk ke rongga cetakan, hal ini juga akan menyebabkan gas sulit keluar karena terhalang dan menempel pada kotoran sehingga semakin tinggi porositas yang terjadi sedangkan spesimen dengan letak saluran masuk di bawah persentase porositasnya lebih sedikit karena logam cair yang masuk ke rongga cetakan lebih bersih.
4.5 Hasil pengujian kekerasan Vickers
Gambar 4.5 Grafik perbandingan harga kekerasan Vickers letak saluran masuk di atas dengan letak saluran masuk di bawah
Dari grafik di atas dapat diketahui letak saluran masuk di atas mempunyai nilai kekerasan Vickers tertinggi yaitu pada spesimen 3 sebesar 97,92 HV dan terendah yaitu pada spesimen 4 sebesar 90,56 HV. Sedangkan letak
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id kekerasan Vickers rata-rata untuk spesimen dengan letak saluran masuk di atas sebesar 94,06 HV. Rata-rata kekerasan Vickers meningkat 7,88% pada spesimen dengan letak saluran masuk di bawah yaitu rata-ratanya sebesar 102,1 HV.
4.6 Hubungan porositas terhadap harga kekerasan
Gambar 4.6 Grafik hubungan porositas terhadap kekerasan Vickers
Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin besar persentase porositas maka semakin rendah nilai kekerasannya sebaliknya semakin sedikit porositas yang timbul maka kekerasannya pun semakin meningkat. Hal ini dinyatakan dengan nilai rata-rata persentase porositas dan kekerasan vickers dengan letak saluran masuk di atas sebesar 10,34 % dan 94,06 HV sedangkan untuk letak saluran masuk di bawah sebesar 8,16 % dan 102,1 HV.
4.7 Perbandingan rata-rata keliling ukuran butir letak saluran masuk (ingate) di atas dan di bawah
Dari hasil pengamatan menggunakan mikroskop optik didapatkan data yang berupa gambar struktur mikro seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.7 di bawah ini.
commit to user
( a ) ( b)
Gambar 4.7 Struktur mikro paduan Al-Si perbesaran 100X, dietsa ( a. Letak saluran masuk di atas, b. Letak saluran masuk di bawah )
Selanjutnya data yang berupa file gambar diolah dengan menggunakan metode yang sama seperti yang dilakukan Dobrzanski dkk, yaitu menggunakan software image pro dengan pendekatan keliling untuk mengetahui ukuran butir paduan aluminium silikon. Dari hasil pengolahan data didapatkan hasil sebagai berikut.
Tabel 4.7 Rata-rata keliling ukuran butir
Variasi Spesimen
Daerah pengujian Rata-rata Rata-rata
A B C tiap spesimen
(µm) (µm)
ingate di atas
1 23,00 22,89 26,86 24,25
25,39
2 21,95 32,45 26,24 26,88
3 21,81 30,15 35,00 28,99
4 24,73 24,09 23,12 23,98
5 21,15 22,04 25,43 22,87
ingate di bawah
1 21,05 23,12 20,98 21,72
22,77
2 25,06 22,09 19,22 22,12
3 27,84 23,04 25,70 25,53
4 24,98 20,54 18,31 21,28
5 27,07 22,35 20,27 23,23
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
Gambar 4.8 Grafik perbandingan rata-rata keliling butir letak saluran masuk di atas dan di bawah
Dari grafik di atas dapat diketahui letak saluran masuk di atas memiliki rata-rata kelilingr ukuran butir sebesar 25,39 µm. Sedangkan letak saluran masuk di bawah rata-rata keliling ukuran butir sebesar 22,77 µm. Dapat disimpulkan bahwa letak saluran masuk di bawah memiliki struktur butir yang lebih halus dibandingkan dengan letak saluran masuk di atas. Ukuran butir suatu material berbanding terbalik dengan nilai kekerasannya dimana semakin halus ukuran butir maka kekerasannya semakin meningkat sebaliknya semakin besar ukuran butir maka kekerasannya menurun.
4.8 Perbandingan waktu tuang sesungguhnya dengan waktu tuang teoritis
Gambar 4.9 Grafik Perbandingan waktu tuang sesungguhnya dengan waktu tuang teoritis
commit to user
Dari grafik di atas dapat disimpulkan waktu tuang rata-rata sesungguhnya dengan berat benda cor rata-rata 0,65 kg yaitu 5,5 detik, sedangkan melalui perhitungan didapat waktu tuang rata-rata untuk berat benda cor yang sama yaitu 1,61 detik. Waktu tuang yang sesungguhnya lebih lambat 3,89 detik dari waktu tuang teoritis, waktu tuang yang lambat dapat menyebabkan fluiditas logam cair turun selain itu kontak logam cair dengan udara juga akan semakin lama yang akan memicu reaksi oksidasi dan menimbulkan oksida logam. Hal ini juga dapat menjadi salah satu faktor penyebab timbulnya cacat porositas dalam persentase yang besar.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, pengujian dan analisa dapat disimpulkan sebagai berikut;
1. Letak saluran masuk (ingate) di atas memiliki rata-rata persentase cacat porositas 10,34 % sedangkan variasi letak saluran masuk di bawah sebesar 8,16 %.
2. Rata-rata kekerasan letak saluran masuk di atas sebesar 94,06 HV sedangkan letak saluran masuk di bawah sebesar 102,1 HV.
3. Ukuran butir pada letak saluran masuk di bawah lebih halus dengan rata-rata keliling butir sebesar 22,77 µm dibandingkan letak saluran masuk di bawah dengan rata-rata keliling butir sebesar 25,39 µm.
5.2 Saran
Berdasarkan pelaksanaan dan hasil penelitian dapat disarankan;
1. Melakukan penelitian terhadap variasi penampang saluran turun 2. Melakukan penelitian terhadap variasi gating ratio pressurised system
42
