BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Rem Kereta Api
Pemakaian blok rem komposit menggantikan blok rem berbahan besi cor untuk kanvas kereta api di Indonesia sudah dimulai sejak dasa warsa terakhir. Blok rem komposit pada mulanya diperkenalkan di Indonesia oleh para importir asing dengan blok rem merek Fituris (Australia), Ferodo (Inggris), Marquist (China), Nabco (Jepang) dan dari Sideria (Ipung Kurniawan, et.all., 2011). Baru sejak tahun 2002 blok rem komposit diproduksi di tanah air, dan saat ini sudah ada sekurang-kurangnya 3 pabrik blok rem komposit lokal dan 2 diantaranya telah mendapat sertifikasi dari PT. KAI (Agung, 2009).
Blok rem yang terbuat dari material besi cor mempunyai berat 11-12 kg. Blok rem seberat ini dapat mempersulit proses pemasangan atau biaya pemasangan yang tinggi. Umur pemakaian hanya mencapai satu bulan dan nilai jual bahan bekasnya masih relatif tinggi (Agung, 2009). Berbagai macam usaha dilakukan untuk mencari alternatif material yang mempunyai sifat ringan, keras dan tahan aus sebagai pengganti blok rem berbahan besi cor. Namun demikian hasil yang diperoleh belum bisa seperti yang diharapkan. Salah satu upaya yang telah ditempuh adalah menggabungkan dua material penyusunnya, yaitu matriks dan penguat. (Ipung, et.all., 2011).
Keunggulan dari blok rem berbahan komposit adalah tidak memiliki salvage value atau nilai jual bahan bekasnya tidak ekonomis, sehingga anti pencurian. Disamping itu gesekan dengan roda tidak menimbulkan percikan api sehingga sangat layak untuk applikasi di kereta barang (kereta parcel) khususnya kereta yang mengangkut bahan yang explosive seperti minyak atau gas dan lain lain. Penggantian blok rem metalik (Cast Iron) menjadi blok rem komposit dengan mempertimbangkan aspek ekonomis dimana kanvas rem komposit memiliki keunggulan dibanding rem metalik.
Keunggulan blok rem komposit adalah sebagai berikut :
1. Rem komposit memiliki umur ekonomis 3 kali lipat disbanding blok rem besi cor (bisa bertahan 3 bulan).
2. Rem komposit lebih ringan, sehingga memudahkan penggantian (replacement).
3. Rem komposit memiliki harga lebih murah , karena usia pakai lebih panjang. 4. Rem komposit tidak rawan pencurian karena tidak bisa dijual kiloan seperti
rem besi (metalik).
5. Rem komposit tidak memercikan api yang terjadi saat pengereman (gesekan) sehingga aman jika digunakan untuk kerena yang mengangkut bahan bakar seperti minyak, gas, batubara dan lain-lain.
Bahkan menurut rencana secara gradual PT KAI akan mengganti rem blok metalik (Cast Iron) menjadi rem blok komposit, karena alasan ekonomis, dengan memakai rem blok komposit maka efisiensi yang di dapat hampir 3 kali dibanding rem blok metalik (Cast Iron). Rem jenis ini telah digunakan di perkeretaapian PT.KAI dan juga di luar negeri seperti di Jepang, Eropa, Australia dan beberapa Negara tetangga di Asia, seperti Malaysia, Thailand dan India (Agung, 2009).
Bagaimanapun blok rem komposit harus tahan aus atau memiliki ketahanan aus minimal 3 bulan (umur ekonomis), memiliki bobot ringan, memiliki sifat ulet, cukup keras tapi tidak mudah pecah/hancur, dan memiliki konduktivitas panas tertentu untuk menghantarkan panas yang timbul akibat gaya gesek radial, sehingga panas tidak berbalik ke roda yang menyebabkan thermal crack (Agung, 2009).
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2.1. Aplikasi material gesek pada rem kereta api : a) brake pad, b) brake lining, c) kopling, d) rem kereta api (Rachman, 2010).
2.1.1 Aluminium
Aluminium ditemukan oleh Sir Humphrey Davy pada tahun 1809 sebagai suatu unsur dan pertama kali direduksi dengan logam oleh H. C. Oersted pada tahun 1825. Secara industri tahun 1886, Paul Herould di Prancis dan C. N. Mall di Amerika Serikat secara terpisah telah memperoleh logam aluminium dari alumina dengan cara elektrolisa dari garamnya yang terfusi. Sampai sekarang proses Herould Hall masih dipakai untuk memproduksi aluminium. Bahan dasar pembuatan aluminium adalah bauksit (biji aluminium) yang kemudian di ubah menjadi Alumina. Alumina inilah yang akan dielektrolisa membentuk aluminium ingot. Biji Aluminium biasanya berupa senyawa oksida berupa Bayerit , Gibbsit atau hidrargilat , diaspor , Bohmit.
Aluminium merupakan unsur yang sangat reaktif sehingga mudah teroksidasi. Karena sifat kereaktifannya maka aluminium tidak ditemukan di alam dalam bentuk unsur melainkan dalam bentuk senyawa baik dalam bentuk oksida alumina maupun silikon. Sumber aluminium yang sangat ekonomis adalah bauksit. Bauksit adalah biji yang banyak mengandung alumina (Al2O3) yakni 30 – 60% serta 12 – 30% adalah air. Makin banyak oksida besi yang mengotori maka akan semakin gelap warnanya. Bauksit dapat berwarna putih, krem, kuning, merah atau coklat dapat sekeras batu. Namun ada pula yang selembek tanah lempung.
Paduan aluminium mengandung 99% aluminium dan 1% mengandung mangan, besi, silikon, tembaga, magnesium, seng, krom, dan titanium. Menurut Schenk, paduan aluminium mengandung logam lain, seperti: besi 0,5%, Silikon 2 – 3 %, tembaga 1 – 2%, seng 0,9%, Mangan 0,5 – 0,8% , Magnesium 0,7%, Krom 0,3%, dan Titanium 0,3%. Aluminium juga memiliki sifat yang lebih unggul dibandingkan dengan sifat logam lain. Sifat-sifat aluminium yang lebih unggul bila dibandingkan dengan logam lain adalah sebagai berikut:
1. Ringan
Massa jenis Aluminium pada suhu kamar 29 oC sekitar 2,7 gr/cm3. 2. Kuat
Aluminium memiliki daya renggang 8 kg/mm3, tetapi daya ini dapat berubah menjadi lebih kuat dua kali lipat apabila Aluminium tersebut dikenakan proses
pencairan atau roling. Aluminium juga menjadi lebih kuat dengan ditambahkan unsur-unsur lain seperti Mg, Zn, Mn, Si.
3. Ketahanan terhadap korosi
Aluminium mengalami korosi dengan membentuk lapisan oksida yang tipis dimana sangat keras dan pada lapisan ini dapat mencegah karat pada Aluminium yang berada di bawahnya. Dengan demikian logam Aluminium adalah logam yang mempunyai daya tahan korosi yang lebih baik dibandingkan dengan besi dan baja lainnya.
4. Daya hantar listrik yang baik
Aluminium adalah logam yang paling ekonomis sebagai penghantar listrik karena massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis tembaga, dimana kapasitas arus dari aluminium kira-kira dua kali lipat dari kapasitas arus pada tembaga. 5. Anti magnetis
Aluminium adalah logam yang anti magnetis. 6. Toksifitas
Aluminium adalah logam yang tidak beracun dan tidak berbau. 7. Kemudahan dalam proses
Aluminium mempunyai sifat yang baik untuk proses mekanik dari kemampuan perpanjangannya, hal ini dapat dilihat dari proses penuangan, pemotongan, pembengkokan, ekstrusi dan penempaan aluminium
8. Sifat dapat dipakai kembali
Aluminium mempunyai titik lebur yang rendah, oleh karena itu kita dapat memperoleh kembali logam aluminium dari scrap.
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai sifat ketahanan korosi yang baik. Material ini digunakan dalam bidang yang luas bukan hanya untuk peralatan rumah tangga saja tetapi juga dipakai untuk kepentingan industri, misalnya untuk industri pesawat terbang, mobil, kapal laut dan konstruksi-konstruksi yang lain. Untuk mendapatkan peningkatan kekuatan mekanik, biasanya logam aluminium dipadukan dengan unsur Cu, Si, Mg, Ti, Mn, Cr, Ni, dan sebagainya.
Aluminium didapat dalam keadaan cair dengan elektrolisa, umumnya mencapai kemurnian hingga 99,85% berat, tetapi untuk mengolah biji logam
menjadi aluminium memerlukan energi yang besar, sedangkan sumber biji aluminium semakin berkurang. Salah satu usaha untuk mengatasi hal ini adalah dengan melakukan daur ulang. Pada perusahaan pengecoran industri kecil kebanyakan tidak semua menggunakan bahan aluminium murni, tetapi memanfaatkan sekrap ataupun rijek materials dari peleburan sebelumnya. Proses pengecoran dengan menggunakan bahan baku yang sebelumnya pernah dicor dinamakan remelting.
Gambar 2.2. Diagram Fasa Aluminium (fannowidy.blogspot.com).
Aluminium juga mempunyai sifat kimia dan fisika yang khas. Sifat ini membedakan Aluminium dari logam-logam lain. Sifat-sifat khas Aluminium tersebut adalah sebagai berikut:
1. Sifat kimia
Aluminium mempunyai nomor atom 13, dan massa atom relatif 26,98. Aluminium juga bersifat amfoter. Ini dapat ditunjukkan pada reaksi sebagai berikut:
Atomic Percent Copper
T em p er atu re o C Al Cu Al Cu 660.452 o C
a. Al2O3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2O b. Al2O3 + 6NaOH 2Na3AlO2 + 6H2O
2. Sifat Fisika
Aluminium memiliki sifat fisika seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut:
Tabel 2.1 Sifat-sifat Aluminium
Sifat Nilai
Jari-jari atom 125 pm
Density (660 oC) 2,368 gr/cm3 Density ( 20 oC) 2,6989 gr/cm3 Potensial elektroda (25 oC) -1,67 volt Kapasitas panas (25 oC) 5,38 cal/mol oC
Panas pembakaran 399 cal/gr mol
Tensile strength 700 Mpa
Kekerasan brinnel 245 Mpa
Hantaran panas (25 oC) 0,49 cal/det oC Kekentalan (700 oC) 0,0127 poise
Panas peleburan 10,71 kJ•mol−1
Panas uap 294,0 kJ•mol−1
Massa atom 26,98 gr/mol
Titik lebur 660 oC
Struktur kristal kubus FCC Sumber :Douglas M. Considin P. E., 1983
Neff (2002) dalam papernya menjelaskan bahwa untuk memenuhi tuntutan pasar dari aluminium tuang dewasa ini harus memfokuskan pada peningkatan kualitas logam dengan pengembangan pada proses peleburan. Proses difokuskan pada eliminasi berbagai kotoran yaitu inklusi yang mcrupakan problem serius dalam memproduksi hasil coran yang berkualitas. Inklusi yang dimaksud adalah gas hidrogen yang dapat larut pada aluminium cair yang menyebabkan porositas pada pengecoran. Daya larut hidrogen meningkat bila temperatur naik. Tingkat
kelarutan hidrogen pada paduan aluminium tidak sama. Pada saat pembekuan, gas hidrogen masih tersisa sehingga pada hasil pengecoran terdapat cacat. Dijelaskan pula bahwa tidak semua porositas diakibatkan oleh gas hidrogen tetapi disebabkan pula oleh penyusutan. Penyusutan yang terjadi pada saat aluminium membeku sebesar 6% dari volume ketika aluminium bertransformasi dari cair ke padat.
Gambar 2.3. Pengaruh suhu pada kelarutan hidrogen dalam aluminium. (Charis. S. H., 2006).
Hal-hal yang mempengaruhi sifat-sifat paduan aluminium antara lain adalah unsur-unsur sebagai berikut :
a. Silisium (Si)
Unsur Si dalam paduan aluminium mempunyai pengaruh positif antara lain adalah :
1. Meningkatkan daya tahan terhadap korosi 2. Memperbaiki sifat-sifat atau karakteristik coran 3. Menurunkan penyusutan dalam hasil cor
Pengaruh negatif yang ditimbulkan unsur Si adalah sebagai berikut : 1. Penurunan keuletan bahan terhadap beban kejut
2. Hasil cor akan rapuh jika kandungan silikon terlalu tinggi. b. Tembaga (Cu) Pure Al 356 Alloy 319 Alloy 600 700 800 900 Temperature (oC) S o lu b ilit y ( c c / 1 0 0 g ) 10 1 0.1 0.01 10-3 10-4 10-5 10-6 ( w t % H )
Pengaruh positif yang dapat ditimbulkan oleh unsur Cu dalam paduan aluminium antara lain adalah :
1. Meningkatkan kekerasan bahan 2. Memperbaiki kekuatan tarik
3. Mempermudah proses pengerjaan dengan mesin.
Pengaruh negatif yang dapat ditimbulkan oleh unsur Cu adalah : 1. Menurunkan daya tahan terhadap korosi
c. Unsur Magnesium (Mg)
Pengaruh positif yang dapat ditimbulkan oleh unsur Mg dalam paduan aluminium antara lain adalah :
1. Meningkatkan daya tahan terhadap korosi 2. Meningkatkan kekuatan mekanis
3. Menghaluskan butiran kristal secara efektif 4. Meningkatkan ketahanan beban kejut/impak.
Pengaruh negatif yang ditimbulkan oleh unsur Mg :
1. Meningkatkan kemungkinan timbulnya cacat pada hasil pengecoran
2.1.2 Material Keramik SiC
Keramik mempunyai ikatan ionik yang tinggi, keadaan sedemikian menyebabkan bahan ini dikategorikan sebagai bahan yang bersifat kuat dan rapuh. Selain material keramik bersifat rapuh, tetapi juga mempunyai kelebihan, antara lain : koefisien ekspansi termalnya rendah sehingga lebih tahan terhadap kejut suhu. Ketahanannya pada suhu tinggi merupakan sifat penting dan menjadi faktor utama untuk dipertimbangkan dalam pemilihan bahan baru keramik yang berkekuatan tinggi. Kelemahan dari material keramik adalah sifat rapuhnya, sehingga bila terjadi retak mikro, maka akan mudah menjalar retakan tersebut dan dapat menyebabkan kerusakan (failure).
Silikon karbida dengan formula SiC tergolong salah satu jenis material keramik non oksida. SiC membentuk struktur tetrahedral dari ikatan atom karbon C dan atom Si. Material ini tergolong material yang sangat keras dan tahan terhadap abrasive. Serbuk keramik SiC ada dua macam, dapat di bagi berdasarkan bentuknya, yaitu: partikulat dan serabut (whiskers).
Silikon karbida (SiC) memiliki kurang lebih 70 bentuk kristal, dan yang paling terkenal adalah struktur kristal heksagonal dengan komponen alpha silikon
karbida (α-SiC) dan mulai terbentuk pada suhu sekitar 2000oC. selain α-SiC juga ada struktur beta silikon karbida (β-SiC), fasa ini terbentuk dibawah suhu 2000oC, dan terbanyak yang beredar dipasaran adalah β-SiC (Khairul Sakti, 2009).
Silikon karbida SiC memiliki densitas sekitar 3.2 g/cm3, memiliki temperatur sublimasi sekitar 2700 oC sehingga banyak dipergunakan sebagai bearings dan sparepart untuk tungku. Silikon karbida tidak mudah melebur pada berbagai kondisi tekanan, dan relatif lebih tahan terhadap bahan kimia. Pada gambar di
bawah diperlihatkan (a) struktur kubus β-SiC, dan (b) struktur heksagonal α-SiC (Surdia, T. dan Shinroku,S., 1995).
(a) (b)
Gambar 2.4. (a) struktur β-SiC, (b) struktur heksagonal α-SiC (Surdia, T. dan shinroku, S., 1995).
Keramik SiC memiliki kuat tekan sebesar 4600 Mpa, dan koefisien ekspansi termal yang relatif rendah, yaitu: 4.51 – 4.73 µm/m oC (Zheng Ren dan Sammy Lap Ip Chan, 2000). Sifat-sifat SiC yang paling istimewa, antara lain: daya hantar panas tinggi, tahan pada temperatur tinggi, nilai kekerasan tinggi, tahan kejutan termal dan tahan terhadap korosi. Ketahanan SiC terhadap korosi ditunjukkan dengan adanya abu batubara, slag asam, dan slag netral pada saat material tersebut diaplikasikan. Ketahanan panas SiC ditunjukkan dari suhu pemakaian yang dapat
mencapai 2200 – 2700 oC. Pada 1000 oC terbentuk lapisan oksidasi berupa SiO2. Material SiC mempunyai ketahanan oksidasi di udara terbuka mampu mencapai suhu 1700 oC (Peter,T.B, 1990).
Silikon karbida dibuat melalui proses reduksi silika dengan karbon pada suhu tinggi. Untuk mendapatkan SiC dengan kemurnian tinggi maka terlebih dahulu silika dicuci dengan hydrofluoric acid (Dynacer, 2009).
Tabel 2.2 Sifat-sifat keramik SiC
Property Unit Typical Value
Composition - SiC
Grain Size µ m 4 – 10
Density g/cm3 3.10
Hardnees (Knoop) kg/mm2 2800
Flexural Strengh 4 pt @ RT MPa x 10 3 lb/in2
380 55 Flexural Strenght 3pt @ RT MPa
x 10 3 lb/in2
550 80 Compressive strenght @ RT MPa
x 10 3 lb/in2
3900 560 Modulus of Elasticity @ RT GPa
x 106 lb/in2
410 59
Welbull Modulus (2 Parameter) 8
Poisson Ratio 0,14
Fracture Toughness @ RT MPa x m1/2 4,60 Double Torsion & SEN B x 103 lb/in2 x in1/2 4,20 Coefficient of Thermal Expansion x 104 mm/mmk 4,02
RT to 700 oC x 104 in/in oF 2,20
Maximum Service Temp. oC 1900
Air oF 3450
Mean Specific Heat @ RT J/gmk 0,67
Thermal Conductivity @ RT W/mK Btu/ft h of 125,6 72,6 @ 200 oC W/mK Btu/ft h of 102,6 59,3 @ 400 oC W/mK Btu/ft h of 77,5 44,8 Permeability @ RT to 1000 oC Impervious to gases over 31 MPa Electrical Resistivity @ RT Ohm-cm 102 - 1011 @ 1000 oC Ohm-cm 0.001 – 0.2
Emissivity 0,9