PENGARUH SiC TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN MIKROSTRUKTUR PADA ALUMINIUM A356 MENGGUNAKAN PENGECORAN METODE COOLING
SLOPE
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIKI ARI SANDI NIM. 140401021
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas berkat rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Pengaruh SiC Terhadap Sifat Mekanik dan Mikrostruktur pada aluminium A356 Menggunakan Pengecoran metode Cooling Slope”.Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis banyak mendapat bantuan baik moral maupun material dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Bapak dan Ibu yang selalu memberikan doa, semangat, dan dukungan baik secara moral dan material.
2. Bapak Ir. Tugiman, MT. selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
5. Saudara-saudari penulis yang telah memberikan perhatian dan dukungan kepada penulis.
6. Suhandi Rivan Azis ,Rizky Abdilah Lubis dan Bayu Adithya yang selalu setia menemani dan membimbing dalam melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini.
7. Rika Rahma wati selaku teman dekat yang membimbing dalam penyelesaian skripsi ini.
8. Seluruh teman-teman dari Menuju Tak Terbatas, yang selalu membantu penulis dan memberikan semangat untuk penulis dalam menyelesaikan laporan ini.
9. Seluruh mahasiswa Teknik Mesin USU Stambuk 2014, yang tidak dapat ditulis satu-persatu yang telah memberi bantuan, doa dan semangat.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, 16 Januari 2019 Penulis
Diki Ari Sandi NIM. 140401021
ABSTRAK
Aluminium matrix composite memiliki sifat mekanis yang baik dibandingkan dengan paduan aluminium tanpa penguat. Jenis aluminium yang digunakan A356 yang banyak dipergunakan pada bidang teknik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh sudut kemiringan yang dilakukan pada saat pengecoran logam terhadap sifat mekanis kekerasan, impak, tarik, keausan dan mikrostruktur.
Spesimen dibuat menggunakan pengecoran metode cooling slope dengan diberi variasi sudut kemiringan 15o, 30o, 45o, 60o, dan 75o dengan temperatur tuang 680oC serta campuran SiC 0,5%wt dan 2,5%wt. Kekerasan rata-rata tertinggi diperoleh pada campuran 2,5%wt SiC sudut kemiringan 30oadalah 55,74 BHN.
Energi impak tertinggi didapat pada campuran 0,5%wt dengan sudut kemiringan 75o yaitu sebesar 12,87 Joule dan nilai tertinggi sebesar 0,156 Joule/mm.
Pengujian keausan dilakukan dengan metode pin on disk dengan variasi putaran 150 Rpm, 180 Rpm, 210 Rpm. Nilai rata-rata tegangan tarik material Al-SiC tertinggi didapat pada variasi kemiringan 30o yaitu sebesar 119,91 Mpa. Hasil mikrostruktur memperlihatkan peningkatan sudut kemiringan berpengaruh terhadap struktur mikro Al-SiC. Sudut Kemiringan dan komposisi SiC yang diberikan berpengaruh dalam memperbaiki sifat mekanis, berupa meningkatkan kekerasan bahan, kekuatan impak, menurunkan laju keausan, meningkatkan kekuatan tarik dan memperhalus mikrostruktur.
kata kunci : Aluminium matrix composites, sudut kemiringan, Cooling slope, SiC, sifat mekanis, mikrostruktur .
ABSTRACT
Aluminum matrix composite has good mechanical properties compared to aluminum alloys without reinforcement. The type of aluminum used A356 is widely used in engineering. This study aims to determine the effect of the slope angle carried out when casting metal on mechanical properties of hardness, impact, tensile, wear and microstructure. Specimens were made using casting slope cooling methods with variations in slope angle 15o, 30o, 45o, 60o, and 75o with a pour temperature of 680oC and a mixture of SiC 0.5 and 1.5%. The highest average hardness obtained in the 2.5% SiC mixture of 30o slope angle is 55.74 BHN.The highest impact energy was obtained at a mixture of 0.5% with a slope of 75o which was equal to 12.87 Joules and the highest value was 0.156 Joule / mm.The highest impact energy was obtained at a mixture of 0.5% with a slope of 75o which was equal to 12.87 Joules and the highest value was 0.156 Joule / mm.
Wear testing is done by pin on disk method with variations in rotation of 150 Rpm, 180 Rpm, 210 Rpm. The highest average tensile stress of Al-SiC material is obtained at 30o slope variation that is equal to 119.91 Mpa.Microstructure results showed an increase in slope angle affecting the microstructure of Al-SiC. The slope angle and composition of SiC provided have an effect on improving mechanical properties, in the form of increasing material hardness, impact strength, reducing wear rates, increasing tensile strength and softening microstructure.
keywords : Aluminum matrix composites, slope angle, Cooling slope, SiC, mechanical properties, microstructure
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK...iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR NOTASI ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Batasan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 2
1.4 Manfaat Perancangan ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Aluminium ... 5
2.1.1 Sisaf Mekanik Aluminium ... 6
2.1.2 Macam-macam Paduan Alumunium ... 7
2.2 Komposit ... 15
2.2.1 Metal Matrix Composites (MMC)...17
2.2.2 Aluminium Matrix Composite (AMCs)...19
2.3 Metode –Metode Pengecoran ... 19
2.4 Cooling Slope ... 21
2.4.1 Pengaruh Temperatur Tuang pada Cooling Slope ... 22
2.4.2 Pengaruh Sudut Kemiring pada Cooling Slope ... 23
2.5 Bahan Peyusun ... 24
2.5.1 Aluminium A356 ... 24
2.5.2 Silikon Karbida (SiC) ... 25
2.6 Sifat Mekanis ... 28
2.6.1 Uji Kekerasan ... 29
2.6.2 Uji Keausan ... 29
2.6.3 Uji Impact... 31
2.6.4 Uji Impact... 33
2.6.5 Metalografi ... 33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35
3.1 Tempat ... 35
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ... 36
3.2.1 Bahan Penelitian ... 36
3.2.2 Alat Penelitian ... 37
3.3 Diagram Alir Penelitian ... 50
3.4 Prosedur Penelitian ... 52
3.4.1 Proses Penimbangan Bahan ... 52
3.4.2 Proses Pengecoran Logam ... 52
3.4.3 Pengujian Kekerasan ( hardness test ) ... 53
3.4.4 Pengujian Impak (Impact test ) ... 54
3.4.5 Pengujian Keausan (Wear Test) ... 54
3.4.6 Pengujian Metalografi (Metallography Test) ... 55
3.4.7 Pengujian Tarik (Tensile Strength) ... 56
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 57
4.1 Hasil Pengecoran A356+ SiC Metode Cooling Slope ... 57
4.2 Hasil Pengujian ... 57
4.2.1 Hasil Pengujian Kekerasan ... 58
4.2.2 Hasil Pengujian Impact ... 63
4.2.3 Hasil Pengujian Metallografi ... 71
4.2.4 Hasil Pengujian Aus ... 78
4.2.5 Hasil Pengujian Tensile ... 89
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 101
5.1 Kesimpulan ... 102
5.2 Saran ... 102
DAFTAR PUSTAKA ... 103
LAMPIRAN ... 106
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat- sifat fisik aluminium.. … ... .7
Tabel 3.1 Tempat Penelitian. … ... 35
Tabel 3.2 Komposisi Aluminium A356 . … ... 36
Tabel 4.1 Hasil Uji Kekerasan pada spesimen 0,5% SiC ... … ... 60
Tabel 4.2 Hasil Uji Kekerasan pada spesimen 2,5% SiC.. … ... 61
Tabel 4.3 Nilai rata-rata BHN 2,5% SiC dan 0,5%SiC.. … ... 52
Tabel 4.4 Hasil uji impact energy yang di serap.. … ... 65
Tabel 4.5 Hasil uji impact nilai impact… ... 67
Tabel 4.6 Laju keausan pada Spesimen 0,5% SiC Variasi 210 rpm.. … ... 86
Tabel 4.7 Laju keausan pada Spesimen 0,5% SiC Variasi 180 rpm.. … ... 87
Tabel 4.8 Laju keausan pada Spesimen 0,5% SiC Variasi 150 rpm.. … ... 87
Tabel 4.9 Laju keausan pada Spesimen 2,5% SiC Variasi 210 rpm.. … ... 88
Tabel 4.10 Laju keausan pada Spesimen 2,5% SiC Variasi 180 rpm.. … ... 88
Tabel 4.11 Laju keausan pada Spesimen 2,5% SiC Variasi 150 rpm.. … ... 88
Tabel 4.12 Hasil uji tarik komposisi SiC 0,5%wt.. … ... 92
Tabel 4.13 Nilai Regangan A356 + 0,5%wt SiC.. … ... 95
Tabel 4.14 Hasil uji tarik komposisi SiC 2,5%wt.. … ... 96
Tabel 4.15 Nilai Regangan A356 + 0,5%wt SiC.. … ... 100
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram fasa paduan Al-Si ... 8
Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si ... 9
Gambar 2.3(a) Struktur mikro paduan hypoeutectic. (b) Struktur mikro Paduan eutectic. (c) Struktur mikro paduan hypereutectic ... 10
Gambar 2.4 Diagram fasa Al-Cu ... 10
Gambar 2.5 Diagram fasa paduan Al-Mg-Si ... 11
Gambar 2.6 Diagram fasa paduan Al-Mg-Zn ... 12
Gambar 2.7 Pembagian komposit berdasarkan bahan penguatnya ... 16
Gambar 2.8 Skema peralatan cooling rate ... …… ... 22
Gambar 2.9 Diagram SiC ... ……... ... 26
Gambar 2.10 Pengujian keuasan dengan metode pin on disk … ... 30
Gambar 2.11 Bentuk takikan dan dimensinya .... ... 32
Gambar 2.12 Mikroskop Metalurgi .... ... 32
Gambar 3.1 Alumunium 356 (ingot)… ... …... ... 36
Gambar 3.2 Serbuk SiC ... 37
Gambar 3.3 Arang Kayu Laut…... ... 37
Gambar 3.4 Dapur peleburan ... 38
Gambar 3.5 Cooling Slope ... 38
Gambar 3.6 Boron Nitride … ... 39
Gambar 3.7 cetakan permanen……… ... 39
Gambar 3.8 Krusibel ... 40
Gambar 3.9 Termokopel Type-K ... 41
Gambar 3.10 Timbangan Digital ... 41
Gambar 3.11 Timbangan Manual ... 42
Gambar 3.12 Blower … ... 42
Gambar 3.13 Mesin Gerinda Tangan ... 43
Gambar 3.14 Ragum. … ... 43
Gambar 3.15 Jangka sorong. …... 44
Gambar 3.16 Mesin sekrap datar. …... 44
Gambar 3.17 Mesin Bubut. … ... 45
Gambar 3.18 Mesin Gergaji. …... 45
Gambar 3.19 Pin on disk. … ... 46
Gambar 3.20 Brinell Hardness tester. … ... 47
Gambar 3.21 Impact Tester …... 47
Gambar 3.22 Mikroskop optic … ... 48
Gambar 3.23 Alat uji tarik …... 48
Gambar 3.24 Polishing machine … ... 49
Gambar 3.25 Diagram alir penelitian komposisi SiC 0,5%wt (7,5 gr).. … ... 50
Gambar 3.26 Diagram alir penelitian komposisi SiC 2,5%wt (37,5 gr). … ... 51
Gambar 3.27 Penimbangan bahan. …... 52
Gambar 4.1 Hasil pengecoran AMC metode Cooling Slope. … ... 57
Gambar 4.2 Spesimen Bagian atas , bagian tengah dan bagian bawah.… ... 58
Gambar 4.3 Grafik Kekerasan nilai rata-rata 0,5% SiC …... 60
Gambar 4.4 Grafik Kekerasan nilai rata-rata 2,5% SiC. … ... 61
Gambar 4.5 Grafik Kekerasan nilai rata-rata 2,5% dan 0,5% SiC. … ... 62
Gambar 4.6 Spesimen impact sebelum dan sesudah di uji. … ... 63
Gambar 4.7 Grafik Uji impak 2,5% SiC dan 0,5%. … ... 66
Gambar 4.8 Grafik nilai impak 2,5% dan 0,5% SiC… ... 67
Gambar 4.9 patahan sampel uji impak 0.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 68
Gambar 4.10 patahan sampel uji impak 0.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 68
Gambar 4.11 patahan sampel uji impak 0.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 68
Gambar 4.12 patahan sampel uji impak 0.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 69
Gambar 4.13 patahan sampel uji impak 0.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 69
Gambar 4.14 patahan sampel uji impak 2.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 70
Gambar 4.15 patahan sampel uji impak 2.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 70
Gambar 4.16 patahan sampel uji impak 2.5%wt SiC, 15o
bagian atas dan bawah. … ... 70
Gambar 4.17 patahan sampel uji impak 2.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 71
Gambar 4.18 patahan sampel uji impak 2.5%wt SiC, 15o bagian atas dan bawah. … ... 71
Gambar 4.19 Foto mikro 0,5% SiC 150 Pembesaran 100x dan 200 x… ... 72
Gambar 4.20 Foto mikro 0,5% SiC 300 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 73
Gambar 4.21 Foto mikro 0,5% SiC 450 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 73
Gambar 4.22 Foto mikro 0,5% SiC 600 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 74
Gambar 4.23 Foto mikro 0,5% SiC 750 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 74
Gambar 4.24 Foto mikro 2,5% SiC 150 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 75
Gambar 4.25 Foto mikro 2,5% SiC 300 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 76
Gambar 4.26 Foto mikro 2,5% SiC 450 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 76
Gambar 4.27 Foto mikro 2,5% SiC 600 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 77
Gambar 4.28 Foto mikro 2,5% SiC 750 Pembesaran 100x dan 200 x. … ... 77
Gambar 4.29 uji aus metode pin on disk (a) sebelum di uji, (b) setelah pengujian. … ... 78
Gambar 4.30 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 150. … ... 79
Gambar 4.31 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 300. … ... 79
Gambar 4.32 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 450. … ... 80
Gambar 4.33 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 600. … ... 80
Gambar 4.34 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 750. … ... 80
Gambar 4.35 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 150. … ... 81
Gambar 4.36 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 300. … ... 81
Gambar 4.37 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 450. … ... 82
Gambar 4.38 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 600. … ... 82
Gambar 4.39 Lebar jejak dan kedalam untuk variasi 750. … ... 82
Gambar 4.40 skematis spesimen hasil uji keausan. …... 84
Gambar 4.41 Laju keausan bahan alumunium-0.5%wt. SiC pada berbagai kecepatan sliding. … ... 87 Gambar 4.42 Laju keausan bahan alumunium-2.5% SiC
pada berbagai kecepatan sliding. … ... 89 Gambar 4.43 Spesimen Uji tarik sebelum dan sesudah di uji. … ... 91 Gambar 4.44 Ultimate tensile strength (UTS) alumunium-SiC 0,5%. … ... 93 Gambar 4.45 Bentuk patahan uji tarik 0,5%wt sudut 15o. … ... 93 Gambar 4.46 Bentuk patahan uji tarik 0,5%wt sudut 30o. … ... 94 Gambar 4.47 Bentuk patahan uji tarik 0,5%wt sudut 45o. … ... 94 Gambar 4.48 Bentuk patahan uji tarik 0,5%wt sudut 60o. … ... 94 Gambar 4.49 Bentuk patahan uji tarik 0,5%wt sudut 75o. … ... 95 Gambar 4.50 Diagram Regangan Vs Kemiringan Sudut. …... 96 Gambar 4.51 Ultimate tensile strength (UTS) alumunium-SiC 2,5%. … ... 97 Gambar 4.52 Bentuk patahan uji tarik 2,5%wt sudut 15o… ... 98 Gambar 4.53 Bentuk patahan uji tarik 2,5%wt sudut 30o… ... 98 Gambar 4.54 Bentuk patahan uji tarik 2,5%wt sudut 45o… ... 98 Gambar 4.55 Bentuk patahan uji tarik 2,5%wt sudut 60o… ... 99 Gambar 4.56 Bentuk patahan uji tarik 2,5%wt sudut 55o… ... 99 Gambar 4.57 Diagram Regangan Vs Kemiringan Sudut. …... 100
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
P Beban penekanan kg
D Diameter Bola Indentasi mm
d Diameter Indentasi mm
E Energi Serap Joule
P Berat Pendulum N
D Jarak Lengan Pengayun m
Cos β Sudut pemukulan akhir °
Cos α Sudut pemukulan awal °
Ki Nilai Impak Joule/mm²
A Luas penampang mm²
BHN kekerasan HB
Ra Roughness/kekasaran µm
a Lebar jejak µm
ᾱ Rata-rata lebar jejak µm
b Kedalaman jejak µm
Rata-rata kedalaman jejak µm b
W Beban N
T Waktu s
d Diameter pengujian mm
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
AMC (Aluminum Matrix Composites) adalah jenis material komposit logam dengan aluminium sebagai matrik dan serbuk Si,Mn,Ti dan Cu sebagai penguat.
AMC mempunyai prospek pengembangan yang bagus,didasari oleh sifat-sifatnya yang baik, seperti kekerasan dan kekuatan yang tinggi, mampu mesin yang baik, densitas yang rendah, bahan dasar yang mudah didapatkan, dengan harga yang ekonomis dan bersaing dengan material lain. AMC banyak dimanfaatkan pada bidang industri otomotif, penerbangan,dan pertahanan sebagai bahan kendaraan tempur yang membutuhkan performa tinggi. AMC bisa diaplikasi dalam permesinan pesawat terbang, dan aplikasi dalam industri otomotif.[1]
Penambahan partikel-partikel ini bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanis dari matrik aluminium. Sifat mekanis komposit yang dihasilkan tidak hanya dipengaruhi oleh jenis partikel yang digunakan, namun juga ukuran partikel mempengaruhi sifat mekanis seperti perilaku aus material. Selain jenis bahan yang digunakan, metode pembuatan juga akan mempengaruhi karakteristik bahan komposit. Penelitian terdahulu telah menerapkan beberapa teknik pengecoran pada pembuatan material komposit seperti stir casting Semua teknik yang digunakan umumnya bertujuan untuk mendapatkan material komposit dengan karakteristik yang diinginkan.
Produksi AMC yang diperkuat SiC mempunyai target memadukan sifat mekanik aluminium dan SiC. Kelebihan aluminium adalah ringan (masa jenis 2,7 gram/cm3), tahan korosi, dan mempunyai sifat mampu cor yang baik. Namun untuk aplikasi tertentu beberapa sifat mekanik aluminium perlu ditingkatkan diantaranya sifat kekuatan dan ketangguhan. Ketangguhan adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis dan menyerap energi dalam proses deformasi hingga mengalami perpatahan. Yang menjadi inti adalah besarnya energi yang disesap sebelum patah. Ketangguhan mempunyai relasi dengan kekuatan dan keuletan.
Dengan kata lain suatu material yang mempunyai kekuatan dan keuletan tinggi akan mempunyai ketangguhan yang tinggi pula. Demikian pula sebaliknya material yang
mempunyai kekuatan dan keuletan rendah akan memiliki ketangguhan yang rendah.[1]
Penelitian mengenai komposit matrik aluminium telah banyak dilakukan, namun dari uraian diatas diketahui bahwa penggunaan cooling slope masih sangat terbatas. Berdasarkan hal tersebut maka pada penelitian ini dilakukan pembuatan komposit menggunakan pengecoran metode cooling slope pada berbagai kemiringan serta mengetahui pengaruh SiC terhadap sifat mekanik, Seperti pengujian kekerasan.imapk , mikrostruktur dan laju keausan.[2]
1.2 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada:
1. Material yang di gunakan Aluminium A356 dan Silicon Karbida (SiC) 2. Pengujian yang dilakukan adalah uji kekerasan, uji getas/ impact, uji
mikrostruktur dan keausan Bahan tambah yang akan digunakan sebagai penguat adalah Silikon Karbida (SiC) 0,5%wt(7,5 gr) dan 2,5%wt(37,5 gr) dari 1500 gr aluminium, dengan variasi sudut kemiringan cooling slope.
3. Pengecoran menggunakan variasi sudut kemiringan cooling slope yaitu 15º, 30 º, 45 º, 60 º, dan 75º.
4. Penuangan Aluminium Matrix composite (AMC) dilakukan pada suhu 680º C.
5. Pengujian Keausan menggunakan putaran sebesar 210 rpm 180 dan 150 rpm .
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui pengaruh kemiringan cooling slope terhadap sifat mekanik dengan bahan A356 dengan diperkuat partikel SiC.
2. Mengetahui pengaruh penambahan partikel SiC 0,5%wt (7,5 gr) dan 2,5%wt (37,5 gr) terhadap nilai kekerasan ,nilai impak, mikrostruktur dan kekuatan tarik dengan bahan A356.
3. Mengetahui pengaruh kecepatan sliding terhadap laju keausan bahan A356 dengan diperkuat partikel SiC.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapatkan dari penelitian ini adalah sebagai penambah wawasan bagi akademik dari hasil pengujian kekerasan, keausan, impak, mikrostruktur, dan kekasaran dari bahan Aluminium yang dilebur dengan bahan tambahan SiC dengan menggunakan metode Cooling Slope.
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut:
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.
2. Studi browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.
3. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Pada bab ini membahas tentang latar belakang dari judul yang telah dipilih, batasan masalah, tujuan perancangan, manfaat perancangan, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisi tentang landasan teori yang diperlukan dengan bahan AlumInium MMC, AMC,SiC ,Sifat Mekanis.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini memberikan informasi mengenai waktu dan tempat penelitian, alat dan bahan yang digunakan
BAB IV : HASIL DAN ANALISA PENELITIAN
Pada bab ini membahas tentang perancangan rangka alat uji radiator, perhitungan sistem pemanas, perhitungan debit fluida dan perancangan dimensi alat uji radiator.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini membahas tentang kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan serta saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya.
DAFTAR PUSTAKA
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.
LAMPIRAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aluminium
Aluminium pertama kali ditemukan tahun 1825, logam ini dialam bebas terdapat pada bauksit yang berupa senyawa oksida lumanium yang tidak murni, selain itu terdapat silika dan oksida besi. Untuk memisahkan aluminium dari unsur-unsur diatas dikembangkan proses reduksi elektrolisa, sehingga dihasilkan aluminium dengan kadar Al (90 - 98) %, Aluminium murni mempunyai sifat lunak dan kurang kuat terhadap gesekan.[3]
Aluminium merupakan logam non-ferrous dan merupakan logam kedua terbesar yang dipergunakan oleh industri komponen setelah baja. Kelebihan dari logam Aluminium adalah memiliki berat sepertiga dari berat baja (ρ: 2,7 g/cm3), memiliki konduktifitas panas dan listrik yang baik, rasio kekuatan dan berat yang tinggi, tahan terhadap korosi, memiliki sifat formability yang baik serta mudah dicetak. Aluminium merupakan salah satu material yang sangat banyak dipergunakan dalam bidang teknik, namun sangat jarang dipergunakan dalam kondisi Aluminium murni. Aluminium yang dijumpai dalam bidang teknik kebanyakan dalam bentuk alloy dengan unsur penambah utama seperti Silikon, Copper, Magnesium, Iron, Mangan dan Zincum.[4]
Aluminium adalah logam yang ringan dan cukup penting dalam kehidupan manusia. Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur, dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol (sma). Di dalam udara bebas aluminium mudah teroksidasi membentuk lapisan tipis oksida (Al2O3) yang tahan terhadap korosi. Aluminium juga bersifat amfoter yang mampu bereaksi dengan larutan asam maupun basa. Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik dan hantaran listrik yang baik dan sifat – sifat yang baik lainnya sebagai sifat logam.
Pengecoran Aluminium akan berakibat penurunan sifat mekanis (tarik dan impak) dari logam, yang terjadi akibat peningkatan porositas (Purnomo,2004).
Porositas yang terjadi pada saat pengecoran Aluminium dapat dieleminir dengan mengontrol gas/oksigen dan variable pengecoran lainnya seperti, temperatur, laju
pembekuan, laju pendinginan yang dapat dilakukan dengan tersedianya dapur peleburan yang memadai.[6]
2.1.1 Sifat Mekanik Aluminium
Sifat mekanik menyatakan kemampuan suatu bahan (termasuk juga komponen yang terbuat dari bahan tersebut) untuk menerima beban atau gaya tanpa menimbulkan kerusakan pada bahan atau komponen tersebut. Sifat-sifat mekanik bahan merefleksikan hubungan antara pembebanan yang diterima suatu bahan dengan reaksi yang diberikan atau deformasi yang akan terjadi. Sifat aluminium murni dan aluminium paduan sangat dipengaruhi oleh konsentrsi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut.
Adapun sifat-sifat mekanik dari aluminium adalah sebagai berikut:
1. Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik adalah besar tegangan yang didapatkan ketika pengujian tarik. Kekuatan tarik ditujukan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan –regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadi ketika terjadinya necking. Kekuatan tarik bukanlah ukuran kekuatan suatu acuan terh adap kekuatan bahan. Kekuatan tarik pada aluminium mumi pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, yaitu sekitar 90 Mpa, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tarik yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan dipadukan dengan logam lain, ditambah dengan berbagai perlakuan termal, alumInium paduan akan memiliki kekuatan tarik hingga 600 Mpa.
2. Kekerasan
kemampuan suatu bahan untuk tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), indentasi atau penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance). Kekerasan suatu bahan dipengaruhi oleh elastistisitas, plastisitas, viskoelastisitas, kekuatan tarik, ductility, dan sebagainya.
Kekerasan dapat diuji dan diukur dengan berbagai metode. Yang paling umum adalah metode Brinnel, Vickers, Mohs, dan Rockwell.
3. Tahan Terhadap Korosi
Aluminium memiliki sifat durable, sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur - unsur seperti air, udara, suhu dan unsur - unsur kimia. Pada tabel memperlihatkan sifat-sifat fisik aluminium yaitu :
Tabel 2.1 Sifat- sifat fisik aluminium
2.1.2 Macam–Macam Paduan Aluminium
Klasifikasi pada paduan aluminium yang biasanya digunakan pada proses pembuatan velg, dapat kita lihat sebagai berikut ;
a. Paduan Al – Si
Paduan Al-Si merupakan material yang memiliki sifat mampu cor yang baik dan dapat diproses dengan permesinan. Paduan jenis Al-Si banyak digunakan sebagai bahan dasar pemesinan. Paduan logam Al-Si sangat cocok untuk penggunaan pada pengecoran HPDC (High Pressure Die Casting). Diagram fasa paduan Al-Si ditunjukkan pada Gambar dimana diagram fasa ini digunakan sebagai pedoman umum untuk menganalisa perubahan fasa pada proses pengecoran Al-Si.
Aluminium Hasil Fisik Aluminium
Wujud Padat
Massa jenis 2,70 gram/cm3
Massa jenis pada wujud cair 2,375 gram/cm3
Titik lebur 933,47 K. 660,32 0C. 1220,58 0F Titik didih 2792 K. 1800 0C. 4566 0F Konduktifitas Termal 0.51 cal/cm/ºC/s 35x104 Ohms-1
Kekuatan Tarik U.T.S = 90N/mm2
Kekerasan U.T.S = 90N/mm2
Gambar 2.1 Diagram fasa Al-Si (Pengetahuan bahan teknik, 1999)
Paduan logam Aluminium memiliki daerah sistem biner, mulai dari sistem yang paling sederhana hingga sistem yang paling kompleks. Secara garis besar paduan Aluminium-Si dibagi 3 daerah utama, seperti terdapat pada gambar 2.2
Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si
1. Daerah Hypoeutectic
Padual Al-Si disebut Hypoeutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon < 11.7% dimana struktur akhir yang terbentuk pada fasa ini adalah struktur ferrite (alpha) yang kaya akan aluminium.Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.5a.
2. Daerah Eutectic
Paduan Al-Si disebut Eutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon sekitar 11.7% sampai 12.2%. Pada komposisi ini paduan Al- Si dapat membeku secara langsung (dari fasa cair ke fasa padat). Seperti yang diperlihatkan pada gambar
3. Daerah Hypereutectic
Paduan Al-Si disebut Hypereutectic yaitu apabila paduan tersebut terdapat kandungan silikon >12.2% dan kaya akan kandungan silikon. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.5c. Dimana struktur Kristal silikon primer pada daerah ini mengakibatkan karakteristik sebagai berikut:
1. Ketahanan aus paduan meningkat.
2. Ekspansi termal rendah.
3. Memiliki ketahanan retak panas yang baik.
Gambar 2.3 (a) Struktur mikro paduan hypoeutectic. (b) Struktur mikro Paduan eutectic. (c) Struktur mikro paduan hypereutectic
Tipe paduan tergantung pada presentase kandungan silikon ini akan berpengaruh terhadap titik beku yang dipakai pada proses pengecoran aluminium.
b. Paduan Al-Cu
Menganndung 4% Cu dan 0.5% Mg dan paduan ini dinamakn duralumin.
Salah satu duralumin adalah paduan 2017, komposisi standarnya adalah aluminium dengan kandungan 4% Cu, 0.5% Mg, 0.5% Mn paduan yang ditingkatkan magnesiumnya dari komposisstandarnya, yaitu aluminium dengan kandungan 4.5 % Cu, 1,5% Mg, 0.5% Mn yang disebut paduan 2024. Paduan mengandung Cu mempunyai katahan korosi yang tidak baik.
Gambar 2.4. Diagram fasa paduan Al-Cu (Pengetahuan bahan teknik, 1999) c. Paduan Al- Mg-Si
Paduan dalam sistim ini mempunyai kekuatan kurang sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya, tetapi sangat liat, sangat baik mampu bentuknya untuk penempaan, ekstrusi dsb, dan sangat baik untuk mampu bentuk yang tinggi pada temperatur biasa. Mempunyai mampu bentuk yang baik pada ekstrusi dan tahan korosi, dan sebagai tambahan dapat diperkuat dengan perlakuan panas setelah pengerjaan.
Gambar 2.5 Diagram fasa paduan Al-Mg-Si (Pengetahuan bahan teknik, 1999)
d. paduan Al- Mg-Zn
paduan jenis ini telah diketahui sejak lama bahwa paduan Al-MgZn merupakan paduan yang dapat di buat sangat keras dengan proses perlakuan panas .tetapi sejak lama tidak dipakai sebab mempunyai sifat patah getas dan memiliki retakan korosi pada tegangan .paduan ini memiliki sifat sifat mekanik lebih tinggi dari pada paduan jenis yang lain nya.berikut adalah diagram fasa Al-Mg-Zn.
Gambar 2.6 Diagram fasa paduan Al-Mg-Zn (Pengetahuan bahan teknik, 1999)
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai sifat ketahanan korosi yang baik. Menurut Aluminium Association (AA) dapat diidentifikasi dengan sistem empat digit berdasarkan komposisi paduan seperti xxx.1 dan xxx.2 untuk ingot yang dilebur kembali. Sedangkan simbol xxx.0 untuk menentukan batas komposisi pengecoran dan simbol A356, B356 dan C356 untuk paduan cor gravitasi. Masing- masing paduan ini identik dengan kandungan yang mendominasi tetapi berkurang batas penggunaan karena impuritinya, khususnya kandungan besi.
Berikut ini beberapa contoh aplikasi dari paduan aluminium : 1. Aluminium seri 1xxx
Grade dari aluminium ini (1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350 dll) ditandai dengan ketahanan korosi yang sangat baik, konduktivitas termal dan elektrik yang tinggi, sifat mekanik yang rendah, dan kemampuan kerja yang sangat baik. Grade aluminium ini memiliki kandungan Besi dan silikonyang besar.
2. Aluminium seri 2xxx
Paduan aluminium ini (2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319, 201,0;
203,0; 206,0; 224,0; 242,0 dll) memerlukan solution heat treatment untuk mendapatkan sifat yang optimal, didalam kondisi solution heat treatment , sifat mekanik yang mirip dengan baja karbon rendah dan kadang-kadang melebihi sifat mekanik baja karbon rendah.Dalam beberapa contoh, proses perlakukan panas (aging) digunakan untuk lebih meningkatkan sifat mekanik.
Paduan aluminium dalam seri 2xxx tidak memiliki ketahanan korosi yang baik ketimbang kebanyakan paduan aluminium lainnya, dan dalam kondisi tertentu paduan ini mungkin akan terjadi korosi pada antar butir.
3. Aluminium seri 3xxx
Paduan aluminium ini (3003, 3004, 3105, 383,0; 385,0; A360; 390,0) umumnya memiliki ketidakmampuan panas tetapi memiliki kekuatan sekitar 20% lebih dari paduan aluminium seri 1xxx karena hanya memiliki presentase mangan yang sedikit (sampai sekitar 1,5%) yang dapat ditambahkan ke aluminium. mangan digunakan sebagai elemen utama dalam beberapa paduan.
4. Aluminium seri 4xxx
Unsur paduan utama dalam paduan seri 4xxx (4032, 4043, 4145, 4643 dll) adalah silikon, yang dapat ditambahkan dalam jumlah yang cukup (hingga 12%) menyebabkan substansial menurunkan rentang lebur. Untuk alasan ini, paduan aluminium-silikon yang digunakan dalam kawat las dan sebagai paduan untuk menyolder digunakan untuk menggabungkan aluminium, di mana titik lebur lebih rendah dari logam dasar yang digunakan.
5. Aluminium seri 5xxx
Unsur paduan utama grade aluminium ini adalah magnesium, bila digunakan sebagai elemen paduan utama atau digabungkan dengan mangan, hasilnya adalah paduan yang memiliki kekerasan sedang hingga kekuatan yang tinggi.
Magnesium jauh lebih efektif daripada mangan sebagai pengeras – sekitar 0,8%
Mg sama dengan 1,25% Mn dan dapat ditambahkan dalam jumlah yang jauh lebih tinggi. Paduan aluminium dalam seri ini (5005, 5052, 5083, 5086, dll) memiliki karakteristik pengelasan yang baik dan ketahanan yang relatif baik
terhadap korosi dalam atmosfer laut. Namun, pada pekerjaan dingin harus dilakukkan pembatasan dan suhu operasi (150 ° F) diperbolehkan untuk paduan aluminium yang memiliki magnesium tinggi untuk menghindari kerentanan terhadap korosi retak.
6. Aluminium seri 6xxx
Paduan aluminium dalam seri 6xxx (6061, 6063) mengandung silikon dan magnesium sekitar dalam proporsi yang diperlukan untuk pembentukan magnesium silisida (Mg2Si), sehingga membuat paduan ini memiliki mampu perlakukan panas yang baik. Meskipun tidak sekuat pada paduan 2xxx dan 7xxx, paduan aluminium seri 6xxx memiliki sifat mampu bentuk yang baik, mampu las ,mampu mesin, dan ketahanan korosi yang relatif baik dengan kekuatan sedang.
7. Aluminium seri 7xxx
Zinc jumlah dari 1% sampai 8% ) merupakan unsur paduan utama dalam paduan aluminium seri 7xxx (7075, 7050, 7049, 710,0; 711,0 dll) dan ketika digabungkan dengan persentase magnesium yang lebih kecil didalam perlakuan panas yang cukup maka paduan ini akan memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Biasanya unsur-unsur lain, seperti tembaga dan kromium, juga ditambahkan dalam jumlah kecil. paduan seri 7xxx digunakan dalam struktur badan pesawat, peralatan besar yang bergerak dan bagian lainnya memiliki tekanan yang sangat tinggi.
8. Aluminium seri 8xxx
Seri 8xxx (8006; 8111; 8079; 850,0; 851,0; 852,0) dicadangkan untuk paduan unsur selain yang digunakan untuk seri 2xxx sampai 7xxx. Besi dan nikel yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan tanpa kerugian yang signifikan dalam konduktivitas listrik, dan begitu juga berguna dalam paduan konduktor seperti 8017. Aluminium-lithium paduan 8090, yang memiliki kekuatan dan kekakuan yang sangat tinggi, dikembangkan untuk aplikasi ruang angkasa.
2.2 Komposit
Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi dua atau lebih material baik secara mikro atau makro, dimana sifat material tersebut berbeda bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya.[10]
Komposit juga suatu perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun.
Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antara material harus berikatan dengan kuat, sehingga perlu adanya penambahan wettingagent. Pendapat lain mengatakan bahwa komposit adalah sebuah kombinasi material yang berfasa padat yang terdiri dari dua atau lebih material secara skala makroskopik yang mempunyai kualitas lebih baik dari material pembentuknya (Jacob, 1994). Dari sekian banyak jenis material pembentuk komposit, semuanya dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian, yaitu matriks, material penguat (reinforcement) dan material pengisi (filler). Komposit dapat didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam, fiber atau serat ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong kemudian dicampur secaraacak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-plylaminae), dan lainnya.
Manfaat utama dari penggunaan komposit adalah mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat, kita dapat membuat suatu material komposit dengan sifat yang tepat sama dengan kebutuhan sifat untuk suatu struktur tertentu dan tujuan tertentu pula. Dibanding dengan material konvensional keunggulan komposit antara lain yaitu memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatanjenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi. Tujuan dibuatnya komposit yaitu memperbaiki sifat mekanik atau sifat spesifik tertentu, mempermudah desain yang sulit pada manufaktur, keleluasaan dalam bentuk atau desain yang dapat menghemat biaya produksi, dan menjadikan bahan lebih ringan. Komposit yang diproduksi oleh suatu instansi atau pabrik
biasanya dapat diprediksi sifat mekanik dari bahan komposit berdasarkan bahan matrik dan bahan penguatnya.[11]
Berdasarkan bahan matriks yang digunakan, maka komposit dapat a. Komposit matriks polimer (Polimer Matrix Composite)
b. Komposit matriks keramik (Ceramics Matrix Composite) c. Komposit matriks Metalik ( Metal Matrix Composite)
Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang biasa digunakan, yaitu :
Gambar 2.7 Pembagian komposit berdasarkan bahan penguatnya
1. Fibrous Composites ( Komposit Serat )
Merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguatberupa serat / fiber. Fiber yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon fibers,aramid fibers (poly aramide), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara acakmaupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebihkompleks seperti anyaman.[12]
2. Laminated Composites ( Komposit Laminat )
Merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri.
3. Particulate Composites ( Komposit Partikel )
Merupakan komposityang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.
Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat bahan pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
1. Bahan ringan, kuat dan kaku.
2. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
2.2.1 Metal Matrix Composites (MMC)
Metal matrix composites (MMC) adalah material teknik yang dibentuk menggunakan dua material atau lebih untuk memperoleh material baru yang mempunyai sifat fisis dan mekanis yang lebih baik dibanding material pembentuknya. Matrik yang digunakan untuk membuat MMC biasanya menggunakan logam lunak dan ringan yaitu aluminium, magnesium, dll., sedangkan penguat MMC biasanya menggunakan partikel SiC, Al2O3, dll.
Keunggulan MMC dibanding komposit polimer adalah kekerasannya lebih tinggi, tahan aus dan tahan pada temperatur tinggi. Aplikasi MMC pada industri otomotif adalah digunakan untuk cylinder liners mesin, intake valve, exhaust valve, piston, dan lain-lain. MMC dapat dibuat menggunakan proses stir casting. Proses stir casting yaitu proses pencairan dan pengadukan (stiring) material di dalam furnace, dilanjutkan proses penuangan ke dalam cetakan logam dengan memanfaatkan gaya gravitasi. Proses ini lebih murah dibanding prosess pembuatan MMC lainnya dan dapat digunakan untuk membuat komponen yang bentuknya rumit.[12]
Dalam pembuatan komposit, matriks dan penguat dicampurkan bersama dan dapat dibedakan secara fisik. Jika dibandingkan dengan logam monolithic, MMC menawarkan keuntungan lebih, diantaranya memiliki sifat temperatur yang lebih baik, modulus dan kekuatan spesifik yang tinggi, ekspansi termal yang rendah dan konduktivitas termal yang baik. Akan tetapi MMC memiliki ketangguhan yang rendah dan biaya pembuatan yang tinggi. berdasarkan sifat ini, MMC bisa diaplikasikan pada komponen elektrik, industri otomotif dan industri penerbangan.[14]
Adapun kelebihan dan kekurangan Metal Matrix Composite (MMC) adalah:
1. Transfer tegangan dan regangan yang baik.
2. Tidak mudah terbakar.
3. Tidak menyerap kelembapan
4. Ketahanan terhadap temperatur tinggi 5. Kekuatan tekan dan geser yang baik 6. Ketahanan aus dan proses yang sedikit.
Kekurangan Metal matrix Composite:
1. Biaya mahal
2. Standarisasi material danproses yang sedikit
Aplikasi Metal Matrix Composite (MMC) pada kehidupan sehari-hari dan dalam dunia keteknikan, yaitu:
1. Peralatan militer (sudu turbin, cakram, Kompresor, dll) 2. Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang)
3. Komponen automotive (Blok silinder mesin, pully, poros garden, dll) 4. Peralatan elektronik.
Alasan – alasan mengapa MMC sangatlah menarik perhatian banyak pihak selama hampir 30 tahun:
1. Pendekatan MMC (metal matrix composite) dalam proses metalurgi adalah jalan untuk memproduksi berbagai macam dari komposit tersebut.
Sehingga produk yang akan dihasilkan sangatlah luas (bervariasi). Hanya cara inilah kita dapat menggabungkan alimunium, magnesium, tembaga dengan karbida, oksida atau fasa nitrida.
2. MMC (metal matrix composite) memberikan suatu perubahan yang sangat signifikan terhadap sifat-sifat material,tahan terhadap temperature tinggi, angka kekerasan yang baik, tidak bereaksi terhadap bahan kimia, dan tahan aus.
3. MMC mempunyai modulus elastisitas yang lebih tinggi dari material pada umumnya, metal matrix composite juga dapat mengkombinasikan sifat-
sifat material yang diinginkan, seperti konduktifitas thermal yang tinggi digabungkan dengan low thermal expancivity.
4. MMC (Metal Matrix Composite) dikarenakan kelebihannya dalam segi berat dan dalam segi penggunaanya. Kecepatan operasi menggunakan MMC meningkatkan sebanyak 50% pada mesin-mesin dengan kecepatan tinggi.
Sifat-sifat material yang unik dikombinasikan antara ketahanan terhadap fatique, massa yang ringan, kekakuan, sangat tepat digunakan untuk material pembuatan sepeda gunung dan sepeda jalan. Kekakuan meningkat hingga 50% untuk bahan komposit isotopic.
2.2.1 Aluminium Matrix Composite (AMCs)
AMC mempunyai prospek pengembangan yang bagus, didasari oleh sifat- sifatnya yang baik, seperti kekerasan dan kekuatan yang tinggi. aluminium metal matrix composite telah digunakan pada berbagai industri terutama industri transportasi, penerbangan, elektonik, otomotif dan olah raga. Di beberapa negara baik Asia maupun Eropa, aluminium metal matrix composite telah banyak digunakan secara komersial pada komponen mesin seperti piston, connevting rod, brake system, cylinder liner dan valves. Matrik yang digunakan dalam A-MMC dapat berupa Al murni dan atau paduan Al seperti Al-Si, Al-Cu, 2xxx, 6xxx dan 7xxx, sedangkan penguat yang umum digunakan adalah SiC atau Al2O3. Pemakaian bahan alumunium dan paduanya sebagai matrik karena memiliki sifat sangat menarik yaitu densitas rendah, memiliki kemampuan untuk dikuatkan dengan pengendapan presipitat, ketahanan korosi sangat baik, konduktifitas panas dan listrik tinggi dan damping capasity tinggi. A-MMCs dapat menghasilkan karakteristik mekanik yang bervariasi tergantung dari jenis paduanya.
2.3 Metode-Metode Pengecoran
Pengecoran merupakan suatu proses manufaktur dengan menggunakan logam cair dan cetakan untuk menghasilkan produk dengan bentuk yang mendekati bentuk geometri akhir produk jadi. Logam cair dituang ke dalam cetakan yang memiliki rongga sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Setelah logam cair memenuhi rongga dan kembali ke bentuk padat, selanjutnya cetakan disingkirkan dan hasil cor dapat digunakan atau ke proses pemesinan selanjutnya.
Keunggulan proses pengecoran adalah kemampuannya untuk memproduksi komponen dengan bentuk kompleks secara masal. Terdapat tiga bagian utama proses pengecoran. Pertama proses pembuatan cetakan pasir, kedua proses pembuatan inti dan ketiga proses peleburan logam. Proses pembuatan cetakan pasir adalah hal terpenting, apabila cetakan sudah siap maka dipasangkan inti dan kemudian dilanjutkan dengan penuangan logam cair. Cairan dibiarkan beberapa lama didalam cetakan sampai membeku, selanjutnya dilakukan pembongkaran dan dilakukan proses finishing.
Berikut ini adalah jenis-jenis pengecoran yaitu sebagai berikut:
1. Sand Casting
Yaitu jenis pengecoran dengan menggunakan cetakan pasir. Jenis pengecoran ini paling banyak dipakai karena ongkos produksinya murah dan dapat membuat benda coran yang berkapasitas berton – ton.
2. Centrifugal Casting
Pengecoran sentritugal dilakukan dengan menuangkan logam cair ke dalam cetakan yang berputar. Akibat pengaruh gaya sentritugal logam cair akan terdistribusi ke dinding rongga cetak dan kemudian membeku. Proses pengecoran sentrifugal dilakukan dengan jalan menuangkan logam cair ke dalam cetakan yang berputar, baik secara vertikal maupun horisontal, diharapkan akibat pengaruh gaya sentrifugal tersebut dapat dihasilkan produk coran yang lebih mampat daripada pengecoran dengan cetakan statis.
Pengecoran sentrifugal ada dua macam yaitu horisontal dan vertikal.
3. Die Casting
Yaitu jenis pengecoran yang cetakannya terbuat dari logam. Sehingga cetakannya dapat dipakai berulang-ulang. Biasanya logam yang dicor ialah logam non ferrous.
4. Investment Casting
Yaitu jenis pengecoran yang polanya terbuat dari lilin (wax), dan cetakannya terbuat dari keramik. Contoh benda coran yang biasa menggunakan jenis
pengecoran ini ialah benda coran yang memiliki kepresisian yang tinggi misalnya rotor turbin. Jenis pengecoran logam yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis pengecoran logam sand casting.
5. Pengecoran Gravitasi
Pengecoran gravitasi merupakan satu diantara banyak model pengecoran yang telah ada sejak lama, pengecoran ini memanfaatkan tekanan dari gravitasi sehingga cairan logam dapat mengisi rongga cetakan, baik itu terbuat dari pasir cetak maupun logam. Pengecoran gravitasi banyak dimanfaatkan oleh industry kecil dan menengah namun kualitasnya belum memenuhi standar yang diinginkan seperti porositas, sifat mekanis kurang baik, akurasi dimensi belum memadai dan kemungkinan terbentuknya segregasi masih sering dijumpai sehingga metode ini perlu penyempurnaan. Keunggulan metode ini diantaranya adalah mudah dalam pengoperasian, dapat digunakan untuk membuat komponen-komponen dengan dimensi yang besar serta biaya yang rendah. Pada pengoperasiannya hanya membutuhkan peralatan sederhana seperti daupur peleburan untuk mencairkan logam, cawan tuang, cetakan dan thermokopel untuk mengontrol suhu penuangan (pouring).
2.4 Cooling Slope
Pada pengecoran gravitasi ini di tambah komponen peralatan yaitu cooling slope. Peralatan ini berfungi sebagai control cooling rate pada cairan logam sebelum mengisi rongga cetakan. Pada peralatan ini pengaturan dilakukan terhadap kemiringan plat dan panjang lintasan cairan, dimana kedua faktor ini sangat menentukan laju pendinginan cairan sebelum mengisi cetakan. Banyak sekali model cooling rate yang digunakan, komponen utama sistem terdiri dari crucible dari grafit, plat miring, cetakan, thermokopel, pompa dan media pendinginan air/oli.sedangkan dapur peleburan untuk mencairkan aluminium dibuat secara terpisah dari sistem.[2]
Seperti terlihat pada gambar 2.8 di bawah ini komponen peralatan cooling slope .
Gambar 2.8 Skema peralatan cooling rate [15]
Proses pengecoran menggunakan cooling slope terdiri dari bagian proses utama, yaitu sebagai berikut :
1. Daerah penuangan cairan, yang terdiri dari wadah yang melelehkan paduan dan menuangkannya melalui plat cooling slope
2. Daerah nukleasi, yang menghasilkan inti kristal dalam lelehan yang mengalir melalui plat cooling slope
3. Daerah terbentuk Kristal, di mana logam yang diperoleh dari bagian nukleasi didinginkan dalam cetakan logam.
2.4.1 Pengaruh Temperatur Tuang pada Cooling Slope
Suhu penuangan memiliki pengaruh besar terhadap mikrostruktur aluminium alloy. Butiran mikrostruktur aluminium yang berbentuk bulat sangat penting untuk proses – proses thixoforming.
E.C. Legoretta, dkk, telah memberitahukan bahwa superheat memiliki efek terhadap ukuran mikrostruktur dan shape factor, mereka memberitahukan bahwa shape factor aluminum A356 bervariasi antara 1,4 untuk suhu penuangan 620oC (sangat sferoid) hingga 2,6 untuk suhu penuangan 680oC (dominan dendritic). Suhu penuangan yang rendah akan menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dibandingkan dengan suhu tuang yang lebih tinggi.
N. Saklakoglu, dkk, dalam penelitian mereka bahwa struktur dendritic aluminum A380 berubah ketika menggunakan cooling slope casting. Mereka
memberitahu bahwa penuangan logam dengan suhu 615 °C menghasilkan struktur globular, sedangkan dengan suhu 630 °C menghasilkan strukutur campuran antara globular dan rosette, dan pada suhu penuangan 650 °C menghasilkan struktur campuran antara dendritic dan rosette.
P. Das, dkk melakukan model numerik dan simulasi aliran aluminium A356 melalui cooling slope menggunakan aliran dua fasa dan mengamati pengaruh suhu penuangan pada saluran cooling slope. Mereka menyimpulkan dari tiga suhu penuangan yang berbeda (687 °C, 672 °C and 650 °C), 650 °C menghasilkan hasil terbaik.[17]
2.4.2 Pengaruh Sudut Kemiring pada Cooling Slope
Sudut dari cooling slope mengatur laju aliran dan waktu kontak antara cairan pasta dan cooling plat. Jun. Xu, dkk, menunjukkan efek dari sudut cooling slope terhadap mikrostruktur dari aluminium A356 dan juga memperlihatkan bahwa peningkatan sudut cooling slope dari 30o sampai 45o menyebabkan penurunan ukuran mikrostruktur aluminium dari 71 μm menjadi 65 μm dan shape factor dari mikrostruktur aluminum dari 1,8 menjadi 1,4. Selanjutnya, ketika sudut mengalami peningkatan dari 45o sampai 60o ukuran butir dan shape faktor Al akan meningkat juga masing – masing mejadi 85 μm dan 2.2.
F. Taghavi, dkk, meneliti tentang efek kemiringan cooling slope pada aluminum A356 dengan variasi sudut 30o, 40o, 50o dan 60o. Mereka menemukan bahwa sudut 30o tidak dapat menghilangkan bentuk mikrostruktur dendritic pada aluminum A356, sementara sudut 40o dan 50o menyebabkan berubahnya mikrostruktur dendritic menjadi mikrostruktur globular. Namun peningkatan sudut dari 50o sampai 60o menyebabkan peningkatan ukuran mikrostruktur aluminum A356.
Sebaliknya, ketika sudut cooling slope meningkat melebihi sudut yang optimal, maka waktu yang singkat cairan cairan pasta untuk bersentuhan dengan cooling plat, cairan pasta mengalir lebih cepat yang mengakibatkan berkurangnya perpindahan panas antara cairan pasta dengan permukaan cooling plat, menyebabkan proses nukleasi menjadi lebih singkat. Dengan demikian sudut plat yang optimal dapat mengatur laju aliran dan waktu kontak antara cairan pasta dan
cooling plat yang dapat meningkatkan intensitas tegangan geser dan mengarah ke fregmentasi dendritic.[18]
2.5 Bahan Penyusun
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah batangan aluminium ingot A356 dan Silika Karbida (SiC). Penggabungan aluminium-SiC sangat dipengaruhi oleh control interface antara matriks dan penguat. Proses pembuatan komposit dengan metode Cooling Slope ada beberapa hal yang harus di perhatikan yaitu Temperatur tuang pada saat penuangan alumunium ke Cooling Slope.
2.5.1 Aluminium A356
Bahan aluminium A356 merupakan salah satu bahan yang paling banyak digunakan pada komponen-komponen otomotif. Pada penelitian ini bahan aluminium A356 digunakan karena Aluminium type ini memiliki sifat castability dan weldability serta ketahanan korosi yang baik. Namun pada pengaplikasiannya Aluminium jenis A356 belum memenuhi standar kekuatan material yang diminta oleh industri sehingga perlu dilakukannya perbaikan sifat-sifat mekanis dari bahan Aluminium A356 murni tersebut. Aluminium A356 termasuk kedalam golongan hypo eutectic aluminium silikon alloy (0,1 – 12,3%Si) dan merupakan system eutectic yang sederhana yang terdiri dari dua phasa yang larut padat yaitu; fcc (al) dan diamond cubic (Si), keberadaan Si dalam aluminium hingga 12,3% akan menurunkan temperatur cair paduan tersebut.[18]
Proses produksi aluminium jenis ini dapat dilakukan menggunakan metode pengecoran dimana temperatur tuang merupakan faktor yang sangat menentukan pembentukan struktur mikro dalam pengecoran aluminium adalah awal penuangan tentunya akan mempengaruhi laju pembekuan atau laju difusi pada solid-liquid interface, gradient temperatur pada difusi solidliquid interface, kemampuan berdifusi dari larut pada interface cairan dan padatan.[12]
Pada produksi alumunium jenis lain seperti foam juga memperlihatkan variasi laju pendinginan merupakan cara yang baik untuk meningkatkan kekuatan dari aluminium foam melalui modifikasi makro dan mikrostruktur aluminium tersebut.
Pada paduan Mg-Al-Zn alloy peningkatan dari laju pendinginan akan secara significan akan meningkatkan temperatur pengintian Mg dan menurunkan temperatur
solidus dan hasilnya memperlihatkan ukuran butir akan menurun seiring dengan kenaikan laju pendinginan.
Ukuran butir merupakan hal yang sangat penting untuk memperoleh sifat mekansi dari paduan aluminium dimana ukuran butir yang lebih kecil dari bentuk coarse menjadi fine dikarenakan pembentukan partikel Mg2Al3 pada batas butir menyebabkan penghalusan ukuran butir yang menghasilkan sifat elongation yang lebih tinggi dari paduan aluminium type 5xxx . Selain elongation sifat meknis lainnya seperti kekerasan juga meningkat dengan adanya perubahan struktur mikro. Pada aluminium comerisal yang murni terjadi peningkatan kekerasan sekitar 67% setelah proses penghalusan butir.]
2.5.2 Silikon Karbida (SiC)
Silkon karbida atau juga dikenal dengan carborundum adalah suatu turunan senyawa silikon dengan rumus molekul SiC, terbentuk melalui ikatan kovalen antara unsur Si dan C. Silikon karbida merupakan salah satu material keramik non-oksida paling penting, dihasilkan pada skala besar dalam bentuk bubuk (powder), bentuk cetakan, dan lapisan tipis. Teknik untuk membentuk bubuk SiC menjadi bentuk keramik dengan menggunakan agen pengikat, kemudian memberi pengaruh yang besar terhadap nilai komersial SiC. Sekarang ini, SiC merupakan salah satu material yang memiliki kegunaan yang besar dan memiliki peranan penting dalam berbagai industri seperti industri penerbangan, elektonik, dan industri-industri komponen mekanik berkekuatan tinggi. Silikon karbida SiC memiliki densitas sekitar 3.2 g/cm³ dan memiliki temperatur sublimasi sekitar 2700 °C. Umumnya, industri metalurgi dan refraktori merupakan pengguna SiC dalam jumlah paling besar.
Aplikasi silikon karbida (SiC) dalam industri karena sifat mekaniknya yang sangat baik, konduktivitas listrik dan termal tinggi, ketahanan terhadap oksidasi kimia sangat baik, dan SiC berpotensi untuk fungsi keramik atau semikonduktor temperatur tinggi. SiC juga memiliki sifat-sifat penting sebagai berikut unggul tahan oksidasi, unggul tahan rayapan, kekerasan tinggi, kekuatan mekanik baik, Modulus Young sangat tinggi, korosi baik dan tahan erosi serta berat relatif rendah. Material-material mentah SiC relatif murah, dan dapat dibuat
dalam bentuk-bentuk kompleks, dimana memungkinkan disiasati melalui proses fabrikasi konvensional. Hasil akhir mempunyai harga kompetitif disamping menawarkan keuntungan-keuntungan teknis yang unggul dan berdaya guna lebih dari material - material penyusunnya.[20]
Keramik SiC memiliki kuat tekan sebesar 4600 Mpa, dan koefisien ekspansi termal yang relatif rendah, yaitu: 4.51 – 4.73 μm/m °C Sifat-sifat SiC merupakan sifat yang paling istimewa. 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 °C. Pada 1000 °C terbentuk lapisan oksidasi berupa SiO2.
Material SiC mempunyai ketahanan oksidasi di udaraterbuka mampu mencapai suhu 1700 °C.[13]
SiC memiliki titik lebur yang tinggi sekitar 1415 °C sampai dengan 2830
°C yang dapat dilihat pada gambar berikut ini 2.9 :
Gambar 2.9 Diagram fasa dari SiC ( Tairov dan Tsvetkov 1988 )
Silikon Karbida termasuk dalam bahan keramik dan memiliki beberapa kelebihan yang digunakan dalam bidang industri dan otomotif. Kelebihan silikon
karbida dari jenis keramik yang lain yaitu tahan korosi, gesekan, dan memiliki temperatur yang tinggi. Berikut adalah aplikasi dari penggunaan bahan Silikon Karbida yaitu :
1. Furnace
Proses - proses industri kebanyakan selalu membutuhkan temperatur tinggi dan bahan yang tetap stabil pada temperatur dan kondisi lingkungan tertentu. Pada kasus pembentukan logam diperlukan suatu bahan yang mampu bertahan pada sifat kimia yang korosif, temperatur, dan tekanan tinggi. Satu-satunya bahan yang mampu memenuhi syarat diatas adalah bahan keramik seperti SiC.
2. Alat Penukar Panas
Alat penukar panas atau heat exchanger memiliki tujuan untuk menggunakan kembali panas yang merupakan buangan untuk memanaskan udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran. Dengan menggunakan bahan keramik dapat dihasilkan pengurangan bahan bakar yang digunakan sampai 50%.
3. Bahan Abrasif
SiC merupakan bahan keramik yang juga bersifat abrasive sehingga dapat digunakan untuk berbagai keperluan industri seperti mengikis, menghaluskan, membuat kasar ataupun memotong permukaan benda kerja.
4. Seal
Seal adalah suatu alat untuk mencegah kebocoran pada dua permukaan material yang bersinggungan. Pemakaian seal biasanya banyak digunakan pada mesin-mesin yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Oleh karena itu, karateristik material seal haruslah bertahan baik pada temperatur dan tekanan tinggi.
5. Ceramic Ball
Ceramic ball biasanya digunakan pada bearing, valve, dan sebagai grinding ball pada temperatur dan tekanan yang tinggi. SiC merupakan bahan yang mampu memenuhi syarat diatas karena bahan SiC memiliki ketahanan terhadap temperatur yang tinggi dan tahan terhadap tekanan yang tinggi.
6. Motor Bakar
Salah satu contoh penggunaan SiC dalam motor bakar adalah turbine inlet guide vanes. Komponen turbine inlet guide vanes digunakan untuk menghasikan aliran udara pendingin gas turbine engine. Pada penggunaan keramik SiC yang lebih tahan terhadap temperatur tinggi dapat membuat sistem pendingin bekerja dengan baik bila dibandingkan dengan material lainnya.
7. Elemen Panas
Beberapa bahan keramik memiliki suatau derajat tingkat hantaran elektrik terbatas dengan hambatan listrik tertentu. Pada saat listrik berusaha untuk melewatinya, panas akan dihasilkan. Contoh keramik yamg dapat digunakan elemen pemanas adalah SiC.
2.6 Sifat Mekanis
Pada proses pemilihan bahan pada perancangan suatu konstruksi tentunya terdapat beberapa pertimbangan yang harus dilakukan untuk menghindari kegagalan dalam perancangan konstruksi tersebut. Sifat mekanis menjadi salah satu dasar pertimbangan dalam proses pemilihan bahan pada perancangan suatu konstruksi. Berikut beberapa sifat mekanis bahan :
1. Kekuatan (strength) 2. Elastisitas (elasticity) 3. Kekerasan (hardness) 4. Ketangguhan (toughness)
Dalam penelitian ini, akan dilakukan pengecoran bahan dengan metode pengecoran gravitasi di tambah dengan peralatan cooling slope dengan penambahan unsur SiC 0,5%wt dan 2,5%wt dengan variasi kemiringan slope 15,30,45,60 dan 75 derajat. yang bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat mekanis dan fisis bahan.
Selanjutnya pada akhir penelitian, Produk hasil pengecoran akan diuji untuk mengetahui pengaruh sifat-sifat mekanis dan fisis dari penambahan SiC dengan peralatan cooling slope . Adapun pengujian yang di lakukan antara lain :
2.6.1 Uji Kekerasan
kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Dalam dunia teknik khususnya bidang material beban tekan sangat penting untuk dibahas salah satunya pengujian kekerasan metode Brinell. Pengujian kekerasan dengan metode Brinnel bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja (identor) yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut (spesimen). Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kgf. Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Adapun rumus persamaan kekerasan Brinell Menurut ASTM E10.
Adapun rumus persamaan kekerasan Brinell Menurut ASTM E10.
BHN = P ...(2.1)
(D –√( )
Dimana: BHN = angka kekerasan Brinell (kg/mm2) P = gaya / beban (kg)
D = diameter bola indentor (mm) d = diameter bola indentasi (mm)
2.6.2 Uji Keausan
Material apapun akan mengalami keausan dengan mekanisme yang beragam, yatitu: keausan abrasi, oksidasi, adhesi, erosi dan friting. Dibawah ini diberikan penjelasan ringkas dari mekanisme-mekanisme tersebut.
Besarnya permukaan jejak dari material tergesek itu yang dijadikan dasar penentuan tingkat keausan pada material. Semakin besar dan dalam jejak keausan maka semakin tinggi volume material yang terkelupas dari benda uji. Ilustrasi dari kontak permukaan antara revolving disc dan benda uji ditunjukkan pada gambar.
