1
PERANCANGAN POROS BALING-BALING KAPAL DENGAN
MENGGUNAKAN BAJA TAHAN KARAT 304
Abdul Rahman Agung Ramadhan
rahman.agung02@gmail.com abdulrahman02@satff.gunadarma.ac.id
ABSTRAK
Poros adalah elemen mesin yang berputar dan bagian terpenting dari mesin apa pun, putaran utama dalam transmisi dipegang oleh poros. Untuk membuat poros itu harus diketahui kekuatan, kekakuan, rotasi kritis, korosi poros dan bahan poros yang digunakan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui baja stainless AISI 304 (SS 304) dapat digunakan sebagai poros baling-baling. Hasil uji tarik 2 spesimen SS 304 menunjukkan bahwa nilai Yield Point 262,49 Mpa sampai 476,66 MPa , Kekuatan Tarik 570,73 Mpa sampai 637,13 MPa, Pemanjangan 26,00% sampai 62,43% dan Reduksi Area 68,95% sampai 72,83%, dan Kekerasan rata-rata diukur dari 185,0 HRB. Terdeteksi dalam stainless steel 304 16 elemen tambahan di samping Fe, Cr dan Ni. Ukuran butir baja rata-rata berdiameter sekitar 5,46 μm. Solidwork diukur sekitar 23,3x103 N.m2 torsi pada poros baling-baling dari stainless steel 304.
Kata Kunci : Poros Baling-Baling Kapal, Stainless Steal AISI 304, Sifat Mekanis, Analisis Distribusi Beban.
DESIGN OF SHIP PROPELLER SHAFT MADE OF STAINLESS STEEL
AISI 304
ABSTRACT
A Shaft is a rotating machine element and the most important part of any machine, the main rounds in transmission held by shaft. For making a shaft it must be known strength, stiffness, critical rotation, shaft corrosion and shaft materials used. This research was conducted to know whether of stainless steel AISI 304 (SS 304) can be used as a propeller shaft. The results of tensile test of SS 304 from 2 specimen showed that the Yield Point is 262,49 Mpa to 476,66 MPa , Tensile Strength is 570,73 Mpa to 637,13 MPa, Elongation 26,00 % to 62,43 % and Reduction Area 68,95 % to 72,83 %. Average Hardness was measured of 185.0 HRB. Were detected in the stainless
steel 304 16 additional elements beside of Fe, Cr and Ni. Average the steel diameter grain size about to 5,46 μm. Solidwork was measured about 23,3x103 N.m2 torsion on the propeller shaft of
stainless steel 304.
Keywords : Ship Propeller Shaft, Stainless Steel 304, Mechanical Properties, Load Distribution Analysis.
2 PENDAHULUAN
Dalam dunia perancangan, terutama dalam perancangan poros, Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran, putaran utama dalam transmisi dipegang oleh poros[1]. Pada kapal bisa ditemukan masalah pada poros baling-baling kapal. Hal ini disebabkan oleh beberapa foktor baik dari faktor dalam (material) atau pun adanya factor dari luar. Kerusakan yang disebabkan oleh factor dalam (material) terjadi karena kesalahan dalam pemilihan jenis material yang akan digunakan misalnya tingkat kekakuan pada poros, ketahanan korosi, besar tegangan putar yang diterima dan lain-lain. Pengujian kekuatan material yang dilakukan adalah dengan menggunakan benda uji (specimen) tanpa perlakuan panas (raw material), dan dengan jenis pengujian uji tarik, uji komposisi, uji kekerasan dan struktur mikro pada material uji. Heyn intercept method adalah metode perhitungan yang dilakukan dengan cara membuat garis LT pada gambar diperbesaran tertentu dengan
menggunakan standar ASTM E112 [5]. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah Menguji Baja tahan karat 304 hasil dari uji tarik, uji kekerasan, dan uji komposisi apakah memenuhi standar BKI sebagai bahan
poros baling-baling kapal. Menganalisa kekuatan tarik, kekerasan material, komposisi kimia dan sturktur material Baja tahan karat 304 dari hasil pengujian material dengan standar ASTM E-415. Menganalisa torsi pada poros baling-baling kapal dengan menggunakan software solidwork 2012. METODE PENELITIAN
Pada pengujian poros baling- baling kapal ada beberapa tahap mulai dari perencanaan sampai pegolahan data, seperti pada gambar 1.
1. Proses pembuatan benda uji /specimen mulai dari pemotongan, pembubutan dan pengaplasan
2. Proses pengecekan dan pengujian material, pada pegujian material dilakukan beberapa pengujian seperti uji tarik, uji kekerasan, komposisi kimia, uji struktur mikro, dan analisa torsi pada poros.
Setelah dari proses pengujian dan di dapatkan hasil dari pengujian baru masuk kedalam pengolahan data untuk melihat data hasil uji apakah sesuai dengan standar yang di tetapkan atau tidak. Dalam penelitian material yang di gunakan adalah baja stainless AISI 304 (SS 304).
3
Proses Pembuatan Specimen
Proses Pembuatan Pemotongan Specimen Pembubutan Specimen Pengamplasan Specimen Pengecekan Specimen Persiapan Pengujian Proses Pengujian Proses Pengujian Uji Tarik Uji Kekerasan Uji Komposisi Kimia Uji Struktur Mikro Analisis torsi poros
Tidak
Ya
Pengolahan Data
Selesai
Gambar 1. Diagram Alur Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengolahan Data
Dari hasil pengujian di peroleh data-data hasil pengujian. Data yang didapat adalah data hasil uji uji tarik, uji kekerasan dan uji komposisi dengan menggunakan material baja tahan karat 304 yang akan dibandingkan oleh data standar hasil uji yang telah ditetepkan oleh BKI dalam standar propeller shaft kapal.
Uji Tarik
Hasil uji tarik 2 spesimen SS 304 menunjukkan bahwa nilai Yield Point 262,49 Mpa sampai 476,66 MPa , Kekuatan Tarik 570,73 Mpa sampai 637,13 MPa, Pemanjangan 26,00% sampai 62,43% dan Reduksi Area 68,95% sampai 72,83%, dan Kekerasan rata-rata diukur dari 185,0 HRB. Terdeteksi dalam stainless steel 304 16 elemen tambahan di samping Fe, Cr dan Ni. Ukuran butir baja rata-rata berdiameter sekitar 5,46 μm. Solidwork diukur sekitar
4 23,3x103 N.m2 torsi pada poros baling-baling
dari stainless steel 304.
Tabel 1. Standar Uji Tarik BKI
Grade Tensil Test Yield Point (MPa) Tensil Strength (MPa) Elongation (%) Reduction Area (%) Stainless Steel 175 450 37 50
Tabel 2. Hasil Uji Tarik Specimen 1
Grade Tensil Test Yield Point (MPa) Tensil Strength (MPa) Elongation (%) Reduction Area (%) Stainless Steel 41.570,49 570,73 62,43 72,83
Tabel 3. Hasil Uji Tarik Specimen 2
Grade Tensil Test Yield Point (MPa) Tensil Strength (MPa) Elongation (%) Reduction Area (%) Stainless Steel 73.379,55 637,13 26,00 68,95
Data dari Tabel 1 adalah data standar dari BKI, Tabel 2 adalah data hasil uji tarik yang dilakukan dengan specimen 1 dengan menggunakan mesin uji tarik kekuatan tarik 5 ton. Data dari Tabel 3 adalah data hasil uji tarik yang dilakukan dengan
specimen 2 dengan menggunakan mesin uji tarik kekuatan tarik 5 ton.
Hasil dari uji tarik tidak hanya berupa data. Hasil uji dapat dilihat juga dengan grafik dari hasil uji tarik yang dilakukan.
5
Gambar 2 Grafik Uji Tarik Specimen 1
6 Uji Kekerasan
Dari uji kekerasan (Hardness Test) diperoleh data nilai kekerasan hasil uji
sebanayak tiga kali penekanan dan didapat juga nilai rata-rata dari hasil uji kekerasan.
Tabel 4. Standar Uji Kekerasan BKI Test Kekerasan (Hardness Test) Brinell Rockwell Vickers
187 90 200
Tabel 5. Hasil Uji Kekerasan
No Nilai Kekerasan
1 183,3
2 184,2
3 187,4
Nilai Rata-rata + Simpangan Baku 185,0 + 2,15
Dari hasil uji kekerasan Rockwell diperoleh juga nilai simpangan baku sebesar 2,1 5 nilai ini di dapat dari perhitungan menggunakan rumus berikut. S = √X1 2+ X 2 2+ X 3 2−Xi2 3 n−1 (1) Dimana : S = Simpangan Baku.
X = Nilai dari tiap hasil uji kekerasan (nilai dari tiap penekanan).
Xi = Nilai hasil penjumlahan dari nilai X (nilai dari tiap penekanan).
n = Jumlah penekanan. S = √183,3 2+184,22+ 187,42− (183,3+184,2+187,4)2 3 3−1 = 2,15
Uji Komposisi Kimia
Pada pengujian uji komposisi kimia ini dilakukan dengan penembakan benda uji. Hasil uji akan akan dilihat dan
dibandingkan dengan nilai standar hasil uji tarik dari BKI apakah material yang digunakan memenuhi syarat yang telah ditentukan sebagai poros propeller shaft kapal.
7
Tabel 6. Nilai Standar Uji komposisi Kimia BKI Grade
Chemical Composition (%)
C Mn P S Si Cr Ni Other
Stainless
Steel 0,08 2,00 0,040 0,030 1,00 18,00-20,00 8,00-12,00 -
Tabel 7. Hasil Uji Komposisi Kimia (%)
No C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 1 0,0179 0,483 1,63 0,0269 0,0195 18,34 0,412 8,29 0,0397 2 0,0484 0,472 1,67 0,0402 0,0278 18,45 0,0405 8,30 0,0374 Rata-rata 0,0331 0,478 1,65 0,0336 0,0237 18,39 0,408 8,29 0,0386 No Cu Nb Ti V W Pb As Sb N 1 0,540 0,0036 <0,00060 0,0641 0,0144 0,0248 0,0692 0,0052 0,0343 2 0,539 0,0060 <0,00060 0,0627 0,0141 0,0206 0,0678 0,0045 0,0405 Rata-rata 0,540 0,0048 <0,00060 0,0634 0,0143 0,0029 0,0019 0,0049 0,374
Dari hasil uji komposisi kimia dapat dilihat bahwa pada stainless steel terdapat 18 unsur kimia yaitu unsur C (Carbon), Si (Silikon), Mn (Mangan), P(Fosfor), S(Sulfur), Cr(Croum), Mo (Molibdenium), Ni (Nikel), Al (Alumunium), Cu (Tembaga), Nb (Niobium), Ti(Titanium), V(Vanadium),
W(Tungsten), Pb(Timbal), As(Arsenik), Sb(Antimon), dan N(Nitrogen).
Data Hasil Uji Struktur Mikro
Pada uji struktur mikro dilakukan dengan menggunakan alat mikroskop type NWF 10 X. uji ini dilakukan untuk melihat bentuk struktur yang ada pada baja tahan karat 304.
8
Gambar 4. Struktur Mikro Baja Tahan Karat 304. Pada struktur mikro baja tahan karat 304
dapat dihitung besaran butiran austenik yang terdapat pada di dalam struktur mikro
dengan menggunakan Heyn Intercept Method dengan standar ASTM E112.
Gambar 5. Heyn Intercept Method. Rumus jumlah batas butiran yang terpotong :
PL = P LT/M Atau NL = P LT/M (2) Dimana :
PL / NL = Jumlah batas butiran
P = Jumlah butiran yang ada didalam lingkaran
LT = Total panjang garis uji (500 mm)
M = Perbesaran yang dilakukan PL =
26
500/400 = 20,8 mm -1
Rumus nilai panjang garis potong rata-rata : L3 = 1
PL (3)
Dimana : L3 = Nilai panjang garis potong rata-rata
Austenik Feritik
9 L3 = 1
20,8 = 0,048 mm
Rumus mencari nilai grain size ASTM : G = [-6,6457 log L3] - 3,298 (L3,mm) (4) Dimana : G = Nilai grain size
G = [-6,6457 log 0,048] – 3,298 = 5,46
Tabel 8. Hasil perhitungan Heyn Intercept Method
Sampel Jumlah Rata-rata Nilai
Intercept Butir Terpotong Panjang garis potong ASTM Pemetaan (P) mm (PL) mm-1 (L3) mm Grain size
SS 304 26 20,8 0,048 5,46
Tabel 9. ASTM Micro Grain Size Number G ASTM Micro "Diameter" of average Average intercept Inter cept Area of average Calculate d number Average grain size number Nomi nal Fere t's distance coun t per grain
section grains per Grains per
Grains per G dn, µm df, µm L3, µm NL, mm A, mm2x10 -6 Nv, mm2x106 mm2x103 at 1X4, NA in2 at 100X, NA 5,46 48 20,8 418 0,65 41,93
Hasil Analisa Torsi
Pada pengujian torsi dilakukan dengan menggunakan software solidwork. Hal ini dilakukan untuk melihat besar gaya yang diterima poros pada saat adanya putar dan beban yang diterima dari baling-baling dan air laut. Pada saat analisa torsi poros diberikan torsi sebesar 23342,222 N.m2 dari
hasil perhitungan berdasarkan mesin yang digunakan yaitu mesin 1600 dengan rpm 360 dan baling-baling diberikan gaya sebesar 1025 kg/m3 yaitu viskositas aliran air laut. Perhitungan torsi dilakukan dengan menggunakan persamaan rumus :
P(HP) = T xrpm 5252 (5) Dimana : P = Power (HP) T = Torque (N.m) n = revolusion perminute (rpm)
jadi untuk menghitung torsi digunakan rumus : T = P(HP) x5252 rpm (6) T = 1600 x5252 360 = 23342,222 N.m 2
Hasil dari analisa poros baling-baling kapal dapat dilihat pada gambar dibawah ini dengan analisa von mises (N/m2).
10
Gambar 6. Propeller Shaft Diberikan Gaya Sebesar 500 N Gaya yang diterima oleh poros dan
baling-baling pada saat diberikan gaya sebesar 500 N adalah pada poros menunjukkan warna kuning dengan beban sebesar 6.831.942,5
N/m2 (6,8 MPa) dan baling-baling warna biru
dengan beban sebesar 16,0 N/m2 (0,0016 MPa).
Gambar 7. Propeller Shaft Diberikan Gaya Sebesar 1000 N Gaya yang diterima oleh poros dan
baling-baling pada saat diberikan gaya sebesar 1000 N adalah pada poros menunjukkan warna kuning dengan
beban sebesar 6.831.942,5 N/m2 (6,8 MPa) dan
baling-baling warna biru dengan beban sebesar 29,0 N/m2(0,0029 MPa).
11
Gambar 8. Propeller Shaft Diberikan Gaya Sebesar 1500 N. Gaya yang diterima oleh poros dan
baling-baling pada saat diberikan gaya sebesar 1500 N adalah pada poros menunjukkan warna kuning, dengan beban sebesar
7.591.039,0N/m2 (7.5 MPa) dan baling-baling warna biru dengan beban sebesar 73,4 N/m2 (0.00734 MPa).
Gambar 9. Propeller Shaft Diberikan Gaya Sebesar 2000 N Gaya yang diterima oleh poros dan
baling-baling pada saat diberikan gaya sebesar 2000 N adalah pada poros menunjukkan warna kuning dengan beban sebesar 7.591.039,0 N/m2 (7,5 MPa) dan baling-baling warna biru dengan beban sebesar 73,5 N/m2 (0.00735MPa).
SIMPULAN DAN SARAN
Untuk poros baling-baling kapal sebaiknya menggunakan bahan yang tahan karat dan kuat karena poros kapal kontak langsung dengan fluida yaitu air laut yang mengandung zat yang dapat menyebabkan korosi. Baja tahan karat 304 digunakan pada pembuatan poros
12 kapal karena jenis material ini memiliki ketahanan korosi yang baik dan kekuatan material yang sangat kuat dan keras. Dari hasil uji material yaitu uji tarik, uji kekerasan, uji komposisi kimia dan uji struktur mikro yang telah dilakukan diperoleh hasil nilai uji yang telah memenuhi syarat nilai standar yang di ajukan oleh BKI (Biro Klarifikasi Indonesia). Dari hasil analisis torsi yang dilakukan diperoleh nilai beban gaya yang di terima oleh poros baling-baling kapal sebesar 7.847.893,5 N/m2 setelah
mendapat gaya torsi sebesar 23342.222 N/m dan gaya dari baling-baling yang terkena tekanan dari air laut sebesar 1025 kg/m3. Hasil analisa yang di peroleh
menunjukan poros masih tergolong pada tingkat amat setelah menerima gaya torsi dan gaya dari baling-baling kapal. Baja tahan karat jenis 304 ini dapat digunakan sebagai bahan untuk poros baling-baling kapal karena telah melalui proses pengujian dan telah memenuhi syarat yang diajukan oleh BKI untuk jenis baja tahan karat.
pada penelitian selanjutnya, agar penelitian ini dapat dikembangkan dengan menggunakan bahan atau material jenis yang lain dan melakukan pengujian yang lebih detail seperti
melakukan pengujian puntir pada material dan melakukan pemanasan pada material sebagai perbandingan antara material yang telah melalui proses pemanasan dan tidak melalui proses pemanasan.
DAFTAR PUSTAKA
1. Sularso, kiyokatsu Suga, Elemen Mesin: Dasar Perencanaan dan Pemilihan, cetakan keduabelas, penerbit PT.Pradnya Paramita, Jakarta, 2008.
2. Krauss, George, STEELS Processing, Structure, and Performance, University Emeritus Professor Colorado School of Mines, Copyright 2005 by ASM International, Printed in the United States of America.
3. Handbook, Metallograpy and Microstructures, volume 9, Copyright 2004 by ASM Internasional.
4. Davis, J.R, Tensile Testing, Second Edition, Copyright 2004 by ASM International.
5. Designation: E112 – 10, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, Copyright 2012 by ASTM Internasional.
