PENGARUH KADAR MAGNESIUM TERHADAP DENSITAS, KEKERASAN (HARDNESS) DAN KEKUATAN TEKAN ALUMINIUM
ALLOY FOAMYANG MENGGUNAKAN CaCO3SEBAGAIBLOWING AGENT
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
WICAHYA INDRA AGUSTIAN NIM. 070401006
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2012
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul“PENGARUH PENAMBAHAN MAGNESIUM TERHADAP DENSITAS, KEKERASAN (HARDNESS) DAN KEKUATAN TEKAN
ALUMINIUM ALLOY FOAMYANG MENGGUNAKAN
CaCO3SEBAGAIBLOWING AGENT”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Proses Produksi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :
1. Bapak Dr –Ing, Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen pembimbing sekaligus Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Kedua orang tua penulis, Agus Ali, S.S dan Sulistiyani, adik serta abang
penulis M. Ilan Jauhari dan Ella Agustian, yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
3. Bapak Suprianto, ST, MT yang telah banyak memberikan saran dan masukan kepada penulis selama proses penelitian dan penulisan laporan. 4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
5. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2007 khususnya Darwin R Hsb, Masniarman, Fuad Affiz, Arifin F. Lubis, M. Mirsal Lubis, Amin ‘al Binjawi, Alfis Syahri, Ricky S William Hill Miraza, M. Fadhillah Putra,
Palvis Syafri serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
6. Asisten dan Laboran Lab. Proses Produksi yang selalu memberikan dukungan serta semangat kepada penulis dalam mengerjakan tugas akhir ini.
7. Tim NVC Research Center Departemen Teknik Mesin khususnya abangda Fadly A.K Nst. ST, Felix Asade, Rahman dan Batara GD. Srg yang banyak membantu selama penelitian.
8. Olive Arsenally yang selalu menginspirasi dan memberikan semangat serta dukungan kepada penulis.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan, September 2012
WICAHYA INDRA AGUSTIAN
ABSTRACT
The current state of the art with regards to the production of metallic foams is reviewed, with melt-based processes identified as the most promising for cost-effective large-scale production. The potential for metal carbonates as an alternative to currently-used titanium hydride foaming agents is explored, with calcium carbonate identified as the most suitable. Characteristic features of the compressive deformation of metallic foams based on magnesium as alloying agent are described in the context of use as an impact-absorbing material, from the experiment has knowncompressive strength aluminium for each 4% Mg, 6% Mg and 8% Mg is 38.95 MPa, 45.19 MPa and 50.82 Mpa. And density for each composition is 2.62 gr/cm3, 1.94 gr/cm3and3.44gr/cm3. Research about magnesium contained on alluminium alloy persue to investigating influenced for mechanical strength and phisical charcter of aluminium foam product, and make some variable for magnesium content having involved in strentgh of product and phisical characterization. By the product of aluminium foam investigated that aluminium with 4 % content of Mg have good cells rather than aluminium with 6 % and 8 % content of Mg.
ABSTRAK
Produksi aluminium foam dengan menggunakan kalsium karbonat sebagai blowing agent melalui metode melt based processmenjanjikan pembuatan aluminium dengan skala besar yang murah. Kalsium karbonat sangat berpotensi untuk menggantikan titanium hidrida karena terbukti memiliki kesesuaian, karakteristik deformasi tekan dari aluminium foam dengan magnesium sebagai alloying agent dijelaskan dalam konteks sebagai material peredam impak, dari hasil pengujian diketahui gaya tekan untuk aluminium dengan 4% Mg, 6% dan 8% adalah 38.95 MPa, 45.19 MPa dan 50.82 Mpa. Sedangkan densitas untuk setiap komposisi adalah 2.62 gr/cm3, 1.94 gr/cm3 and3.44gr/cm3.Penelitianini bertujuan untuk meneliti bagaimanamagnesiumyang terkandungpada paduanaluminiummempengaruhi kekuatanmekanik dansifat fisis produkbusa aluminium, dan membuatbeberapa variabeluntuk kadarmagnesium yang dapat jugamempengaruhi kekuatan produksertasifatfisis. Dari produk yang dihasilkan diketahui bahwa aluminium dengan kadar Mg 4% memiliki sel yang lebih baik apabila dibandingkan dengan aluminium dengan kadar Mg 6% dan 8%.
Kata Kunci : aluminium foam, CaCO3, aluminium magnesium, metal seluler
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ...
xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Tujuan ... 5
1.2.1. Tujuan Umum Penelitian ... 5
1.2.2.Tujuan Khusus Peneliti ... 5
1.3. Manfaat Penelitian ... 5
1.4. Ruang lingkup penelitian ... 6
1.5. Batasan Masalah ... 7
1.6. Sistematika Penulisan ... 8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Aluminium ... 8
2.1.1. Kandungan Atom atau Unsur ... 10
2.1.2. Sifat-sifat Teknis Aluminium ... 11
2.2. Magnesium ... 12
2.2.1. Pembuatan Magnesium ... 14
2.3. Paduan Aluminium – Magnesium ... 16
2.4. Logam Busa (Metal Foam) ... 17
2.1.1. Penambahan Gas Secara Langsung ... 20
2.1.3. Solid-Gas Eutectic Solidification (Gasar) ... 23
2.1.4. Metode Kompaksi Antara Serbuk Aluminium Dengan Bowing Agent ... 24
2.1.5. Foaming of Ingots Containing Blowing Agents (Formgrip) ... 25
2.2. Senyawa Penghasil Gas (Blowing Agent) ... 26
2.2.1. Titanium Hidrida (TiH2) ... 27
2.2.2. Kalsium Karbonat (CaCO3) ... 28
2.2.3. Dolomite (CaMg(CO3)2) ... 29
2.2.4. Zirkonium Hidrida (ZrH2) ... 29
2.3. Tahapan Pembentukan Struktu Foam ... 30
2.3.1. Pertumbuhan Sel ... 30
2.3.2. Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Foam ... 31
2.3.2.1. Difusi Gas ... 31
2.3.2.2. Pengaturan Sel ... 32
2.3.2.3. Viskositas ... 32
2.3.2.4. Tegangan Permukaan ... 33
2.3.2.5. Oksidasi pada Aluminium ... 33
2.4. Karakteristik Mekanik pada Aluminium Foam ... 34
2.4.1. Tingkat Skala ... 34
2.4.2. Deformasi Tarik dan Tekan ... 35
2.4.3. Deformasi Metal Foam pada Pembebanan Tekan ... 36
2.4.3.1. Sifat pada Regangan Rendah ... 36
2.4.3.2. Keluluhan dan Plastisitas Metal Foam ... 37
2.4.4. Modus Kegagalan Getas dan Ulet ... 39
2.4.5. Modus Kegagalan untuk Energy Absorber ... 40
2.5. Aplikasi-Aplikasi Aluminium Foam ... 40
2.5.1. Aplikasi Struktur Ringan ... 42
2.5.2. Penyerap Energi Mekanik (Impak) ... 43
2.5.3. Pengontrol Panas ... 44
2.6. Uji Kekerasan (Hardness Test) ... 45
2.6.1. Brinnel (HB/BHN) ... 46
2.6.2. Rockwell (HR/RHN) ... 47
2.6.3. Vickers (HV/VHN) ... 50
2.6.4. Micro Hardness (Knoop Hardness) ... 52
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu ... 53
3.2. Bahan, Peralatan dan Metode ... 53
3.2.1.Bahan ... 53
3.2.2.Alat ... 56
3.2.3.Metode ... 61
3.3. Diagram Alir Penelitian ... 70
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisa Proses Foaming Produk Aluminium Magnesium Foam Dengan Blowing Agent CaCO3 ... 71
4.1.1. Pola Struktur Hasil Foaming ... 72
4.2. Analisa Kadar Mg pada Aluminium Foam Terhadap Densitas Produk ... 73
4.3. Analisa Kadar Mg paad Alumninium Foam Terhadap Kekuatan Tekan (Compressive Strength) ... 76
4.3.1. Analisa Patahan pada Sel Aluminium Foam Akibat Pembebanan Tekan ... 80
4.4. Analisa Kadar Mg Terhadap Kekerasan (Hardness) Aluminium Foam ... 84
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan ... 88
5.2. Saran ... 90
DAFTAR PUSTAKA ... 91
LAMPIRAN ... 93
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 : Diagram fasa magnesium ... 14
Gambar 2.2 : Diagram klasifikasi koloid berdasarkan fasa-fasa pembentuknya foam ... 17
Gambar 2.3 : Struktur dalam Metal Foam ... 18
Gambar 2.4 : Skema beberapa metode pembuatan metal foam ... 19
Gambar 2.5 : Skema proses penambahan gas secara langsung ... 20
Gambar 2.6 : Rentang ukuran dan fraksi foam yang diperbolehkanuntuk metal foam ... 21
Gambar 2.7 :Skema Proses foaming secara langsungdengan penambahan gas-releasing powders ... 22
Gambar 2.8 : Rute proses aluminium foam dengan pembekuan eutectic dari Solid-Gas; dan hasil proses ... 24
Gambar 2.9 : Prinsip Metode kompaksi antara serbuk Aluminium dengan blowing Agent ... 25
Gambar 2.10 : Rute Proses Formgrip dan penampang melintang dari produknya ... 26
Gambar 2.11 : skema pertumbuhan struktur sel dengan ρ*/ ρ berkurang selama pengembangan logam cair dengan menggunakan foaming agent yang terdispersi. ... 30
Gambar 2.12 : Terminologi dan notasi struktur sel ... 31
Gambar 2.13 : Kelarutan H2 didalam paduan Al-Si sebagai fungsi dari konsentrasi Si. ... 32
Gambar 2.14 : Efek dari tegangan permukaan pada batas sisi yang datar ... 33
Gambar 2.15 : Skema kurva tegangan regangan pada deformasi tahap awal untuk metal foam dengan pori tertutup ... 36
Gambar 2.16 : Tiga tahapan pada kurva tegangan-regangan untuk metal foam . 38 Gambar 2. 17: Kurva tegangan-regangan tekan untuk spesimen kubus dari spesimen AlulightTM (ulet) dan AlcanTM (getas) ... 39
Gambar 2.18 : Skema kurva tegangan regangan untuk: a) foam ideal, b) foam yang mengalami kegagalan getas, dan c) foam dengan work hardening yang luas. Daerah efektif saat penyerapan energi mekanik terjadi pada bagian kelabu sebelum mencapai
pembebebanan tekan kritis σe ... 40
Gambar 2.19 : Struktur Kompleks dari Aluminium Foam ... 41
Gambar 2.20 : Diagram Sifat serta Aplikasi Aluminium Foam ... 42
Gambar 2.21 : (a) Pelat Aluminium Foam Sandwich (AFS) (b) Penggunaan Pelat AFS pada Lifting Arm (c) Prototipe Engine Mounting Bracket BMW ... 43
Gambar 2.21 : Prototipe Crash Absorber ... 44
Gambar 2.22 : Dua jenis Heat Exchanger yang Terbuat dari Open Cell Foam (gambar diambil dari ERG Aerospace) ... 45
Gambar 2.23 : Pengujian Brinnel dan perumusan untuk pengujian Brinnel ... 48
Gambar 2.24 : Pengujian Rockwell ... 48
Gambar 2.25 : Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell ... 51
Gambar 2.26: Pengujian Vickers dan bentuk indentor Vickers ... 52
Gambar 2.27 : Bentuk indentor Knoop ... 54
Gambar 3.1 : Aluminium Ingot ... 54
Gambar 3.2 : CaCO3 Powder ... 55
Gambar 3.3 : Aluminium Powder ... 56
Gambar 3.4: Magnesium ... 57
Gambar 3. 5 : Drum Mixer ... 57
Gambar 3.6 : Furnace ... 58
Gambar 3.7 : Cawan Lebur (Crucible) ... 59
Gambar 3.8 : Blower ... 59
Gambar 3.9 : Batang Pengaduk dan mesin hand drill ... 60
Gambar 3.10: Timbangan ... 61
Gambar 3.11 : Mesin Bubut ... 62
Gambar 3.12 : Thermocouple type-K ... 63
Gambar 3.13 : Penimbangan dan Pencampuran Bahan ... 66
Gambar 3.14 : Rangkaian tahapan proses pembuatan aluminium foam ... 68
Gambar 3.15 : Pengujian densitas aluminium bulk secara sederhana menggunakan prinsip archimides ... 69
Gambar 3.16 : Universal Testing Machine ... 70
Gambar 3.17 : Alat uji Brinell ... 71
Gambar 3.18 : Diagram Alir Penelitian ... 72
Gambar 4.1 : Produk Aluminium foam (a. 4 % Mg ; b.6 % Mg ; c. 8 % Mg) . 74 Gambar 4.2 : Pola Struktur Hasil Foaming ... 76
Gambar 4.3 : Pengujian densitas dengan menggunakan prinsip archimides ... 77
Gambar 4.4 : Grafik hasil pengujian densitas ... 76
Gambar 4.5 : Standar dimensi ASTM E9-89a untuk spesimen uji tekan ... 78
Gambar 4.6 : Spesimen aluminium foam yang diberikan beban ... 79
Gambar 4.7 : Grafik kekuatan tekan aluminium foam ... 80
Gambar 4.8 : Pemodelan awal penekanan aluminium ... 81
Gambar 4.9 : Pemodelan penekanan aluminium foam saat pita deformasi mulai terbentuk ... 81
Gambar 4.10 : Pemodelan kegagalan aluminium foam secara getas dan ulet ... 82
Gambar 4.11 : Spesimen Al Foam yang mengalami patah getas... 83
Gambar 4.12 : Pemodelan penekanan aluminium foam saat perambatan pita deformasi ... 83
Gambar 4.13 : Daerah yang mendapatkan beban terkonsentrasi ... 83
Gambar 4.14 : Pemodelan perambatan pita deformasi ... 84
Gambar 4.15 : A. Spesimen Al foam 4% Mg ; B. Spesimen Al foam 6% Mg ; C. Spesimen Al foam 8% Mg ... 85
Gambar 4.16 : Grafik Nilai Kadar Mg vs Nilai BHN untuk kekerasan Aluminium Foam ... 87
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 : Road Map Penelitian Tentang Aluminium ... 4 Tabel 2.1 : Rockwell Hardness Scales ... 49 Tabel 4.1 :Data Hasil Pengujian Densitas ... 74 Tabel 4.2 : Analisa kadar Mg pada Aluminium Foam terhadap densitas
produk ... 76 Tabel 4.3 : Analisa kuat tekan Aluminium Foam ... 79 Tabel 4.4 :Analisa Kadar Mg pada Aluminium Foam Terhadap Kekerasan
(Hardness) ... 85 Tabel 4.5 : Nilai kekuatan tekan, densitas dan kekerasam Al-Mg foam ... 87
