Pengaruh Variasi Laju Solidifikasi terhadap Struktur Mikro, Sifat Mekanis dan Akustik Perunggu.

(1)

(2)

(3)

**!"#$%%&'()+%,'(-".-/'#(-01-23(-(1%4('45%/'(6789+.115678:**

7+;. < =>?@ABC@>D>DC@B@E

!"#$%&"#'()*+,$- .*/%+0%(1*2#34"*5$')"'*6$7")*8)"9$%7"#(7*:(1&3)0*6()0'3%(# ;,(1(# .*<$43)0*=('3,#(7*5$')"'*8),(1*>()?(%&(%3

@,A*;A*B()"*C1ADE*'1A*DE*>()?(%&(%3

5$,$F+)GH(I .*JKLLMNOOPENE

Q1(", .#$')"'1$7")AH#R3),(1A(SA"4G*HF(F$%A3),(1R01(",AS+1

T+)#(S#*/$%7+) .*;'-1(4*2U(%"$H*VW

X('*S"F#(*VSW*PJLK*(4(*F(4(*F$)3,"7

(4)

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

xxvii

COVER ... i

KATA PENGANTAR ... ii

SAMBUTAN REKTOR ... iii

SAMBUTAN DEKAN ... iv

REVIEWER ... v

PANITIA ... vii

JADWAL ACARA ... viii

DAFTAR ISI ... xxvii KEYNOTE SPEAKER ... xlix

BIDANG KONVERSI ENERGI

NO JUDUL KODE

1 Genset dengan bahan bakar co-gasifikasi downdraft kulit kopi dan batubara KE 01

2 Unjuk Kerja Pengering Surya Tipe Rak Pada Pengeringan Kerupuk Kulit Mentah KE 02

3 Analisis Unjuk Kerja Sistem Turbin Gas Mikro Bioenergi Proto X-3 Berbahan Bakar LPG KE 04

4 Optimasi periode data berdasarkan time constant pada pengujian unjuk kerja termal kolektor

surya pelat datar KE 06

5 Pengembangan Model Matematika Kinetika Reaksi Torefaksi Sampah KE 07

6 PENGGUNAAN GAS SEBAGAI BAHAN BAKAR PADA SEPEDA MOTOR BERMESIN INJEKSI KE 10

7 STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID DAN PEMBAKARAN PADA TANGENTIALLY

FIRED PULVERIZED-COAL BURNER DENGAN VARIASI SUDUT TILTING KE 11

8 Pemanfaatan Panas Buang Kondenser pada Pengering Beku Vakum KE 12

9 Sistem Pendingin Adsorpsi dengan Single Bed Adsorber KE 13

10 Penerapan Evaporative Cooling Untuk Peningkatan Kinerja Mesin Pengkondisian Udara Tipe

Terpisah (AC Split) KE 14

11 Penggunaan Thermal Energy Storage sebagai Penyejuk Udara Ruangan dan Pemanas Air pada

Residential Air Conditioning Hibrida KE 15

12 Studi Eksperimental tentang Karakteristik Turbin Angin Sumbu Vertikal Jenis Darrieus-Savonius KE 17

13 PENGARUH KONSENTRASI GARAM TERHADAP KARAKTERISITIK ALIRAN DUA FASE GAS DAN AIR KE 22

14 Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat Perubahan Frekwensi Eksitasi

pada Aktuator Ber-cavity Kerucut KE 23

15 KAJI TEORITIK KONSUMSI GAS LPG SEBAGAI SUMBER PANAS PADA PETERNAKAN AYAM BROILER

TIPE KANDANG TERTUTUP (CLOSED HOUSE) KE 24

16 STUDI AWAL GASIFIKASI SERBUK KAYU PADA OPEN TOP STRATIFIED DOWNDRAFT GASIFIER KE 25

17 Prototipe Sistem Pengering Cengkeh Dengan Energi Surya KE 26

18 Drag Reduction in Flow Separation Using Plasma Actuator in Cylinder Models KE 28

19 PENGARUH VARIASI NORMALITAS AKTIVATOR PADA AKTIVASI NaOH-FISIK ADSORBEN FLY ASH

(5)

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

xxviii

20 PENGARUH TEMPERATUR PEMANASAN AWAL TIPE STRAIGHT PADA MINYAK KELAPA TERHADAP

SUDUT SEMPROT NOSEL KE 30

21 Analisis Beban Thermal Rancangan Mesin Es Puter Dengan Kompresor ½ PK Untuk Skala Industri

Rumah Tangga KE 32

22 Rancang Bangun Kondenser pada Pengering Beku Vakum KE 34

23 ANALISIS PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA PEMANAS AIR DENGAN PELAT KOLEKTOR BENTUK-V KE 35

24 Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk Pengering Bunga Kamboja KE 37

25 Pengaruh Jarak Concentric dan Eccentric Reducer Pada Sisi Isap Pompa Sentrifugal Terhadap

Gejala Kavitasi KE 38

26 Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin Diesel Dengan Metode Tetesan Pada

Pelat Panas KE 40

27 Pengujian Performa Sistem Pendingin Absorpsi dengan Energi Panas Matahari di Universitas

Indonesia Depok KE 41

28 Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas Campuran Air dan Minyak Nabati untuk aplikasi

sebagai refigeran sekunder KE 42

29 PENGGUNAAN SOLAR COLLECTOR SEBAGAI PEMANAS AWAL DAN PIPA KONDENSAT SEBAGAI HEAT

RECORVERY PADA BASIN SOLAR STILL UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI KE 43

30 Analisis Performa Modul Solar Cell Dengan Penambahan Reflector Cermin Datar KE 44

31 Karakteristik Api Premiks Biogas pada Counterflow Burner KE 45

32 Theoretical Study of Forced Convective Heat Transfer in a Hexagonally Configured

Seven-Vertical-Rod Bundle in Zirconia-Water Nanofluid KE 47

33 KAJI EKSPERIMENTAL ALAT PENGOLAHAN AIR LAUT MENGGUNAKAN ENERGI SURYA UNTUK

MEmproduksi GARAM Dan AIR TAWAR KE 48

34

ANALISIS KARATERISTIK PEMBAKARAN BRIKET ARANG LIMBAH INDUSTRI KELAPA SAWIT dengan VARIASI BAHAN PEREKAT (BINDER) KANJI dan TAR MENGGUNAKAN METODE THERMOGRAVIMETRI ANALYSIS (TGA)

KE 50

35 PENINGKATAN HASIL EKSTRAKSI MINYAK NILAM DENGAN METODE HYDRO-STEAM MICROWAVE

DISTILLATION KE 51

36 PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN SUDUT TURBULATOR TERHADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS

PADA ALAT PENUKAR KALOR ALIRAN BERLAWANAN (COUNTER FLOW HEAT EXCHANGER) KE 52

37 Pengaruh Variasi Luas Heat Sink Terhadap Densitas Energi dan Tegangan Listrik Thermoelektrik KE 53

38 EFEKTIFITAS PERPINDAHAN PANAS PADA DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER DENGAN GROOVE KE 54

39 Penentuan Sub-sub Pola Aliran StratifiedAir-Udara pada Pipa Horisontal MenggunakanPengukuran

Tekanan KE 56

40 Distribusi Temperatur Pada Microwave menggunakan Metode CFD KE 57

41 PENGARUH DEBIT ALIRAN AIR TERHADAP PROSES PENDINGINAN PADA MINI CHILLER KE 58 PENGARUH TEMPERATUR PEMANASAN AWAL TIPE STRAIGHT PADA MINYAK KELAPA TERHADAP

(6)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 13

Pengaruh Variasi Laju Solidifikasi

terhadap Struktur Mikro, Sifat Mekanis dan Akustik Perunggu

*

I Ketut Gede Sugita

1

, Ketut Astawa

1

, I G N Priambadi

1

1 _{Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana}

e-mail : sgita_03@yahoo.com

Abstrak

Perunggu khusunya perunggu timah putih banyak digunakan sebagai bahan instrumen musik tradisional seperti gamelan, lonceng maupun gong. Proses pengecoran berpengaruh terhadap sifat mekanik maupun akustik hasil coran. Penelitian ini dirancang untuk mengetahui pengaruh laju pembekuan proses pengecoran terhadap struktur mikro, sifat mekanis dan akustik paduan perunggu 20% wt. Sn. Perunggu yang merupakan paduan tembaga dan timah putih murni komersial dilebur pada dapur peleburan hingga mencapai temperatur 1000 oC. Logam yang telah mencair dituang ke dalam cetakan yang memiliki variasi temperatur 200 oC, 300 oC and 400 oC. Grafik laju pembekuan direkap dengan mengunakan termokopel tipe K yang dilengkapi dengan data aqusisi. Material coran dipotong-potong dan dimachining untuk pengujian kekerasan dan damping capacity. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan temperatur cetakan yang rendah mempercepat pembekuan yang terjadi. Variasi laju solidifikasi berpengaruh pada morphologi mikrostruktur. Ukuran dendrite arm spacing (DAS), menurun dengan meningkatnya laju solidifikasi, yang mengakibatkan kekuatan impact menurun namun kekerasan material meningkat. Damping capacity

material semakin rendah terjadi pada material yang semakin keras.

Kata kunci : tin bronze, dendrite, DAS, laju pembekuan

I. Pendahuluan

Perunggu merupakan material yang

memiliki sifat mekanik dan akustik yang baik sehingga material ini banyak digunakan sebagai bahan instrumen musik seperti bel maupun gamelan. Biasanya perunggu yang digunakan sebagai bahan gamelan adalah perunggu timah putih (tin bronze). Proses pembuatan gamelan menggunakan metode yang masih tradisional ynag bertmpu pada

proses pengecoran. Proses pembekuan

menjadi pertimbangan yang sangat penting

dalam mempengaruhi sifat mekanik

perunggu. Variasi laju pembekuan

(solidification) sangat berpengaruh pada

perubahan struktur mikro berpengaruh

langsung terhadap sifat mekanik hasil coran. Penelitian tentang pembekuan perunggu belum banyak yang melakukan. Beberapa penelitian pembekuan yang telah dilakukan adalah: pembekuan paduan perunggu Cu-8%Sn [1], pembekuan pada cetakan permanen [2], paduan peritectic Cu-Sn [3] dan evolusi

struktur pada paduan Cu-Sn [4][5]. Laju pembekuan (solidification rate) berpengaruh pada bentuk stuktur mikro seperti grain size dan dendrite arm spacing (DAS). Variasi bentuk struktur mikro berpengaruh langsung terhadap sifat mekanis hasil coran. [6]

Penelitian tentang variasi laju solidifikasi terhadap sifat akustik material sangat terbatas keberadaannya. Penelitian solidifikasi material perunggu sebagai instrumen musik, keberadaannya sangat terbatas. Cacat coran yang terjadi pada

material berkontribiusi terhadap

meningkatnya damping capacity material tersebut. Damping capacity yang tinggi dihindari pada material yang diperuntukkan sebagai bahan istrumen musik khususnya gamelan. Penelitian ini menitik beratkan pada variasi laju solidifikasi terhadap struktur mikro dan cacat coran terhadap akutik hasil coran.

(7)

Material 13

Penelitian ini menggunakan paduan

perunggu timah putih timah putih 20% wt. Sn. Komposisi kimia paduan ditunjukkan pada Tabel 1. Paduan murni (pure commercial)

dilebur pada dapur peleburan hingga

temperatur 1000 oC. Logam cair dituang pada cetakan logam dengan ukuran 250 x 55 x 15

mm yang mendapat pemanasan awal

(preheat) pada temperatur 200 oC, 300 oC, 400 oC. Bilet hasil coran dimachining untuk spesimen kekerasan dan damping capacity

dan struktur mikro. Pengujian damping capacity menggunakan metode getaran bebas

batang. Perhitungan damping capacity

menggunakan metode logarithmic decrement.

Tabel 1. Komposisi kimia paduan

Unsur Komposisi kimia wt%

Cu 79,18

Gambar 1 menunjukkan karateristik

pembekuaan paduan Cu-20 % wt. Sn pada variasi temperatur cetakan. Temperatur awal cetakan bervariasi pada setiap proses pengecoran yaitu temperatur 200 oC, 300 oC,

400 oC. Variasi temperatur cetakan

mempengaruhi kurva laju pembekuan. Laju pembekuan pengecoran pada penggunaan cetakan bertemperatur 200 oC yaitu 13.112

o

C/dt, paling tinggi dibandingkan dengan penggunaan temperatur cetakan 300 oC yaitu 10.206 oC/dt dan 400 oC yaitu 7.722 oC/dt. Makin tinggi laju pembekuan, waktu yang diperlukan dalam pembekuan secara komplit makin singkat dibandingkan dengan laju pembekuan yang lebih rendah.

Gambar 1 Karateristik pembekuan paduan perunggu

3.2Struktur Mikro

Gambar 2 a-c menunjukkan bentuk struktur mikro paduan perunggu 20% wt. Sn akibat variasi laju solidifikasi dalam pembesaran 200x. Bentuk struktur dendrite

berbeda untuk laju pendinginan yang berbeda. Bentuk unjung dendrite relatif runcing terjadi pada laju solidifikasi 13.112oC/dt (Gambar 2a), kemudian ujung dendrite semakin bulat dan semakin membesar seiring dengan menurunnya laju solidifikasi (Gambar 2b-c). Tidak ada perubahan fase yang terjadi akibat perbedaan laju pembekuan. Hubungan ukuran

(8)

Material 13 Gambar 2 Struktur mikro pada variasi laju

solidifikasi, a). 13.112 oC/dt, b).10.206

o

C/dt.dan c).7.722 oC/dt.

Gambar 3 Pengaruh laju solidifikasi dengan SDAS

3.3 Sifat Mekanis

Gambar 4 menunjukkan pengaruh laju solidifikasi terhadap kekerasan Vickers hasil coran. Kecendrungan nilai rata-rata kekerasan menngkat seiiring dengan meningkatnya laju solidifikasi

Gambar 4. Pengaruh solidfikasi terhadap kekerasan Vickers.

.

Kekerasan rata-rata paduan adalah: 192,25 VHN, 193,75 VHN, dan 202,71 VHN secara berurutan untuk variasi temperatur tuang 7.722, 10.206 dan 13.112 oC/dt

3.4 Damping capacity

Gambar 5 Time domain respons paduan

Gambar 5 menunjukkan time domain respons bilah perunggu ketika bilah tersebut digetarkan. Gambar tersebut menunjukkan besaran damping capacity masing-masing paduan dan perlakuannya. Damping capacity

(9)

Material 13 Gambar 6 Hubungan laju solidifikasi

dengan damping capacity

Damping capacity rendah berarti

kemampuan paduan tersebut melepaskan energi mekanis/getaran rendah yang ditandai oleh material tersebut lebih lama bergetar dibandingkan dengan material yang memiliki

damping capacity yang lebih tinggi.

Perhitungan damping capacity menggunakan

metode logarithmic decrement. Hasil

perhitungan damping capacity diplot dalam grafik pada Gambar 6. Laju solidifikasi berpengaruh pada damping capacity paduan

perunggu. Damping capacity memiliki

kecenderungan menurun seiring dengan meningkatnya laju solidifikasi.

IV Pembahasan

Laju solidifikasi dipengaruhi oleh variasi gradien temperatur antara logam cair dengan temperatur cetakan. Semakin besar selisih

temperatur antara logam cair dengan

temperatur cetakan, maka laju solidifikasi akan meningkat dengan menurunkan waktu solidifikasi. Perbedaan laju solidifikasi berpengaruh pada bentuk struktur mikro yang dihasilkan. Bentuk DAS yang dihasilkan bertambah besar diakibatkan oleh laju solidifikasi yang semakin rendah. Ukuran SDAS memiliki kecendrungan menurun seiring dengan meningkatnya laju pembekuan yang disebabkan karena sedikit waktu yang tersedia untuk difusi partikel inti [7][8]. Selama proses pembekuan temperatur cetakan meningkat akibat transfer panas dari logam cair ke cetakan. Cetakan menyerap panas yang dilepas oleh logam cair kemudian melepaskan ke sekeliling. Peningkatan panas pada cetakan menurunkan gradien temperatur logam cair dengan interface sehingga laju pembekuan terhambat dan waktu yang

tersedia untuk pembekuan secara komplit semakin lama. Penelitian laju solidifikasi pada material bukan perunggu juga diamati bahwa variasi bentuk struktur dendrite

dipengaruhi oleh variasi kecepatan

solidifikasi dari dinding cetakan hingga ke dalam cetakan.[9][10]. Kecepatan solidifikasi juga berpengaruh pada radius ujung dendrite

yang terbentuk. Makin tinggi laju

pendinginan (cooling rate), struktur mikro yang terbentuk semakin halus dan radius ujung dendrite akan semakin runcing [11].

Kekerasan paduan perunggu cenderung

meningkat seiring dengan meningkatnya laju pembekuan (Gambar 4). Laju pembekuan yang tinggi menghasilkan struktur yang lebih halus. Butiran halus ini akan membentuk banyak batas butir yang mampu menghambat gerakan dislokasi sehingga meningkatkan kekuatan paduan [7]. Butiran yang halus memberi sifat yang baik pada sifat akustik

material dimana struktur yang halus

memperkecil adanya porositas. Porositas pada material berdampak pada damping capacity yang material. Semakin banyak porositas damping capacity material akan semakin meningkat [12]. Material yang memiliki

damping capacity yang tinggi dihindari untuk digunakan sebagai bahan instrumen musik seperti perunggu.

VI Kesimpulan

Laju pembekuan pada proses pengecoran berpengaruh pada srutur mikro. Struktur mikro yang lebih halus dan SDAS yang

semakin kecil berpengaruh terhadap

peningkatan sifat mekanik yaitu kekerasan material meningkat. Peningkatan kekerasan

material berpengaruh pada penurunan

damping capacity perunggu. Material dengan damping capacity material yang kecil sangat baik digunakan untuk material instrumen musik (gamelan)

Ucapan Terimakasih

(10)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Binary Alloy System, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 38, No. 7, pp. 1237-1247,

[2] Martorano, M.,A. and Capocchi, J., D.,T., Heat Transfer Coefficient at the Metal-Mould Interface in the Unidirectional Solidification of Cu-8%Sn Alloys, Journal of Heat and Mass Transfer vol. 43 pp.2541-2552, 2000.

[3] Halvaee, A. and Talebi, A., Effect of Process Variables on Microstructure and Segregation in Centrifugal Casting of C92200 Alloy, Journal of Materials Processing Technology 118, pp 123_–127, 2001.

[4] Kohler, F., Germond L, Wagniere J-D.,

Rappaz M., 2008, Peritectic

Solidification of Cu_–Sn Alloys: Microstructural Competition at Low Speed, Acta Materialia 57 pp 56_–68. [5] Zhao, Y., Bian, X., Qin, J, Qin, X., Hou,

X., Structural Evolution in the

Solidification Process of Cu_–Sn Alloys Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 353, pp 4845_–4848, 2007.

[6] Hemanth, J, Effect of Cooling Rate on Dendrite Arm Spacing (DAS), Eutectic Cell Count (ECC) and Ultimate Tensile Strength (UTS) of Austempered Chilled Ductile iron, Materials and Design 21 pp 1-8,2000.

[7] Askeland, D.R., 1984, The Science and Engineering of Materials, University of Misouri-Rolla, California, USA.

[8] Campbell, J., 2000, The Concept of Net Shape for Casting, Material Design, 21, pp. 373 380

[9] Halvaee, A.dan Talebi, A., 2001, Effect of Process Variables on Microstructure and Segregation in Centrifugal Casting of C92200 Alloy, Journal of Materials Processing Technology 118, pp 123_–127. [10]I KetutGedesugitar Soekrisnor l Made

Miasa,Suyitno,The Effect of

Solidification Rate on Morphology

Microstructures and Mechanical

Properties of 80%Cu-20%Sn Bronze Alloys, Material Science Research India, Vol 07 No 01, 2010.

[11]Stefanescu, D.M.and Ruxanda, R., 2004,

Fundamentals of Solidification,

Metallography and Microstructures, ASM Handbook Vol 9, pp. 71_–92.

(11)