BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aluminium
Aluminium diambil dari bahasa Latin: alumen, alum. Orang-orang Yunani dan Romawi kuno menggunakan alum sebagai cairan penutup pori-pori dan bahan penajam proses pewarnaan. Pada tahun 1787, Lavoisier menduga bahwa unsur ini adalah Oksida logam yang belum ditemukan. Pada tahun 1761, de Morveau mengajukan nama alumine untuk basa alum. Pada tahun 1827, Wohler disebut sebagai ilmuwan yang berhasil mengisolasi logam ini. Pada 1807, Davy memberikan proposal untuk menamakan logam ini Aluminum, walau pada akhirnya setuju untuk menggantinya dengan Aluminium. Nama yang terakhir ini sama dengan nama banyak unsur lainnya yang berakhir dengan “ium”.
Aluminium ditemukan pada tahun 1825 oleh Hans Christian Oersted. Baru diakui secara pasti oleh F. Wohler pada tahun 1827. Sumber unsur ini tidak terdapat bebas, bijih utamanya adalah bauksit. Penggunaan Aluminium antara lain untuk pembuatan kabel, kerangka pesawat terbang, mobil dan berbagai produk peralatan rumah tangga. Senyawanya dapat digunakan sebagai obat, penjernih air, fotografi serta sebagai ramuan cat, bahan pewarna, ampelas dan permata sintesis.
Aluminium murni adalah logam yang lunak, tahan lama, ringan dan dapat ditempa dengan penampilan luar bervariasi antara keperakan hingga abu-abu, tergantung kekasaran permukaannya. Kekuatan tarik Aluminium murni adalah 90 Mpa, sedangkan aluminium paduan memiliki kekuatan tarik berkisar hingga 600 Mpa. Aluminium memiliki berat sekitar satu pertiga baja, mudah ditekuk, dicor, ditarik, diperlakukan dengan mesin, dan diekstrusi.
Ketahanan terhadap korosi terjadi akibat fenomena pasivasi, yaitu terbentuknya lapisan Aluminium Oksida ketika Aluminium terpapar dengan udara bebas. Lapisan Aluminium Oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Aluminium paduan dengan tembaga kurang tahan terhadap korosi akibat reaksi galvanik dengan paduan Tembaga.
Dalam keadaan murni aluminium terlalu lunak, terutama kekuatannya sangat rendah untuk dapat dipergunakan pada berbagai keperluan teknik. Dengan pemaduan ini dapat diperbaiki tetapi seringkali sifat tahan korosinya berkurang, demikian juga keuletannya.
2.2 Proses Pembuatan Aluminium
Aluminium adalah logam yang sangat reaktif yang membentuk ikatan kimia berenergi tinggi dengan oksigen. Dibandingkan dengan logam lain, proses ekstrasi aluminium dari batuannya memerlukan energi yang tinggi untuk mereduksi Al2O3. Proses reduksi ini tidak semudah mereduksi besi dengan
menggunakan batu bara, karena aluminium merupakan reduktor yang lebih kuat dari karbon. Proses produksi aluminium dimulai dari pengambilan bahan tambang yang mengandung aluminium (bauksit, corrondum, gibbsite, boehmite, diaspore, dan lainnya). Selanjutnya, bahan tambang dibawa menuju proses Bayer yang ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Proses Bayer
Sumber: http://yarayaa.blogspot.com/2013/05/proses-pembuatan-aluminium.html
Proses Bayer menghasilkan alumina (Al2O3) dengan membasuh bahan
tambang yang mengandung aluminium dengan larutan natrium hidroksida pada temperatur 175 0C sehingga menghasilkan aluminium hidroksida, Al(OH)3.
Aluminium hidroksida lalu dipanaskan pada suhu sedikit di atas 1000 0C sehingga terbentuk alumina dan H2O yang menjadi uap air. Setelah Alumina dihasilkan,
alumina dibawa ke proses Hall-Heroult.
Proses Hall-Heroult dimulai dengan melarutkan alumina dengan lelehan Na3AlF6, atau yang biasa disebut cryolite. Larutan lalu dielektrolisis dan akan
mengakibatkan aluminium cair menempel pada anoda, sementara oksigen dari alumina akan teroksidasi bersama anoda yang terbuat dari karbon, membentuk karbon dioksida. Aluminium cair memiliki massa jenis yang lebih ringan dari pada larutan alumina, sehingga pemisahan dapat dilakukan dengan mudah (A.Schey,2009).
2.3 Mikrostruktur Aluminium
Gambar 2.2 memperlihatkan struktur mikro aluminium murni. Aluminium murni 100% tidak memiliki kandungan unsur apapun selain aluminium itu sendiri.
Gambar 2.2 Struktur mikro dari aluminium murni Sumber: Skripsi Boy Harpit Akroma, tahun 2011
Gambar 2.3 Struktur mikro dari paduan aluminium-silikon Sumber: Skripsi Boy Harpit Akroma, tahun 2011
Pada gambar 2.3 (a) merupakan paduan Al-Si tanpa perlakuan khusus. Gambar 2.3 (b) merupakan paduan Al-Si dengan perlakuan termal. Gambar 2.3 (c) adalah paduan Al-Si dengan perlakuan termal dan penempaan. Jika diperhatikan bahwa semakin ke kanan, struktur mikro semakin baik (Voort,1984).
2.4 Sifat-Sifat Aluminium
Sifat teknik bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut. Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas.
Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium (Hacth, 1984).
2.4.1 Sifat Fisik Aluminium
Sifat fisik dari aluminium dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat fisik aluminium
Jenis Sifat Keterangan
Nama, Simbol, dan Nomor Atom Aluminium, Al, 13
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. 251,9 0C. 4566 0F Kalor jenis (25 0C) 24,2 J/mol K
Resistansi listrik (20 0C) 28,2 nΩ m Konduktivitas termal (300 K) 237 W/m K Pemuaian termal (25 0C) 23,1μm/m K
Modulus Young 70 GPa
Modulus geser 26 MPa
Poisson ratio 0,35
Kekerasan skala Mohs 2,75
Kekerasan skala Vickers 167 MPa Kekerasan skala Brinnel 12-16 BHN
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/aluminium
2.4.2 Sifat Mekanik Aluminium
Adapun sifat-sifat mekanik dari aluminium adalah sebagai berikut.
2.4.2.1 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik adalah besar tegangan yang didapatkan ketika dilakukan pengujian tarik. Kekuatan tarik ditunjukkan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan-regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadi ketika terjadinya
necking. Kekuatan tarik bukanlah ukuran kekuatan yang sebenarnya dapat terjadi
di lapangan, namun dapat dijadikan sebagai suatu acuan terhadap kekuatan bahan. Kekuatan tarik pada aluminium murni 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 (paduan 7075) (A.Schey, 2009).
2.4.2.2 Kekerasan
Kekerasan gabungan dari berbagai sifat yang terdapat dalam suatu bahan yang mencegah terjadinya suatu deformasi terhadap bahan tersebut ketika diaplikasikan suatu gaya. Kekerasan suatu bahan dipengaruhi oleh elastisitas, 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.
Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 20 skala Brinell, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam. Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu dipadukan dengan logam lain dan atau diberi perlakuan termal atau fisik. Aluminium dengan 4,4% Cu dan diperlakukan dengan quenching, lalu disimpan pada temperatur tinggi dapat memiliki tingkat kekerasan Brinell sebesar 160 (A.Schey, 2009).
2.4.2.3 Ductility (Liat)
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk
menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Dalam suatu pengujian tarik, ductility ditunjukkan dengan bentuk neckingnya, material dengan ductility yang tinggi akan mengalami necking yang sangat sempit, sedangkan bahan yang memiliki ductility rendah, hampir tidak mengalami necking. Sedangkan dalam hasil pengujian tarik, ductility diukur dengan skala yang disebut elongasi.
Elongasi adalah seberapa besar pertambahan panjang suatu bahan ketika dilakukan uji kekuatan tarik. Elongasi ditulis dalam persentase pertambahan panjang per panjang awal bahan yang diujikan. Aluminium murni memiliki
ductility yang tinggi. Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi,
tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni, karena ductility berbanding terbalik dengan kekuatan tarik, serta semua aluminum paduan memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi dari pada aluminium murni (A.Schey, 2009).
2.4.2.4 Modulus Elastisitas
Aluminium memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan baja maupun besi, tetapi dari sisi strength to weight ratio, aluminium lebih baik. Aluminium yang memiliki titik lebur yang lebih rendah dan kepadatan. Dalam kondisi yang dicairkan dapat diproses dalam berbagai cara. Hal ini yang memungkinkan produk-produk dari aluminium yang akan dibentuk, pada dasarnya dekat dengan akhir dari desain produk (A.Schey, 2009).
2.4.2.5 Recyclability (Kemampuan untuk didaur ulang)
Aluminium adalah 100% bahan yang didaur ulang tanpa penurunan dari kualitas awalnya, peleburannya memerlukan sedikit energi, hanya sekitar 5% dari energi yang diperlukan untuk memproduksi logam utama yang pada awalnya diperlukan dalam proses daur ulang (A.Schey, 2009).
2.4.2.6 Reflectivity (Mampu pantul)
Aluminium adalah reflektor yang baik dari cahaya serta panas, dan dengan bobot yang ringan, membuatnya ideal untuk bahan reflektor (A.Schey, 2009).
2.5 Aplikasi Aluminium Pada Velg Mobil
Velg adalah komponen utama dalam sebuah kendaraan. Tanpa velg, kendaraan baik itu mobil ataupun motor tidak akan dapat berjalan. Velg ada dua
jenis yang dikenal di kalangan masyarakat yaitu velg standar pabrikan dan velg jenis racing.
Velg standar atau velg dari pabrikan banyak yang tidak menyukai karena beberapa alasan salah satunya adalah trend. Oleh karena itu banyak yang menggantinya dengan velg yang lebih gaya atau yang di sebut dengan velg racing (Daryanto,2004).
2.6 Spesifikasi Velg Mobil
Terdapat beberapa kode-kode yang dipakai untuk menggambarkan spesifikasi detail dari sebuah velg mobil yang ditunjukkan pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Konstruksi velg mobil
Sumber: http://hangar-besi.blogspot.com/2013/01/kode-kode-pada-velg.html
Arti kode pada gambar 2.4 sebagai berikut.
2.6.1 PCD
PCD adalah singkatan dari "Pitch Circle Diametre" (diameter lingkaran pitch). Ini adalah diameter lingkaran, yang diambil melalui pusat lubang baut pada roda. PCD diukur dalam millimeter dan juga menunjukkan jumlah baut roda yang ada. Misalnya kode 5/114,3 merupakan kode untuk menunjukkan jumlah baut yaitu 5 baut dan 114,3 merupakan PCD yang terlihat pada gambar 2.5.
Pengukurannya dengan mengambil titik terlurus dari masing-masing lubang baut roda. Misalnya 4 baut yang diukur antara titik berseberangan dan satuan milimeter. Tetapi kalau yang 5 baut, penarikan garis PCD ada di antara dua titik lubang baut yang ada di seberang lubang baut roda yang ditarik ukurannya. Dari ukuran itu, didapat angka paling standar 100 mm buat mobil-mobil kebanyakan. Maka disebutnya PCD 100. Untuk mobil-mobil MPV dan light-SUV, PCD-nya 114,3 mm, sedangkan sedan kecil dan hatchback, seperti Honda Jazz, Toyota Yaris, atau Chevrolet Aveo, ber-PCD 100 mm. Pada mobil Mercedes Benz 112 mm, BMW 120 mm, dan SUV yang besar 139,7 mm.
Gambar 2.5 PCD velg mobil
Sumber: http://www.jipku.com/artikodevelg.html
2.6.2 Offset
Atau juga sering disebut dengan istilah yang diambil dari prefix Bahasa Jerman "Einpresstiefe" (press depth), adalah ukuran seberapa besar tekukan penampang / permukaan tengah velg bagian dalam yang ke luar ataupun ke dalam. Semakin kecil ukuran offset maka penampang dalamnya semakin tebal sehingga membuat velg apabila terpasang di mobil akan semakin keluar dari fender.
Offset menunjukkan jarak dari titik tengah velg ke bagian dudukan baut as roda (bisa rem cakram atau tutup tromol) yang menggunakan satuan milimeter. Seperti yang terlihat dalam gambar 2.6, offset disebut dengan "+" (positif) jika permukaan yang menyentuh dudukan as roda melampaui garis tengah velg, dan disebut "-" (negatif) ketika lebih dalam daripada garis tengah velg. Pemilihan jenis offset ini perlu diperhatikan agar ban tidak terlalu masuk ke dalam dan
menyentuh rongga spatbor kendaraan atau velg dapat menyentuh atau menabrak kaliper rem.
Gambar 2.6 Offset velg mobil
Sumber: http://donnishare.blogspot.com/2010/09/belajar-mengenai-profil-ban-velg-dan.html
2.6.3 Centre Bore
Merupakan lubang di tengah-tengah lubang baut pada velg mobil, yang berfungsi untuk menahan velg agar tetap berada dipusat roda atau sering juga disebut Centre Hole.
2.6.4 Rim Marking
Pada umumnya format penulisannya adalah 18x8J ET 35, yang artinya velg mobil tersebut berukuran diameter 18 inch dengan lebar velg 8 inch dan
Gambar 2.7 Ukuran velg mobil
Sumber: http://www.jipku.com/artikodevelg.html
2.7 Velg Baja dan Velg Aluminium
Industri velg mobil pada umumnya dapat dibagi menjadi dua yaitu velg aluminium dan velg baja yang terlihat pada gambar 2.8. Untuk angkutan umum dan komersial yang memerlukan velg dengan kekuatan tinggi dan kualitas penampilan yang rendah, baja merupakan bahan logam yang paling efisien dan efektif. Namun untuk mobil penumpang, selain kekuatan dan keringanan velg, penampilan velg yang indah juga diminati oleh pemakai.
Logam aluminium lebih tahan karat dibandingkan baja sehingga penampilan logam aluminium lebih tahan lama keindahannya daripada logam baja, selain itu logam aluminium dapat menimbulkan kilauan indah yang mengkilap bila dipoles. Kelebihan logam aluminium yang terakhir terletak pada beratnya yang lebih ringan dibandingkan logam baja. Oleh karena itu, velg dengan bahan dasar logam aluminium menjadi velg standar bagi mobil penumpang pada umumnya (Daryanto,2004).
(a) (b)
2.7.1 Kualitas Velg Paduan Aluminium
Kualitas velg paduan aluminium dipengaruhi oleh kriteria-kriteria sebagai berikut:
1. Penampilan
Velg bersifat fashion yang digunakan untuk memperindah penampilan mobil secara keseluruhan.
2. Mode
Karena velg bersifat fashion, maka tentunya mode dari sebuah velg mempengaruhi minat pelanggan yang ingin membeli velg.
3. Warna
Warna sebuah velg meningkatkan daya tarik pelanggan dari produk fashion tersebut.
4. Kekuatan
Velg yang tidak kuat dapat membahayakan keselamatan penumpang mobil tersebut, terutama untuk kalangan yang menggemari kegiatan rally dimana kekuatan velg diutamakan untuk melewati jalanan off-road yang lebih menantang.
5. Keringanan
Velg yang ringan akan meningkatkan kecepatan sebuah mobil dan juga dapat mengurangi kebutuhan bahan bakar mobil tersebut.
2.7.2 Kategori Velg Paduan Aluminium
Velg paduan aluminium memiliki beberapa kategori style yang memiliki pangsa pasar tersendiri sebagai berikut:
1. Standar
Velg aluminium standar atau OEM digunakan untuk mengkategorikan velg-velg aluminium yang merupakan velg-velg keluaran standar dari manufaktur mobil. Mayoritas pengguna mobil penumpang menggunakan velg standar yang telah disediakan oleh manufaktur mobil ketika membeli sebuah mobil.
2. Racing
Velg paduan aluminium yang termasuk dalam model ini lebih fokus pada keringanan berat dan keseimbangan dari velg tersebut. Velg yang ringan akan meningkatkan laju kecepatan sebuah kendaraan. Keseimbangan (balance) velg
racing sangat mempengaruhi kestabilan kendaraan saat melaju dengan
kecepatan tinggi.
3. Rally
Velg paduan aluminium untuk rally kualitasnya diukur dari ketangguhan velg tersebut bila digunakan dalam kondisi jalan yang buruk atau off-road. Penggemar rally pada umumnya lebih peduli dengan kekuatan velg dibandingkan keringan berat velg tersebut.
4. VIP Style
Velg paduan aluminium VIP style lebih difokuskan kepada penampilan velg yang dapat memperindah penampilan mobil mewah. Penggemar velg dengan
style ini mengingini penampilan velg yang akan membuat penampilan
mobilnya menjadi lebih mewah.
5. Replika
Dikarenakan velg paduan aluminium adalah barang fashion, maka terdapat permintaan terhadap replika atau tiruan dari merk terkenal.
2.7.3 Jumlah Spoke
Cast wheel (velg) mobil adalah kerangka roda yang berfungsi untuk
menahan beban dan tegangan yang diakibatkan oleh berat kendaraan, berat penunpang dan impak yang diakibatkan oleh permukaan jalan yang dilalui oleh sepeda motor. Impak dari permukaan jalan terhadap velg dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan karena tegangan dan deformasi yang terjadi. Jumlah spoke pada velg sangat mempengaruhi kekuatan velg mobil. Spoke pada velg merupakan suatu sistem struktural yang efisien, kuat, dan indah. Velg mobil merupakan salah satu komponen otomotif yang terus mengalami kemajuan desain, banyak mengutamakan penampilan dan merupakan salah satu bagian dari kendaraan yang menerima tegangan dan beban.
Banyaknya variasi model velg mobil saat ini sangat mempengaruhi kekuatan dan ketahanan dari velg, khususnya dipakai di jalan raya yang bergelombang. Velg mobil yang dijual di pasaran mempunyai banyak model sehingga perlu diketahui pengaruh desain velg mobil terhadap tegangan dan deformasi yang terjadi pada velg mobil, agar velg tersebut mempunyai kekuatan maksimal.
2.8 Paduan Aluminium
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai sifat ketahanan korosi yang baik. Material ini digunakan dalam bidang yang luas bukan hanya untuk peralatan rumah tangga saja tetapi juga dipakai untuk kepentingan industri, misalnya untuk industri pesawat terbang, komponen-komponen mobil, komponen regulator dan konstruksi-konstruksi yang lain.
Menurut Aluminum 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.
1. Aluminium seri 1xxx
Memiliki kekuatan yang rendah, ketahanan terhadap korosi yang tinggi, tingkat reflektif yang tinggi, dan konduktifitas termal dan listrik yang tinggi sehingga kombinasi ini cocok untuk digunakan dalam pengemasan, perangkat listrik, peralatan pemanas, pencahayaan, dekorasi dan lain-lain.
2. Aluminium seri 2xxx
Melalui pengerasan dengan precipitation hardening dapat digunakan untuk penerbangan dan roda, kendaraan militer, cocok juga untuk sekrup, baut, komponen permesinan, dan lain-lain.
3. Aluminium seri 3xxx
Tipikal aplikasi seri ini rata-rata untuk kaleng dan untuk paduan yang memerlukan pembentukan dengan cara ditekan dan penggulungan. Selain untuk pengemasan, bangunan, peralatan rumah, paduan ini digunakan juga untuk benda yang memerlukan kekuatan, formabilitas, weldabilitas, dan korosi yang tinggi serta untuk perlengkapan pemanasan seperti helaian brazing dan pipa pemanas. 4. Aluminium seri 4xxx
Kandungan silikon yang tinggi digunakan untuk produk yang memerlukan tingkat kekakuan yang tinggi atau keuletan yang rendah biasa digunakan untuk velg kendaraan bermotor.
5. Aluminium seri 5xxx
Kombinasi kekuatan sedang, ketahanan korosi yang luar biasa, dan
weldability. Biasa digunakan untuk bagian luar (outdoor), arsitektur, khususnya
dalam bidang kelautan (perkapalan), dan juga untuk otomotif untuk bodi mobil dan komponen chasis.
6. Aluminium seri 6xxx
Kombinasi yang baik antara kekuatan tinggi, formabilitas, ketahanan korosi, dan weldability sehingga digunakan untuk transport (bodi luar otomotif dan lain-lain), bangunan (pintu, jendela, dan lain-lain), kelautan, pemanasan, dan lain-lain.
7. Aluminium seri 7xxx
Bagian terpenting dari penggunaan seri ini berdasarkan kekuatan yang tinggi, contohnya pada bidang penerbangan, penjelajahan luar angkasa, militer dan nuklir. Tetapi juga bagian struktural bangunan sama baiknya dengan atribut olah raga raket tenis, ski, dan lain-lain.
Jenis paduan aluminium saat ini sangat banyak dan tidak menutup kemungkinan ditemukannya lagi jenis paduan aluminium baru, oleh karena itu dibuatlah sistem penamaan sesuai dengan komposisi dan karakteristik paduan aluminium tersebut untuk memudahkan pengklasifikasiannya. Salah satu penamaan paduan aluminium adalah dengan standar AA, seperti pada Tabel 2.2.
Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan persentase minimum dari aluminium tsb. Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan kelompok paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam paduan.
Tabel 2.2 Daftar seri paduan aluminium tempa
No. Seri Komposisi Paduan
1xxx Aluminium murni
2xxx Paduan aluminium – tembaga 3xxx Paduan aluminium – mangan 4xxx Paduan aluminium – silikon 5xxx Paduan aluminium – magnesium 6xxx Paduan aluminium – magnesium – silikon 7xxx Paduan aluminium – seng
8xxx Paduan aluminium – timah – litium 9xxx Disiapkan untuk penggunaan di masa depan
Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan unsure lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti khusus, hanya untuk membedakan paduan aluminium tersebut dalam kelompoknya. Paduan aluminium tuang penamaannya memakai sistem tiga digit diikuti dengan satu bilangan desimal. Tabel 2.3 menunjukkan seri paduan aluminium tuang berdasarkan unsur paduannya.
Tabel 2.3 Daftar seri paduan aluminium tuang
No. Seri Komposisi Paduan
1xx.x Aluminium murni
2xx.x Paduan aluminium – tembaga 3xx.x Paduan aluminium – silikon - magnesium 4xx.x Paduan aluminium – silikon 5xx.x Paduan aluminium – magnesium
6xx.x Tidak digunakan
7xx.x Paduan aluminium – seng 8xx.x Paduan aluminium – timah
Dalam standar AA (Aluminium Asociation), angka pertama menunjukkan kelompok paduan, angka kedua dan ketiga menunjukkan kemurnian minimum untuk aluminium tanpa paduan dan sebagai nomor identifikasi untuk paduan tersebut, angka keempat menandakan bentuk produk (.0 = spesifikasi coran, .1 = spesifikasi ingot, .2 = spesifikasi ingot yang lebih spesifik).
2.8.1 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu Pada Paduan Aluminium
Jenis dan pengaruh unsur-unsur paduan terhadap perbaikan sifat aluminium antara lain:
1. Unsur Silikon (Si)
Unsur Si dalam paduan aluminium mempunyai pengaruh positif : a. Meningkatkan sifat mampu alir (Hight Fluidity).
b. Mempermudah proses pengecoran
c. Meningkatkan daya tahan terhadap korosi d. Memperbaiki sifat-sifat atau karakteristik coran e. Menurunkan penyusutan dalam hasil cor
f. Tahan terhadap hot tear (perpatahan pada metal casting pada saat solidifikasi karena adanya kontraksi yang merintangi).
Pengaruh negatif yang ditimbulkan unsur Si berupa penurunan keuletan bahan terhadap beban kejut jika kandungan silikon terlalu tinggi.
2. Unsur Tembaga (Cu)
Pengaruh baik yang dapat timbul oleh unsur Cu dalam paduan aluminium: a. Meningkatkan kekerasan bahan dengan membentuk presipitat
b. Memperbaiki kekuatan tarik
c. Mempermudah proses pengerjaan dengan mesin.
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan oleh unsur Cu : a. Menurunkan daya tahan terhadap korosi
b. Mengurangi keuletan bahan dan
c. Menurunkan kemampuan dibentuk dan dirol.
3. Unsur Magnesium (Mg)
Magnesium memberikan pengaruh baik yaitu: a. Mempermudah proses penuangan
b. Meningkatkan kemampuan pengerjaan mesin c. Meningkatkan daya tahan terhadap korosi d. Meningkatkan kekuatan mekanis
e. Menghaluskan butiran kristal secara efektif f. Meningkatkan ketahanan beban kejut atau impak.
Pengaruh buruk yang ditimbulkan oleh unsur Mg yaitu meningkatkan kemungkinan timbulnya cacat pada hasil pengecoran.
4. Unsur Besi (Fe)
Pengaruh baik yang dapat ditimbulkan oleh unsur Fe ada1ah mencegah terjadinya penempelan logam cair pada cetakan.
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan unsur paduan ini adalah : a. Penurunan sifat mekanis
b. Penurunan kekuatan tarik
c. Timbulnya bintik keras pada hasil coran d. Peningkatan cacat porositas.
5. Unsur Mangan (Mn)
Dengan unsur mangan aluminium sangat mudah dibentuk, tahan terhadap korosi baik, sifat dan mampu lasnya baik.
6. Unsur Nikel (Ni)
Dengan unsur nikel aluminium dapat bekerja pada temperatur tinggi, misalnya piston dan silinder head untuk motor.
7. Unsur Seng (Zn)
Umumnya seng dapat ditambahkan bersama-sama dengan unsur tembaga dalam persentase kecil. Dengan penambahan ini akan meningkatkan sifat-sifat mekanik pada perlakuan panas, juga kemampuan mesin.
2.8.2 Macam–Macam Paduan Aluminium
2.8.2.1 Paduan Al-Si
Paduan Al-Si ditemukan oleh A. Pacz tahun 1921. Paduan Al-Si yang telah diperlakukan panas dinamakan Silumin. Sifat – sifat silumin sangat diperbaiki oleh perlakuan panas dan sedikit diperbaiki oleh unsur paduan. Paduan Al-Si umumnya dipakai dengan 0,15% – 0,4% Mn dan 0,5 % Mg. Paduan yang diberi perlakuan pelarutan (solution heat treatment), quenching, dan aging dinamakan silumin, dan yang hanya mendapat perlakuan aging saja dinamakan
silumin. Paduan Al-Si yang memerlukan perlakuan panas ditambah dengan Mg
juga Cu serta Ni untuk memberikan kekerasan pada saat panas. Bahan paduan ini biasa dipakai untuk piston kendaraan (Surdia, 2006).
Gambar 2.9 Diagram fasa Al-Si Sumber: ASM International, 2004
Pada diagram fasa Al-Si (gambar 2.9) dapat dibagi tiga daerah yaitu:
a. Daerah Hypoeutectic
Pada daerah ini terdapat kandungan silikon < 11,7% dimana struktur mikro akhir yang terbentuk pada fasa ini adalah fasa α – aluminium dan eutektik (gelap) yang kaya aluminium yang memiliki kekerasan 90 HB, Struktur mikro
hipoeutektik diperlihatkan pada gambar 2.10 (a).
b. Daerah Eutektik
Pada komposisi ini paduan Al-Si dapat membeku secara langsung (dari fase cair ke padat). Kandungan silikon yang terkandung didalamnya sekitar 11,7% sampai 12,2% untuk struktur mikro eutektik bisa dilihat pada gambar 2.10 (b). Material ini memiliki kekerasan 105 HB dan uji tarik 248 MPa sehingga banyak diaplikasikan pada komponen dengan tekanan yang tinggi, seperti:crank case,
wheel hub, cylinder barrel.
c. Daerah Hypereutectic
Struktur mikro hypereutectic pada gambar 2.10 (c) menunjukan Komposisi silikon diatas 12,2% sehingga kaya akan silikon dengan fasa eutektik sebagai fasa tambahan dan memiliki kekerasan 110 HB. Contoh aluminium alloy jenis ini : AC8H, A.339.
Gambar 2.10 Struktur mikro paduan Al-Si (a) Struktur mikro paduan hypoeutectic (1.65-12.6 wt% Si). 150X. (b) Struktur mikro paduan eutectic (12.6% Si). 400X.
(c) Struktur mikro paduan hypereutectic (>12.6% Si). 150X Sumber: ASM International, 2004
Tipe paduan tergantung pada presentase kandungan silikon ini akan berpengaruh terhadap titik beku (freezing point) yang dipakai pada proses pengecoran aluminium yang bisa dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4. Kandungan Si berpengaruh terhadap temperatur titik beku paduan aluminium
Alloy Si content BS alloy Typical freezing range (0C)
Low silicon 4 – 6 % LM 4 625 – 525
Medium Silicon 7,5 – 9,5 % LM 25 615 – 550
Eutectic alloys 10 – 13 % LM 6 575– 565
Special hypereutectic alloys >16 % LM 30 650 - 505 Sumber: ASM International, 2004
2.8.2.2 Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg
Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg ditemukan oleh A. Wilm dalam usaha mengembangkan paduan alumunium yang kuat dinamakan duralumin ini sering diaplikasikan pada rangka sepeda motor, pulley, roda gigi, velg mobil. Paduan Al-Cu-Mg adalah paduan yang mengandung 4% Cu dan 0,5% Mg dapat ditingkatkan kekerasanya dengan prosesnatural aging setelah solution heat treatment dan
quenching (Surdia, 2006).
2.8.2.3 Paduan Al-Mn
Mangan (Mn) adalah unsur yang memperkuat Aluminium tanpa mengurangi ketahanan korosi dan dipakai untuk membuat paduan yang tahan terhadap korosi. Paduan Al-Mn dalam penamaan standar AA adalah paduan Al 3003 dan Al 3004. Komposisi standar dari paduan Al 3003 adalah Al, 1,2 % Mn, sedangkan komposisi standar Al 3004 adalah Al, 1,2 % Mn, 1,0 % Mg. Paduan Al 3003 dan Al 3004 digunakan sebagai paduan tahan korosi tanpa perlakuan panas (Surdia, 2006).
2.8.2.4 Paduan Al-Mg
Paduan dengan 2–3% Mg dapat mudah ditempa, dirol dan diekstrusi, paduan Al 5052 adalah paduan yang biasa dipakai sebagai bahan tempaan. Paduan Al 5052 adalah paduan yang paling kuat dalam sistem ini, dipakai setelah dikeraskan oleh pengerasan regangan apabila diperlukan kekerasan tinggi. Paduan Al 5083 yang dianil adalah paduan antara (4,5% Mg) kuat dan mudah dilas oleh karena itu sekarang dipakai sebagai bahan untuk tangki LNG (Surdia, 2006).
2.8.2.5 Paduan Al-Mg-Si
Sebagai paduan Al-Mg-Si dalam sistem klasifikasi AA dapat diperoleh paduan Al 6063 dan Al 6061. Paduan dalam sistem ini mempunyai kekuatan kurang sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan–paduan lainnya, tetapi sangat liat, sangat baik mampu bentuknya untuk penempaan, ekstrusi dan sebagainya. Paduan 6063 dipergunakan untuk rangka–rangka konstruksi, maka selain dipergunakan untuk rangka konstruksi juga digunakan untuk kabel tenaga (Surdia, 2006).
2.8.2.6 Paduan Al-Mn-Zn
Di Jepang pada permulaan tahun 1940 Iragashi dan kawan-kawan mengadakan studi dan berhasil dalam pengembangan suatu paduan dengan penambahan kira–kira 0,3% Mn atau Cr dimana butir kristal padat diperhalus dan mengubah bentuk presipitasi serta retakan korosi tegangan tidak terjadi. Pada saat itu paduan tersebut dinamakan ESD atau duralumin super ekstra. Selama perang dunia ke dua di Amerika serikat dengan maksud yang hampir sama telah dikembangkan pula suatu paduan yaitu suatu paduan yang terdiri dari: Al, 5,5 % Zn, 2,5 % Mn, 1,5% Cu, 0,3 % Cr, 0,2 % Mn sekarang dinamakan paduan Al-7075. Pengggunaan paduan ini paling besar adalah untuk bahan konstruksi pesawat udara, disamping itu juga digunakan dalam bidang konstruksi (Surdia, 2006).
2.9 Proses Pembuatan Velg
Proses pembuatan velg terdiri dari proses casting dan proses forging. Proses yang banyak dilakukan adalah proses casting, karena berbiaya murah dan teknologi proses casting sudah banyak digunakan dibanding dengan proses
forging yang memerlukan teknologi tinggi dan biaya produksi yang tinggi.
2.9.1 Tipe One-piece Cast Wheels 2.9.1.1 Gravity Casting
Gravity casting merupakan proses casting paling basic, yaitu hanya
dengan menuangkan lelehan aluminium ke dalam cetakan dengan memanfaatkan gravitasi bumi untuk memenuhi cetakannya. Jadi kunci utama adalah didesain cetakan yang benar-benar memperhitungkan arah gravitasi sehingga kepadatan bentuk bisa didapat. Keuntungannya harga produksi lebih murah. Tapi tentu desain seperti ini tidak bisa memenuhi faktor “weight reduction”, karena kepadatan hasil gravitasi membutuhkan lelehan dalam jumlah banyak, yang otomatis akan menambah berat velg seperti terlihat pada gambar 2.11. Kepadatan aluminium juga tidak bisa diatur sedemikian rupa, karena udara masih mudah ikut tercampur. Oleh karena itu, proses model ini akan menambah berat velg jika ingin menambah kekuatannya.
2.9.1.2 Low Pressure Casting
Low pressure casting menggunakan tekanan tambahan untuk menuangkan
lelehan aluminium ke dalam cetakan, sehingga proses penuangan lebih cepat dan kondisi aluminium bisa lebih padat daripada gravity casting. Tekanan bisa didapat dari pemutaran cetakan itu sendiri, ada juga yang dibantu beberapa alat. Dengan harga produksi yang tidak jauh dari gravity casting, proses casting tekanan rendah ini sekarang menjadi sangat umum. Beberapa produsen velg juga telah mengembangkan proses ini dengan berbagai alat dan ukuran tekanan tertentu, demi terbentuknya velg yang lebih ringan. Tentunya biaya pengembangan proses ini juga akan membuat harga velg menjadi naik.
2.9.1.3 Spun-Rim, Flow-Forming atau Rim Rolling Technology
Ini salah satu pengembangan dari low pressure casting; dengan menggunakan sebuah mesin khsuus yang memutar casting awal kemudian memanaskan bagian terluar casting nya dan menggunakan tekanan roller baja sehinggga meenghasilkan bentuk akhir velg. Kombinasi panas, tekanan dan pemutaran itu menghasilkan penampang velg yang kuat yang hampir serupa dengan sistem forged, tapi dengan biaya lebih murah dari sistem forged. Banyak velg yang menggunakan metode ini berhasil mencapai light wheel dengan biaya yang normal, walau tidak murah. Produsen velg BBS telah menggunakan teknologi ini untuk velg mobil F1 dan Indy Cars. Contoh tipe after market nya adalah BBS RC yang terlihat pada gambar 2.12.
2.9.1.4 Forging
Teknologi ini menggunakan logam aluminium yang tidak dilebur untuk mencetaknya menjadi velg. Teknologi forging mengandalkan kekuatan mesinnya untuk mencetak velg menggunakan bahan baku aluminium yang masih dalam bentuk logam yang terlihat pada gambar 2.13, berbeda dengan die casting dimana bahan baku aluminiumnya harus dilebur. Produk velg yang dihasilkan dengan menggunakan teknologi forging ini umumnya dikategorikan dengan sebutan
forged wheels.
Hasilnya, sebuah produk aluminium yang sangat padat, kuat dan bisa sangat ringan. Tetapi faktor biaya peralatan, pengembangan dan proses, membuat cara ini tidak banyak produsen velg yang mampu melakukannya. Maka produsen velg yang mampu melakukan sistem forging, produk velg yang dihasilkan menjadi eksklusif. Harga menjadi tinggi walaupun permintaan konsumen tetap tinggi.
Gambar 2.13 Proses pembuatan velg sistem forging
Sumber: http://putrasaimima.blogspot.com/2011/03/proses-pembuatan-velg-mobil.html
2.9.2 Tipe Multi-Piece Wheels
Merk velg Enkei Sport RCS, adalah salah satu contoh velg two
pieces-welded construction. Bagian tengah velg dibuat terpisah, kemudian di las ke rim/bibir velg. Velg tipe ini menggunakan dua atau tiga komponen terpisah yang
dirakit menjadi satu wujud velg. Umumnya multi-piece wheels menerapkan lebih dari satu metode pembuatan. Misalnya, bagian tengah dibuat secara
casting atau forged, sedangkan lingkar pinggir velgnya dibuat dengan sistem spun
dari aluminium. Komponen terpisah tersebut kemudian dibaut, di-sealant atau dilas (welded) menjadi satu wujud velg mobil yang ditunjukkan pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Velg mobil tipe multi-piece wheels
Model multi-piece wheels sendiri mulai berkembang pada awal 1970-an untuk untuk kebutuhan balap mobil, dengan pertimbangan untuk mengejar
light-weight. Pada perkembangan selanjutnya sistem ini jadi banyak diterapkan pada
velg dengan R17 ke atas, dengan tujuan mendapatkan velg yang seringan mungkin.
2.10 Tegangan
Apabila sebuah batang atau plat dibebani sebuah gaya maka akan terjadi gaya reaksi yang sama dengan yang arah berlawanan. Gaya tersebut akan diterima sama rata oleh setiap molekul pada bidang penampang batang tersebut. Jadi tegangan adalah suatu ukuran intensitas pembebanan yang dinyatakan oleh gaya
dan dibagi oleh luas di tempat gaya tersebut bekerja. Tegangan ada bermacam-macam sesuai dengan pembebanan yang diberikan.
Komponen tegangan pada sudut yang tegak lurus pada bidang ditempat bekerjanya gaya disebut tegangan langsung. Pada pembebanan tarik akan terjadi tegangan tarik maka pada beban tekan akan terjadi tegangan tekan. Biasanya dinyatakan dalam bentuk persentasi atau tidak dengan persentasi. Besarnya tegangan menunjukkan apakah bahan tersebut mampu menahan perubahan bentuk sebelum patah. Makin besar tegangan suatu bahan maka bahan itu mudah dibentuk (Srinivasan,2006). Maka, rumus tegangan adalah
σ =
AF ...(2.1) dimana:F = gaya (Newton)
A = luas penampang awal (mm2)
2.11 Regangan
Regangan adalah suatu bentuk tanpa dimensi untuk menyatakan perubahan bentuk. Biasanya dinyatakan dalam bentuk persentasi atau tidak dengan persentasi. Besarnya regangan menunjukkan apakah bahan tersebut mampu menahan perubahan bentuk sebelum patah. Makin besar regangan suatu bahan maka bahan itu mudah dibentuk (Srinivasan,2006). Maka, rumus regangan adalah
ε = 𝛥𝐿𝐿𝑜...(2.2) dimana:
Lo = panjang mula-mula (mm) Δ L = perpanjangan (mm)
2.12 Simulasi Numerik
Elemen hingga adalah idealisasi matematika terhadap suatu sistem dengan membagi objek menjadi elemen-elemen diskrit yang kecil dengan bentuk yang simpel. Metode elemen hingga adalah teknik yang sangat dominan pada structural
mechanics. Ada banyak perangkat lunak analisis elemen hingga yang digunakan
di industri saat ini dari beraneka disiplin ilmu teknik termasuk mechanical
engineering. Dan solusi yang tepat untuk masalah-masalah itu adalah “CAD/
CAE”. CAD (Computer Aided Design) atau Merancang Berbantuan Komputer adalah proses perancangan model yang cepat dan akurat, sedangkan CAE (Computer Aided Engineering) atau Rancang-Bangun Berbantuan Komputer adalah proses analisis dan simulasi tegangan yang mudah dan efektif.
2.12.1 ANSYS
ANSYS adalah suatu perangkat lunak komputer umum yang mampu menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga analisis. Ansys ini digunakan untuk mensimulasikan semua disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (kedua-duanya linier dan nonliner), perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik untuk para engineer.
ANSYS dapat mengimpor data CAD dan juga memungkinkan untuk membangun geometri dengan kemampuan yang "preprocessing". Demikian pula dalam preprocessor yang sama, elemen hingga model (jaring alias) yang diperlukan untuk perhitungan dihasilkan. Setelah mendefinisikan beban dan melakukan analisis, hasil dapat dilihat sebagai numerik dan grafis.
2.12.2 Cara Kerja ANSYS
ANSYS bekerja dengan sistem metode elemen hingga, dimana penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan pendeskritisasian dimana membagi atau memecah objek analitis satu rangkaian kesatuan ke dalam jumlah terbatas elemen hingga yaitu menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan dihubungkan dengan node. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.15 dimana setelah adanya module goemetry berupa velg mobil yang telah diimpor dari file Autocad ke Ansys workbench, maka velg ini akan dideskritisasi untuk mendapatkan bagian – bagian mesh yang lebih kecil yang dihubungkan oleh node.
Gambar 2.15 Material yang disusun dengan node
Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan menggunakan analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara memecah model tersebut dan menggabungkannya. Pemodelan dalam penelitian ini meliputi pemodelan dengan penerapan metode elemen hingga dengan bantuan
software ANSYS, yang bertujuan untuk melakukan analisa tegangan dan
deformasi yang terjadi pada velg. Dengan Metode Elemen Hingga, model yang telah dibuat di meshing dan disolusikan untuk mendapat tegangan maksimum dan deformasi maksimum pada velg.
Secara umum, suatu solusi elemen hingga dapat dipecahkan dengan mengikuti 3 tahap ini. Ini merupakan panduan umum yang dapat digunakan untuk menghitung analisis elemen hingga. Ada 3 langkah utama dalam analisis Ansys yaitu:
1. Model generation:
a. Penyederhanaan, idealisasi. b. Menentukan bahan/sifat material. c. Menghasilkan model elemen hingga.
2. Solusi:
a. Tentukan kondisi batas.
b. Menjalankan analisisnya untuk mendapatkan solusi.
3. Hasil ulasan: Plot/daftar hasil.
