1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Material aluminium tinggal 8% di kerak bumi. Permintaan di seluruh dunia untuk aluminium berkembang 29 juta ton per tahun. 22 juta ton adalah aluminium baru dan 7 juta ton didaur ulang skrap aluminium. Penggunaan aluminium daur ulang secara ekonomi dan lingkungan sangat menarik (Francis, 2012). Dibutuhkan 14.000 KWh untuk menghasilkan 1 ton aluminium baru, sebaliknya dibutuhkan hanya 5% untuk daur ulang per ton aluminium. Tidak ada perbedaan kualitas antara paduan aluminium murni dan daur ulang, membuat penggunaanya aluminium paling banyak digunakan setelah baja (Aalco., 2013). Sekarang ini kebutuhan aluminium di Indonesia per tahun mencapai 200.000-300.000 ton dengan harga US$ 1.951,50 per ton (Agus, 2013). Apabila dikaitkan penggunaan piston dengan jumlah kendaraan di Indonesia, pada tahun 2011 mencapai 85.601.351 buah, terdiri dari roda dua 68.839.341 buah dan roda empat 16.762.010 buah (Kepolisian Republik Indonesia, 2011). Untuk penggantian kerusakan piston setiap tahunnya 3-4% dari jumlah kendaraan. Setiap piston berat rata-rata 3 ons, dikalikan jumlah piston yang diganti jumlahnya mencapai 16.306,5 ton. 1 ton aluminium dengan harga US$ 1.951,50 berarti jumlah uang keseluruhan US$ 31.822.134 (Rp 315 Milyar). Seandainya Indonesia dapat membuat piston dari daur ulang, maka bisa menghemat 315 milyar rupiah.
Penggunaan aluminium pada industri otomotif terus meningkat sejak tahun 1980. Banyak komponen otomotif yang terbuat dari paduan aluminium, diantaranya piston, blok mesin, cylinder head, valve dan lain sebagainya (Budinski, 2001). Piston merupakan salah satu dari spare part untuk kendaraan bermotor yang sangat vital dan sering dilakukan pergantian setiap overhould. Kerusakan piston diakibatkan oleh keausan dikarenakan kondisi kerja piston menahan suhu tinggi, tekanan besar dan gaya gesek kontinyue dalam jangka waktu yang lama. Hal inilah yang menyebabkan komponen piston perlu dilakukan penggantian sesuai penggunaan. Piston terbuat dari paduan aluminium dan silikon
2
yang memiliki daya tahan terhadap korosi, abrasi, ulet dan kekuatan tinggi koefisien muai (Cole., 1995).
Spare part piston untuk mobil-mobil tua atau mobil klasik sulit dicari, soalnya perusahaan mobil sudah tidak memproduksi. Maka dari itu perlu dilakukan reverse engineering untuk pembuatan piston. Proses reverse engineering terdiri dari tiga proses yaitu CAD (computer aided design), CAE (computer aided engineering) dan CAM (computer aided manucfaturing) (Vinesh, 2008). Persoalanya di industri kecil sering menggabaikan proses CAE, akibatkan performa piston rendah dan kerusakan besar. Maka pada riset ini, ingin membuat prototipe piston komposit dari limbah piston dengan penguat SiC menggunakan metode squeeze casting. Pembuatan piston melibatkan proses CAE meliputi pengujian karakteristik, sifat mekanik material dan uji permorma mesin.
Beberapa inovasi telah dikembangkan dalam pembuatan piston melalui proses pengecoran, diantaranya pengecoran gravitasi, cetak tekan (squeeze casting), stircasting, metalurgi serbuk dan centrifugal casting (Zamheri, 2011). Kelemahan hasil pengecoran gravitasi yaitu banyak porositas dan kekuatan rendah. Proses metalurgi serbuk dari segi impuriti dan energi sangat rendah tetapi proses dan perlakuan terhadap serbuk rumit (Toto, 2009). Pengecoran cetak tekan dapat meminimalkan porositas, penyusutan, permukaan halus, kekuatan mekanik tinggi, hemat logam, biaya rendah dan bentuk akhir mendekati dimensi yang diinginkan.
Kekuatan dan keuletan alumunium masih dibawah standar piston, sehingga perlu diciptakan material yang lebih unggul. Material unggul didapat dari penggabungan dua atau lebih material atau disebut komposit (Callister, 2007). Komposit matrik aluminium (AMCs) banyak digunakan dalam pembuatan piston (Carli., 2012). Komposit terdiri dari paduan aluminium dan silikon karbida (SiC). Aluminium sebagai matrik dan SiC sebagai penguat (reinforced) dalam bentuk partikel dan serat. Untuk piston komposit dengan campuran matrik 80% dan penguat partikel 20 % dapat meningkatkan kekuatan sifat mekanik 100 % (Mahadevan, 2008). Batas campuran volume fraksi penguat untuk proses stir casting tidak boleh lebih dari 20% karena dapat menyebabkan kerapuhan dan aliran cor rendah (Martin I ., 2011). Sedangkan diameter partikel SiC semakin
3
kecil akan meningkatkan kekerasan dan mengurangi keausan piston (Z.F. Zhang, et.al., 2006).
Hasan Z (2008), membuat piston aluminium matrix composites (AMCs) atau komposit matrik aluminium dari paduan aluminium Al-Si ditambah penguat SiC dengan perbandingan 80% Al-Si dan 20% SiC menggunakan metode squeeze casting. Partikel SiC dengan diameter 1,8 µm, penekanan 80 ton dan kecepatan penekanan 5 m/s. Porositas 2%, kekerasan meningkat 200% dan permukaan halus. Limbah material aluminium ditambah SiC menggunakan metode squeeze casting dengan penguat partikel dan fiber dapat meningkatkan kekuatan tarik 225 %, kekerasan 150% dan porositas 5%. Porositas naik disebabkan SiC fiber tidak mampu terbasahi oleh matrik aluminium, sehingga banyak pori-pori pada interface fiber menyebabkan kekerasan menurun (Shoujiang., 2007). Kelamahan lainya pada distribusi penguat dan matrik yang tidak seragam, pembahasan antara matrik dan penguat, porositas yang terbentuk saat pengecoran, dan reaksi kimia antara matrik dan penguat (singla, manoj., 2009). Sehingga Yosia Samauel (2012), mengkarakteristik aluminium komposit AC8H dan SiC 5% wt, 10%wt dan 15% wt dengan penambahan Magnesium sebagai wetting agent menggunakan metode stir casting dilanjutkan perlakuan panas T6. Proses ini dapat meningkatkan kekerasan 37% material komposit, meningkatkan reaksi antar muka tetapi meningkatkan porositas dan menurunkan densitas.
Anastasia Sahari(2009), melakukan penambahan Mg terhadap kekerasan komposit matriks Al2O3 dan Al, hasilnya terjadi peningkatan kekerasan optimum
sebesar 1221 VHN dicapai pada penambahan 8% wt Mg dan meningkatkan reaksi antarmuka matrik. Shasha et, al (2012) membuat alumunium dengan penguat partikel SiC dengan squeeze casting untuk pengadukan strir casting selama 8 menit untuk penyebaran SiC yang homogen dan merata. Dari analisa diatas untuk membuat piston dari hasil daur ulang supaya bisa digunakan dengan baik dan aman, maka perlu dilakukan memperbaikan sifat material. Riset ini fokus pada pembuatan prototipe piston komposit dari limbah piston dan silikon karbida (SiC) dengan penambahan Magnesium menggunakan penggabungan metode stir casting dan squeeze casting. Diharapkan piston komposit dapat menambah performa kerja
4
mesin, tahan lama, koefesien muai rendah, ringan, durabiliti, menggurangi limbah piston, dan memiliki nilai jual tinggi.
1.2 Perumusan Masalah
Pada dasarnya aluminium merupakan logam paduan yang dapat didaur ulang melalui pengecoran. Sampai saat ini daur ulang aluminium hanya diterapkan pada industri-industri pengecoran kecil dan daur ulang yang dilakukan biasanya menghasilkan barang yang kualitasnya rendah, seperti untuk alat-alat rumah tangga. Sedangkan pada industri pengecoran besar lebih cenderung menggunakan bijih aluminium sebagai bahan utama. Pada hal ini bijih aluminium merupakan bahan tambang yang persediannya terbatas. Dilain pihak kebutuhan aluminium meningkat komponen seperti piston meningkat pesat.
Piston merupakan komponen penting dalam kendaraan bermotor, karena piston sebagai penggerak utama proses pembakaran diruang bakar. Sehingga material piston perlu memiliki spesifikasi karakteristik dan sifat mekanik khusus untuk mencapai (Society of Automotive Engineers) SAE untuk piston. Material piston sekarang ini untuk industri besar masih menggunakan bijih aluminium untuk membuat paduanya. Menginggat ketersediaan bijih aluminium yang semakin menipis, maka perlu dilakukan Penelitian tentang daur ulang aluminium piston dengan menambahkan SiC dan Mg untuk dibuat menjadi piston yang memiliki kualitas dan sifat yang tidak kalah dengan piston dari bahan paduan aluminium (Al-Si).
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah studi pembuatan piston berbasis material piston bekas Alumunium dan SiC + Mg komposit yaitu:
1. Material yang digunakan dalam pengecoran piston yaitu material piston bekas Alumunium motor bensin, SiC dan Mg
2. Pengecoran piston menggunakan penggabungan metode stir casting dan squeeze casting.
5
4. Pengujian material piston meliputi uji komposisi, metalurgrafi, kekerasan, EDS, dan porositas.
5. Silikon karbida berbentuk serbuk atau butiran dengan ukuran butir 50 µm. 5. Hasil pengecoran adalah material piston komposit
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah dapat menjadikan masukan bagi pengembangan bidang ilmu teknologi material, Meningkatkan pengetahuan dan wawasan serta memperkaya khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi dibidang pengujian bahan logam dan juga memberi masukan kepada industri-industri pengecoran kecil maupun pengecoran besar dalam pembuatan piston berbasis material bekas yang kualitasnya sama dengan piston dari material baru yang memiliki daya tahan terhadap korosi, abrasi, koefisien pemuaian yang rendah, dan juga mempunyai kekuatan yang tinggi.
1.5 Tujuan Penelitian
Tujuan utama dari penelitian ini adalah bagaimana memanfaatkan piston bekas Alumunium dan SiC + Mg untuk didaur ulang menjadi piston baru. Selain itu tujuan yang hendak dicapai dari penelitian ini adalah:
1. Memperoleh komposisi paduan material piston yang terbaik ditinjau dari karakteristik dan sifat mekanik.
2. Membandingkan kualitas piston dari limbah piston aluminium + SiC + Mg dengan piston original.
3. Menentukan seberapa besar presentasi SiC + Mg terhadap pengaruh piston dari limbah piston aluminium.
1.6. Sistematika Penulisan
Tesis yang berjudul “Pembuatan dan Karakterisasi Prototipe Piston Berbahan Limbah Piston Aluminium Dengan Metode Squeeze Casting” dikemukakan dalam 5 bab. Bab I Pendahuluan berisi latar belakang, perumusan masalah, batas masalah, manfaat penelitian, tujuan penelitian dan sistematika
6
penulisan. Bab II Tinjuan pustaka berisi landasan teori, piston, komposit matrik aluminium, material penyusun alumunium matrik komposit (AMC), Silikon karbida, magnesium, efek penambahan silikon karbida (SiC) pada aluminium matrik komposit, rekayasa permukaan alumunium matrik komposit, Squeeze casting, stir casting, peleburan (melting), pembuatan cetakan, karakteristik dan sifat mekanik, penelitian yang relevan. Bab III Metode penelitian berisi material penelitian, Alat penelitian, diagram alir penelitian, variabel penelitian dan analisa data. Bab IV Hasil penelitian dan pembahasan berisi karakterisasi piston original Daihatsu Hi-Jet 1000, Kualitas Hasil Peleburan Piston Bekas, Karakteristi dan Sifat Mekanik Material Piston Komposit, Uji Metalurgrafi, Uji Kekerasan, Uji Porositas, dan Uji Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) Skripsi ini ditutup dengan Bab V berisi Kesimpulan dan Saran.
