668
TURBULENCE FLOW CASTING DALAM PERBAIKAN KOMPONEN OTOMOTIF
YANG TERBUAT DARI PADUAN ALUMINIUM
(Studi Kasus: Paduan Al-Si)
Muki Satya Permana, Susan Heryanti, Ahmad Ulinuha, Sutrisno Yuwono
Program Studi Teknik Mesin Universitas Pasundan Bandung, Indonesia mkpermana@yahoo.com
Abstract: Turbulunce Flow Casting within improvements of automotive parts made in Aluminium alloy (case study of A-Si alloy). This paper is about improvements Aluminum alloy
surface defects using the TFC (Turbulence Flow Casting). Application of this method has the advantage that it can produce quality connection similar to the parent metal. Moreover, this method is able to fix components in large quantities at the same time with a relatively short time. Thus, the cost of production savings can reach 95%. During this time, the repair process on aluminum alloy components performed using TIG or MIG welding. However, the metal is easily oxidized and form Aluminium oxide Al2O3 that will form a smooth cavity and cracked welds. The process of connecting with TFC method performed by flowing high-temperature molten metal to the surface of the components to be repaired so as to melt the surface of the workpiece during a certain time interval. Splicing between a filler metal with the parent metal occurs in surface area by flowing the liquid metal. From the experimental results obtained that the metallurgical bond in connection rated either there is continuity between the parent metal microstructure with filler metal.
Kata kunci: Metode TFC, surface defects, aluminium alloy, aluminium oxide
Abstrak: Turbulence Flow Casting dalam perbaikan komponen otomotif yang terbuat dari paduan aluminium (studi kasus paduan Al-Si). Makalah ini memaparkan tentang perbaikan
cacat permukaan paduan Aluminium dengan menggunakan metode TFC (Turbulence Flow Casting). Penerapan metode ini memiliki keunggulan yaitu dapat menghasilkan kualitas sambungan yang serupa dengan logam induk. Lebih dari itu, metode ini mampu memperbaiki komponen dalam jumlah banyak pada saat yang hampir bersamaan dengan waktu yang relatif singkat. Dengan demikian maka biaya penghematan produksi dapat mencapai 95%. Selama ini, proses perbaikan pada komponen paduan Aluminium dilakukan dengan menggunakan pengelasan TIG atau MIG. Namun demikian, logam ini mudah teroksidasi dan membentuk oksida Aluminium Al2O3 sehingga akan terbentuk rongga halus dan retak las. Proses penyambungan dengan metode TFC dilakukan dengan cara mengalirkan logam cair bertemperatur tinggi ke permukaan komponen yang akan diperbaiki sehingga dapat mencairkan permukaan benda kerja selama selang waktu tertentu. Penyambungan antara logam pengisi dengan logam induk terjadi di daerah permukaan yang dialiri logam cair tersebut. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa ikatan metalurgi di sambungan dinilai baik karena terjadi kesinambungan struktur mikro antara logam induk dengan logam pengisi.
Keywords: Metode TFC (Turbulence Flow Casting), Cacat Permukaan, Paduan Aluminium, oksida
aluminium,
PENDAHULUAN
Berbagai upaya dilakukan industri dalam penghematan biaya produksi. Salah satunya dilakukan dengan memperbaiki komponen-komponen yang mengalami kerusakan pada saat dibuat dengan proses pengecoran maupun pada saat beroperasi di lapangan.
Sebagai contoh, misalnya beberapa komponen aluminium pada otomotif dapat mengalami cacat-cacat baik pada saat pembuatan ataupun pada saat pemakaian. Komponen-komponen yang mengalami kerusakan tersebut tidak langsung diganti dengan komponen yang baru, apalagi komponen-komponen
tersebut merupakan produk impor dan mahal tetapi dilakukan perbaikan. Pada awalnya komponen-komponen yang patah atau retak selalu dilakukan penggantian mengingat tingginya tingkat kesulitan perbaikan dengan proses pengelasan. Lebih dari itu, volume komponen yang sangat besar dan tingginya harga komponen maka proses perbaikan mulai dipandang sebagai solusi yang sangat menguntungkan.
Penelitian perbaikan dengan metode TFC dimaksudkan untuk mengeliminir berbagai kesulitan perbaikan dengan metode konvensional. Selama ini, proses perbaikan pada komponen paduan Aluminium dilakukan dengan menggunakan pengelasan TIG atau MIG. Namun demikian, logam ini mudah teroksidasi dan membentuk oksida Aluminium Al2O3 sehingga akan terbentuk rongga halus dan retak las.
Untuk meminimalisir masalah tersebut maka perlu dikembangkan metode lain yaitu dengan menggunakan proses pengecoran sehingga diharapkan hasilnya akan lebih baik dari proses perbaikan dengan pengelasan. Oleh sebab itu, penelitian ini mengetengahkan masalah bagaimana mengembangkan metode TFC dalam memperbaiki cacat permukaan dengan proses pengecoran
(flow casting) sehingga memiliki kualitas
sambungan dan sifat-sifat yang sesuai dengan logam induk. Setelah itu dilakukan analisis hasil pengujian mekanik dan pengamatan struktur makro maupun mikro. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah melakukan eksperimen proses perbaikan cacat permukaan dengan menggunakan metode TFC dan melakukan optimasi parameter-parameter yang berpengaruh terhadap keberhasilan proses perbaikan terhadap kualitas sambungan dari komponen yang diperbaiki. Tujuan lain dari penelitian ini adalah menganalisis sifat fisik dan mekanik yang meliputi uji tarik, uji kekerasan dan melakukan pengamatan metalografi di daerah sambungan.
Strategi penyelesaian masalah dilakukan melalui kaji ekperimental. Pendekatan ini dititik-beratkan pada upaya pencapaian ide yang dituangkan dalam bentuk alternatif proses penuangan logam cair ke permukaan logam yang akan diperbaiki. Pencarian solusi atas masalah ini akan dilakukan dan diterapkan pada paduan Al-12%Si sebagai bahan kajian. Hasil perbaikan akan diperiksa dengan menggunakan pengamatan metalografi yaitu untiuk melihat kesamaan struktur dan kualitas sambungan antara logam induk dengan logam pengisi.
Metode penyambungan paduan aluminimum yang umum digunakan adalah TIG (Tungsten Insert Gas) dan MIG (Metal Inert Gas). Metode lain yang telah dikembangkan adalah Metode Utrasonic Insert Casting. Pan et al. (2000) telah mengembangkan metode perbaikan dengan tanpa mencairkan logam induk (Gambar 1). Proses perbaikan dilakukan dengan menuangkan logam cair ke permukaan cacat dan selama itu dibangkitkan getaran ultrasonik (high-power ultrasound). Getaran ultrasonik digunakan untuk menghilangkan lapisan oksida yang timbul akibat panas yang terbawa oleh logam cair saat penuangan ke permukaan cacat dilakukan. Metode ini masih mempunyai kelemahan karena tidak mudah diterapkan di lapangan, relatif mahal dan dimensi cacat yang dapat diperbaiki relatif kecil.
(b)
Gambar 1. (a). Ilustrasi proses perbaikan
dengan metode Ultrasonic Insert Casting (b). Struktur mikro di interface hasil perbaikan,
Pan et al. (2000).
Struktur mikro yang terlihat pada gambar 1b adalah contoh perbaikan cacat pada baja yang diperbaiki dengan cara menuangkan logam cair aluminium ke permukaan cacat. Contoh ini merupakan gambaran interface yang terbebas dari
fusion zone dan HAZ. Fenomena ikatan
yang terjadi antara logam aluminium akan lebih kompleks karena pada temperatur tinggi lapisan oksida mudah terbentuk. Hal ini apabila berlangsung pada laju pendinginan tinggi maka akan terjadi porositas. Dari ketiga buah metode yang telah dikembangkan di atas, terdapat sebuah metode yang masih mungkin untuk dikembangkan yaitu metode flow casting. Hal ini dimungkinkan karena berkaitan dengan hipotesis dalam penelitian ini yaitu proses perbaikan dengan cara penuangan. Hal-hal yang dapat dikembangkan adalah menggunakan logam pengisi yang sama dengan logam induk. Hal yang kedua adalah dengan mengembangkan paramater-parameter proses yang seperti pengaturan temperatur, waktu penuangan, temperatur preheat.
METODEPENELITIAN
Eksperimen perbaikan cacat pada komponen alumunium silikon dengan
menggunakan metode pengecoran dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
1. Penyiapan spesimen Al-12%Si berukuran 50 mm x 30 mm x 15 mm. Bentuk cacat berupa alur U berukuran 10 mm x 10 mm.
2. Penyiapan proses perbaikan dengan menggunakan Metode TFC.
Remarks: (1). Specimen, (2). Defect, (3). Sand mold, (4). Inlet/Outlet, (5) Heating coil, (6). Flame.
Gambar 2. Ilustrasi proses perbaikan dengan menggunakan metode TFC hasil perbaikan
3. Perbaikan cacat permukaan logam Al-12%Si dengan menggunakan metode TFC sebagaimana terlihat pada gambar 2. Percobaan lain dilakukan pula dengan cara penuangan logam cair ke permukaan cacat yang diletakkan pada cetakan (drag) tanpa Cup. Proses penuangan dilakukan secara kontinu untuk selang waktu tertentu. Selanjutnya dilakukan pengaturan beberapa parameter yaitu temperatur penuangan logam cair, temperatur preheat, dan waktu penuangan.
4. Pemeriksaan kualitas sambungan hasil perbaikan dan pemeriksaan metalografi.
HASILDANPEMBAHASAN
Tabel 1 menampilkan rangkuman hasil eksperimen perbaikan cacat permukaan dengan menggunakan metode TFC In Out θ h 6 5 1 2 4 6 5 θ 3 5 h
(a)
(b)
Gambar 3. Permukaan spesimen hasil
perbaikan. (a) Incomplete fusion, (b) proses perbaikan berhasil
Hasil proses perbaikan yang mengalami kegagalan atau tidak terjadi penyambungan diperlihatkan pada gambar 3a. Sedangkan hasil perbaikan yang dinyatakan berhasil dan telah terjadi penyambungan antara logam pengisi dengan logam induk diperlihatkan pada gambar 3b.
Gambar 3b dinyatakan telah berhasil memperbaiki cacat permukaan namun masih terdapat porositas di sekitar sambungan. Ketidaksempurnaan ini disebabkan karena logam cair yang dituangkan ke permukaan cacat bereaksi dengan udara sekitar dan terbawa ke permukaan cacat pada saat proses penyambungan berlangsung.
Dari hasil pengujian kekerasan dengan menggunakan metode Vickers diperoleh
bahwa harga kekerasan di logam induk dan di logam pengisi memiliki harga yang relatif sama rata-rata sebesar 105 VHN.
Struktur mikro di logam induk dan di logam pengisi memiliki kesamaan struktur, sebagaimana diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4. Struktur mikro logam pengisi &
logam induk Etsa: 1.5% HF, 2.5% HNO3, 1% HCl, 95% H2O
Spesimen Teknik Parameter Hasil Pre-Trial, pada berbagai dimensi spesimen dan ukuran cacat TFC – Cup & Drag Berbagai parameter t, Tp, Tpr Tidak tersambung Uk.: 100 mm x 25 mm x 10 mm Cacat: 10 mm x 10 mm TFC – Cup & Drag t = 2 detik Tp = 750oC Tpr = 200 Tidak tersambung
Idem TFC – Cup & Drag Tp = 750t = 3 detik oC
Tpr = 200oC
Tidak tersambung Idem TFC – Drag Tp = 750t = 5 detik oC
Tpr = 200oC
Tersambung , Incomplete
fusion, porositas Idem TFC – Drag t = 10 detik Tp = 750oC
Tpr = 200oC Tersambung , Incomplete fusion, porositas Idem Drag + TFC – Stopper t = 15 detik Tp = 750oC Tpr = 200oC Tersambung , porositas Porosi tas
SIMPULAN
Beberapa hal yang dapat disimpulkan dari hasil eksperimen ini adalah:
1. Teknik perbaikan yang dinyatakan berhasil dalam memperbaiki paduan Al-Si adalah metode TFC dengan menggunakan cetakan tanpa Cup. 2. Paremeter proses perbaikan meliputi:
temperatur penuangan minimal 700oC, waktu penuangan minimal 5 detik, temperatur preheat berkisar 200oC, spesimen jarak penuangan logam cair ke spesimen 100 mm.
3. Dari hasil pengamatan metalografi masih terbentuk porositas.
4. Masih perlu dilakukan pengembangan proses TFC yang diikuti dengan penggunaan inert gas pada saat proses perbaikan berlangsung.
UCAPANTERIMAKASIH
Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya disampaikan kepada Dirjen Pendidikan Tinggi - Penelitian Hibah Bersaing tahun 2015 yang telah memberikan bantuan dana bagi terlaksananya penelitian ini. Sejujurnya disampaikan pula bahwa kelancaran berlangsungnya penelitian ini berkat perhatian tulus sejumlah pribadi yang amat antusias dalam pencapaian tujuan penelitian perbaikan komponen.
DAFTARRUJUKAN
Muki S. Permana, Rochim Suratman, Budi H. Setiamarga, Bagus Budiwantoro, A, 2006, Newly Developed Method in Repairing Surface Defect for Components of Gray Cast Iron, IMTCE 2006, 5th International Material Conference & Exhibition, Kualalumpur – Malaysia. 2006
Muki S. Permana and Rochim Suratman, 2007, “How to Repair Surface Defect of Gray Cast Iron Components Using New Method,” The 9th AWF Meeting
International Welding Seminar, 23-24 October, Jakarta.
Muki S. Permana, Rochim Suratman, Budi H. Setiamarga, 2012, “Experimental and Numerical Investigation of Melting and Solidification during Gray Cast Iron Repair by Turbulence Flow Casting”, International Journal of Mechanical Computational and Manufacturing Research, Vol.1. No.1, pp. 35-41, ISSN: 2301-4148.
Muki S. Permana, Rochim Suratman, Budi H. Setiamarga, 2012, “ Perbaikan Cacat Permukaan pada Komponen yang Terbuat dari Besi Cor, Seminar Nasional “Efisiensi Energi untuk Peningkatan Daya Saing Industri Manufaktur & Otomotif Nasional” (SNEEMO), Politeknik Manufaktur Astra, Jakarta
Pan J., Yoshida M., Sasaki G., Fukunaga H., Fujimura H. dan Matsura M., 2000, Ultrasonic Insert Casting of Aluminum Alloy, Scripta Materialia, 43, 155-159.
