PENGARUH BAHAN PENGIKAT CETAKAN PASIR TERIIADAP SIFAT FISIS DAI\[ MEKANIS BESI TUANG KELABU NOOR SETYO, SRI WIDODO Jurusan Teloik Mesin Fakultas Teknik
'
Universitas Tidar Magelang ABSTRACT
This research aims to study the efect of the sand mold
material physical and mechanical properties of grqy cast iron castings. Mold made using silica sand, using a variation of each binder is bentonite molding, resin, ond cement SiOy',la2o with the percentqge ofeach sequentially 5 %, 6 %, 7 %, 4 % ofthe weight of the sand. Obtained by casting, molten metal pouring from inductionfitrnqce at a temperature of t25dC castings, cavity iwo print, then allowed to cool. Physical qnd mechanical properties of castings that will be studied include tensile strength, hardness, content of the composition and microstructure.
Moken metql
is
obtained
from the induction furnace
temperature I25dC cast , hqs a composition of 91.95 % Fe, 4.726 % C, 2.074 5si , 1.076 % Mn A.183 % P and > 0.354 % S, motd using 60 mesh silica sand material, moisture content betox, I0 oh , making use of the machine shakc urged , in order to obtain large density mold bentonite binder, resin , CO2 and cement kg/nn3
respecttvely 2.23, I.9j kg/mm3 kg/mn3 t.gl; I,7g kg/mn3 Microstructural observatiorx carried out using optical moboskop, composition testing using spectrometers Polnac 2000 Optical emisson Hilger Analytical , with a tensile strength testing machine tensile load of j,000 kg Gotech on, while the hardness test is done by using a method Brinnell load testing machine Hardness Tester
j000 gr
.
t7
Pengaruh Balnn PengikatCetatan
Patir Terh&p sifat Fisis ... ... (Nnr
kqn,
sri
lyiddo)
, respectively castings violence has increased v,ith the decreose in the density of the mold lrutead tensile strength will decrease . Sequentially great sudace hsdness to mold the sand with bentonite binder, CO2, cemmt and resin The results showed
obtained great violence 220; 225; 245; tensile strength of 266 kg/mm2 and 33 ;32 ;30 ;28 N/mm2, the mold density of 2.23; 1.93;
t.8l;
1.78 kg/mm3. While the composition
of the test results for the wet sand molding , resin , CO2 and cement, the carbon' equivalent (CE) sequentially decreased 4.72%oCE ; obtoined
4.3|%oCE; 4.31% and 4.21% CE, as well as deradjad saturation (Sc) generated 1.24%oSc; 1.09/oSc; I.t2% and Lt2%oSc.
Kcywords: casthgs , gruy cost lron , bentonlte
,
resln
, carbon
equlvolent
A.
PENDAHULUAIT
Pembekuan coran dimulai saat cairan logam bersentuhan pertama kali dengan dinding cetakan sampai dengan seluruh rongga cetak terpenuhi oleh cairan logam. Kecepatan laju pendinginan akan merambat dari dinding cetakan menuju tengah coran, nukleasi
kristal tumbuh lebih aktif dibandingkan bagian tengah coftm. kristal-kristal di antara.muka cairan logam yang telah mendingin, tumbuh ke bagian teneah cetakan yang membenruk kristal kolom panjang dengan arah melebar sama dengan arah aliran panas menurut (The Foseco, 1975), sehingga dalam coftul akan sulit diperoleh kekerasan coran yang seragam, karena keseragaman butir kristal coftnl, akan dipengaruhi oleh keseragaman laju pendinginan selama dan setelah pembekuan diantaranya besar kecilnya berat jenis dan permeabilitas cetakan yang digunakan.
18
Yol. 39 No. 2, I 5 Agusns 201 3 : 17-29
Pembekuan coran yang t€rjadi pada cetakan dengan density
rendah atau permeability tinggr, proses kristalisasi
akan berlangsung lebih cepat pada bagian tepi coran, karbon dan unsur pengiring tidak diberi kesempatan membentuk grafit, karbon akan mengkristal secara metastabil dalam bentuk sementit (Fe3-C) dengan mikro struktur perlit dan sementit, memilki sifat keras dan getas (Richard Heine dkk, 1987). Semakin ke tengah, proses
pendinginan berlangsung semakin lambat, kekerasan coftm semakin berkurang, hal ini terjadi karena adanya waktu bagi karbon bebas dan pengiringnya membentuk gafit baik dalam bentuk lamelar atau serpih, dengan dasar struktur mikro ferrit, ferit-perlit, atau perlit. oleh karena itu untuk memperoleh hasil baik sifat fisis dan mekanis yang baik, dalam proses pengecoran perlu adanya pengurangan tebal daerah kristal kolom dan merangsang terjadinya nukleasi sebelum logam melanjutkan proses pembekuan.
Teknik pengecoran logam merupakan suatu teknologi yang banyak melibatkan beberapa disiplin ilmu di antaranya ilmu teknik, ilmu fisik4 logam, mekanika fluida dan perpindahan panas, yang mana satu dengan lainya saling berkaitan. Proses pengecoran merupakan salah satu teknik pembuatan produk yang akan melibatkan beberapa aktivitas diantaranya pembuatan pola untuk membentuk rongga ietak, membuat sistem saluran, proses penuangan logam cair kedalam rongga cetak, membiarkan logam cair membeku, pembongkaran cetakan dan membersihkan produk cor. (Tata Surdia" Kenji Chijiwa 1996). Ada empat faktor yang berpengaruh atau merupakan ciri dari proses pengecoran, yaifu :
1.
Adanya aliran logam cair kedalam rongga cetak
l9
Penganh Balwt Pengikat Cetatan Pasir TerMap Sifat Frs,r
...
... (Noor
*tyo,
Sri Widdo)
2.
terjadi perpindahan panas selarna pembekuan
J.
pendinginan dari logam dalam cetakan pengaruh material cetakan pembekuan logam dari kondisi cair
4.
Cetakan dapat
dibuat dengan menggunakan contoh
dan
benda
tuang atau pol4 pola diperlukan untuk membuat negatif atau rongga cet4k dari coran, dan diperlukan untuk menaikkan dan meningkatkan kwalitas serta tingkat produktivitas coftrn. Berdasarkan umur dari cetakan, pengecoran dibedakan yaitu pengecoran dengan cetakan sekali pakai (expendable mold) dan pengecoran dengan cetakan permanent (permanent mold). Cetakan pasir termasuk dalam expendable mold, sedang cetakan logam termasuk dalam permanent mold. Dalam pen-rbuatan cetakan, jenis pasir yang biasa digunakan adalah pasir silika. Sedangkan sebagai bahan perekat antar butir-butir pasir bisa digunakan, bentonit, resin,
furan dan air gelas (water SIas{. Cetakan logam biasa digunakan dalam pembuatan coran logam non ferro, produk berukuran kecil, berjumlah besar dan memiliki kepresisian yang cukup tinggi, sedang cetakan pasir diperlukanjika produk coran berukuran besar dan produk biasanya perlu pengerjaan lanjyt (/inishing) menggunakan mesin (Tata Surdia" Kenji Chijiwa 1996) Sifat fisis dan mekanis coran di antaranya akan dipengaruhi oleh struktur dan butir kristal yang dimilikinya. strukrur kristal semend,
coran yang seragam dan berbutir halus, bisa diperoleh denganjalan mengurangi daerah terbentuknya kristal kolom, dan merangsang
terjadinya nukleasi sebelum logam melanjutkan pembekuan, yakni dengan jalan melakukan pendinginan lanjut secepat mungkin yaitu dengan cara meningkatkan beda temperatur likuidus dan solidus,
20
YoL 39 No. 2, 15 Agustus 2013
: 17-29
atau dengan cara menguftngi temperafur logam cair. Berdasarkan uraian di atas, bahwa jenis cetakan, kepadatan cetakan, besar dan bentuk butir pasir, densitas, permeabilitas temperatur tuang dan
kontruksi benda coran, akan memiliki pengaruh yang cukup si
gnifi kan selarna proses kri stalisasi logam berlangsung.
B.
METODOLOGI
Sesuai dengan tujuan penelitian ini secara tunum, serta manfaat yang akan dihasilkan, penelitian ini merupakan tipe penelitian pembuktian. Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu untuk mengetahui ada tidaknya hubungan antara densitas cetakan dengan sifat mekanis dan fisis dari coran, sebagai variabel independenl berupa berat jenis atau permeabilitas cetakan, sedang sebagai variabel dependent yaitu kekuatan tarik, kekerasan, struktur mikro dan komposisi kimia dari coran besi tuang kelabu (BTK 30).
1.
Bahan Penelitian Sebagai bahan baku spesiment uji digunakan besi tuang kelabu kelas 30 (BTK 30) atau FC 30. Bahan cetakan dibuat dari pasir silika mesh 60, dengan variasi bahan pengikat dipakai
bentonit, semen porlind
SII AU3/77 Tipel,
water glass
dan resin, yang secara berurutan besar l0yo, 7Yo, 4%o dan ...o , sementara itu bahan
(Na2O.nSiO2), prosentasenya
pembantu yang dipakai dalam pengujian/pengamatan struktur mikro yaitu amplas mesh 80 s/d 2000, larutan etsa 35% HNOI + 65yoHCl, autosol metal polish, dan alkohol.
2t
Pengouh Balwt Pengikar Cetakn Po$r
2.
Terfup
Sifut Fkis
...
... (Noor
&tp,
Srt Widdo)
Aht Penelitian
Macam alat dan jenis peralatan yang digunakan, mulai dari tahap persiapan, tahap pengujian hingga tattap akhir penelitian diantaranya yaitu untuk pembuafan pola spesiment uji digunakan mesin bubut kuyo, peleburan cairan logam menggunakan dapur induksi frekfensi rendah, pembuatan cetakan pasir dengan mesin cetak tipe gopcang desak, untuk pengujian spesiment dipakai mesin uji tarik Merk-Gotech yang memiliki spesifikasi teknis f :50-60 Hz; I : 30 Amper, E :2A0-240 Volt, pada beban maksimum 3.000 kg, mesin uji kekerasan Brinnell Matsuzawa Seiki co.LTD memilki beban tekan (P) 0-3.000 Newton, mikroskop optik, spekhometer dan mesin poles spesiment. C.
PENGUJIAN
l.l
Pengujian Komposisi Bahan
Pengujian komposisi dilakukan dengan menggunakan Optical emisson speldrometer Poly,-ac 2000 Hilger Analitycal. Proses pengujian logam coran dilakukan dalam kondisi cair dan kondisi logam membeku. Tabel 2.1 memperlihatkan hasil dari pengujian komposisi bahan coftrn sebelum dan setelah dilakukan p€nnangan untuk masing-masing jenis cetakan.
Tabel2.l Hasil uji komposisi bahan dasar untuk
masing-
masing jenis cetakan No
Material
cBl UKK
Komposisi cairan coran
Komposisi coran
o/oFe
%C
%si
o/olvln
VoFe
%c
%si
YoMn
91,95
4.726
2,0'74
1,076
91,74
4,436
2,054
1,056
22
Yol. 39 No. 2, I
2 3
4
1.2
ccl UKK
cRl UKK
csl LIKK
5 lgustus 2013 : 17-29
91,95
4,726
2,074
1,076
91,90
4,018
2,033
1,069
91,95
4,726
2,074
1,076
91,89
4,01I
2,102
1,043
91,95
4,726
2,074
1,076
9t,94
3,909
2,lll
1,071
Pengpjian Stmktur Mikro
Pengujian struktur mikro dilakukan untuk mengamati perubahan struktur mikro yang terjadi pada hasil coran akibat adanya perbedaan laju pendinginan pada coran pada masing-
masing
jenis cetakan. Pengamatan dilakukan menggunakan
mikroskop optik dengan melakukan pembesaran 200 x, kemudian dilakukan pemotretan.
1.3
Pengujian Kekuatan Tarik Pengujian kekuatan tarik dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik Merk-Gotech yang memiliki spesifikasi teknis f :5060 Hz; I : 30 Amper, E : 200-240 Volt , pada beban maksimum 3.000 kg. Jika besar beban maksimum pr.r., (kg), luas penampang mula-mula Ao (mm2 ), luas penampang setelah putus Au panjang , benda uji mula-mula lo.(mm), panjang benda setelah putus 11 (mm), secara berurutan nilai tegangan tarik maksimum o, (kg/mm2 ), regangan e (o/o) dan reduksi area p (o/o) yang terjadi dapat ditentukan berdasarkan persamaiut :
o,=*
E-
Lt-Lo Lo
,=T
(1)
23
Pengaruh Balun Pengikat Cen*an Pasir Terhdap Sifut Frrrr ... ...
(Nw
SeOo, Sr;
lfiddo)
1.4
PengujianKekeresan Pengujian kekerasan dilakukan menggunakan mesin uji Hardness Tester Matsuzawa Seiki co.LTD yang memilki beban tekan (P) 0-3.000 Newton. Nilai kekerasan ditentukan berdasarkan sistem Brinnell Hardness Number (BHlg, dengan indentor bola baja yang digunakan berdiameter l0 mm, jarak tiap titik uji 50 mm yang diawali dari tepi spesimen. Jika diameter bola baja D (mm), diagonal bekas injakan d (mm), maka nilai kekerasan spesimen dapat ditentukan berdasarkan p€rsamaan:
BHN
2P
= rD(o-.ffi
(2) didominasi oleh struktur ferrit dan perlit. Perubahan struktur mikro terjadi sebatas pada bentuk dan tebaran butiran yang lebih rapat, lebih lembut dan lebih merata. Hasil dari pengamatan terhadap beberapa variasi jenis cetakan pasir Gambar 4.1 memperlihatkan, struktur coran dengan bahan pengikat bentonit.
D.
HASIL DAI\ PEMBAHASAI{
Pengujian struktur mikro bertujuan untuk mengamati ada tidaknya perubahan struktur mikro dari besi cor, akibat adanya perubahan densitas cetakan Gambar 4.1 memperlihatkan, struktur mikro coran yang menggunakan bahan pengikat bentonit, resin,
semen porland dan water glass (NazO.nSiOz) pada cetakan pasirnya, hampir seluruh coran memiliki struktur mikro berupa ferrit, gafit, perlit, dengan matrik perlit, dan sementit. Cetakan 24
YoL 39
No.2, I5 Agustus 2013 : 17-29
dengan bahan pengikat semen dan v741gr glass, struktur mikronya banyak didominasi oleh struktur perlit, ferrit dan grafit bengkok, sedang pada cetakan dengan batran pengikat bentonit dan resin
karena tidak adanya kesempatan bagi carbon bebas untuk membentuk grafit dan rendahnya karbon ekivalen (CE) yang dimilikiny4 coran memiliki kekerasan permukaan yang lebih tinggi, akan tetapi kekuatan tariknya lebih rendah. Besar laju perpindahari panas selama dan setelah pembekuan, terlihat akan sangat dipengaruhi oleh besar kecilnya densitas atau permeabilitas
dari
masing-masing cetakan, sehingga hal ini akan sangat berpengaruh terhadap besar prosentase kandungan dari unsur karbon, silisium, manggan, carbon equivaten (CE) dan derajaC kejenuhan (Sc) coran dari masing-masing jenis cetakan. i.
ffi
ii')s cetakan
bentonit
4.1
cetakan
semen
:'ft'l
cetakan
"1
co2
cetakan resin Cetakan
strukfur mikro besi tuang kelabu pembesaran 200 x Tabel 4.1 memperlihatkan hubungan hubungan antara unsur ohc,yos|YoMndengan CE dan Sc dalam cairan logam yang sama. Hasil pengamatan menunjukkan, coran dengan kandungan unsur karbon (%C), silisium (%Si) dan manggan (%Mn) yang berbeda, maka akan diperoleh besar carbon equivalent (cE), derajad kejenuhan(sc) dan struktur mikro yang berbeda pula pada cairan logam yang sama, akibat besar laju perpindahan panas yang Gambar
berbeda dari masing-masing cetakan.
25
Pengaruh Balan Pmgikat ceratan Pasir
Terhdq sifat Fkis ... ... (Noor ktyo, sri lfiddo)
Tabel4.l Hubungan unsur carbon, silisium dan
manggan terhadap derajad kejenuhan, dan carbon equivalen
No
Spesimen
o
CE Rata-
Sc
uji
Carbon
% Silisium
CB UT
4,436
2,054
,056
1,24
4,72
l,l2
4,31
Ve
Manggan
Ratarata
rata
2
CC UT
4,018
2,033
,069
J
CS UT
4,01I
2,102
,043
|,12
4,31
4
CRUT
3,908
2,lll
,071
1.09
4,21
Cetakan dengan densitas rendatr atau permeabilitas tinggi akan diperoleh coran dengan kekuatan tarik rendah dan kekerasan coran dari arah lateral tinggi, sebaliknya akibat densitas tinggi dan naiknya kandungan manggan dalam coran, akan menyebabkan stabilitas karbida dalam bentuk senya\rya (FeMn)3C menjadi tinggi, karena dengan adanya unsur Mn akan membuat sementit (Fe3c) di dalam perlit menjadi lebih lembut, sehingga akan berpengaruh terhadap kenaikan kekerasan permukaan coran pada arah lateral dan menurunnya kekuatan tarik rata-rata Tabel4.2.
l" lr, E
€u
! = t29
=.€ 'l
)r a,t
.,3
a:
CrborE$t1zhn(CE)
1.1
at 4
Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.2 Hubungan Carbon Equivalent dengan karbon jenuh Gambar 4.3 Hubungan carbon Equivalent dengan tegangan tarik
26
Vol. 39 No.2, 15 Agustus 2013 : t7-29
4.2 memperlihatkan, besar kenaikan carbon equivalent (cE) akan sebanding dengan besar kenaikan karbon Gambar
jenuh (Sc) akibat adanya kenaikan unsur %si dan %c
pada coran.
Secara berurutan, untuk cetakan pasir dengan bahan pengikat resin,
semen, water glass dan bentonit dengan semakin naiknya densitas cetakan dan carbon equivalent (cE) diperoleh besar kekuatan tarik
nta-rata 28, 30, 32, 33 N/mm2. Sebaliknya, Gambar 4.s
memperlihatkan besar kekerasan permukaan coran dari arah lateral tata'rata akan mengalami penurunan dengan naiknya carbon equivalent (cE), untuk cetakan pasir dengan batran pengikat resin,
semen, water glass dan bentonit secara berurutan diperoleh kekerasan permukaan 266, 245, 2ZS dar 220 kglmm2.
Tabel4.2 Hubungan Kekuatan tarik,
Kekerasan, terhadap derajad kejenuhan (Sc), dan carbon equivaten (CE)
No
Spesimen
Densitas
Kekuatgn
Kekerasan
uji
Sc
CE
cetakan
tarik
rata-rata
rats-
rats-
(kglmm')
rata-rata
(N/mm2)
rata
rata
(N/mm2) I
CB UT
', ta
33
220
1,24
4,72
2
CC UT
1,93
32
)')\
3
CS UT
l,8l
30
245
l,l2 I,l2
4,31
4
CRUT
1,78
28
266
1,09
4,21
4,31
Gambar 4.4 menunjukkan adanya hubungan secara linier antara kekuatan tarik dengan densitas cetakan. Hasil pengujian memperlihatkan, untuk cetakan dengan bahan pengikat resin, semen, water glass dan bentonit diperoleh besar kekuatan tarik ratarata sebesar 28,30,32 dan 33 N/mm2pada densitas cetakan 1,7g,
1,81, 1,93 dan2,23 kgimm3.
27
Pengaruh Balnn Pengikat
Ceaha
Pasir
Tet@
l'. t
^14
...
(Nor &4n,
Sri
Widdo)
t"o
E
Es:
€rj :33
ib ,,' -_-
E
{zt !
{.
,..
^ls t2F d
a r3l
v
Sifat Fists
E I t'f
:13
Er-
t.9
Dedlr! CdrtD (tt./EEl
Gambar
4.4
Gambar
4.5
J I
)
C.ibof4rbrf.Da(CE)
+
Hubungan densitas cetakan Terhadap Kekuatan Tarik Hubungan Carbon Equivalent terhadap kekerasan permukaan
E.
KESIMPULAN
Penelitian ini memberikan kesimpulan Kekuatan tarik coran akan semakin meningkat dengan naiknya densitas cetakan atau rendahnya permeabilitas cetakan. Secara berurutan, untuk cetakan pasir dengan bahan pengikat resin, semen, COz dan bentonit, diperoleh kekuatan tarik 28, 30, 32 dan 33 kg/mm2 pada densitas cetakan 1,78, 1,81, 1,93 dan 2,23 kglmm3. Sebaliknya kekerasan permukaan coran akan semakin menurun dengan naiknya densitas cetakan yaitu 266, 245, 225 dan 220 kg/mm2. Rendahnya densitas cetakan pasir, menyebabkan besar laju perpindahan panas selama dan setelah pembekuan semakin besar, hal ini akan menjadikan naiknya kekerasan permukaan coran dan menjadikan turunnya kekuatan tarik coran.
1.
2.
Kekerasan permukaan dan kekuatan tarik coran, akan dipengaruhi oleh besar kecilnya densitas cetakan, kekerasan permukaan tinggi, diperoleh jika densitas cetakan rendah atau
28
ltol. 39 No. 2, I 5 Agustus
201 3
: t 7-29
permeabilitas cetakan tingg, sebaliknya densitas cetakan tinggi akan diperoleh kekuatan tarik yang rendah.
DAFTAR PUSTAKA Richard Heine dkk, l987,"Principle Of Metal Casting',, Mc GrawHilll, New Delhi
Sriati Djapri, 1991, *Metalurgi Fisik Modern',, pT Gramedia Pustaka Utam4 Jakarta
Tata Surdi4 Kenji Chijiwa 1996, Tetoik pengecoran Logam, pT Pradnya Paramit4 Jakarta
Vander,
George ,F., 1984, ',Metallography principles and Practice", McGraw-Hill Book Company, United States of America.
Van Vlack, L., Djaprie, S., 1991, ',IImu dan Teknologi Bahan (Itmu Logam dan Bukan Logam)',, penerbit Erlangga, Jakarta.
The Foseco., 1975, "Foundryman's Hand BooE,, Maxwell House, Fairviev Park, Elmsford, New york, USA.
29
