Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi

PENGARUH RPM DALAM SPIN CASTING P ADAJUMLAH POROSIT AS DAN SIF A T MEKANIK AL -P ADUAN1

A. Wahid1, T. Taryamaw, T. Z. Hutagalung3

'?b

ABSTRAK '-PENGARUH RPM DALAM SPIN CASTING PADA JUMLAH POROSITAS DAN SIFAT MEKANIL AL-

PADUAN. Spin casting yang selama ini hanya dikenal dalam menghasilkan asesories perempuan telah dimanfaatkan dalampenelitian ini guna meningkatkan sifat mekanik dari hasil casting dengan menggunakan material dengan kwalitas rendah. Olehkarenanya dalam penelitian ini sengaja digunakan Al-paduan tanpa fluxing dan degassing. Adanya gaya sentrifugal makadihepotesakan akan membantu menurunkan "barier energy" dalam pengintian sekaligus menurunkan porositas dan meningkatkantingkat kepadatan hasil casting. Sehingga akan didapat kekuatan material hasil casting yang relatif tinggi dengan makin tingginyagaya sentrifugal yang prpoposional dengan RPM. Hasil penelitian yang menggunakan rentang 500 sid 1000 RPM ini menunjukkanbahwa ukuran porositas (25 ~m ) dan butir terkecil (36 ~m) didapat dengan RPM diatas 800 dengan peningkatan kekuatan tarikmencapai sekitar 60 %. Penelitian ini sedang dimanfaatkan untuk menghasilkan Trigger Frame senjata hasil produksi P.T.PINDAD.

ABSTRACTTHE INFLUENCE ON SPIN CASTING ON POROUSITY AND MECHANICAL PROPERTY OF AL -ALLOY.

Spin casting technology has been recognized long time ago as one of methods to produce women aseccories. In this research,centrifugal force of the spin casting is utilized to improve mechanical properties of the as cast material. It was hypothised that thecentrifugal force will reduce the nucleation "barrier energy" which will yield small size of porosities and grains. Thus the materialwill have a higher mechanical properties with increasing centrifugal force which is proportional to the RPM. In this research, 500 upto 1000 RPM were used and it was found that the smallest size of porosity (25 ~m) and the smallest grain size (36 ~m) wichaccordanced with the RPM larger than 800 and with an increase of tensile strength of about 60 %. The results of this research is beingimplemented in producing trigger frame of P.T. PINDAD.

PENDAHULUANSpin casting dengan sumbu vertikal

selama ini banyak digunakan hanya untukmenghasilkan alat-alat perhiasan perempuan daDornamen daTi material yang merniliki titik leburrendah dan dengan cetakan yang terbuat daTi karetsilicon. Padahal dalam spin casting tersebut

terdapat gaya sentrifugal yang sangat mungkinuntuk dimanfaatkan guna menekan energirintangan dalam pengintian sperti yang akandijelaskan dalam Bab Teori.

Tujuan daTi penelitian ini adalahmencoba memanfaatkan gaya sentrifugal gunamenghasilkan kwalitas material yang lebih baikkhususnya sifak mekanik dengan komposisi ataugrade ordinary material. Dengan dernikian sifatmekanik tertentu yang tadinya bisa dicapaidengan grade material yang lebih tinggi maka

dengan dikembangkannya spin casting technologyini sifat mekanik tersebut dapat dicapai walaupunmenggunakan grade material yang lebih rendah.

Keuntungan lain daTi spin casting iniadalah bahwa harga mesin dan diesnya yangrelatif lebih murah dibandingkan dengan misalnyapressure die casting machine yang harganya bisamencapai ratusan juta rupiah. Tentu saja beberapaketerbatasan juga menyertai teknologi ini antaralain rnisalnya tidak bisa diterapkan untuk produk-produk yang berukuran besar dan untuksementara ini teknik ini baru dapat diterapkan

untuk material -material yang memiliki meltingpoint yang relatif rendah. Penggunaan teknologiini untuk material yang memiliki suhu lebur lebihtinggi dari Al-paduan sedang dikerjakan.

Adapun basil teknik spin casting inisedang diterapkan untuk menghasilkan triggerframe senjata api produksi P. T. PINDAD yangsemula dihasilkan dari material wrought Al -

paduan melalui proses pemesinan. Proses inidisamping akan banyak material yang terbuangjuga membutuhkan waktu yang relatif lebih lama.Sehingga dengan spin casting yang memilikitingkat kepadatan material yang cukup baikdiharapkan akan mampu menggantikan prosesproduksi yang melalui pemesinan tersebut.

Dalam penelitian ini pengaruh RPMtelah dipelajari terhadap ukuran porositas danukuran butir serta sifat mekanik material Al-paduan rendah. Selama proses peleburan sengajatidak ditambahkan Fluxing guna mengambilkotoran serta Degassing guna mengurangi jurnlahgas yang terperangkap dalam material untukmenguji hipotesa yang akan disajikan.

TEORISudah lazim diketahui orang bahwa

pengintian dalam proses pembekuan suatu logamcair selalu dipengaruhi oleh faktor ekternalsehingga hampir semua logam teknik diduniamembeku berdasarkan fenomana secara

1. Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM-19962. Peneliti Metalurgi BBLM -MIDC dan Dosen Jur. Metalurgi -UNJANI3. Alumni Jur. Metalurgi UNJANI

50

49

heterogen yang dapat dinyatakan dalam bentukmatematis sbb. (I):

(OC;)* = Os Exp -( ~G*/kT) .:.. (1).

dimana O'y adalah kekuatan luluh , 0'1 adalahkekuatan intrinsik, k adalah konstanta dan Dadalah diameter butir.

Dalam spin casting (centrifugal -casting)

terdapat gaya sentrifugal yang tampaknya dapatdimanfaatkan guna meningkatkan tekanan sepertiyang dijelaskan diatas. Adapun penambahantekanan pada suatu elemen pada jarak dRdituliskan sbb.(4) :

dimana (ocJ*adalah jumlah critical size daricluster perunit volume, Os adalah jurnlah atom

diperrnukaan kontak perunit volume. Dan AG*adalah energi bebas pengintian logam padadinding yang merupakan fungsi dari bidangkontak terrnasuk sudut kontak antara logam cairdengan logam padat (f(9». Dimana fungsi inisebanding dengan nilai sudut (9) bahwa makinkecil sudut kontak ini maka fungsi f -nya punmenjadi semakin kecil pula. Dalam hal ini

dikatagorikan sebagai pembasahan. Artinyaenergi rintangan pembentukan kristal akan makinkecil dengan makin kecilnya sudut kontaktersebut.

dP = dFc/dA = (rig) (V u)l (dR/R) (4)

dimana P adalah tekanan, Fc gaya sentrifugal, Aluas penampang, 'Y massa pervolume, g konstantagarvitasi, V u kecepatan tangential yangproportional dengan RPM, daD R adalah jarakradius.

Persamaan (4) menjelaskan bahwapenambahan tekanan dapat dilakukan secaraefektif dengan menaikkan RPM dari motorpenggerak disamping itu tekanan akan menurundengan makin jauhnya jarak dari titik pusat.Dengan demikian jelas bahwa penambahan RPMpada dasarnya akan menurunkan nilai jumlahkritis dari cluster untuk dapat berfungsi sebagaiinti butir, sehingga untuk suatu volume tertentujumlah intinya akan makin banyak sehinggaukuran butimya akan menjadi lebih kecil.

Persamaan (1) menjelaskan bahwamakin besar harga energi bebasnya maka makinkecil jumlah cluster yang dibutuhkan untuk dapatberfungsi sebagai inti yang kemudian tumbuhmenjadi butir.

Bila disimak hubungan antara energibebas dengan tekanan dimana hubungan secaraumum dapat dinyatakan dalam bentuk sbb. (2):

~G/~P ]T dP ..(2)dG = [oG/OT]p dT +HIPOTESA

Dengan menerapkan gaya sentrifugalpada Al -paduan rendah maka akan didapatkekuatan material yang makin tinggi denganjumlah porositas yang relatif rendah.

PERCOBAANUntuk menguji hepotesa tersebut

dilakukan percobaan dengan menvariasikankecepatan putar (RPM) daTi spin casting machineyang dirancang dan diproduksi oleh bagianPerencanaan dan Pemesinan Balai BesarPengembangan lndustri Logam dan Mesin(MIDC) .Dep. PERINDAG, Bandung. Mesin initerdiri daTi motor listrik 1420 watt denganpengatur RPM yang dapat diatur daTi 500 sId1000 RPM. Adapun toto mesin spin casting yangsederhana ini ditunjukkan pada Lampiran 1.Cetakan dibuat daTi ductile cast iron denganbentuk seperti yang ditunjukkan dalam gambarteknis pada Lampiran 2.

Dengan asumsi bahwa proses terjadi pada suhuyang tetap, maka diperoleh persarnaan yangsangat sederhana mengingat faktor [ ~G/~P ]Tsarna dengan volume. Sehingga perubahan energibebas untuk voluma yang tetap hanya bergantungpada perubahan tekanan. Artinya makin besarperubahan tekanannya makin besar pula energibebasnya yang akhimya akan memperkeciljumlah cluster yang dibutuhkan untuk pengintian

suatu proses pembekuan.Disarnping itu makin tinggi tekanan yang

diterapkan maka makin kecil sudut bidang kontak.Artinya akan lebih banyak inti yang akanmembentuk butir sehingga secara keseluruhanbutir -butir logarn akan berukuran kecil.

Hall -Petch menjelaskan bahwa makinkecil ukuran butir suatu logarn maka makin tinggikekuatan luluh logarn tersebut seperti yang ditulis

dalarn rumus di bawah ini (3):

O'y = O'j + k I..JD (3)

51

Adapun komposisi material seperti yangditunjukkan pada Tabell di bawah ini.

antara 500 sid 1000 RPM dimana ukuran rata-ratabutir pada RPM 500 adalah 52 ~ m sedang untukRPM 1000 menghasilkan besar butir 36 ~m.Secara keseluruhan basil pengujian besar butirmaupun porositas disajikan dalam bentuk grafikyang merupakan fungsi dari RPM seperti yangditunjukkan pada Gambar 3 daD 4.

~! 1. Komposis Kimia (. % )

Unsur (%)

SiCoCrNiFe

0.730.100.010.170.50

Komposisi kimia tersebut menunjukkanbahwa jumlah kandungan unsur Si sangat kecildimana unsur ini terkenal, dalam duniapengecoran, meningkatkan mampu alir Al -

paduano

~~

Adapun suhu preheating yang diterapkanpada cetakan adalah dipertahankan sekitar 300 °cselama percobaan. Sedang variasi kecepatanputarnya dilakukan dalam rentang 500, 600, 700,800,900, dan 1000 RPM.

Pengamatan visual dilakukan untukmengindentifikasi cacat permukaan yangkemudian diikuti dengan pemotongan daerahpenampung kotoran dan gas~

Selanjutnya kekuatan tarik diujisekaligus mengidentifikasi dan mengukurporositas dan ukuran butir daTi spesimen uji.

Gambar 1. Foto spesimen basil spin cast

Gambar -gambar tersebut menunjukkanbahwa makin tinggi kecepatan putaran spincasting machine ternyata memang menghasilkanukuran butir dan porositas yang makin kecilseperti yang diestimasikan berdasarkan teori.

BASIL DAN PEMBABASANTarnpak visual basil spin casting

ditunjukkan pada Gambar 1. Spesimen basil spincasting tarnpak tidak mengalami penyusutanseperti yang biasanya terjadi pada spesimen basilgravity casting. lni menunjukkan bahwa produktersebut memiliki tingkat kepadatan yang relatiflebih baik dibandingkan dengan basil gravity diecasting yang biasanya ditandai oleh adanyabagian yang kempot (unsound product). Dalarnfoto tersebut juga ditunjukkan adanya ekor darispesimen yang berfungsi untuk menarnpungkotoran maupun gas-gas yang terperangkapselarna proses pembekuan akibat adanya gayasentrifugal.

Dengan menggunakan etsa KellerReagent ukuran butir serta porositas dievaluasidimana basil dari mikrograf untuk ukuran butirditunjukkan pada Gambar 2. Pada garnbartersebut terlihat dengan jelas adanya perbedaanukuran besar butir spesimen yang dihasilkan

52

Untuk 800 RPM

Untuk 500 RPM

Untuk 900 RPM

Untuk 600 RPM

Untuk 700 RPM

Gambar 2. Mikrograf basil spin casting (IOOx)untuk berbagai RPM. Untuk 1000 RPM

53

k~kuatan tariknya hampir tidak ada peningkatansetelah RPM 800. Hal ini kemungkinan yangtampak lebih beralasan karena keterlibatanporositas yang lebih dominan mengingatperbedaan ukuran porositas antara RPM 800dengan RPM 1000 hanya 0.008 mm atau 8 ~m.

Gambar 3. Hubungan Ukuran Butir YS. RPM

I~!iIi

Gambar 5. Kekuatan Tarik vs. RPM

-QCeA tAN PUTAR (RI'MI

Gambar 4. Hubungan Porositas vs. RPM

Kedua gambar tersebut menunjukkankemungkinan adanya peningkatan kekuatanmengingat besar butir maupun porositas yangmakin mengecil dengan meningkatnya RPM,seperti yang dijelaskan oleh teori Hall-Petch.

Dalam kenyataannya ternyata memangkekuatan meningkat dengan meningkatnya RPMseperti yang disajikan pada Gambar 5. Gambartersebut menunjukkan bahwa kekuatan meningkatsampai dengan RPM mencapai 800 RPM sedangkenaikan kekuatan dari 800 sid 1000 RPMhampir tidak berarti. Hasil ini mengisyaratkanbahwa kekuatan maksimum dicapai pada RPM800.

Pada garnbar tersebut di atas ternyata kekuatantarik material pada RPM 1000 dapatmenghasilkan sekitar 60 % lebih kuat darikekuatan tarik material basil RPM 500.

Hasil -basil pengujian tersebutmenunjukkan secara konsisten bahwapenarnbahan tekanan pada cairan logarn dapatmenurunkan barrier energy baik melalui makinkecilnya sudut kontak e ataupun makin tingginyaenergi bebas thermodinamik sehingga jumlahkritis cluster dapat diturunkan. Akibatnya jumlahinti butir akan makin banyak dalarn suatu volumetertentu sehingga menghasilkan ukuran butiryang makin kecil dengan makin tingginyatekanan, yang dalarn hal spin casting technology,proporsional terhadap tingginya RPM sepertiyang dijelaskan pada Bab Teori.

Keuntungan penggunaan mesin ini cukupbanyak seperti misalnya konstruksi mesinnyacukup sederhana, lihat Larnpiran 3, sedanghasilnya memiliki kwalitas yang hampirmenyarnai pressure die casting yang mesin clandiesnya berharga ratusan kali lipat dari hargamesin clan dies spin casting.

Adapun keunggulan proses ini ditinjaudari sisi metallurgis yaitu bahwa denganmenggunakan matterial dengan grade yang rendahdapat dicapai sifat mekanik yang lebih tinggidibandingkan hila material yang sarna diprosesdengan menggunakan gravity casting baik dengan

Bila Gambar 3 dan teori Hall-Petchdikaji ulang maka tampaknya terdapat sedikitketidak konsistenan antara besar butir dengankekuatan tarik mengingat besar butir terusmengecil dengan makin tingginya RPM sementara

,,4

menghasilkan produk dengan kekuatan yangrelatif lebih tinggi sementara material yangdigunakan adalah berkadar relatif rendah.

DAFTARPUSTAKAI. MERTON C. FLEMMINGS, "Solidification

Processing", McGraw-Hili, 1974. pp: 290-300.

2. L. COUDURIER et aI, "Fundamentals of

Metallurgical Processes" 2nd. Ed. PergamonPress, 1985, pp : 1 -9.

3. AUSTIN H. .CHURCH, " Blower and

Centrifugal Pump", R.E. Kreiger Publ. Co.Inc. 1944.

4. J. A. GONICBERG & M. L. RITCH," Principles of Centrifugal Rubber Mold

Casting", The Oster Group Co. 1980.5. OWEN F. DEVEREUX, " Topics in

Metallurgical Thermodynamics", John Wiley& Sons Inc. 1983.

6. BRALLA J.G. "Hand Book of Product Designfor Manufacturing", McGraw-Hili, AlphaMetals Inc. New Jersey, 1986.

7. MARC VAN LANCKER, "Metallurgy ofAluminium Alloys", John Wiley & Sons Inc.New York, 1967.

8. Tumbur Z. Hutagalung, Skripsi S -I JurMetallurgi -Univ. Jen. A. Yani., Juli 1996

permanent mould apalagi dengan menggunakansand mould. Hal ini karena dengan spin castingakan didapat ukuran butir yang lebih kecilsehingga berdasarkan Hall-Petch .akan didapatkekuatan yang lebih tinggi seperti yangditunjukkan oleh basil penelitian ini.

Keterbatasan selalu menyertai suatuteknologi termasuk teknologi spin casting iniyaitu bahwa tampaknya untuk ukuran produkyang relatif besar akan sulit diproduksi.Disamping itu untuk sementara ini keterbatasanmaterial cetakan juga akan meIIibatasi tingkatgrade material terutama menyangkut suhu leburcetakannya. Sehingga untuk sementara ini baruditerapkan pada Al-paduan yang memiliki suhulebur sekitar 600 DC.

Hasil penelitian ini sedang diterapkanuntuk menghasilkan trigger frame senjata buatanP.T. PINDAD yang semula menggunakanwrought Al -alloy melalui proses pemesinan.Cara pemesinan ini dianggap kurang effisienkarena banyak material yang terbuang daDmemakan waktu yang tidak sedikit.

Diyakini banyak lagi produk-produkketeknikan yang dapat diproduksi denganteknologi spin casting ini selama ukuranproduknya tidak terlalu besar.

Di MIDC sendiri sedang dilakukan jugapenelitian spin casting ini dengan menggunakanmaterial AI-bronze sebagai pengembangan dari

penelitian-penelitain sebelumnya. Selanjutnyaakan pula dikembangkan pemakain Ceramic Diesyang memiliki Thermal Shock daD Dimensional

Stability yang tinggi sehingga produknyadiharapkan mampu menandingi produk basil

investment casting.

DlSKUSI

Aslina Dr. Ginting :Coba dan mohon dijelaskan : Dengan naiknyarpm maka diameter butir semakin kecil, begitujuga dengan porositas. Dengan apakah Bapakamati diameter butir. Apakah menggunakanmikroskop optik atau mikroskop elektron(SEMrrEM)?Bagaimana penentuan besar butir. Apakahmenggunakan metoda ASTM ahlu Metoda Hyenatau metoda yang lain?Abdul Wahid :*) rpmt -+

KESIMPULAN DAN SARANPengaruh RPM dalam spin casting telah

diteliti dimana makin tinggi putaran RPM-nyamakin kecil ukuran butir daD porositasnyasehingga menghasilkan produk dengan kekuatantarik yang makin tinggi pula seperti yang telahdiestimasi berdasarkan leon.

Perlu dilakukan penelitian lanjutan yaitupengaruh dari preheating temperature pada diesterhadap sifat-sifat mekanik pada RPM yang

tertentu.

Nasanuddin Salam:Mengapa pada putaran 800 rpm memberikan sifat

mekanis yang maksimum ?

Abdul Wahid :Pada putaran 800 rpm -1000 rpm diameterbutiran hampir sarna, sedangkan pada putaran 500

rpm diameter butiran jauh 1ebih meningkat (:!: 60

%).

Mengingat kesederhanaan proses Spincasting ini sementara terdapat keunggulanteknologi manufaktur maka perlu dilakukanpenyebaran teknologi ini kepada industripengecoran berskala kecil clan menengah guna

55

LA \-~ PlRAN 1

",1mJ"\f 3.2 It M(~I!' S"frtril1 ~(Ii 11.<'I1\(1I\I< (\t6$.

56

~

-..:

:. ~

LAMPmAN%.

~"

...-=

~ ~.':!

IiiIII

~.I

-...~

II..

i

57