JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 F-126

Komponen mesin yang menggunakan aluminium sebagaibahan utama produksi semakin banyak digunakan. Hal inidikarenakan alumunium lebih ringan namun memiliki kekuatanyang relatif tinggi daripada jenis material lain. Proses pengecoranalumunium dengan cetakan pasir harus dilakukan dengan telitiuntuk memperoleh produk cor yang berkualitas baik. Namun,beberapa kali dijumpai adanya cacat pada hasil coran, salahsatunya adalah porositas. Salah satu cara untuk mencegahporositas adalah dengan penggunaan sistem saluran yang tepat.Oleh karena itu, diperlukan adanya suatu penelitian untukmencari pengaruh variasi sistem saluran yang tepat padaaluminium sand casting terhadap porositas hasil coran.

Dalam penelitian ini dilakukan proses pengecoran pasiruntuk membuat toroidal piston. Pola berbentuk toroidal piston,sistem saluran, rangka cetak dan rangka inti terbuat dari kayudilakukan pada langkah pertama. Langkah kedua menyiapkanpasir cetak dengan komposisi pasir silika (bekas daur ulang 50% +pasir baru 50%), bentonit 7.5% (aktif), dan air 3.5%. Langkahketiga adalah perakitan cetakan dengan menyusun pola dan sistemsaluran ke dalam rangka cetak yang ditimbun dengan pasir cetakhingga dihasilkan rongga cetak. Sistem saluran yang digunakanakan divariasikan menjadi Top Gating System, Parting LineGating System, dan Bottom Gating System. Setelah cetakan selasaidibuat, langkah keempat adalah proses pengeringan cetakanselama dua minggu. Langkah kelima adalah proses peleburanlogam, penuangan logam, kemudian proses pembekuan dilakukanpada temperatur ruangan selama 24 jam, dilanjutkanpembongkaran cetakan. Langkah keenam adalah proses inspeksiterhadap porositas secara kualitatif dan kuantitatif. Pengukuranporositas kuantitatif dengan cara menghitung perbandinganvolume porositas terhadap volume total spesimen, dan pengukuranporositas kualitatif dengan mengambil foto porositas di bagiansurface dan sub-surface.

Dari penelitian ini didapatkan bahwa hasil coran partingline gating system memiliki harga porositas paling rendah biladibandingkan hasil coran jenis sistem saluran yang lain. Akantetapi, hasil coran parting line gating system memiliki penyusutanyang paling besar dari pada hasil coran jenis saluran yang lain.

Kata kunci : gating system, toroidal piston, sand casting,alumunium alloy 6061, porositas.

I. PENDAHULUAN

Perkembangan dunia otomotif beberapa waktuterakhir mengalami peningkatan yang cukup pesat. Bukanhanya dari sisi teknologi yang berkembang, tapi juga darijumlah produksi yang besar. Hal ini mengakibatkan jumlah

konsumsi bahan bakar fosil juga meningkat pesat. Data padatahun 2010 menunjukkan bahwa konsumsi bahan bakar sektortransportasi mengalami peningkatan yang berarti, yaitumencapai 48% dari total konsumsi Bahan Bakar Minyak(BBM) secara nasional, dimana dari angka tersebut 88%dikonsumsi oleh transportasi angkutan jalan. Seiring denganmenipisnya cadangan bahan bakar yang berasal dari fosil, sertauntuk mempertahankan prinsip pembangunan yangberkelanjutan diperlukan upaya penggunaan energi alternatifdari sumber yang terbarukan.

Untuk mewujudkan hal tersebut telah dilakukanbeberapa penelitian untuk menciptakan suatu sumber energialternatif baru yang salah satunya berupa penggunakanbiodiesel. Namun, secara spesifik pemakaian langsungbiodiesel pada mesin diesel memberikan dampak padakonsumsi bahan bakar spesifik dan emisi NOx yang lebihtinggi dibandingkan dengan fosil diesel pada umumnya. Halini disebabkan karena kandungan kalor bakar biodiesel 10%lebih rendah dari fosil diesel dan perilaku pembakaranbiodiesel yang unik, yakni berupa mekanisme pembakaranyang cepat pada phase premixed combustion dan pembakaranyang lambat pada phase diffusion combustion. Berdasarkanhal tersebut, diusulkan suatu pengembangan prototype mesinbiodiesel berkapasitas kecil (1000cc) dengan desain kepalapiston (crown) berbentuk toroidal. Desain crown pistonberbentuk toroidal ditujukan untuk memberikan ruang gerakyang cukup bagi semprotan bahan bakar menempuh lintasanberbentuk toroidal dan menuntaskan phase diffusioncombustion. Selain itu juga dapat mengurangi konsumsioksigen yang digunakan pada saat pembakaran secarasignifikan ketika posisi kepala piston berada didekat dindingsilinder. Hal tersebut memberikan implikasi berupapeningkatan pelepasan panas dari bahan bakar selama prosespembakaran sehingga konsumsi bahan bakar spesifik dapatmeningkat hingga 35% dan emisi NOx menjadi lebih rendah[1].

Salah satu cara untuk memproduksi kepala piston berbentuk toroidal dapat dilakukan dengan metode pengecorangravitasi yang menggunakan metode cetakan pasir (sandcasting). Penggunaan metode sand casting karena metodepengecoran ini paling umum dan mudah dilakukan. Selain itu,pengecoran pasir dapat mencetak logam dengan titik leburtinggi, dimensi benda hasil coran yang kecil hingga besar, danjuga mampu untuk produksi masal [2]. Pada proses

Studi Eksperimen Pengaruh Jenis Saluran padaAluminium Sand Casting terhadap Porositas

Produk Toroidal PistonRizal Mahendra Pratama dan Soeharto

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: hartoits@me.its.ac.id

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 F-127

pengecoran, segala macam bentuk cacat sangatlah dihindarikarena akan mengurangi kualitas benda coran dan menurunkanefektivitas dari proses produksi. Salah satu cacat yang umumterjadi pada benda hasil pengecoran adalah porositas(porosity). Porositas adalah terperangkapnya gas dalam logamcair pada waktu pengecoran sehingga pada benda hasil corterdapat lubang-lubang baik pada permukaan maupun padabagian dalam benda cor. Porositas pada aluminiumkebanyakan disebabkan oleh kombinasi dari presipitasihidrogen dari liquid solution atau karena penyusutan(shrinkage) selama proses solidifikasi [3]. Salah satu carapaling efektif untuk mencegah dan meminimalisir cacat-cacattersebut adalah dengan perancangan sistem saluran yang tepat.Sistem saluran (gating system) merupakan suatu mekanismepada cetakan untuk mengalirkan logam cair dari cawan tuang(pouring basin) hingga ke rongga cetak. Sistem saluran yangtepat dapat menyebabkan logam cair mampu untuk mengisiseluruh rongga cetak, membuat gesekan aliran kecil sehinggawaktu pemadatan lebih cepat, dan juga aliran cairan cor yangtenang (laminar) sehingga proses pemadatan berlangsungdengan baik [4]. Perancangan sistem saluran perlumemperhatikan beberapa faktor seperti bentuk dan dimensibenda yang akan dicor, jenis material yang digunakan, prosessolidifikasi, dan proses perpindahan panas yang terjadi selamaproses pengecoran berlangsung. Dengan memperhatikan hal-hal tersebut diatas, maka akan didapatkan perancangan sistemsaluran yang efektif dan efisien.

II. METODE PENELITIAN

Metodologi dari penelitian ini dari awal sampai akhirmeliputi beberapa tahapan, yaitu:

A. Tahap Persiapan

Tahap persiapan merupakan perencanaan proses pengecoransecara keseluruhan. Meliputi perencanaan teknik(perancangan konstruksi benda coran, pemilihan metodepengecoran, perancangan sistem saluran) hingga perencanaanwaktu. Serta persiapan alat dan bahan.

B. Pembuatan Pola dan Sistem Saluran

Pola, rangka cetak, cetakan inti dan sistem saluran yangdigunakan pada penelitian ini terbuat dari kayu. Polaberbentuk piston toroidal pada mobil 1000cc denganpenambahan ukuran untuk toleransi dan proses finishing.Sistem saluran yang digunakan akan divariasikan menjadi Top,Bottom, dan Parting Line Gating System.

Gambar 1. Desain Pola Piston

C.Pengolahan Pasir Cetak

Pasir cetak yang digunakan adalah jenis pasir cetak greensand dengan komposisi pasir silika (bekas daur ulang 50% +pasir baru 50%), bentonit 7.5% (aktif), dan air 3.5%.D. Pembuatan Cetakan

Cetakan yang digunakan sebanyak tiga buah, masing-masingsatu untuk setiap variasi sistem saluran. yakni top gatingsystem, parting-line gating system, dan bottom gating system.Waktu pengeringan cetakan dilakukan selama dua minggu.E. Peleburan

Proses peleburan logam pada proses pengecoranmenggunakan tanur dengan sumber bahan bakar LPG.Peleburan logam aluminium dilakukan di dapur yangdipanaskan hingga temperatur ±700 °C.F. Penuangan

Penuangan logam ini menggunakan ladle. Penuangan logamharus dilakukan secara cepat agar menghindari penurunantemperatur yang terlalu cepat, hal ini bisa mengakibatkanlogam cair tidak mengisi pada rongga cetakan secara sempurnakarena logam cair terlebih dahulu membeku pada sistemsaluran. Rata-rata waktu penuangan logam cair untuk mengisipenuh rongga cetakan kurang lebih selama 12 sekon.G. Pembekuan

Setelah proses penuangan logam cair pada cetakan, makacetakan didiamkan selama 24 jam pada temperatur kamarhingga logam cair mengalami proses pembekuan secarasempurna.H. Pembongkaran

Setelah logam cair membeku, dilakukan pembongkaran danpembersihan bekas pasir cetakan yang masih melekat padalogam coran secara hati-hati proses pembongkaran dilakukanuntuk mendapatkan atau memisahkan benda coran daricetakannya.I. Pemotongan Sistem Saluran

Pemotongan sistem saluran dilakukan agar memudahkanmelakukan pengukuran, membandingkan, dan menganalisahasil benda coran.J. Inspeksi Porositas

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 F-128

Inspeksi cacat porositas juga akan dilakukan secarakualitatif dan kuantitatif. Pengamatan cacat secara kualitatifdilakukan dengan cara melakukan pengamatan fisik dipermukaan (surface) dan permukaan dalam (subsurface). Olehkarena itu perlu dilakukan grinding untuk mendapatkanpermukaan yang halus. Sedangkan untuk pengamatan cacatporositas secara kuantitatif akan dilakukan dengan metodeperbandingan volume. Metode ini dilakukan dengan prinsipkerja membandingkan volume porositas dan volume bendacoran. Adapun langkah-langkah yg dilakukan pada metode iniantara lain adalah:1. Mempersiapkan toroidal piston hasil pengecoran.2. Menimbang massa spesimen pada timbangan digital yang

memiliki ketelitian dua angka dibelakang koma.3. Mengukur volume spesimen pada gelas ukur berisi air

yang telah diketahui volumenya.4. Melakukan perhitungan untuk mengetahui berapa

prosentase porositas yg terjadi pada spesimen tersebutdengan rumus:

%Porositas = %100t

p

V

V= %100

t

mt

V

VV=

%100

t

t

V

mV

Dimana,Vp = Volume porositas (cm3)Vm = Volume massa (cm3)Vt = Volume total (cm3) = Vp + Vmm = massa (gr)ρ = densitas (gr/cm3)

III. HASIL DAN DISKUSI

A. Hasil Produk Cor

Gambar 2. Produk hasil coran (a) top; (b) bottom; (c) parting line

Hasil secara keseluruhan produk coran dengan metodealuminium sand casting dengan variasi jenis saluran dapatdikatakan kurang memuaskan. Hal ini karena banyaknyaporositas yang terjadi pada produk coran seperti yangditunjukkan pada tabel 5.2 dan 5.3. Selain itu terdapat pulapenyusutan dan permukaan yang kasar pada hasil coran sepertipada gambar 5.1. Dimensi produk hasil coran tidak sesuaidengan yang direncanakan. Jika ditinjau dari tinggi dandiameter piston yang dihasilkan, dari ketiga hasil coran hampirmendekati dimensi awal, hanya saja letak rongga pada bagianbawah piston agak sedikit berbeda letaknya pada masing-masing hasil coran. Hal ini disebabkan kurang presisi saatmemasang inti pada cetakan. Sedangkan jika ditinjau daribentuk kepala piston (crown) seluruh hasil coran mampu

membentuk kepala piston toroidal. Akan tetapi hasil coranpada bottom gating system bentuk cekungan yang dihasilkanrelatif tidak terlalu dalam seperti pada hasil coran top danparting line gating system. Hal ini disebabkan karena polacrown terletak pada posisi bawah dan pada bottom gatingsystem aliran logam cair tepat masuk melalui bagian bawahsehingga membuat pola crown sedikit tererosi. Sedangkanpada top gating system bentuk crown yang dihasilkan relatifbagus akan tetapi pada daerah tepi terdapat cacat keropos yanglumayan besar dan tidak ada pada produk coran yang lain. Halini disebabkan karena efek jatuh bebas aliran logam cair saatmemasuki rongga cetak. Selain itu pada bagian crown hasilcoran top dan parting line gating system ditemukan adanyaretakan (crack). Hal ini disebabkan karena proses pendinginanyang relatif cepat dari temperatur tinggi menuju temperaturrendah sehingga menyebabkan retakan itu terjadi.

B. Data Hasil Pengukuran PorositasTabel 1.

Tabel Persentase porositas masing-masing spesimen

Gambar 3. Diagram batang persentase porositas

Dari diagram diatas tampak bahwa parting line gatingsystem memiliki nilai persentase porositas paling rendah biladibandingkan jenis sistem saluran yang lain.

Tabel 2.Data Hasil Pengukuran Kualitatif Porositas di bagian Surface

No.Jenis

SaluranFoto Porositas Keterangan

1 Top

Tampak adanyaporositas pada bagian

tepi crown danpermukaan samping

produk coran.Selain itu, cacat akibat

erosi rongga cetakjuga tampak terlihatpada gambar bawah

a b c

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 F-129

2 Bottom

Bagian crown hasilcoran tidak terbentuksempurna bahkan adalubang porositas yang

cukup besar.Tampak pula beberapa

cacat porositas danpenyusutan pada sisi

samping produk coran

(lanjutan)

No.Jenis

SaluranFoto Porositas Keterangan

3Parting

Line

Masih terdapat porositaspada bagian crown hasil

coran meskipun tidakseparah top dan bottom.Tampak pula porositasdan penyusutan muncul

pada bagian sampinghasil coran

Tabel 3. Data Hasil Pengukuran Kualitatif Porositas di bagian Sub-surface

No.

JenisSaluran

Foto Porositas Keterangan

1 Top

Tampak cacat porsitasterdapat pada bagianbawah hasil coran.

Tampak pula penyusutandengan bentuk cekunganpada sisi samping hasil

coran

2 Bottom

Tampak cacat porositasyang cukup besar pada

bagian atas dekatpermukaan dan beberapadi bagian dalam benda

hasil coran

3Parting

Line

Tampak cacat porositastertersbar pada bagian

dalam hasil coran

Porositas merupakan cacat berupa lubang berpori padabagian permukaan (surface) dan bagian dalam (sub-surface)yang diakibatkan oleh gelembung gas yang terperangkap didalam logam cair sampai proses solidifikasi selesai. Padapenelitian ini, semua hasil coran memiliki porositas padabagian surface dan sub-surface seperti yang terlihat pada tabel5.2. dan 5.3. Saluran masuk top gating system memilikiketinggian paling tinggi. Hal ini menyebabkan terjadinya efekjatuh bebas logam cair semakin besar sehingga membentukturbulensi aliran logam cair saat mengisi rongga cetak. Karenaadanya aliran turbulen pada logam cair membuat terjebaknyaudara dalam rongga cetak. Hal ini diperparah dengan tidakadanya ventilasi pada semua cetakan. Sehingga udara yangterjebak tidak sempat keluar dengan baik melalui sistemsaluran ataupun celah pori-pori pasir hingga mengakibatkanporositas pada hasil coran. Selain itu, efek jatuh bebas yangterjadi pada top gating system juga membuat rongga cetakmengalami erosi. Hal tersebut mengakibatkan terjadinyainklusi pasir yang cukup parah sehingga menyebabkan keropospada salah satu bagian permukaan kepala piston (crown).Sedangkan pada bottom gating system, aliran logam cair yangmasuk ke dalam rongga cetak relatif lebih halus dari pada topgating system. Tidak ada efek jatuh bebas pada jenis sistemsaluran ini. Akan tetapi justru karena logam cair masukmelalui bagian bawah rongga cetak, dimana pada bagiantersebut terdapat pola crown, maka erosi bagian bawah tidakdapat dihindarkan. Sehingga merusak bentuk crown menjaditidak sempurna dan cenderung berbentuk rata. Berdasarkandata hasil pengukuran dan perhitungan maka diperoleh hasilbahwa parting line gating system memiliki nilai porositaspaling rendah karena logam cair masuk melalui bagian tengahrongga cetak sehingga aliran logam cair yang masuk ke ronggacetak relatif lebih tenang (tidak ada efek jatuh bebas) daripadatop gating system. Selain itu juga bentuk crown yangdihasilkan lebih bagus daripada bottom gating system.

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN

Setelah dilakukan inspeksi terhadap produk coran berupatoroidal piston melalui proses aluminium sand casting denganvariasi jenis saluran, maka dapat diperoleh beberapakesimpulan sebagai berikut:

1. Hasil coran berupa toroidal piston melalui prosesaluminium sand casting dengan variasi jenis saluranternyata menghasilkan produk yang tidak sesuai dengandesain awal. Hal ini ditandai dengan adanya porositaspada produk cor. Selain itu, terdapat pula penyusutan danpermukaan produk yang kasar.

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 F-130

2. Hasil coran parting line gating system memiliki nilaipersentase porositas terendah bila dibandingkan hasilcoran jenis sistem saluran yang lain.

3. Penyusutan terjadi pada semua hasil coran. Hasil coranparting line gating system memiliki nilai penyusutantertinggi dari pada hasil coran jenis saluran yang lain.

4. Semua produk hasil coran memiliki kekasaran permukaanyang relatif tinggi. Hal ini disebabkan proses pengeringanterlalu lama sehingga menghasilkan kualitas cetakan yangrendah.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir.Soeharto, DEA atas bimbingan dan masukkan kepada penulisdalam penyelesaian artikel ilmiah ini. Tidak lupa juga kepadaIbu Dr. Ir. H.C Kis Agustin, DEA, Bapak Ir. Hari Subiyanto,M.Sc, dan Bapak Indra Sidharta, ST, M.Sc. selaku dosenpembahas. Kepada teman-teman laboratorium Metalurgi, dansemua pihak yang berkenan meluangkan waktu untuk diskusibersama. Terima kasih.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Park, S.W. (2010). Optimization of Combustion Chamber Geometryfor Stoichiometric Diesel Combustion Using A Micro GeneticAlgorithm. Fuel Processing Technology 91 (2010) 1742–1752.

[2] Mikell P. Groover. Fundamentals of Modern Manufacturing:Materials, Processes, and Systems, Fourth Edition. New York : JohnWiley & Sons, (2010).

[3] Trimble, George S. Design and Fabrication of Piston. SIC Vol 2.New York : McGraw- Hill,Inc. Ammen, C.W. (1979). The CompleteBook of Sand Casting. New York : McGraw- Hill,Inc., (1989).

[4] Piston Catalog. (2010). Arco. www.arcomoto.com