OPT I MASI PARAMETER PROSES PRODUK CORAN-AISiDENGAN TEKNIK SQUEEZE CASTING

Mohammad Dani1, Sulistioyoso G.S.l, Parikin1, Duskiardi2 daD Eddy S. Siradj 2lPuslitbang Iptek Bahan (P3IB)-BATAN

Kawasan Puspiptek, Sa:pong, Tangerang 15314

2Pascasarjana Teknik Mesin, FT-UIKampus.Baru UI, Depok 16424

ABSTRAK

OPTIMASI PARAMETER PROSES PRODUK CORAN-AISi DENGAN TEKNIKSQUEEZE CAS11NG. Teknologisqueeze casting atau liquid metal forging sangat diminati oleh para perekayasa bahan karena menawarkan beberapa kelebihan

produk yang dihasilkan, seperti: strukturmikro yang homogen dan perbaikan sifat mekanik produk. Telah dilakukan pengamatanstrukturmikro, densitas, porositas dan kekerasan produk coran-AISi basil penempaan cara perah (squeezing casting). Bahan AISipasaran dipotong sesuai kebutuhan karakterisasi untuk mendapatkan kondisi awal pengujian. Sebagian lagi dilebur kembaii untukdibuat spesimen uji dalamfumacepada suhu 700"C dan dituangkan ke dalam dies bersuhu antara 400-500°C dengan pembebananantara 70-130 MPa. Hasil analisa memperlihatkan terjadi peningkatan kerapatan dan penurunan kuantitas porositas prod uk.Kekerasan prod uk-pun meningkat karena penerapan tekanan dan perlakuan temperatur penuaan (presipitasi). Tekanan squeeze130 MPa dan suhu die 400°C dengan durasi penekanan 75 detik, mampu menghasilkan perbaikan sifat fisik dan mekanik.

Disimpulkan bahwa kombinasi penerapan tekanan, suhu dies dan teknik penuaan paduan yang tepat, mampu mengoptimalkanproduk coran-AlSi yang dihasilkan.

Kala kunci 'aduan AlSi, squeeze casting, densitas, porositas, kekerasan

ABSTRACT

OPTIMALISATION OF AISi-CAST PRODUCTS BY USING SQUEEZE CASTING TECHNIQUE. Squeezecasting or liquid metal forging, has been widely used due to offering some benefits in products manufacturing. Among the benefitsare homogeneous microstructure and good mechanical properties of products. Measurements of the microstructure, density,porosity and hardness properties of AlSi-cast products manufactured by using squeeze technique have been carried out.Commercial AlSi materials were specially cut in such a way as to be conformed to each characterization method, employed toobtain the initial conditions. Some parts of commercial materials were made into test-materials by re-melting in a furnace at700°C followed by recasting in a dice-mould by heating between 400-500°C. Compression is achieved by using power pressuresand employing pl:essure magnitude; 70 to 130 MPa for 75 seconds. Analysis of experimental data shows that the density of thematerials tends to increase, while porosity tends to decrease gradually. The hardness of the materials show a significant

improvement, brought about by. pressure's application and temperature treatment (precipitation). It is concluded that applicationof squeeze pressure at 130 MPa and die temperature of 400°C tor pressure duration of 75 sec., will improve the physical andmechanical properties of the materials. Finally, the right combination of pressure, die temperature and ageing technique, is able togreatly improve the casting-products.

Key words: AlSi alloys, squeeze casting, density, porosity, hardness.

PENDAHULUANmemiliki peranan penting bagi kendaraan bermotoradalah piston. Produk ini dalam skala kecil sudahdiproduksi oleh industri kecil dan menengah, denganmetode tradisional; sand casting[2] dan gravity casting.Kualitas produk yang dihasilkan umunmya masih rendahdan berumur pakai pendek.

Kekurangan tersebut mampu dipeIbaiki denganmengadopsi teknik pengecoran lain seperti squeezecasting[3]. Teknologi squeeze casting atau lebih dikenalliquid metal forging ini sangat diminati oleh paraperekayasa bahan. Teknik ini menawarkan keuntungan

Kebutuhan komponen otomotif asli/orisinil bagikonsumen yang mengharapkan keawetan suku cadang(spare-part) seperti: piston, blok mesin, dll., menarikperhatian para agen untuk menawarkan produk impordipasaran. Harga komponen tersebut relatif mahal daDcukup memberatkan konsumen dalam negeri, sementarakebutuhan komponen ini meningkat pesat. Teknologi

proses[ 1] pembuatan produk tersebut cukup sederhanadan sudah mampu diserap sehingga mudah diterapkandi sektor industri konvensional.

Salah satu produk komponen otomotif yang

94

Optima.\"i Parameter Proses Produk Coran-AlSi dengan Teknik Squeeze Casting (Mohammad Dani)

lebih terhadap produk yang dihasilkan. Diantarakelebihan tersebut adalah struktuffilikro yang homogen,densitas tinggi daD mampu memperbaiki sifat mekanik

produk.

dekat pin daD alur ring, seperti terlihat pacta gambar.Keausan (wearness) menyebabkan alur ring pacta

gambarmembesar. Lekukan/coakan-coakan pacta posisipertemuan ujung ring daD patahan pacta daerah alurring mempakan kegagalan produk. Kegagalan inijugaakibat gesekan daD pembakaran yang kontinu saat

operasi seperti yang terliharpada sisi bawah daD bagianatas piston.~c ~

Makalah ini memaparkan basil pembuatan produkcoran-AlSi dengan teknik squeeze casting. Optimasi

parameter proses produksi diamati via sifat fisik(strukturmikro, densitas, porositas) dan sifat mekanik(kekerasan) produk, dengan tujuan untuk melihatperbaikan proses produksi dengan teknik direct ,\'queezecasting.

;~~

METODOLOGI

Bahan paduan A1Si[4,5] yang dite1iti berupaproduk coran-A1Si komersiallokal dari pasaran. Bahan

yang diperoleh dipotong-potong sesuai kebutuhankarakterisasi untuk mendapatkan kondisi awal pengujian.Sebagian dilebur kembali untuk dibuat spesimen uji

dengan proses squeeze casting.Peleburan bahan dilakukan dalam furnace

KL-600 pada suhu 700°C clan dituangkan ke dalam diesbersuhu antara 400-500°C dengan pembebanan antara70-130 MPa. Waktu tunggu selama 60-90 detik clan lamapenekanan 75 detik.

Spesimen ini kemudian dikarakterisasi denganEDS (Energv Disper.5ive Scanning), Brinell Hardne.5.5Tester, Mikroskop Optik clan SEM (Scanning ElectronMicroscope) clan densitometer (piknometer). Perolehandata strukturmikro, densitas, porosit3s daD kekerasanballaD dibandingkan dengan basil karakterisasi awalproduk clan dianalisis. Urutan singkat alur penelitiandiperlihatkan dalam Gambar 1.

Gambar 2. Pengambilan spesimen uji lokal.Tanda persegi empat hitam merupakan daerah spesimenyang diujikan[~~~'-""" ...

~I Pddxn,- II A1Si700'C I

Strokturmikro

I AnaJi~dIIIK_.,; I

~

I .~-ingp I

~/Gambar 1. Skematik alur penelitian

BASIL DAN PEMBABASAN

Garnbar 2 rnerupakan contoh produk yangrnengalarni kegagalan pada alur ring piston. Persegiernpat berwarna hitarn adalah lokasi spesirnen uji diarnbil,dengan pertirnbangan daerah tersebut rnengalarnipernbebanan terbesar dan sering terjadi kegagalan.Posisi I pada sisi bagian bawah dan posisi 2 pada sisi

Uji komposisi dengan EDS mengindetifikasikanunsur silikon (Si) lebih daTi 11,.7% (eutectic)[4],menunjukkan bahwa paduan alumunium-silikon iniberada pada kondisi hipereutectic. Dalam Gambar 3

diperlihatkan mikrografi permukaan spesimen;(a) komersiallokal, (b) squeeze ca.~ting, sedang (c) dan(d) pengambilan titik spot dengan SEM-EDS, untukmengetahui komposisi unsur di beberapa lokasi berbeda.Hasillengkap pengukuran komposisi ini disusun dalamTabell. Pengamatan stmkturmikro dalam Gambar 3 (a)dan (b) menggunakan mikroskop optik terhadap produk

dengan pembesaran lOOx, mengindikasikan stmkturhypereutectic, yang terdiri dati dendrit-dendrit silikonyang tersebar dan dikelilingi matrik eutecticaluminium-silikon. Hasil untai pengukuran menggunakanSEM-EDS dalam Gambar 3 (c) dan (d) denganpembesaran bertumt-tumt 400x dan 200x, secara jelasmenampilkan komposisi unsur di setiap titik pengukurandan memperkuat basil pengamatan ini.

Porositas yang terlokalisasi dalam produk coran-

95

Prosiding Pertemuan [lmiah [lmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

AISi lokal terlihat jelas dalam Gambar 3 (a) dan(d), sementara gumpalan-gumpalan silikon yang tidakterlarut dalam matriks AlSi tersebar tidak teratur hampirmenutupi seluruh permukaan produk, ditunjukkandalam Gambar 3(b) dan(c).

dapat membentuk nukleasi gelembung gas. Halini disebabkan harga kesetimbangan tekanan hidrogenmelebihi tekanan luar yang bekerja pada cairandan digunakan untuk melawan tegangan permukaan[4,6,7]. Pemakaian tekanan selama pembekuan prosessqueeze casting menyebabkan tekanan hidrogenmenjadijauh lebih rendah dibandingkan tekanan luar.Pembentukan nukleasi gelembung gas tidak terjadi,dan hidrogen yang terjebak alau lamt dalam cairanpaduan logam selama proses tersebut dipaksa keluarviaventilasi dies. Pembentukan porositas ini hampirtidakdipengaruhi oleh temperatur die.stetapi dipengaruhi olehrendahnya laju pendinginan (mampu aliI) cairan dalamdie.s. Teori lain [6] mengatakan efek laju pendinginanakibat kenaikan koefisien perpindahan panas mampumemperbaiki strukturmikro seperti dalam prosespertumbuhan kristal daD waktu solidifikasi yang cepat

(quenching).

POroSltAS

MatrikAlSi

Dendrit Si

Ma.trikAlSi

Silikon

Tabell. Komposisi unsur dalam .rpot pengamatan.

O/cBttat At<m

Spesimen uji Unsur

Posisi 1

2,14

96,44

0,31

0,71

0,15

0,14

0,01

0,]

PIlOisi 2

10,36

25,41

1,28

1,8

0,82

0,01

0,32

~~76,6 1

17,05

2,59I

2,27

0,94

0,13

I0,42

Pooisi 4

77,84

16,08

2,50

2,29

0,92

AISi'Posisi I

AlCuNi

MatriksAlSi

0,31

AI

Si

OJ

MgNi

M1

Fe

7,nPosisi 2

Posisi 3 Gambar 4 memperlihatkan mikrografi ~nnukaanproduk coran-AISi squeeze casting dengan penekanan70MPa daD temperatur dies; (a) T d = 400°C,

(b) Tdi'= 450°C daD (c) Tdi'= 500°C', Strukturhypereutectic yang terbentuk sangat jelas terlihatdengan adanya struktur silikon sebagai presipitatberbentuk partikel equaxed yang dikelilingi matrikseutectic, Jika diamati via diagram rasa AISi [2,4,6],struktur awal ini bergeser ke sebelah kiri akibat kehadiran~nghalus butiran hypereutectic, Oleh karena perbedaanlaju pendinginan AI daD Si, nukleasi silikon mampumengkristal daD tumbuh selama solidifikasi sebelumpembekuan aluminium dibawah titik eutectic sejati [7],Pengaruh penuaan sesaat dalam lingkungan suhu diesyang berbeda cukup kentara, Pada Gambar 4 (a) dengansuhu dies 400°C gumpalan silikon masih belum banyaktetbentuk, struktur pennukaan terlihat homogen, needle.~silikon yang membentuk dendrit-dendrit panjangbercabang tersebar random ke seluruh pennukaan,Tetapi pada temperatur dies 450°C, presipitasi silikonberukuran kecil banyak terbentuk (Gambar 4 (b», daDketika temperatur dies dinaikkan menjadi 500°C,presipitasi kecil ini seolah-olah menyatu membentukgwDpalan silikon resar (Gambar 4 (b», dikelilingi matriks

Porositag

Matrik

~ki4

Gambar 3. Identifikasi strukturrnikro dan komposisiproduk coran-A1Si;(a). Mikroskop Optik (IOOx)spesimen lokal, (b). Mikroskop Optik (lOOx) spesimen.squeeze casting, (c). SEM-EDS (400x) spesimensqueeze casting dan (d). SEM-EDS (200x) spesimen

Pengaruh pemberian tekanan secara langsungterhadap cairan pada proses squeeze casting,mampu mengeliminir porositas (Ii hat Gambar 3(a) dan3(b»0 Kuantitatifporositas komersiallokal sebesar 1,48%mampu diturunkan menjadi 0,208% pada produkcoran-AlSi squeeze casting dengan beban penekanan130 Iv1Pa (lihat Gambar 6)0 Hal ini karena, pada saatproses pembekuan (solidification) cairan da1am cetakan,kandungan gas yang terbawa pada saat penuangandan yang dilepas pada pertumbuhan kristal dapatmenaikkan konsentrasi hidrogen rasa cairo Kenaikankonsentrasi hidrogen pada cairan ini secara lokal

96

Optimasi Parameter Proses Produk Coran-AlSi dengaJ' Teknik Squeeze Casting (M(Jhammad Dani)

AISi. Tidak ada porositas terlihat secara kasat mala dariproduk cacao-Algi .\'queeze casting ini.

1,48%, dengan penerapan teknik squeeze mampuditurunkan menjadi 0,237% pada tekanan 70 MPa,kemudian menjadi 0,214% pada tekanan 100 MPa danmenjadi 0,208% pada tekanan 130 MPa. Penyusutanvolume akibat penerapan tekanan yang ditahan selamapembekuan ini menunjukkan adanya proses

memampatkan logam yang dapat meminimasi kuantitasporositas atau ruang-ruang kosong yang ditinggalkanoleh keterbatasan mampu alir cairan logan1. Namundemikian sejumlah porositas dengan nilai yang sangatkecil masih ditemukan dalam produk yang dibuat.

)ci'1

~

fI '."

I

.j

I

G.mb.,. j. Kurva kerapatan rerata terhadap tekananproduk coran.AlSi squeeze casting

Kerapatan daft Porositas

Gllmbllr 6. Kurva porositas rerata terhadap tekananproduk coran.AlSi squeeze casting.

Kekera$an

Kekerasan rerata bahan meningkat dengankenaikan tekanan yang digunakan seperti diperlihatkandalan\ Gambar 7. Kenaikan melandai ketika tekanan

~7edinaikkandari l(x)MPa~njOOi 13OMPa. Se~rtitelah dijelaskan sebelumnya kenaikan densitas produk

mengkonfirmasikan penurunan kuantitas porositasprod uk, yang dapat dikatakan bahan semakin mampat.Penmn\patan bahan ini rnampu meningkatkan kekerasanproduk coran-AISi secara umum. Proses pemampatan

Gambar 5 memperlihatkan basil pengukuran

kerapatan rerata produk dengan piknometer. Pengujian

ini meghasilkan besaran apparent density (p )[2] produk,

yang digunakan untuk menentukan kuantitas porositas

produk cor'dn-AISi dengan membandingkan terhadapbesaran true density (p,,)[2] produk. Densitas yang

terakhir ini diperoleh secara teoritis dari mjukan referensi

daD atau komposisi paduan dari berat atom dan volume.

Tendensi grafik memperlihatkan bahwa kurva densitas

rerata produk meningkat tajam ketika tekanan squeze

dinaikkan dari 70 MPa menjadi 100 MPa. Kenaikan

densitas tidak lagi signifikan dalam jangkauan 100 MPa

ke 130 MPa dengan garis kurva yang semakin landai. lni

menunjukkan perbaikan sifat fisis yangjelas terjadi dari

penerapan tekanan .\'queeze terhadap pembuatan produk

coran-AlSi. Demikian pula lnikrografi permukaan prCKluk

yang ditan"lpilkan J)IKJa Gambar 3 dan 4 memberi infom1asi

yang saling menunjang.Sementara Gambar 6 merupakan kulVa porositas

produk yang diprediksi dari perhitungan apparentdensity daD true den.\'ity yang diperoleh. Penerapan

tekanan dalam proses squeeze casting memperlihatkan

penumnan yang signiflkan. Pemeriksaan produk coran-AISi lokal terhadap kuantitas porositas bahan sebcsar

97

~

Pro.fiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktoher 2002 ISSN 1411-2213

ini mencapai optimum pada sekitar titik 100 MPa, dirnanagaris terlihat datar. Sementara teori[8,9] lain mengatakanadanya pengerasan presipitasi dan perbaikan ukuranbutir akibat perlakuan temperatur, dapat meningkatkankekerasan bahan.

memperlihatkan kenaikan kekerasan pada produkyang di .\'queeze dengan tekanan 70 MPa, akibatpengaruh perlakuan penuaan T6 (lihat data bersimbolbulatan dan diamond dalam kurva). Pola data produkbersimbol diamond ini mula-mula produk bersimbolbulatan, yang kemudian diberi perlakuan temperaturkhusus (T6) sebagai proses penuaan. Setelahdiberi perlakuan tersebut, secara umum kekerasanmeningkat pacta setiap produk tetapi ujung kurva tetapkecenderungan menurun. Hal ini karena terjadi

pengerasan presipitasi. Mikrografi permukaan pactaGambar 4 menginformasikan bahwa presipitasiberukuran kecil banyak terbentuk dan ketika temperaturdies dinaikkan, presipitasi kecil ini berkumpul daDmenyatu membentuk presipitasi besar yang dikungkungmatrik AISi. Teori[ll] menjelaskan bahwa; tahapanpengerasan presipitasi ini acta dua: zona GP { I } dan zonaGP {2 }. Pada zona GP { 1 }, presipitasi rnasih berbentukclu.\'ter atau himpunan atom-atom yang larut padat pactakisi atom pelarut yang koheren dengan matriks AI.Kemudian suhu dinaikkan maka teljadi zona GP {2} yangmerupakan presipitasi antar rasa yang halus. Pactakondisi ini dapat dijelaskan bahwa pada suhu yang lebihtinggi zona presipitasi berubah menjadi presipitat yangmetastabil dengan jumlah yang lebih besar sehinggadislokasi mudah bergerak, dan akibatnya kekerasanmenurun.

Gambar 7. Kurva kekerasan rerata terhadap tekananproduk coran-AlSi .vqueeze casting.

Pada Gambar 8 diperlihatkan grafik kurvakekerasan terhadap suhu temper die.~. Secara umumkekerasan produk terhadap kenaikan suhu ini memilikikecenderungan penurunan yang sarna pacta tekanankonstan. Kenyataan ini menunjukkan perubahantemperatur die.\' sangat penting untuk mengoptirnalisasikekerasan produk. Pada tekanan 130 MPa,memperlihatkan penurunan kekerasan yangtajam (dropping) daTi BHN=114 (450°C) menjadiBHN= 102 (500°C), ini dimungkinkan oleh karena prosespembekuan COlan terjadi pada laju pendinginan yanglebih besar. Peningkatan laju pendinginan ini akibatkenaikan laju perpindahan panas antar muka bahan

dengan cetakan[IO].

KESIMPULAN

Dari sturn penerapan teknik squeeze casting padapembuatan produk coran-A1Si dapat diambil beberapakesimpulan sebagai berikut:

.Struktunnikroprodukcoran-AlSi semakinhomogen,tidak terlihat porositas terlokalisasi.

.Kerapatan dan kekerasan produk coran-A1Simeningkat dengan kenaikan tekanan squeeze.

.Kuantitas porositas produk menurun dengankenaikan tekanan squeeze.

.Temperatur dies mempengaruhi kekerasan produkcoran-AlSi.

.Hasil analisis diperoleh kombinasi tekanan squeeze130 MPa dan suhu die 400°C dengan durasipenekanan 75 detik, memperbaiki sifat fisis danmekanik produk.

.Kombinasi penerapan tekanan, suhu dies dan teknik

penuaan paduan yang tepat, mampumengoptimalisasikan produk coran-A1Si yangdihasilkan.

UCAPAN TERlMAKASm

Dengan tutus hati penulis ingin mengucapkanterima kasih yang sebesar-besarnya kepada; Drs.Wagiyo M. T, Dr. Mardiyanto, daD Kepala P3ffi-BATAN;Bapak Drs. Gunanjar, SU serta semua pihak yanglangsung dan tak langsung terkait.

Gambar B. Kurva kekerasan terhadap suhu dies produkcoran-A1Si squeeze ca.fllng.

Pengaruh penuaan tempering mampumeningkatkan kekerasan produk coran-AISi. Gambar 8

98

Optimasi Parameter Proses Produk Coran-AlSi dengan Teknik Squeeze Casting (Mohammad Dani)

DAFTAR PUSTAKA

[1). EL. MAHALLAWY N.A.:TAHA M.A. and M.LOTFI ZAMZAM, On the microstructure andmechanical properties of squeeze cast Al- 7 wtD/oSialloy, Journal of Materials Processing

Technology, 40, (1994).J. DUSKIARDI, Pengaruh Parameter Pro.~es

Terhadap sifat Mekanik dan StrukturmikroProduk Squeeze Casting, Tesis Program StudiTeknik Mesin, Fakultas Teknik UI, Jakarta, (2()() 1).

--' FIRD AUS, Perancangan Proses Squeeze Castinguntuk Perngembangan Flens Motor Sungai, Te.\'isProram Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik UI,

Jakarta, (2001).-J. ASM Specialty Handbook, ,4luminium and

AluminiumAlloys, (1994).-c' MUDllJANAdan HADRIZAL,AnalisisKualitas

Produk Gokart dari Paduan Alumunium, ProsidingPertemuan Ilmiah 1997, PPSM-BATAN, Jakarta,

(1997),146-151.~-J. MONDOLFO,L.F., Aluminium Alloy.~ Structure

and Properties, Butterworths & Co.Ltd., London,

UK, (1979).I. AMERICAN FOUNDRYMEN'S SOCIETY,

Aluminium Casting Technology, Des Platnes

Illinois, USA, (1986).~ J. HATCH,J.E., Aluminium: Properties and

Phhisycal Metallurgy, American Society forMetals, Metals Park, Ohio, (1984).

--' B.H. HU, X.P. NIU, S. W. HAO, K.K. TONG andF.C. YEE, ~ze Casting of Al-Si-Cu-Fe-Mn-MgAlloys,J. Proc. Tech., 58, (1998), 302-307.

[10). D.M. STEFANESCU, .4SM Handbook: Casting,15, American Society for Metals, Ohio, USA,

(1993).[II). N.L.M. VELDMAN, A.K. DAHLE and D.H. ST.

JOHN, Material 98, IMEAL. F. MONDOLFO.4/uminium Alloys Structure and Propertie.~,Butterworths & Co. Ltd., London, UK, (1997).

[2J

forging menempa/menekan logam panas menjadibentuk-bentuk yang berguna

2. Parameter yang diperlukan untuk .\'queeze ca.\'ting1. \blume cairan logam2 Suhu tuang3. Suhu perkakas4. Waktu tunggu5. Batas tekanan6. Durasi penekanan7. Pelumasan8. Kecepatan Pengisian

[31Elman Panjaitan, P3ffi -BATANpenanyaan1. Apa kontribusi strukturmikro yang homogen

terhadap umur pakai daTi bahan piston[41

[5] Jawaban1. Strukturmikro yang homogen menyebabkan umur

pakai dari bahan piston 1ebih lama, karena padastruktunnikro yang homogen tidak terlihat porositasyang terlokalisasi, yang meropakan titik aool pelniCUtimbu1nya keretakan. Keretakan dapatmemperpendek umur pakai dari bahan piston.

r6l

[7]

[81

[91

TANYA JAWAB

Sunardi, P31B-BATANPertanyaan1. Apa beda squeeze casting dengan cetakan panas!

hot pressure, hotforging2. Parameter apa yang diper1ukan untuk memenuhi

squeeze casting

Jawaban1. Squeeze casting adalab proses pengecoran dimana

logam cair didinginkan melalui pemberian secaralangsung tekanan yang mampu mencegahterbentuknya porositas gas dan penyusutan ekstrim.Squeeze casting menekan ke segala arah.Hot pressing menekan ke satu arab tertentu. Hot

99