Karakterisasi Komposit Matriks Logam Al-SiC Pada Produk Kanvas Rem Kereta Api

  KARAKTERISASI KOMPOSIT MATRIKS LOGAM Al-SiC PADA PRODUK KANVAS REM KERETA API SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ALBIN MONIAGO SIMANJUNTAK NIM. 100421038 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

KATA PENGANTAR

  Pertama-tama penulis panjatkan puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan skripsi ini. Skripsi yang berjudul Karakterisasi Komposit Matriks Logam Al-SiC Pada Produk Kanvas

  Rem Kereta Api ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan dalam

  menyelesaikan pendidikan tingkat sarjana strata satu (S1) pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

  Dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa hormat dan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan dorongan kepada penulis selama penyusunan skripsi ini, antara lain:

  1. Jimmi G. Simanjuntak, ST selaku kepala Laboratorium Pengujian Mekanik dan Material Teknik Baristand Industri Medan (Balai Riset dan Standardisasi Industri Medan) yang mengizinkan saya untuk kerja sama melakukan penelitian di laboratorium tersebut.

  2. Ir. Syarul Abda, Msc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dalam menyusun skripsi ini

  3. Dr.Eng.Indra, MT. selaku dosen pembanding satu

  4. DR.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding dua di seminar skripsi dan Ketua Departemen Teknik Mesin

  5. Ir. Jaya Arjuna, Msc selaku dosen pembanding dua di sidang skripsi.

  6. Ir. Tugiman, MT selaku koordinator skripsi

  7. Rekan-rekan yang telah membantu dalam penyusunan laporan skripsi ini

  8. Semua pihak yang telah banyak membantu yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

  Penulis berharap semoga laporan skripsi ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya, serta ada kelanjutan dari penelitian ini untuk penyempurnaan dari apa yang telah diperoleh demi kemajuan di masa mendatang.

  Medan, Mei 2013 Penulis,

  Albin Moniago Simanjuntak

  ABSTRAK

  Salah satu komponen yang termasuk penting pada kereta api sebagai kendaraan rel adalah rem. Rem berfungsi sebagai alat untuk mengatur laju kendaraan, khususnya mengurangi dan menghentikan kendaraan. Komposit Matriks Logam Al-SiC (KML Al-SiC) menggunakan aluminium sebagai matriks dan partikel SiC sebagai penguat. Alumunium dipanaskan sampai ke titik leleh, lalu dicampur dengan serbuk SiC, selanjutnya dituang ke dalam cetakan. Material komposit matrik aluminium dengan penguat keramik SiC yang juga disebut komposit isotropik Al-SiC merupakan kombinasi yang sangat sesuai dalam peningkatan performansi mekanik dan ketahanan dalam kerusakan korosif. Adapun pemilihan logam Al sebagai matrik dikarenakan logam ini memiliki berat jenis yang ringan sehingga dapat digunakan sebagai substitusi komponen pembuatan kampas rem kereta api. Penelitian ini hanya di batasi dengan jumlah pencampuran Al 82 % dengan SiC 18 %, yang bertujuan untuk mencari dan memperoleh alternatif bahan kanvas rem kereta api yang lebih baik dari bahan besi cor yang digunakan saat ini. Pengujian yang di lakukan adalah uji kekerasan, keausan, dan uji tarik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kondisi optimum

  o

  yang diperoleh pada komposisi 18% SiC dan suhu sintering 600 C dengan

• 5

  karakteristik sebagai berikut: kekerasan 88,96 HRB, keausan 2,575 x 10

  2

  2

  gram/mm .s, kuat tarik 19,77 Kgf/mm . Dari segi kualitas, dengan MMC Al-SiC 18% dimungkinkan dapat menjadi bahan alternatif sebagai pengganti Besi Cor pada bahan kanvas rem kereta api.

  

ABSTRACT

One of the vital components included on a train as the vehicle is brake.

  Brake serves as a tool to adjust the vehicle speed control, especially to reduce and stop the vehicle. Metal matrix composites of Al-SiC (Al-SiC MMC) using aluminum as the matrix and SiC particles as a reinforcement. Aluminum is heated to the melting point, and then mixed with SiC powder, then poured into a mold. Aluminum matrix composite materials with SiC ceramic amplifier or called isotropic Al-SiC composite is a combination that fits in improving mechanical performance and durability in corrosive damage. As for the selection of metal Al as matrix metal because it has a specific gravity that light so it can be used as a substitute for the manufacture of brake components train. This study only in limiting the amount of mixing of Al-82% by 18% SiC, which aims to seek and obtain alternative materials train brake better than cast iron materials in use today. Tests done is test hardness, wear, and tensile test in lieu of cast iron railway brake materials. From the test results showed that the optimum conditions obtained at the composition of 18% SiC and sintering temperature of 600 °C with the

• 5

  2

  following characteristics: violence 88.96 HRB, wear 2.575 x 10 gram/mm .s,

  2

  tensile strength 19.77 kgf/mm . To obtain the synthesis of metal matrix composite Al-SiC more research needs to be developed further with the composition of Al- SiC is more variable again.

  DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ................................................................................. i ABSTRAK ................................................................................................. ii ABSTRACT ............................................................................................... iii DAFTAR ISI .............................................................................................. iv DAFTAR GAMBAR .................................................................................. vii DAFTAR TABEL ...................................................................................... x DAFTAR SIMBOL .................................................................................... xi

  2.1 Material Rem Kereta Api ...................................................... 5

  2.2.3 Perkembangan Pemakaian Komposit Matriks Logam Pada Rem Kereta Api ................................................... 20

  2.2.2 Komposit Matriks Logam Al-SiC ................................. 18

  2.2.1 Komposit Matriks Logam ............................................ 16

  2.2 Material Komposit ................................................................ 15

  2.1.3 Material Keramik SiC .................................................. 12

  2.1.2 Aluminium ................................................................... 7

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................ 5

  BAB I PENDAHULUAN ..................................................................... 1

  1.6 Sistematika Penulisan ........................................................... 4

  1.5 Manfaat Penelitian ................................................................ 4

  1.4 Metodologi Penulisan ........................................................... 3

  1.3 Tujuan Penelitian ................................................................... 3

  1.2 Batasan Masalah .................................................................... 3

  1.1 Latar Belakang ..................................................................... 1

  2.3 Pengecoran Logam ............................................................... 21

  2.3.1 Pembuatan Coran ......................................................... 23

  2.3.2 Cetakan Pasir ............................................................... 24

  2.3.3 Pola .............................................................................. 27

  2.4 Sifat Mekanik Material Uji ................................................... 28

  2.4.1 Konsep Dasar Pengereman ........................................... 28

  2.4.2 Kekerasan ..................................................................... 30

  2.4.2.1 Brinell (HB / BH) ............................................ 30

  2.4.2.2 Rockwell (HR / RHN) ........................................ 32

  2.4.2.3 Vickers (HV / VHN) ........................................... 34

  2.4.2.4 Micro Hardness (Knoop Hardness) ................... 36

  2.4.3 Keausan ........................................................................ 36

  2.4.3.1 Keausan Abrasif ................................................ 37

  2.4.3.2 Keausan Adhesi ................................................. 38

  2.4.3.3 Keausan Oksidasi .............................................. 38

  2.4.3.4 Keausan Erosi ................................................... 38

  2.4.3.5 Keausan Friting ................................................ 38

  2.4.4 Kuat tarik ...................................................................... 41

  2.5 Hubungan Antara Kekerasan, Kekuatan dan Keausan ............ 47

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN .............................................. 48

  3.1 Metodologi ........................................................................... 48

  3.2 Alat dan Bahan ..................................................................... 50

  3.3 Prosedur Pembuatan ............................................................. 61

  3.3.1 Pembuatan Cetakan ....................................................... 61

  3.3.1.1 Cetakan Kanvas Rem ......................................... 63

  3.3.1.2 Cetakan Sampel Uji ........................................... 63

  3.3.2 Pembuatan Kanvas Rem dan Sampel Pengujian Al-SiC .......................................................................... 64

  3.3.2.1 Kanvas Rem ...................................................... 65

  3.3.2.2 Sampel Uji ......................................................... 66

  3.3.2.3 Pekerjaan Permesinan ....................................... 67

  3.3.2.4 Perlakuan Panas ............................................... 68

  3.3.3 Pengujian Material....................................................... 71

  3.3.3.1 Pengujian Kekerasan ........................................ 71

  3.3.3.2 Pengujian Keausan ........................................... 72

  3.3.3.3 Pengujian Tarik ................................................ 74

  3.4 Waktu dan Tempat Pembuatan .............................................. 76

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................. 77

  4.1 Kekerasan (Rockwell Hardness Test) .................................... 78

  4.2 Keausan (Pin On Disk) ......................................................... 80

  4.3 Kekuatan Tarik (Tensile Test) ............................................... 82

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................. 86

  5.1 Kesimpulan .......................................................................... 86

  5.2 Saran .................................................................................... 86

  DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 87 LAMPIRAN.

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Aplikasi material gesek pada rem kereta api ............................. 6Gambar 2.2. Diagram fasa aluminium .......................................................... 9Gambar 2.3. Pengaruh suhu pada kelarutan hidrogen dalam aluminium ....... 11

  Gambar 2.4 . (a) Struktur β-SiC (b) Struktur heksagonal α-SiC ..................... 13

Gambar 2.5. Pembagian komposit berdasarkan jenis penguat ....................... 15Gambar 2.6. Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya ............................... 17Gambar 2.7. Kanvas rem kereta api berbahan besi cor ................................. 21Gambar 2.8. Diagram alir proses pengecoran ................................................ 22Gambar 2.9. Proses pembuatan cetakan ........................................................ 26Gambar 2.10 . Ilustrasi Pengereman ............................................................. 29Gambar 2.11. Pengujian brinell ................................................................... 31Gambar 2.12. Perumusan pengujian brinell ................................................... 31Gambar 2.13. Pengujian Rockwell .............................................................. 32Gambar 2.14. Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell .......... 32Gambar 2.15. Pengujian Vickers ................................................................... 35Gambar 2.16. Bentuk indentor Vickers ......................................................... 35Gambar 2.17. Bentuk indentor Knoop ........................................................... 36Gambar 2.18. Ilustrasi uji keausan metode ogoshi ......................................... 39Gambar 2.19. Skema uji keausan metode pin on disk .................................... 40Gambar 2.20. Kurva uji tarik ....................................................................... 42Gambar 2.21. Kurva tegangan-regangan ....................................................... 43

  Gambar.2.22. Dimensi spesimen uji tarik batang........................................... 44

Gambar 2.23. Dimensi spesimen uji tarik plat ............................................... 44Gambar 2.24. Profil data hasil uji tarik .......................................................... 45Gambar 2.25. Grafik hubungan kekerasan, kekuatan dan keausan ................ 47Gambar 3.1. (a) Peleburan aluminium velg mobil bekas, (b) Billet aluminium hasil coran ........................................................................... 48Gambar 3.2. Tanur krusibel .......................................................................... 50Gambar 3.3. Blower .................................................................................... 50Gambar 3.4. Stirr casting .............................................................................. 51Gambar 3.5. Ladel ....................................................................................... 51Gambar 3.6. Pola kanvas rem ....................................................................... 52Gambar 3.7. Cetakan kanvas rem ................................................................. 52Gambar 3.8. Cetakan sampel ........................................................................ 53Gambar 3.9. Tungku pemanas ...................................................................... 53Gambar 3.10. Timbangan digital ................................................................... 54Gambar 3.11. Jangka sorong ......................................................................... 54Gambar 3.12. Pengukur suhu ........................................................................ 55Gambar 3.13. Alat uji kekerasan ................................................................... 55Gambar 3.14. Alat uji keausan ...................................................................... 57Gambar 3.15. Mesin uji tarik ........................................................................ 57Gambar 3.16. Aluminium bekas ................................................................... 58Gambar 3.17. Partikel silikon karbida ........................................................... 58Gambar 3.18. Pasir silika ............................................................................. 59Gambar 3.19. Bahan bakar minyak ............................................................... 59Gambar 3.20. Cover flux 770 ....................................................................... 60Gambar 3.21. Degasser ................................................................................ 60Gambar 3.22. Water glass ............................................................................. 61Gambar 3.23. Proses pencampuran pasir dan water glass .............................. 62Gambar 3.24. Cope dan drag ........................................................................ 63Gambar 3.25. (a) Pembentukan cetakan sampel, (b) Hasil pembentukan cetakan sampel ................................................................. 64Gambar 3.26. Peleburan aluminium billet ..................................................... 64Gambar 3.27. Proses pengadukan ................................................................. 65Gambar 3.28. Proses penuangan pada cetakan kanvas rem ............................ 65Gambar 3.29. Sket kanvas rem ..................................................................... 66Gambar 3.30. Proses penuangan pada cetakan sampel uji .............................. 66Gambar 3.31. Sampel uji .............................................................................. 67Gambar 3.32. Sampel uji kekerasan .............................................................. 67Gambar 3.33. Sampel uji keausan ................................................................ 67Gambar 3.34. Sampel uji tarik ..................................................................... 68Gambar 3.35. Proses pembubutan sampel uji ................................................ 68

  Gamabr 3.36. Skema proses perlakuan panas T6 standar ............................... 69

Gambar 3.37. Diagram alir pengecoran kanvas rem al-sic dan sampel pengujian ................................................................................ 70Gambar 3.38. Pengujian kekerasan ............................................................... 72Gambar 3.39. Pengujian keausan .................................................................. 73Gambar 3.40. Pengujian tarik ........................................................................ 75Gambar 4.1. Kanvas rem kereta api berbahan Al-Sic 18% ............................ 77Gambar 4.2. Spesimen benda uji Al-Sic 18 % ............................................... 77Gambar 4.3 Grafik perbandinga Al-SiC 18% dengan besi cor terhadap nilai

  Kekerasan ................................................................................ 79

Gambar 4.4. Grafik pengaruh %SiC terhadap nilai kekerasan ...................... 79Gambar 4.5. Grafik perbandingan Al-SiC18% dengan besi cor terhadap nilai keausan ............................................................................ 82Gambar 4.6. Grafik pengaruh %SiC terhadap nilai kuat tarik ....................... 85

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat-sifat Aluminium ................................................................... 10Tabel 2.2 Sifat-sifat Keramik SiC ................................................................ 14Tabel 2.3. Hasil penelitian kekerasan KML Al-SiC ...................................... 17Tabel 2.4. Skala kekerasan rockwell ............................................................. 34Tabel 3.1. Komposisi kimia billet aluminium ................................................ 49Tabel 3.2 Spesifikasi digital rockwell hardness tester FR-3e ......................... 56Tabel 4.1. Data hasil pengujian kekerasan Al-SiC 18% dan Besi cor ............. 78Tabel 4.2. Data hasil pengujian laku keausan Al-SiC 18% ........................... 81Tabel 4.3. Data hasil pengujian laju keausan Besi cor .................................. 81Tabel 4.4. Data hasil pengujian tarik Al-SiC 18% ....................................... 84Tabel 4.5. Data hasil perbandingan uji tarik Al-SiC 18% dan Besi cor ......... 84

DAFTAR SIMBOL SIMBOL KETERANAGN SATUAN

  A Luas spesimen uji mm

  2

  b Lebar celah material yang terabrasi mm B Tebal revolving disc mm d Impression diameter mm d Diagonal mm D Diameter bola mm D

  o

  Diameter mula mm D

  p

  Diameter putus mm e Jarak antara beban mm E Jarak antara indentor mm E Modulus elastisitas kgf/mm

  2 F Load (beban) kgf

  F Total beban kgf F Beban Minor(Minor Load) kgf F

1 Beban Mayor(Major Load) kgf

  2 HR Rockwell Hardness HRB

  2 HK Hardness Knoop kgf/mm

  2

  l Jarak tempuh proses pengausan mm l Panjang indentor mm L

  o

  Panjang mula mm L

  p

  Panjang putus mm P Beban tekan saat pengausan kg P Beban ulur kgf r Jari-jari revolving disc mm Rm Kuat tarik kgf/mm

  2 S o

  Luas penampang mula mm

  2

  Fm Beban maksimum kgf HB Hardness Brinell kgf/mm

  HV Hardnes Vickers kgf/mm

SIMBOL KETERANAGN SATUAN

  S

  p

  Luas penampang putus mm

  2

  t Waktu/lama pengausan detik

  V Laju keausan mm

  3

  /m

  V Laju keausan gr/mm

  2

  .detik W Berat awal spesimen sebelum diuji gram W

1 Berat setelah dilakukan pengujian gram

  Keausan spesifik mm

  2

  W

  Regangan plastis %

  p

  ε

  ε e Regangan elastis %

  y Regangan luluh %

  ε

  ε Regangan %

  2

  σ ly Tegangan luluh bawah kgf/mm

  σ uy Tegangan luluh atas kgf/mm

  2

  2

  σp Batas proporsional kgf/mm

  2

  Batas elastic kgf/mm

  E

  s

  2

  Tegangan/Kuat ulur kgf/mm

  Kecepatan putar rpm σ

  /kg x Jarak luncur (setting pada mesin uji) m Z Susut penampang % Ѡ

  σ