Karakteristik porositas paduan perunggu timah putih.
Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November 2015 (1–7)
Karakteristik porositas paduan perunggu timah putih (80%Cu 20%Sn) dan perunggu silikon (95%Cu – 5%Si) dengan variasi
laju pendinginan pada pengecoran cetakan pasir
Made Septa Setya Wigangga, I Ketut Gede Sugita, dan I. G.N Priambadi
Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali
Abstrak
Perunggu timah putih banyak diaplikasikan dalam pembuatan alat musik gambelan, namun perunggu timah putih mudah
retak atau patah akibat adanya porositas pada proses pengecoran serta bersifat getas. Dalam upaya mengatasi hal itu
perunggu silikon direkomedasikan, dengan variasi laju pendinginan pada proses pengecoran untuk mengetahui karakteristik
porositas material perunggu timah putih dan perunggu silikon.Penelitian dilakukan dengan mengamati porositas dan
karakteristik porositas material perunggu timah dan perunggu silikon dengan menggunakan pengujian porositas, SEM
dengan variasi laju pendinginan pada setiap zone (chill zone, columnar zone dan equiaxed zone). Semakin cepat laju
pendinginan maka porositas semakin besar serta karakteristik porositas dan cacatnya semakin beragam. Ini terlihat pada
chill zone perunggu timah putih dimana laju pendinginan mencapai 4,45 oC/detik dengan besar porositas mencapai 6,27%
dan chill zone perunggu silikon dimana laju pendinginan mencapai 2,05 oC/detik dengan porositas mencapai 5,16%. Cacat
yang terjadi pada laju pendinginan yang cepat berupa porositas gas, shirinkage dan crack Sedangkan semakin lambat laju
pendinginan maka semakin kecil porositas, ini terlihat pada equiaxed zone perunggu silikon dimana laju pendinginan
1,21oC/detik dengan porositas 3,51% serta equiaxed zone perunggu timah putih dengan laju pendinginan mencapai 2,01
o
C/detik besar porositas 3,63% jenis cacat yang terjadi adalah cacat berupa porositas gas.
Kata Kunci : Perunggu timah putih, perunggu silikon , chill zone, columnar zone da equiaxed
Abstract
Tin bronze widely applied in the manufacture of the gamelan music, but white tin bronze easily cracked or broken due to
porosity in the casting process, and are brittle, in order to overcome it silicon bronze is recommended, with a variation of
the cooling rate in the casting process to determine the characteristics of porosity and the hardness of tin bronze and silicon
bronze. Research is carried out by observing the porosity, the porosity characteristics and hardness of the tin bronze and
silicon bronze using porosity testing, and SEM, with a variation of the cooling rate in each zone ( chili zone, columnar zone,
and equiaxed zone ). When the cooling rate becomes faster, porosity characteristic and the damage is increasingly diverse.
This can be seen in the chill zone on tin bronze where the cooling rate reaches 4,45oC/sec with large porosity reaching
6.27% and silicon bronze chill zone where the cooling rate reaches 2,05oC/sec with porosity reaching 5.16%. Defects that
occur in such rapid cooling rate of gas porosity, shirinkage and crack, while the slower the cooling rate, the smaller the
porosity, is seen in equiaxed zone where the cooling rate of silicon bronze 1,21oC/sec with a porosity of 3.51% and equiaxed
zone bronze tin with the cooling rate reaches 2.01°C/sec 3.63% porosity major types of defects are defects that occur in the
form of gas porosity.
Keywords:Tin bronze, silicon bronze, chill zone, columnar zone dan equiaxed zone
1. Pendahuluan
Perunggu merupakan material terbaik untuk
pembuatan alat musik seperti lonceng, bel, simbal
drum, senar gitar dan beberapa alat tiup seperti
terompet, saxophone dan clarinet. Di Bali
perunggu banyak digunakan untuk pembuatan
barang kerajinan seperti bokor, hiasan dan
perunggu menjadi material utama dalam
pembuatan instrument alat musik gamelan. Hal ini
dikarenakan perunggu timah putih memiliki sifat
tahan korosi, memiliki kekerasan material yang
bagus serta memiliki sifat akustik yang baik, yang
mampu menghasilkan bunyi yang panjang dengan
waktu bergetar yang lama. Namun gamelan yang
terbuat dari paduan perunggu timah putih ini
mudah retak ataupun patah akibat adanya porositas
pada proses pengecoran. serta diperparah oleh sifat
material yang getas dari paduan perunggu timah
E-mail: evasatya69@gmail.com
putih. Hal ini sangat berpengaruh terhadap sifat
mekanik dan akustik yang menjadi pertimbangan
penting dalam menentukan material sebagai
instrumen musik.
Perlu dipikirkan cara mangatasi retak atau
patah pada gamelan. Seperti yang diketahui
gamelan yang terbuat dari paduan perunggu timah
putih ini mudah retak atau patah, akibat dari
porositas dan sifat material yang getas sehingga
berakibat pada jeleknya kualitas suara yang.
Mangatasi hal itu dalam kajian jurnal [1]
tentang rekayasa perunggu silikon (CuSi) sebagai
pengganti
perunggu
timah
putih
untuk
mendapatkan sifat akustik dan mekanik yang lebih
baik, merekomendasikan perunggu silikon sebagai
pengganti perunggu timah putih (CuSn) untuk
bahan instrument alat musik.
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20% Sn )
[2]
Sifat akustik khususnya damping capacity
perunggu silikon relatif lebih besar sebesar 0,015%
dan kemampuan memancarkan gelombang getaran
serta sifat mekanik yang relatif sama dengan
paduan perunggu timah putih (CuSn). Proses kedua
bahan untuk pembuatan gamelan tersebut bertumpu
pada proses pengecoran. Proses pengecoran yang
tidak benar serta lama waktu laju pendinginan akan
berpengaruh pada cacat-cacat hasil pengecoran,
cacat yang sering terjadi adalah porositas yang
sangat berpengaruh pada sifat mekanik dan akustik
dari perunggu timah putih dan perunggu silikon
Penelitian ini akan dikaji lebih mendalam efek
laju pendinginan terhadap karakteristik porositas
pada paduan perunggu timah putih (CuSn) dan
paduan perunggu silikon (CuSi). Seperti yang
sudah dijelaskan porositas sangat berpengaruh
pada sifat mekanis dan akustik suara dari
instrument alat musik gamelan. Pada pengujian ini
diharapkan mendapatkan karakteristik paduan
perunggu yang memiliki porositas yang sedikit,
sifat mekanik dan akustik suara yang baik untuk
material pembuatan alat musik.
Dalam hal ini maka ada beberapa
permasalahan yang akan dikaji, yaitu:
1. Mengetahui besar dan karakteristik porositas
yang terjadi akibat variasi laju pendinginan
pada proses pengecoran menggunakan
cetakan pasir.
Beberapa batasan ditetapkan dalam penelitian
ini meliputi:
1. Pengecoran menggunakan cetakan pasir
silika.
2. Temperatur lebur 1050oC.
3. Spesimen benda uji adalah perunggu timah
putih dengan komposisi (80%Cu-20%Sn) dan
perunggu silikon (95%Cu-5%Si).
Gambar 1. Diagram Fase Perunggu Timah Putih
2.
Perunggu Silikon (Silikone Bronze)
Mengandung 4-5% Si dan akan menambah
daya tahan ( resistensi ) terhadap asam ( acid ),
memungkinkan untuk dibuat rol berbentuk
batangan panjang sampai diameter 1/4" - 2" in.
Bersifat akan menjadi keras apa bila mengalami
pengerjaan dingin (work hardenable) dan
merupakan bronze yang mempunyai tahanan tarik
dan kekerasan yang paling baik diantara bronze
yang lain. Sifat mekanisnya setara dengan baja
lunak (baja karbon rendah, mild steel) sedangkan
sifat ketahanan korosinya setara dengan logam
tembaga. Banyak dipakai untuk tanki, bejana tekan
(pressure vessel), marine construction , dan pipa
tekan hidrolik. [2]
2.2 Pengecoran Logam
Pengecoran
merupakan
suatu
proses
manufaktur untuk membuat atau menghasilakan
produk, dimana logam dicairkan dalam tungku
peleburan kemudian di tuangkan kedalam rongga
cetakan yang memiliki bentuk geometri mendekati
bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat.
Tujuan dari pengecoran adalah untuk menghasilkan
produk yang berkualitas dan ekonomis, yang bebas
cacat dan sesuai dengan kebutuhan seperti
kekuatan, keuletan, kekerasan, dan ketelitian
dimensi [3].
2.3 Pengecoran Cetakan Pasir (Sand Casting)
Pengecoran menggunakan cetakan pasir
merupakan teknik pengecoran tertua di dunia.
Teknik pengecoran cetakan pasir ini sampai
sekarang masih banyak digunakan karena biaya
produksi yang murah dan dapat memproduksi
benda cor dengan kapasitas yang banyak.
Cetakan pasir adalah cetakan yang terbuat
dari pasir yang diberi bahan pengikat. Pasir yang
paling banyak digunakan adalah pasir silika, baik
pasir silika dari alam maupun pasir silika buatan
dari kwarsit. Bahan pengikat yang paling banyak
digunakan adalah bentonit.[4].
2. Dasar teori
2.1 Paduan Perunggu
Perunggu merupakan suatu paduan dari logam
yang berbasis tembaga dengan timah sebagai aditif
utama. Beberapa paduan perunggu, memiliki
fosfor, mangan, alumunium, atau silikon sebagai
bahan paduan utama. Perunggu biasanya kuat,
tangguh, dan tahan korosi dengan konduktivitas
listrik dan termal yang tinggi. Perunggu yang
paling umum digunakan dalam aplikasi bushing
dan bantalan.
1. Perunggu timah putih (Tin Bronze)
Perunggu timah (Sn), yaitu perunggu tuang
dari Cu ditambah 10%, 14%, atau 20% Sn tanpa
campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan
untuk patung, senjata canon, dan alat-alat music
seperti (lonceng, gamelan, sibal drum dll) yang
harus mempunyai syarat tinggi terhadap korosi dan
ketangguhan (10%Sn). Selain itu pada bantalan
harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat
luncur (14%Sn) dan untuk bantalan-bantalan tekan
2
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
a. Kelebihan cetakan pasir
Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang
tinggi, seperti baja, nikel dan titanium
Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil
sampai dengan ukuran besar
Jumlah produk yang dihasilkan dari satu sampai
jutaan
b. Kelemahan cetakan pasir
Permukaan benda cor kurang halus
Mudah terjadi cacat pada hasil pengecoran
seperti porositas.
2.4 Cacat-Cacat Pengecoran (Porositas).
Porositas dapat terjadi karena terjebaknya
gelembung-gelembung gas pada logam cair ketika
dituangkan ke dalam cetakan . Porositas pada
produk cor dapat menurunkan kualitas benda tuang.
Salah satu penyebab terjadinya porositas pada
penuangan logam adalah gas hidrogen [5].
1. Porositas Gas
Cacat porositas gas disebabkan karena adanya
pembentukan gas ketika logam cair dituangkan.
Cacat porositas gas berbentuk bulat akibat tekanan
gas ini pada proses pembekuan. Ukuran cacat
porositas gas sebesar ± 2 mm sampai 3 mm, lebih
kecil bila dibandingkan dengan cacat porositas
shrinkage. [6].
2. Porositas Shrinkage
Penyebab adanya cacat porositas shrinkage
adalah adanya gas hidrogen yang terserap dalam
logam cair selama proses penuangan, gas yang
terbawa dalam logam cair selama proses peleburan,
dan pencairan yang terlalu lama
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
m = Densitas sample (Gram/cm3)
ms = Massa sample kering (Gram)
mg= Massa sample basah (Gram)
ρH2O = Massa jenis air (1 Gram/cm3)
Densitas teoritis
th Cu VCu Sn VSn
th Cu VCu Si VSi
th = Densitas teoritis (gr/cm3)
cu = Densitas tembaga (gr/cm3)
Sn = Densitas timah putih (gr/cm3)
Si = Densitas silikon (gr/cm3)
(2)
(3)
Vcu = Fraksi volume tembaga (%)
VSn = Fraksi volume timah putih (%)
VSi = Fraksi volume silikon (%)
Perhitungan porositas
porositas 1
m
th
(4)
2.6 Pembekuan Logam
1. Chill Zone (daerah pembekuan cepat)
Chill zone adalah Daerah ini berada paling
luar yang mana lebih dipengaruhi oleh heat
removal (kehilangan panas). Struktur ini terbentuk
pada kontak pertama antara dinding cetakan
dengan logam cair pada saat dituang ke dalam
cetakan.
2. Columnar Zone
Columnar zone merupakan struktur yang
tumbuh setelah gradien suhu pada dinding cetakan
turun dan kristal pada chill zone tumbuh
memanjang , kristal-kristal tersebut tumbuh
memanjang berlawanan dengan arah perpindahan
panas.
3. Equiaxed Zone
Equiaxed Zone Struktur ini terdiri dari butiran
yang bersumbu sama yang arah acak. Asal dari
butiran ini adalah mencairnya kembali lengan
dendrit. Bila suhu di sekitar masih tinggi, setelah
cabang dendrit tersebut terlepas dari induknya dan
tumbuh menjadi dendrit yang baru.[8]
Gambar 2. Porositas
2.5 Pengujian Porositas
Menurut [7] porositas yang terbentuk dapat
diketahui dengan melakukan pengukuran densitas
dengan menggunakan metode Piknometri dan
perhitungan presentase porositas yang terjadi dapat
diketahui dengan membandingkan densitas sempel
material dengan densitas berdasarkan teori.
Densitas adalah besaran fisis yaitu perbandingan
massa (m) dengan volume benda (V).
Densitas Sampel
m
ms
(ms mg )
H 2 O
(1)
Gambar 3. Chill zone, columunar zone dan equiaxed zone
3
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
2. Alat Pengecoran
a. Tungku Peleburan
b. Blower
c. Kowi
d. Timbangan
e. Cetakan pasir
f. Pola cetakan
3. Alat Pengujian
a. Timbangan digital
b. Alat SEM(Scanning Electron Microscopy)
c. Thermokopel type K
d. Varnier Caliper
e. Gregaji Mesin dan Gregaji Tangan
f. Amplas
g. Aoutosol
h. Kain Beludru
3.2 Proses Pembuatan Spesime Uji.
a. Pemotongan spesimen
b. Pengukuran spesimen
c. Penimbangan berat spesimen
d. Pengamplasan
e. Pemolesan
3. Metode Penelitiane
3.1 Alur Penelitian
Mulai
Persiapan alat dan bahan
Alat untuk pengecoran
Alat pengerjaan specimen
untuk pengujian
Pembuatan Cetakan
Pemasangan termokopel
Pada cetakan
Peleburan logam
Perunggu Timah Putih
Perunggu Silikon
Pengecoran 1.2.3
Pengecoran 1.2.3
Penuangan kecetakan
4. Hasil Penelitian
1.1 Data Penurunan Temperatur
Pendinginan
Pembongkaran Cetakan
Pemerikasaan
hasil pengecoran
Pengecoran Perunggu
Timah Putih
Pengecoran
Perunggu Silikon
Pemotongan spesimen
Chill
Zone
Columnar
Zone
Equiaxed
Zone
Gambar 4. Grafik penurunan suhu perunggu
timah putih
Uji Porositas
Uji
Densitas
Uji
SEM
Analisa data
Kesimpulan
Selesain
3.2 Bahan dan Alat Penelitian
1. Bahan
a. Tembaga
b. Timah putih
c. Silikon
d. Pasir Cetak
Gambar 5. Grafik penurunan suhu perunggu
silikon
4
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
4.4 Data Pengujian SEM
Tabel 1. hasil laju pendinginan
c
det ik
Laju Pendinginan
No
1
2
3
1
2
3
Zone
(
Perunggu Timah
Putih
Chill Zone
Columnar Zone
Equiaxed Zone
Perunggu Silikon
Chill Zone
Columnar Zone
Equiaxed Zone
)
Porositas gas
4,45
3,26
2,01
2.03
1,67
1.21
Crack
Gambar 7. Chill zone Perunggu timah
putih
Pada tabel 4.1 dapat dilihat laju pendinginan
tercepat terjadi di chill zone paduan perunggu
timah putih dengan laju pendinginan mencapai
4,45oC/detik . laju pendinginan terlamabat terjadi
pada equiaxed zone perunggu silikon dengan
kecepatan 1.21 oc/detik.
4.2 Data Pengujian Porositas
Tabel 2. hasil pengujian porositas
Paduan
Perunggu
Timah putih
Perunggu
Silikon
Chill Zone
Columnar
Zone
Equiaxed
Zone
6,27%
4,04%
3,63%
5,16%
3,86%
3,51%
Gambar 8. Columnar zone perunggu timah
putih
Gambar 9. Equiaxed zone perunggu timah
putih
Gambar 6. Grafik hasil pengujian porositas
Dari tabel 2 dan gambar grafik 6 menunjukan
prositas terbesar terjadi pada chill zone perunggu
timah putih dengan presentase 6,27% dan chill
zone perunggu silikon dengan 5,16%, dan untuk
porositas terkecil terjadi pada equaxed zone pada
perunggu silikon dengan 3,51% dan perunggu
timah putih dengan 3,63%.
Porositas gas
Crack
Gambar 10. Chill zone perunggu silikon
5
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
pendinginan mencapai 1,21oC/detik dengan
presentase porositas mencapai 3,51%, porositas
yang terjadi berupa crack. Equaxed zone perunggu
timah putih dengan laju pendinginan mencapai
2,01oC/detik dengan presentase porositas mencapai
3,63% dan karakteristik porositas yang terjadi
berupa porositas ga.
Daftar pustaka
[1] Sugita, I.K.G., 2012. Rekayasa Perunggu
Silikon Sebagai Pengganti Perunggu Timah
Putih dengan Variasi Komposisi, Laju
Pembekuan dan Proses Anil untuk
Mendapatkan Sifat Akuistik dan Mekanik
yang Lebih Baik. Jurnal Penelitian.
Universitas Gadjah Mada .Yogyakarta.
[2] Surdia, T & Chijiiwa, K. 1982. Teknik
Pengecoran Logam. Jakarta: P.T Pradnya
Paramita.
[3] Hermawan. 2003. Analisa Pengaruh Variasi
Temperatur Tuang pada Pengecoran
Squeeze Terhadap Struktur Mikro dan
Kekerasan Produk Sepatu Kampas Rem
dengan Bahan Aluminium (Al) Silikon (Si)
Daur Ulang. Jurnal Ilmiah . Universitas
Wahid Hasyim. Semarang.
[4] Astika, I.M., Negara, D.N.K.P, dan Susantika,
M.A. 2010. Pengaruh Jenis Pasir Cetakan
dengan Zat Pengikat Bentonit terhadap
Sifat Permeabilitas dan Kekuatan Tekan
Basah Cetakan (Sand Casting). Jurnal
Ilmiah. Teknik Mesin Universitas Udayana.
Page.133. Vol.4 No.2.
[5] Budinski, G.K., 1996. Engineering Material
Properties and Selection . New Jersey:
Prentice Hall, Inc,Englewood Cliffs.
[6]
Wibowo, Agung Dwi. 2013. Pengaruh
Variasi Jenis Cetakan dan Penambahan
Serbuk Dry Cell Bekas Terhadap Porositas
Hasil Remelting Al-9%Si Berbasis Piston
Bekas . Universitas Sebelas Maret. Surakarta.
[7] Taylor, R. P., McClain, S. T. & Berry, J.T.
(1999). Uncertainty Analysis of Metal
Casting Porosity Measurement Using
Archimedes Principle. International Journal
of Cast MetalsResearch, ,
[8] Prasetya, C., Irawan. Y.S dan Oerbandono
Tjuk. 2003. Pengaruh Jumlah Saluran
Masuk pada Pengecoran Impeller Turbin
Crossflow Terhadap Cacat Permukaan dan
Porositas. Jurnal Ilmiah . Universitas
Brawijaya , Malang
Gambar 11. Columnar zone perunggu
Gambar 12. Equiaxed zone perunggu silikon
Dari pengujian SEM dapat dilihat
karakteristik dari porositas disetiap zone seperti di
gambar 7 merupakan crack dan porositas gas, di
gambar 8 merupakan porositas shrinkage, gambar
9 merupakan porositas gas. Gambar 10 merupakan
crack dan porositas gas, gambar 11 merupakan
gambar porositas gas dan gambar 12 merupakan
crack.
5. Kesimpulan
Variasi laju pendinginan yang berbeda pada
setiap zone mempengaruhi besar presentase
porositas dan karakteristik porositas dari paduan
perunggu timah putih dan perunggu silikon,
Semakin cepat laju pendinginan maka nilai
presentase porositas semakin besar serta semakin
beragamnya karakteristik porositas dan cacat yang
terjadi. Hal ini terlihat dari data chill zone
perunggu timah putih dan silikon, dimana pada
chill zone perunggu timah putih laju pendinginan
mencapai 4.45oC/detik dengan porositas mencapai
6,27%, porositas yang terjadi berupa porositas gas
dan crack. Chill zone perunggu silikon dengan laju
pendinginan
mencapai
2,05oC/detik,
besar
presentase porositas 5,16% dengan porositas yang
terjadi berupa porositas gas dan crack.
Berbanding terbalik dengan diatas semakin
lambat laju pendinginan maka semakin kecil
presentase dari porositas dan semakin sedikit
karakteristik porositas yang terjadi, ini terlihat pada
equaxed zone perunggu silikon dimana laju
6
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
Made
Septa
Setya
Wigangga
menyelesaikan studi program sarjana di
Jurusan Teknik Mesin Universitas
Udayana dari tahun 2011 sampai 2015.
menyelesaikan studi program sarjana
dengan topik penelitian KARAKTERISTIK
POROSITAS PADUAN PERUNGGU TIMAH
PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN
PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si)
DENGAN VARIASI LAJU PENDINGINAN
PADA PENGECORAN CETAKAN PASIR.
Area penelitian yang diminati adalah
teknik cetakan dan pengecoran logam,
dst.
7
Karakteristik porositas paduan perunggu timah putih (80%Cu 20%Sn) dan perunggu silikon (95%Cu – 5%Si) dengan variasi
laju pendinginan pada pengecoran cetakan pasir
Made Septa Setya Wigangga, I Ketut Gede Sugita, dan I. G.N Priambadi
Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali
Abstrak
Perunggu timah putih banyak diaplikasikan dalam pembuatan alat musik gambelan, namun perunggu timah putih mudah
retak atau patah akibat adanya porositas pada proses pengecoran serta bersifat getas. Dalam upaya mengatasi hal itu
perunggu silikon direkomedasikan, dengan variasi laju pendinginan pada proses pengecoran untuk mengetahui karakteristik
porositas material perunggu timah putih dan perunggu silikon.Penelitian dilakukan dengan mengamati porositas dan
karakteristik porositas material perunggu timah dan perunggu silikon dengan menggunakan pengujian porositas, SEM
dengan variasi laju pendinginan pada setiap zone (chill zone, columnar zone dan equiaxed zone). Semakin cepat laju
pendinginan maka porositas semakin besar serta karakteristik porositas dan cacatnya semakin beragam. Ini terlihat pada
chill zone perunggu timah putih dimana laju pendinginan mencapai 4,45 oC/detik dengan besar porositas mencapai 6,27%
dan chill zone perunggu silikon dimana laju pendinginan mencapai 2,05 oC/detik dengan porositas mencapai 5,16%. Cacat
yang terjadi pada laju pendinginan yang cepat berupa porositas gas, shirinkage dan crack Sedangkan semakin lambat laju
pendinginan maka semakin kecil porositas, ini terlihat pada equiaxed zone perunggu silikon dimana laju pendinginan
1,21oC/detik dengan porositas 3,51% serta equiaxed zone perunggu timah putih dengan laju pendinginan mencapai 2,01
o
C/detik besar porositas 3,63% jenis cacat yang terjadi adalah cacat berupa porositas gas.
Kata Kunci : Perunggu timah putih, perunggu silikon , chill zone, columnar zone da equiaxed
Abstract
Tin bronze widely applied in the manufacture of the gamelan music, but white tin bronze easily cracked or broken due to
porosity in the casting process, and are brittle, in order to overcome it silicon bronze is recommended, with a variation of
the cooling rate in the casting process to determine the characteristics of porosity and the hardness of tin bronze and silicon
bronze. Research is carried out by observing the porosity, the porosity characteristics and hardness of the tin bronze and
silicon bronze using porosity testing, and SEM, with a variation of the cooling rate in each zone ( chili zone, columnar zone,
and equiaxed zone ). When the cooling rate becomes faster, porosity characteristic and the damage is increasingly diverse.
This can be seen in the chill zone on tin bronze where the cooling rate reaches 4,45oC/sec with large porosity reaching
6.27% and silicon bronze chill zone where the cooling rate reaches 2,05oC/sec with porosity reaching 5.16%. Defects that
occur in such rapid cooling rate of gas porosity, shirinkage and crack, while the slower the cooling rate, the smaller the
porosity, is seen in equiaxed zone where the cooling rate of silicon bronze 1,21oC/sec with a porosity of 3.51% and equiaxed
zone bronze tin with the cooling rate reaches 2.01°C/sec 3.63% porosity major types of defects are defects that occur in the
form of gas porosity.
Keywords:Tin bronze, silicon bronze, chill zone, columnar zone dan equiaxed zone
1. Pendahuluan
Perunggu merupakan material terbaik untuk
pembuatan alat musik seperti lonceng, bel, simbal
drum, senar gitar dan beberapa alat tiup seperti
terompet, saxophone dan clarinet. Di Bali
perunggu banyak digunakan untuk pembuatan
barang kerajinan seperti bokor, hiasan dan
perunggu menjadi material utama dalam
pembuatan instrument alat musik gamelan. Hal ini
dikarenakan perunggu timah putih memiliki sifat
tahan korosi, memiliki kekerasan material yang
bagus serta memiliki sifat akustik yang baik, yang
mampu menghasilkan bunyi yang panjang dengan
waktu bergetar yang lama. Namun gamelan yang
terbuat dari paduan perunggu timah putih ini
mudah retak ataupun patah akibat adanya porositas
pada proses pengecoran. serta diperparah oleh sifat
material yang getas dari paduan perunggu timah
E-mail: evasatya69@gmail.com
putih. Hal ini sangat berpengaruh terhadap sifat
mekanik dan akustik yang menjadi pertimbangan
penting dalam menentukan material sebagai
instrumen musik.
Perlu dipikirkan cara mangatasi retak atau
patah pada gamelan. Seperti yang diketahui
gamelan yang terbuat dari paduan perunggu timah
putih ini mudah retak atau patah, akibat dari
porositas dan sifat material yang getas sehingga
berakibat pada jeleknya kualitas suara yang.
Mangatasi hal itu dalam kajian jurnal [1]
tentang rekayasa perunggu silikon (CuSi) sebagai
pengganti
perunggu
timah
putih
untuk
mendapatkan sifat akustik dan mekanik yang lebih
baik, merekomendasikan perunggu silikon sebagai
pengganti perunggu timah putih (CuSn) untuk
bahan instrument alat musik.
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20% Sn )
[2]
Sifat akustik khususnya damping capacity
perunggu silikon relatif lebih besar sebesar 0,015%
dan kemampuan memancarkan gelombang getaran
serta sifat mekanik yang relatif sama dengan
paduan perunggu timah putih (CuSn). Proses kedua
bahan untuk pembuatan gamelan tersebut bertumpu
pada proses pengecoran. Proses pengecoran yang
tidak benar serta lama waktu laju pendinginan akan
berpengaruh pada cacat-cacat hasil pengecoran,
cacat yang sering terjadi adalah porositas yang
sangat berpengaruh pada sifat mekanik dan akustik
dari perunggu timah putih dan perunggu silikon
Penelitian ini akan dikaji lebih mendalam efek
laju pendinginan terhadap karakteristik porositas
pada paduan perunggu timah putih (CuSn) dan
paduan perunggu silikon (CuSi). Seperti yang
sudah dijelaskan porositas sangat berpengaruh
pada sifat mekanis dan akustik suara dari
instrument alat musik gamelan. Pada pengujian ini
diharapkan mendapatkan karakteristik paduan
perunggu yang memiliki porositas yang sedikit,
sifat mekanik dan akustik suara yang baik untuk
material pembuatan alat musik.
Dalam hal ini maka ada beberapa
permasalahan yang akan dikaji, yaitu:
1. Mengetahui besar dan karakteristik porositas
yang terjadi akibat variasi laju pendinginan
pada proses pengecoran menggunakan
cetakan pasir.
Beberapa batasan ditetapkan dalam penelitian
ini meliputi:
1. Pengecoran menggunakan cetakan pasir
silika.
2. Temperatur lebur 1050oC.
3. Spesimen benda uji adalah perunggu timah
putih dengan komposisi (80%Cu-20%Sn) dan
perunggu silikon (95%Cu-5%Si).
Gambar 1. Diagram Fase Perunggu Timah Putih
2.
Perunggu Silikon (Silikone Bronze)
Mengandung 4-5% Si dan akan menambah
daya tahan ( resistensi ) terhadap asam ( acid ),
memungkinkan untuk dibuat rol berbentuk
batangan panjang sampai diameter 1/4" - 2" in.
Bersifat akan menjadi keras apa bila mengalami
pengerjaan dingin (work hardenable) dan
merupakan bronze yang mempunyai tahanan tarik
dan kekerasan yang paling baik diantara bronze
yang lain. Sifat mekanisnya setara dengan baja
lunak (baja karbon rendah, mild steel) sedangkan
sifat ketahanan korosinya setara dengan logam
tembaga. Banyak dipakai untuk tanki, bejana tekan
(pressure vessel), marine construction , dan pipa
tekan hidrolik. [2]
2.2 Pengecoran Logam
Pengecoran
merupakan
suatu
proses
manufaktur untuk membuat atau menghasilakan
produk, dimana logam dicairkan dalam tungku
peleburan kemudian di tuangkan kedalam rongga
cetakan yang memiliki bentuk geometri mendekati
bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat.
Tujuan dari pengecoran adalah untuk menghasilkan
produk yang berkualitas dan ekonomis, yang bebas
cacat dan sesuai dengan kebutuhan seperti
kekuatan, keuletan, kekerasan, dan ketelitian
dimensi [3].
2.3 Pengecoran Cetakan Pasir (Sand Casting)
Pengecoran menggunakan cetakan pasir
merupakan teknik pengecoran tertua di dunia.
Teknik pengecoran cetakan pasir ini sampai
sekarang masih banyak digunakan karena biaya
produksi yang murah dan dapat memproduksi
benda cor dengan kapasitas yang banyak.
Cetakan pasir adalah cetakan yang terbuat
dari pasir yang diberi bahan pengikat. Pasir yang
paling banyak digunakan adalah pasir silika, baik
pasir silika dari alam maupun pasir silika buatan
dari kwarsit. Bahan pengikat yang paling banyak
digunakan adalah bentonit.[4].
2. Dasar teori
2.1 Paduan Perunggu
Perunggu merupakan suatu paduan dari logam
yang berbasis tembaga dengan timah sebagai aditif
utama. Beberapa paduan perunggu, memiliki
fosfor, mangan, alumunium, atau silikon sebagai
bahan paduan utama. Perunggu biasanya kuat,
tangguh, dan tahan korosi dengan konduktivitas
listrik dan termal yang tinggi. Perunggu yang
paling umum digunakan dalam aplikasi bushing
dan bantalan.
1. Perunggu timah putih (Tin Bronze)
Perunggu timah (Sn), yaitu perunggu tuang
dari Cu ditambah 10%, 14%, atau 20% Sn tanpa
campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan
untuk patung, senjata canon, dan alat-alat music
seperti (lonceng, gamelan, sibal drum dll) yang
harus mempunyai syarat tinggi terhadap korosi dan
ketangguhan (10%Sn). Selain itu pada bantalan
harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat
luncur (14%Sn) dan untuk bantalan-bantalan tekan
2
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
a. Kelebihan cetakan pasir
Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang
tinggi, seperti baja, nikel dan titanium
Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil
sampai dengan ukuran besar
Jumlah produk yang dihasilkan dari satu sampai
jutaan
b. Kelemahan cetakan pasir
Permukaan benda cor kurang halus
Mudah terjadi cacat pada hasil pengecoran
seperti porositas.
2.4 Cacat-Cacat Pengecoran (Porositas).
Porositas dapat terjadi karena terjebaknya
gelembung-gelembung gas pada logam cair ketika
dituangkan ke dalam cetakan . Porositas pada
produk cor dapat menurunkan kualitas benda tuang.
Salah satu penyebab terjadinya porositas pada
penuangan logam adalah gas hidrogen [5].
1. Porositas Gas
Cacat porositas gas disebabkan karena adanya
pembentukan gas ketika logam cair dituangkan.
Cacat porositas gas berbentuk bulat akibat tekanan
gas ini pada proses pembekuan. Ukuran cacat
porositas gas sebesar ± 2 mm sampai 3 mm, lebih
kecil bila dibandingkan dengan cacat porositas
shrinkage. [6].
2. Porositas Shrinkage
Penyebab adanya cacat porositas shrinkage
adalah adanya gas hidrogen yang terserap dalam
logam cair selama proses penuangan, gas yang
terbawa dalam logam cair selama proses peleburan,
dan pencairan yang terlalu lama
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
m = Densitas sample (Gram/cm3)
ms = Massa sample kering (Gram)
mg= Massa sample basah (Gram)
ρH2O = Massa jenis air (1 Gram/cm3)
Densitas teoritis
th Cu VCu Sn VSn
th Cu VCu Si VSi
th = Densitas teoritis (gr/cm3)
cu = Densitas tembaga (gr/cm3)
Sn = Densitas timah putih (gr/cm3)
Si = Densitas silikon (gr/cm3)
(2)
(3)
Vcu = Fraksi volume tembaga (%)
VSn = Fraksi volume timah putih (%)
VSi = Fraksi volume silikon (%)
Perhitungan porositas
porositas 1
m
th
(4)
2.6 Pembekuan Logam
1. Chill Zone (daerah pembekuan cepat)
Chill zone adalah Daerah ini berada paling
luar yang mana lebih dipengaruhi oleh heat
removal (kehilangan panas). Struktur ini terbentuk
pada kontak pertama antara dinding cetakan
dengan logam cair pada saat dituang ke dalam
cetakan.
2. Columnar Zone
Columnar zone merupakan struktur yang
tumbuh setelah gradien suhu pada dinding cetakan
turun dan kristal pada chill zone tumbuh
memanjang , kristal-kristal tersebut tumbuh
memanjang berlawanan dengan arah perpindahan
panas.
3. Equiaxed Zone
Equiaxed Zone Struktur ini terdiri dari butiran
yang bersumbu sama yang arah acak. Asal dari
butiran ini adalah mencairnya kembali lengan
dendrit. Bila suhu di sekitar masih tinggi, setelah
cabang dendrit tersebut terlepas dari induknya dan
tumbuh menjadi dendrit yang baru.[8]
Gambar 2. Porositas
2.5 Pengujian Porositas
Menurut [7] porositas yang terbentuk dapat
diketahui dengan melakukan pengukuran densitas
dengan menggunakan metode Piknometri dan
perhitungan presentase porositas yang terjadi dapat
diketahui dengan membandingkan densitas sempel
material dengan densitas berdasarkan teori.
Densitas adalah besaran fisis yaitu perbandingan
massa (m) dengan volume benda (V).
Densitas Sampel
m
ms
(ms mg )
H 2 O
(1)
Gambar 3. Chill zone, columunar zone dan equiaxed zone
3
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
2. Alat Pengecoran
a. Tungku Peleburan
b. Blower
c. Kowi
d. Timbangan
e. Cetakan pasir
f. Pola cetakan
3. Alat Pengujian
a. Timbangan digital
b. Alat SEM(Scanning Electron Microscopy)
c. Thermokopel type K
d. Varnier Caliper
e. Gregaji Mesin dan Gregaji Tangan
f. Amplas
g. Aoutosol
h. Kain Beludru
3.2 Proses Pembuatan Spesime Uji.
a. Pemotongan spesimen
b. Pengukuran spesimen
c. Penimbangan berat spesimen
d. Pengamplasan
e. Pemolesan
3. Metode Penelitiane
3.1 Alur Penelitian
Mulai
Persiapan alat dan bahan
Alat untuk pengecoran
Alat pengerjaan specimen
untuk pengujian
Pembuatan Cetakan
Pemasangan termokopel
Pada cetakan
Peleburan logam
Perunggu Timah Putih
Perunggu Silikon
Pengecoran 1.2.3
Pengecoran 1.2.3
Penuangan kecetakan
4. Hasil Penelitian
1.1 Data Penurunan Temperatur
Pendinginan
Pembongkaran Cetakan
Pemerikasaan
hasil pengecoran
Pengecoran Perunggu
Timah Putih
Pengecoran
Perunggu Silikon
Pemotongan spesimen
Chill
Zone
Columnar
Zone
Equiaxed
Zone
Gambar 4. Grafik penurunan suhu perunggu
timah putih
Uji Porositas
Uji
Densitas
Uji
SEM
Analisa data
Kesimpulan
Selesain
3.2 Bahan dan Alat Penelitian
1. Bahan
a. Tembaga
b. Timah putih
c. Silikon
d. Pasir Cetak
Gambar 5. Grafik penurunan suhu perunggu
silikon
4
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
4.4 Data Pengujian SEM
Tabel 1. hasil laju pendinginan
c
det ik
Laju Pendinginan
No
1
2
3
1
2
3
Zone
(
Perunggu Timah
Putih
Chill Zone
Columnar Zone
Equiaxed Zone
Perunggu Silikon
Chill Zone
Columnar Zone
Equiaxed Zone
)
Porositas gas
4,45
3,26
2,01
2.03
1,67
1.21
Crack
Gambar 7. Chill zone Perunggu timah
putih
Pada tabel 4.1 dapat dilihat laju pendinginan
tercepat terjadi di chill zone paduan perunggu
timah putih dengan laju pendinginan mencapai
4,45oC/detik . laju pendinginan terlamabat terjadi
pada equiaxed zone perunggu silikon dengan
kecepatan 1.21 oc/detik.
4.2 Data Pengujian Porositas
Tabel 2. hasil pengujian porositas
Paduan
Perunggu
Timah putih
Perunggu
Silikon
Chill Zone
Columnar
Zone
Equiaxed
Zone
6,27%
4,04%
3,63%
5,16%
3,86%
3,51%
Gambar 8. Columnar zone perunggu timah
putih
Gambar 9. Equiaxed zone perunggu timah
putih
Gambar 6. Grafik hasil pengujian porositas
Dari tabel 2 dan gambar grafik 6 menunjukan
prositas terbesar terjadi pada chill zone perunggu
timah putih dengan presentase 6,27% dan chill
zone perunggu silikon dengan 5,16%, dan untuk
porositas terkecil terjadi pada equaxed zone pada
perunggu silikon dengan 3,51% dan perunggu
timah putih dengan 3,63%.
Porositas gas
Crack
Gambar 10. Chill zone perunggu silikon
5
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
pendinginan mencapai 1,21oC/detik dengan
presentase porositas mencapai 3,51%, porositas
yang terjadi berupa crack. Equaxed zone perunggu
timah putih dengan laju pendinginan mencapai
2,01oC/detik dengan presentase porositas mencapai
3,63% dan karakteristik porositas yang terjadi
berupa porositas ga.
Daftar pustaka
[1] Sugita, I.K.G., 2012. Rekayasa Perunggu
Silikon Sebagai Pengganti Perunggu Timah
Putih dengan Variasi Komposisi, Laju
Pembekuan dan Proses Anil untuk
Mendapatkan Sifat Akuistik dan Mekanik
yang Lebih Baik. Jurnal Penelitian.
Universitas Gadjah Mada .Yogyakarta.
[2] Surdia, T & Chijiiwa, K. 1982. Teknik
Pengecoran Logam. Jakarta: P.T Pradnya
Paramita.
[3] Hermawan. 2003. Analisa Pengaruh Variasi
Temperatur Tuang pada Pengecoran
Squeeze Terhadap Struktur Mikro dan
Kekerasan Produk Sepatu Kampas Rem
dengan Bahan Aluminium (Al) Silikon (Si)
Daur Ulang. Jurnal Ilmiah . Universitas
Wahid Hasyim. Semarang.
[4] Astika, I.M., Negara, D.N.K.P, dan Susantika,
M.A. 2010. Pengaruh Jenis Pasir Cetakan
dengan Zat Pengikat Bentonit terhadap
Sifat Permeabilitas dan Kekuatan Tekan
Basah Cetakan (Sand Casting). Jurnal
Ilmiah. Teknik Mesin Universitas Udayana.
Page.133. Vol.4 No.2.
[5] Budinski, G.K., 1996. Engineering Material
Properties and Selection . New Jersey:
Prentice Hall, Inc,Englewood Cliffs.
[6]
Wibowo, Agung Dwi. 2013. Pengaruh
Variasi Jenis Cetakan dan Penambahan
Serbuk Dry Cell Bekas Terhadap Porositas
Hasil Remelting Al-9%Si Berbasis Piston
Bekas . Universitas Sebelas Maret. Surakarta.
[7] Taylor, R. P., McClain, S. T. & Berry, J.T.
(1999). Uncertainty Analysis of Metal
Casting Porosity Measurement Using
Archimedes Principle. International Journal
of Cast MetalsResearch, ,
[8] Prasetya, C., Irawan. Y.S dan Oerbandono
Tjuk. 2003. Pengaruh Jumlah Saluran
Masuk pada Pengecoran Impeller Turbin
Crossflow Terhadap Cacat Permukaan dan
Porositas. Jurnal Ilmiah . Universitas
Brawijaya , Malang
Gambar 11. Columnar zone perunggu
Gambar 12. Equiaxed zone perunggu silikon
Dari pengujian SEM dapat dilihat
karakteristik dari porositas disetiap zone seperti di
gambar 7 merupakan crack dan porositas gas, di
gambar 8 merupakan porositas shrinkage, gambar
9 merupakan porositas gas. Gambar 10 merupakan
crack dan porositas gas, gambar 11 merupakan
gambar porositas gas dan gambar 12 merupakan
crack.
5. Kesimpulan
Variasi laju pendinginan yang berbeda pada
setiap zone mempengaruhi besar presentase
porositas dan karakteristik porositas dari paduan
perunggu timah putih dan perunggu silikon,
Semakin cepat laju pendinginan maka nilai
presentase porositas semakin besar serta semakin
beragamnya karakteristik porositas dan cacat yang
terjadi. Hal ini terlihat dari data chill zone
perunggu timah putih dan silikon, dimana pada
chill zone perunggu timah putih laju pendinginan
mencapai 4.45oC/detik dengan porositas mencapai
6,27%, porositas yang terjadi berupa porositas gas
dan crack. Chill zone perunggu silikon dengan laju
pendinginan
mencapai
2,05oC/detik,
besar
presentase porositas 5,16% dengan porositas yang
terjadi berupa porositas gas dan crack.
Berbanding terbalik dengan diatas semakin
lambat laju pendinginan maka semakin kecil
presentase dari porositas dan semakin sedikit
karakteristik porositas yang terjadi, ini terlihat pada
equaxed zone perunggu silikon dimana laju
6
Made Septa Setya w, I.K Gede Sugita dan I.G.N Priambadi/ Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , November
2015 (1–7)
Made
Septa
Setya
Wigangga
menyelesaikan studi program sarjana di
Jurusan Teknik Mesin Universitas
Udayana dari tahun 2011 sampai 2015.
menyelesaikan studi program sarjana
dengan topik penelitian KARAKTERISTIK
POROSITAS PADUAN PERUNGGU TIMAH
PUTIH (80%Cu - 20%Sn) DAN
PERUNGGU SILIKON (95%Cu – 5%Si)
DENGAN VARIASI LAJU PENDINGINAN
PADA PENGECORAN CETAKAN PASIR.
Area penelitian yang diminati adalah
teknik cetakan dan pengecoran logam,
dst.
7