bab ii ekstrusi
DESCRIPTION
ekstrusi aluminiumTRANSCRIPT
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Alumunium
Aluminium, elemen logam kedua paling banyak di bumi, menjadi pesaing
ekonomi dalam rekayasa aplikasi baru-baru ini pada akhir abad ke-19. Mengacu
kepada tiga konsep perkembangan industri yang penting, pertama menuntut
karakteristik material yang konsisten dengan kualitas yang unik dari aluminium dan
paduannya, sangat menguntungkan pertumbuhan dalam produksi dan penggunaan
logam baru.
Aluminium merupakan konduktor listrik yang baik, ringan dan kuat. Merupakan
konduktor yang baik. Dapat dilakukan proses manufaktur menjadi lembaran, batang
logam, dan juga diekstrusi dengan bermacam-macam penampang serta aluminium
memiliki ketahan terhadap korosi.
Penggunaan aluminium dalam sejarah, ketika pengurangan elektrolitik alumina
(Al2O3) dilarutkan dalam cairan kriolit, dan secara independen dikembangkan oleh
Charles Hall di Ohio dan Paul Heroult di Perancis pada tahun 1886,menghasilkan
kendaraan pertama pembakaran internal mesin yang bertenaga muncul, dan
aluminium akan berperan sebagai bahan pembentuk otomotif untuk meningkatkan
nilai rekayasa. Selain Charles Hall dan Paul Herouit, Wright bersaudara melahirkan
sebuah industri yang sama sekali baru yang tumbuh dalam perkembangan dengan
aluminium seperti pengembangan industri komponen struktural yang handal, kuat,
dan tahan fraktur untuk airframes, mesin, dan akhirnya, untuk badan rudal, sel
bahan bakar, dan komponen satelit [17].
2.1.1 Sifat Aluminium
Di antara karakteristik yang paling mencolok dari aluminium adalah
fleksibilitas. Sifat mekanik yang dapat dikembangkan dari aluminium murni
menjadi material paduan yang sangat kompleks.
Sifat aluminium yang memebuat material ini dan paduannya mempunyai
nilai ekonomis dan sangat menarik adalah ringan, mudah pembuatannya, sifat
5
fisik dan sifat mekanik yang baik serta tahan terhadap korosi. Aluminium
memiliki berat jenis (ρ) hanya 2,7 g/cm3 sepertiga dari berat jenis baja yaitu 7,83
g/cm3, tembaga 8,93 g/cm3, atau kuningan 8,53 g/cm3. Hal ini dapat menunjukan
bahwa aluminium memiliki ketahanan korosi yang sangat baik di berbagai
lingkungan termasuk atmosfer, air (termasuk air garam), petrokimia, dan
berbagai sistem kimia.
Permukaan aluminium mempunyai kemampuan refleksi yang tinggi.
Radiasi energi, cahaya, radiasi panas, dan gelombang elektromagnetik sangat
efisien untuk terdefleksi. Aluminium biasanya memiliki konduktivitas listrik dan
panas yang sangat baik, tetapi unsur paduan spesifik yang sudah dikembangkan
berpengaruh terhadap ketahanan listrik. Paduan ini berguna, misalnya, pada
motor listrik dengan torsi tinggi. Aluminium sering digunakan pada
konduktivitas listrik, karena hampir dua kali lipat dari tembaga dengan bobot
yang setara. Kebutuhan dari konduktivitas tinggi dan kekuatan mekanik dapat
dipenuhi dengan menggunakan garis panjang, tegangan tinggi, transmisi kabel
yang kuat. Konduktivitas termal dari aluminium paduan sekitar 50% sampai
60% terhadap tembaga, keuntungannya dalam perpindahan panas, evaporator,
peralatan elektrik yang dipanaskan, dan kepala silinder otomotif dan radiator.
Aluminium adalah material nonferromagnetic, sifat yang penting dalam
industri elektrik dan industri elektronik, termasuk dalam logam non besi, tetapi
memiliki sifat magnetik yang baik..Aluminium mempunyai sifat nonpyrophoric,
maksudnya sifat ini membuat aluminium tidak mudah terbakar atau meledak.
Aluminium juga tidak beracun dan biasanya digunakan dalam wadah untuk
makanan dan minuman. Memiliki tampilan yang menarik, yaitu lembut dan
berkilau atau cerah serta mengkilap. Beberapa aluminium paduan kekuatannya
melebihi baja. Namun, aluminium murni pastinya memiliki nilai kekasaran dan
kekuatan yang sangat rendah dari baja.
Karakteristik fabrikasi dari aluminium adalah mampu dilakukan proses
permesinan (machinability), mampu dilakukan proses kimia terhadap aluminium
(chemical milling), mampu bentuk (formability), mampu tempa (forgeability),
dan mampu disambungkan (Joining) [17].
6
2.1.2 Proses Produksi Aluminium
Semua produksi aluminium didasarkan pada proses Hall-Heroult. Alumina
halus dari bauksit dilarutkan dalam sebuah wadah krolit dengan berbagai
penambahan garam fluorida dibuat untuk mengontrol suhu perendaman,
densitas, resistivitas, dan kelarutan alumina. Sebuah arus listrik kemudian
dilewatkan melalui perendaman untuk electrolyze larutan alumina dengan
oksigen yang terbentuk dan bereaksi dengan anoda karbon, dan aluminium
dikumpulkan sebagai pad logam di katoda. Logam yang terpisahkan secara
periodik dibuang oleh metode vakum dalam cawan lebur, yang kemudian
ditransfer ke fasilitas pengecoran di mana pencairan ulang atau produksi
fabrikasi ingot.
Pengotor utama dari hasil peleburan aluminium adalah besi dan silikon,
tetapi seng, galium, titanium, dan vanadium pada akhir-akhir ini ditemukan
sebagai kontaminan minor. Internasional, kemurnian minimum aluminium
adalah kriteria utama untuk menentukan komposisi dan nilai. Di Amerika
Serikat, sebuah konvensi untuk menilai konsentrasi relatif dari besi dan silikon
sebagai kriteria lebih penting telah berkembang. Referensi nilai logam murni
karena mungkin dengan kemurnian saja, untuk contoh, 99,70% aluminium, atau
dengan metode oleh Asosiasi Aluminium di mana standar Pxxx nilai telah
ditetapkan. Dalam kasus terakhir, angka berikut P mengacu pada persentase
desimal maksimum silikon dan besi, masing-masing. Misalnya, P1020 adalah
logam non campuran diproduksi mengandung tidak lebih dari 0,10% Si dan
tidak lebih dari 0,20% Fe. P0506 adalah kelas yang berisi tidak lebih dari 0,05%
Si dan tidak lebih dari 0,06% Fe. Umumnya nilai P berkisar dari P0202 ke
P1535, yang masing-masing mencakup batas pengotor tambahan untuk kontrol
tujuan.
Langkah pemurnian tersedia untuk mencapai tingkat kemurnian yang lebih
tinggi. Kemurnian 99,99% yang dicapai melalui pecahan kristalisasi atau operasi
sel Hoopes. Proses terakhir adalah proses elektrolisis tiga lapis yang
mempekerjakan garam cair yang memiliki kepadatan lebih besar dari aluminium
7
cair murni. Kombinasi teknik pemurnian ini mengakibatkan kemurnian 99,999%
untuk aplikasi yang sangat khusus [17].
2.1.3 Produksi Manufaktur Aluminium
Aluminium dan paduannya dapat dicor atau dibentuk oleh hampir semua
proses. Proses pembentukukan diproduksi dari aluminium dan aluminium
paduan dapat dibagi menjadi dua kelompok. Produk standar termasuk lembaran,
pelat, foil, batang, kawat, pipa, dan bentuk-bentuk struktural. Produk rekayasa
yang dirancang untuk aplikasi khusus dan termasuk ekstrusi
bentuk, tempa, pengecoran, stamping, metalurgi serbuk (Powder Metallurgy),
bagian mesin, dan logam-matrix komposit. Sebuah distribusi persentase produk
aluminium utama disajikan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Persentase produksi aluminium [17]
2.1.3.1 Produk Standart
Produk pengerolan termasuk didalamnya adalah plat (ketebalan sama
dengan atau lebih besar dari 6,25 mm, atau 0,25 in.), lembar (ketebalan 0,15
mm melalui 6,25 mm, atau 0,006 melalui 0,25 in.), dan foil (ketebalan kurang
8
dari 0,15 mm, atau 0,006 in.). Produk-produk ini semifabrikasi untuk persegi
panjang penampang dengan pengecilan ketebalan batang cor oleh pengerolan
panas dan dingin. Karakteristik saat dilakukan tempa pada kerja panas diatur
dari tingkat laju pendinginan, dan annealing.
Pelat, lembaran, dan foil diproduksi dalam cara-cara perlakuan panas
yaitu quenching, penguatan butir, dan dipanaskan ulang. Lembaran dan foil
dapat digulung dengan permukaan bertekstur. Lembaran dan pelat digulung
dengan khusus disiapkan pekerjaan rol. Dengan dirol membentuk, lembaran
dalam konfigurasi berkontur bergelombang atau lainnya sehingga dapat
diproduksi untuk aplikasi seperti atap, dinding, saluran, dan selokan.
Gambar 2.2 Alat Rol masa kini [10]
Kawat, batang, dan bar yang dihasilkan dari cor dengan ekstrusi,
rolling, atau kombinasi dari proses ini. Porsi yang semakin besar batang dan
kawat produksi berasal dari proses yang terus menerus di mana aluminium
paduan cair dicor dalam cetakan berpendingin air untuk menghasilkan panjang
terus menerus batang padat yang digulung dalam satu kali garis produk untuk
pembuatan diameter sekitar 9,4 sampai 12 mm (0,375-0,50 inchi.) [17].
9
2.1.3.2 Produk Rekayasa
Coran paduan aluminium secara rutin diproduksi oleh cetakan
permanen, cetakan pasir kering, pressure-die. Proses variasi termasuk vakum,
tekanan rendah, sentrifugal, dan proses-pola terkait seperti kehilangan busa.
Coran diproduksi dengan mengisi cetakan dengan lelehan aluminium dan
digunakan untuk produk dengan kontur rumit dan daerah berongga atau
berinti. Pilihan coran lebih lainnya bentuk produk sering didasarkan pada
pertimbangan bentuk bersih. Memperkuat tulang rusuk, lorong-lorong internal
dan desain kompleks, yang bisa menambah beban pengeluaran untuk produksi
untuk mesin di bagian yang terbuat dari produk tempa. Rekayasa premium
coran menampilkan integritas ekstrim, toleransi dimensi yang kecil, dan
dikontrol sifat mekaniknya secara konsisten.
Ekstrusi diproduksi dengan memaksa logam padat melalui cetakan
mati. Desain yang simetris untuk satu sumbu mudah diadaptasi dengan
produksi dalam bentuk diekstrusi. Dengan teknologi saat ini, juga
memungkinkan untuk membuat bentuk kompleks, dan konfigurasi asimetris.
Presisi ekstrusi menampilkan kontrol dimensi yang luar biasa dan permukaan
akhir yang baik. Dimensi utama biasanya tidak memerlukan proses
permesinan, toleransi produk ekstrusi sering memungkinkan penyelesaian
bagian manufaktur dengan pemotongan sederhana, pengeboran, atau operasi
mesin kecil lainnya.
Produksi dengan cara ditempa adalah produksi dengan menginduksi
aliran plastis melalui penerapan kekuatan kinetik, mekanik, atau hidrolik
dicetakan tertutup atau terbuka. Tempa manual adalah bentuk geometris
sederhana, mampu bentuk antara plat datar atau berkontur sederhana, dies
terbuka seperti persegi panjang, silinder (putaran multiface), disk, atau variasi
terbatas bentuk-bentuk ini. Tempa ini mengisi kebutuhan sering terjadi di
industri ketika hanya sedikit jumlah potongan diperlukan, atau ketika desain
prototipe perlu dibuat.
Kebanyakan tempa aluminium diproduksi di dies tertutup untuk
menghasilkan bagian dengan permukaan akhir yang baik dan kontrol dimensi.
10
Tempa presisi menekankan dimensi yang mendekati tujuan bentuk bersih,
yang menggabungkan rancangan sederhana dan akurasi dimensi yang lebih
tepat.
Tumbukan, ada tiga jenis dasar produksi dari tumbukan- tumbukan
berlawanan arah, tumbukan langsung, dan kombinasi dari keduanya yang
dapat digunakan dalam fabrikasi aluminium. Tumbukan langsung agak
menyerupai ekstrusi konvensional. Logam dipaksa melalui lubang die oleh
aksi pukulan, menyebabkan logam mengalir ke arah aplikasi tekanan.Hasil
dari tumbukan langsung digunakan untuk membentuk putaran, berkontur,
lurus, dan bergaris batang. Dalam metode kombinasi, pukulan lebih kecil dari
sebuah lubang die mengakibatkan gerak bolak – balik logam.
Metalurgi serbuk (P / M) dibentuk oleh berbagai proses. Untuk
aplikasi sederhana, logam serbuk dikompresi dalam cetakan hingga terbentuk
hasil, dan kemudian hasil kompaksi yang disintering pada suhu tinggi di
bawah atmosfer pelindung. Selama sintering, hasil kompaksi
mengkonsolidasikan dan memperkuat ikatan. Densitas dari hasil sintering
dapat meningkat dengan adanya penekanan ulang. Ketika penekanan ulang
dilakukan terutama untuk meningkatkan akurasi dimensi, itu disebut "sizing;"
bila dilakukan untuk mengubah konfigurasi, itu disebut "coining." Penekanan
ulang dapat diikuti oleh resintering, dapat mengurangi tegangan yang
disebabkan oleh pekerjaan dingin dan lebih lanjut dapat mengkonsolidasikan
struktur.
Dengan menekan dan sintering saja, densitas yang didapat bias sebesar 80%
dari kepadatan teoritis dapat diproduksi. Dengan menekan, dengan atau tanpa
resintering, bisa didapatkan 90% dari kepadatan teoritis atau lebih. Metalurgi
serbuk mungkin bersaing dengan forging, casting, stamping, komponen mesin.
Komposit logam-matrix (MMC) pada dasarnya terdiri dari penguatan
bukan logam dimasukkan ke dalam logam yang matriks. Kombinasi ringan,
tahan korosi, dan sifat mekanik yang berguna, yang telah membuat paduan
aluminium begitu populer, cocok baik untuk MMC aluminium. Titik leleh
aluminium cukup tinggi untuk memenuhi banyak persyaratan aplikasi, namun
11
cukup rendah untuk membuat pengolahan komposit cukup nyaman.
Aluminium juga dapat mengakomodasi berbagai sifat karakteristik. [16]
2.2 Metalurgi Serbuk (P / M)
Metalurgi serbuk adalah teknologi dimana komponen berukuran kecil dapat
dilakukan proses permesinan, dimana juga menurunkan biaya produksi. Metalurgi
serbuk aluminium dapat digunakan untuk menghaluskan struktur mikro
dibandingkan dengan produk dari proses metalurgi konvensional, sehingga
didapatkan peningkatan sifat mekanis dan tahan korosi. Oleh sebab itu, paduan
aluminium banyak digunakan pada aplikasi berteknologi tinggi, contohnya pada
pesawat terbang dan struktur kedirgantaraan.
Jumlah elemen paduan yang memiliki tingkat kelarutan padat tinggi dalam
aluminium relatif rendah. Akibatnya, tidak banyak sistem paduan pengotor
aluminium yang dapat memperkuat dengan cara konvensional metalurgi batang.
Hal ini dapat dilihat sebagai batasan ketika pengembang paduan berusaha untuk
merancang peningkatan paduan. Teknologi metalurgi serbuk memungkinkan
keterbatasan tersebut dari paduan aluminium untuk mengatasi berbagai luasan,
sementara tetap mempertahankan sebagian besar keuntungan yang melekat dari
aluminium.
Manfaat struktur atau properti yang didapat :
Realisasi dari laju tingkat pemadatan cepat.
Terjadi penguatan seragam, antaranya, batasan untuk dislokasi, gerak,
didapat dari permukaan serbuk.
Tingkat laju pemadatan cepat memungkinkan metalurgi serbuk untuk
perbaikan mikrostruktur dengan beberapa metode. Misalnya, ukuran butir dapat
berkurang karena waktu singkat yang tersedia untuk inti tumbuh selama pembekuan.
Ukuran butiran halus berarti jalan bebas antara batas butir, yang dimana menjadi
hambatan efektif untuk gerakan dislokasi, yang menyebabkan peningkatan
penguatan butir “Hall-Petch.” [16].
12
2.2.1 Proses – proses metalurgi serbuk aluminium
Ada beberapa langkah dalam teknologi metalurgi serbuk yang dipadukan dengan
berbagai cara, tetapi ada 3 langkah utama yang digunakan :
Produksi serbuk
Pengolahan serbuk (opsional)
Konsolidasi dan Degassing
Serbuk juga dapat dihasilkan dari serbuk hasil proses permesinan atau lewat
reaksi kimia. Serbuk – serbuk tersebut seharusnya dibersihkan sebelum
dilakukan proses degassing dan konsolidasi.
Produksi Serbuk
Atomisasi sering digunakan dalam produksi aluminium, dengan cara
aluminium dilelehkan, dipadukan dengan material lain, dan kemudian
disemprotkan melalui nosel untuk membentuk partikel yang amat kecil sehingga
terjadi pendinginan cepat.
Percikan pendinginan adalah proses yang memungkinkan laju
pendinginan lebih baik dan cepat daripada yang didapatkan saat proses
atomisasi. Aluminium dilelehkan dan dipadukan dengan material lain, dan
tetesan aluminium disemprotkan atau diteteskan melalui permukaan yang
didinginkan.
Teknik putaran-lelehan hamper sama dengan percikan pendinginan.
Aluminium yang dicairkan menumbuk roda berputar yang dingin, menghasilkan
produk pemadatan cepat yang biasanya membentuk seperti dasi.
Degassing dan Konsolidasi Serbuk
Air yang berada pada serbuk aluminium harus dihilangkan untuk mencegah
porositas yang bisa terjadi pada produk akhir. Walaupun pada saat kondisi solid,
proses pembuangan gas sudah dilakukan untuk mengurangi hydrogen pada
material hasil proses metalurgi serbuk, tetapi lebih mudah dan efisien untuk
menghilangkan kelembaban dari saat masih serbuk.
13
Gambar 2.3 skema fabrikasi metalurgi serbuk aluminium. [21]
Degassing Tabung Vakum, cara ini yang paling sering digunakan,
biasanya serbuk yang dimasukkan kedalam tabung vakum adalah paduan
aluminium 3003 atau 6061. Serbuk yang didalam tabung kemudian disegel oleh
tutup yang dilas, dimana sudah diberikan pipa pembuangan. Setelah diperiksa
bahwa tabungnya tidak ada kebocoran, serbuk didalam ruang vakum dihilangkan
gas pengotornya dengan cara dipanaskan. Hasil dari pembuangan gas ini
tergantung oleh ukuran serbuk, distribusi dan komposisi.
Dipurative Degassing, cara ini adalah penyempurnaan dari degassing tabung
vakum. Ketika serbuk masih didalam tabung vakum, diberikan gas pembersih
contohnya nitrogen, kemudian dievakuasi hasilnya. Cara ini juga dapat
digunakan dengan suhu rendah untuk mencegah pengkasaran butir.
14
Vacuum Degassing in a Reusable Chamber, biaya untuk pengalengan
bisa mempengaruhi sifat kompetetif dari metalurgi serbuk aluminium. Kelebihan
biaya produksi ini dapat dikurangi dengan cara menggunakan kembali ruang
produksi untuk pengepresan vakum. Tetapi kekurangannya adalah perlunya
perawatan ekstra sebelum menggunakan ruang produksi tersebut.
Pembentukan serbuk secara langsung, ini adalah cara yang dapat
menekan biaya produksi paling efektif. Serbuk yang telah dihilangkan gas
pengotornya atau serbuk yang telah dimanufaktur atau disimpan dengan baik,
bisa langsung diproduksi dengan pembentukan panas (hot-forming).
Pembentukan serbuk secara ekstrusi dan pengerolan telah dibuktikan berkali-kali
bahwa sukses untuk menekan biaya produksi metalurgi serbuk.
Hot Isostatic Pressing (HIP), setelah material dihilangkan gas pengotornya dan
dikeluarkan dari kapsul vakum kemudian dilakukan penekanan hidrostatis
(HIP). Hasil dari HIP ini adalah bentuk bersih dari produk yang diinginkan.
Kompaksi Dinamis, berbagai macam teknik konsolidasi tingkat regangan,
yang dimana adalah kompaksi dinamis telah dikembangkan dan digunakan
untuk paduan aluminium. Dalam kompaksi dinamis, proyektil menumbuk
serbuk yang sudah didegasi dikonsolidasikan oleh perambatan gelombang kejut
yang dihasilkan melalui serbuk. Ikatan antara pertikel serbuk dipercaya terjadi
dari pencairan dari lapisan tipis pada permukaan serbuk, disebabkan olah panas
hasil dari gesekan antara partikel serbuk yang terjadi ketika penumbukan
berlangsung [21].
2.3 Proses Ekstrusi
Ekstrusi adalah proses deformasi plastis dimana material logam (billet)
dikenakan gaya dorong untuk bergerak melalui kompresi oleh cetakan (die) yang
dimana ukuran die lebih kecil dari billet. Pada umunya, ekstrusi digunakan untuk
menghasilkan produk batang silinder atau tabung berongga [9].
15
2.3.1 Klasifikasi Proses Ekstrusi
Ada dua macam klasifikasi utama dari proses ekstrusi, yaitu ekstrusi searah
dan ekstrusi berlawanan arah.
Gambar 2.4 Proses ekstrusi searah. [22]
Pada gambar 2.4 mengilustrasikan proses ekstrusi searah, billet diletakkan
didalam ruang container lalu didorong melalui celah cetakan oleh ram kemudian
hasil ekstrusi akan dihasilkan searah oleh gaya dorong ram [9].
Gambar 2.5 Proses ekstrusi berlawanan arah. [22]
Proses ekstrusi berlawanan arah, dimulai dari ram berongga dengan ujung
yang ditempelkan die, dimana pada ujung lain container ditutup oleh plat. Secara
berkesinambungan ram yang diujungnya terdapat die bergerak stasioner dan
billet didalam container akan bergerak berlawanan arah dari ram.
16
Kekurangannya adalah kekuatan dari ram tidak bisa maksimal seperti pada
ekstrusi searah [9].
2.3.2 Ekstrusi Panas
Proses metalurgi serbuk pada serbuk logam didominasi oleh penggunaan
proses ekstrusi pabas, menggunakan temperatur 50-75% dari temperatur titik
cair material. Ekstrusi panas biasa diaplikasikan pada alumunium, titanium dan
paduannya, beryllium dan uranium [19].
Variabel utama yang mempengaruhi gaya yang dibutuhkan untuk
melakukan proses ekstrusi adalah tipe ekstrusi (searah atau berlawanan arah),
rasio ekstrusi, temperature kerja, kecepatan deformasi, dan keadaan dinding
cetakan dan dinding container yang bergesekan.
Tekanan ekstrusi adalah gaya ekstrusi dibagi oleh area perpotongan billet.
Untuk ekstrusi searah logam mulai mengalir melewati die pada tekanan
maksimal, sedangkan untuk ekstrusi berlawanan arah tidak ada gaya relatif yang
terjadi antara billet dan dinding kontainer maka tekanan ekstrusi konstan dengan
percepatan gerak ram. Hal ini menjadi batasan untuk ukuran ekstrusi dan
tekanan ekstrusi yang bisa dilakukan. Oleh karena itu, kebanyakan ekstrusi
panas dilakukan dengan proses ekstrusi searah.
Rasio ekstrusi adalah rasio dari ukuran luas penampang billet dengan
penampang cetakan. Kebanyakan logam diekstrui panas untuk diambil
keuntungannya dalam tahan deformasi dengan seiring pertambahan suhu [9].
2.3.3 Ekstrusi Dingin dan Proses Pembentukan Dingin
Pada proses cold extrusion, campuran serbuk dan pelumas diekstrusi
melalui cetakan sehingga menjadi produk baru. Proses ini biasanya digunakan
pada timah, paduan alumunium, tembaga, titanium, molybdenum, vanadium,
dan baja. Kecepatan produksi ekstrusi ini cukup rendah, hanya sekitar 5 sampai
10 mm/min. [11]
Ekstrusi dingin dan proses pembentukan dingin biasanya digunakan untuk
membuat bagian yang asimetris. Tingkat presisi dari pembentukan dingin sangat
17
baik dan memiliki permukaan hasil yang bagus. Ini disebabkan oleh penguatan
butir yang luas, bahkan dengan material yang murah dan paduan yang rendah
juga didapatkan hasil yang baik [9].
2.3.4 Ekstrusi Pipa
Untuk menghasilkan pipa dengan cara ekstrusi, sebuah mandrel harus
dipasangkan ke ram. Mandrel dibuat panjang hingga mencapai cetakan ekstrusi,
dan jarak antara mandrel dan dinding cetakan adalah yang menentukan
ketebalan dari pipa [9].
Gambar 2.6 Proses ekstrusi pipa saat awal pengerjaan [9]
Gambar 2.7 Proses akhir ekstrusi pipa hingga membentuk produk [9]
18
2.3.5 Kompaksi
Salah satu proses yang paling penting dalam proses metalurgi serbuk
adalah proses kompaksi serbuk. Pemilihan metode tergantung dari beberapa
variable seperti komposisi serbuk, ukuran serbuk dan morfologi serbuk.
Kompaksi dimulai dengan pemberian tekanan dari luar untuk membuat serbuk
memiliki densitas yang tinggi dan untuk membentuk serbuk sesuai dengan
dimensi yang diinginkan. Semakin besar tekanan makan densitas dari serbuk
akan meningkat. [19]
Gambar 2.8 Grafik hubungan antara tekanan dan densitas dari serbuk
alumunium. [19]
Terdapat 2 macam metode kompaksi yang sering digunakan, yaitu:
a. Kompaksi dingin, metode kompaksi serbuk yang sering digunakan yaitu
penekanan dengan temperatur kamar. Prosesnya dimulai dengan serbuk
yang telah diberi pelumas untuk mengurangi gesekan antara partikel
dengan dinding.. Densitas setelah kompaksi pada umumnya antara 70
sampai 90% [19].
19
Gambar 2.9 Kompaksi dingin [19]
b. Kompaksi panas, yaitu teknologi kompaksi yang memberikan hasil
dengan densitas yang tinggi hanya dengan sekali proses penekanan.
Desain alat yang digunakan sama dengan proses kompaksi dingin dengan
penambahan sistem pemanas. Penekanan dengan temperatur sekitar 75
sampai 250°C tergantung dari serbuk material dan pelumas yang
digunakan. [19].
Gambar 2.10 Kompaksi panas [19]
Pada proses kompaksi ada 3 kemungkinan model ikatan yang disebabkan oleh
gaya vanderwals [14]:
1. Pola ikatan bola-bola
Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan lebih kecil dari yield
strength (ys) matriks dan filler sehingga serbuk tidak mengalami perubahan
20
bentuk secara permanen atau mengalami deformasi elastis baik pada matrik
maupun filler sehingga serbuk tetap berbentuk bola.
2. Pola ikatan bola-bidang
Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan diantara yield strength
(ys) dari matrik dan filler. Penekanan ini menyebabkan salah satu material
(matrik) terdeformasi plastis dan yang lain (filler) terdeformasi elastis,
sehingga berakibat partikel seolah-olah berbentuk bola-bidang.
3. Pola ikatan bidang-bidang
Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan lebih besar pada dari
yield strength (ys) matrik dan filler. Penekanan ini menyebabkan kedua
material (matrik dan filler) terdeformasi plastis, sehingga berakibat partikel
seolah-olah berbentuk bidang-bidang.
2.3.6 Proses Sintering
Proses sintering adalah proses perlakuan panas yang bertujuan
meningkatkan kekuatan dengan ikatan dari partikel serbuk dengan cara
pemanasan pada temperatur di bawah titik leleh material [14].
Parameter sintering:
a. Temperatur
b. Waktu
c. Kecepatan pendinginan
d. Kecepatan pemanasan
e. Atmosfer sintering
f. Jenis material
Berdasarkan pola ikatan yang terjadi pada proses kompaksi, ada 2
fenomena yang mungkin terjadi pada saat sintering, yaitu:
1. Penyusutan (shrinkage)
Apabila pada saat kompaksi terbentuk pola ikatan bola-bidang maka
pada proses sintering akan terbentuk shrinkage, yang terjadi karena saat
proses sintering berlangsung gas (lubricant) yang berada pada porositas
mengalami degassing (peristiwa keluarnya gas pada saat sintering). Dan
21
apabila temperatur sinter terus dinaikkan akan terjadi difusi permukaan antar
partikel matrik dan filler yang akhirnya akan terbentuk liquid bridge /
necking (mempunyai fasa campuran antara matrik dan filler). Liquid bridge
ini akan menutupi porositas sehingga terjadi eleminasi porositas /
berkurangnya jumlah dan ukuran porositas. Penyusutan dominan bila
pemadatan belum mencapai kejenuhan.
2. Retak (cracking)
Apabila pada kompaksi terbentuk pola ikatan antar partikel berupa
bidang-bidang, sehingga menyebabkan adanya trapping gas (gas/lubricant
terjebak di dalam material), maka pada saat sintering gas yang terjebak
belum sempat keluar tapi liquid bridge telah terjadi, sehingga jalur
porositasnya telah tertutup rapat. Gas yang terjebak ini akan mendesak ke
segala arah sehingga terjadi bloating (mengembang), sehingga tekanan di
porositas lebih tinggi dibanding tekanan di luar. Bila kualitas ikatan
permukaan partikel pada bahan komposit tersebut rendah, maka tidak akan
mampu menahan tekanan yang lebih besar sehingga menyebabkan retakan
(cracking) Keretakan juga dapat diakibatkan dari proses pemadatan yang
kurang sempurna, adanya shock thermal pada saat pemanasan karena
pemuaian dari matrik dan filler yang berbeda [19].
2.3.6.1 Tahapan Proses Sintering
Pada proses sintering meliputi 3 tahap mekanisme pemanasan:
a. Presintering ( green compact )
Presintering merupakan proses pemanasan yang bertujuan untuk:
1. Mengurangi residual stress akibat proses kompaksi (green density).
2. Pengeluaran gas dari atmosfir atau pelumas padat yang terjebak dalam
porositas bahan komposit (degassing).
3. Menghindari perubahan temperatur yang terlalu cepat pada saat proses
sintering (shock thermal). Temperatur presintering biasanya dilakukan
pada 1/3 Tm (titik leleh).
22
b. Difusi permukaan ( necks formed )
Pada proses pemanasan untuk terjadinya transportasi massa pada
permukaan antar partikel serbuk yang saling berinteraksi, dilakukan pada
temperatur sintering (2/3 Tm). Atom-atom pada permukan partikel serbuk
saling berdifusi antar permukaan sehingga meningkatkan gaya kohesifitas
antar partikel.
c. Eliminasi porositas ( pore size reduced )
Tujuan akhir dari proses sintering pada bahan komposit berbasis
metalurgi serbuk adalah bahan yang mempunyai kompaktibilitas tinggi.
Hal tersebut terjadi akibat adanya difusi antar permukaan partikel serbuk,
sehingga menyebabkan terjadinya leher (liquid bridge) antar partikel dan
proses akhir dari pemanasan sintering menyebabkan eliminasi porositas
(terbentuknya sinter density) [14].
Gambar 2.11 Tahapan sintering [18]
2.3.2.2 Temperatur Sintering
Proses perpindahan massa dipengaruhi oleh temperature sintering.
Dengan meningkatnya temperatur sintering maka sifat mekanis spesimen yang
telah di sintering akan meningkat pula seperti kekuatan, kekerasan,
ketangguhan dan lain-lain. Namun peningkatan temperatur juga menimbulkan
kerugian seperti penyusutan ukuran partikel dan retak [13].
23
Gambar 2.12 Grafik pengaruh temperatur sintering terhadap nilai densitas (a)
dan nilai kekerasan (b) [12]
2.3.2.3 Waktu Sintering
Peningkatan waktu sinter tidak memberikan pengaruh yang besar
seperti pengaruh yang dihasilkan temperatur sinter. Peningkatan waktu sinter
memberikan pengaruh sifat mekanis yang hampir sama dengan kenaikan
temperatur sinter. Semakin tinggi waktu tahan sinter, temperatur sinter dan
green density maka densitas sinter juga akan semakin tinggi pula [13].
Gambar 2.13 Grafik pengaruh waktu sintering terhadap nilai densitas (a) dan nilai
kekerasan (b) [12]
24
2.4 Pembentukan Geram (Chip Formation)
Geram merupakan bagian dari material yang terbuang ketika dilakukan
sebuah proses pemesinan. Dalam proses metal cutting akan selalu dijumpai istilah:
kecepatan potong (cutting speed), kecepatan makan (feed) dan kedalaman potong
(depth of cut) untuk menjelaskan masalah tersebut ilustrasinya akan menggunakan
proses bubut (turning) [8].
Geram terbentuk akibat timbulnya tegangan (stress) di daerah di sekitar
konsentrasi gaya penekanan mata potong pahat. Tegangan pada benda kerja
tersebut pada salah satu arah akan terjadi tegangan geser (shearing stress) yang
maksimum. Apabila tegangan geser ini melebihi kekuatan logam yang
bersangkutan maka akan terjadi deformasi plastis (perubahan bentuk)yang
menggeser dan memutuskan benda kerja di ujung pahat pada satu bidang geser
(shear plane) [8].
Gambar 2.14 Proses terbentuknya chip (geram) [18]
2.4.1 Jenis Geram
Jika dilihat dari panjang pendeknya geram (chip) dikelompokan menjadi
beberapa jenis, diantaranya:
a.Chip Discontinous
Chip discontinous memiliki bentuk seperti segmen-segmen kecil
dan biasanya disebabkan oleh [18]:
1. Material benda kerja getas.
2. Kecepatan pemotongan yang sangat rendah atau sangat tinggi.
25
3. Kedalaman pemotongan yang besar.
4. Rake angles yang rendah.
5. Material benda kerja yang mengandung pengotor.
6. Menggunakan fluida pemotongan yang kurang efektif.
Gambar 2.15 Chip discontinous [18]
b. Chip Continous
Chip continous memiliki bentuk seperti pita panjang dan biasanya
disebabkan oleh [16]:
1. Material benda kerja ulet seperti baja ringan, tembaga dan
aluminium.
2. Kecepatan pemotongan yang tinggi.
3. Rake angles yang tinggi.
4. Menggunakan fluida pemotongan.
5. Kedalaman pemotongan rendah.
Gambar 2.16 Chip continous [18]
c. Geram Continous dengan built up edge (BUE)
26
Builtup edge terjadi karena aliran metal yang kurang teratur pada
kecepatan potong yang rendah dan bila daya adhesi atau afinitas antar
material benda kerja dan material pahat cukup kuat maka akan terjadi
proses penumpukan lapisan material benda kerja pada bidang geram
didaerah dekat mata potong [18]. Pembentukan BUE dapat dikurangi
dengan melakukan salah satu hal berikut. [18]
1. Menggunakan fluida pemotongan yang efektif.
2. Menurunkan kedalaman pemotongan.
3. Meningkatkan rake angle.
4. Menggunakan alat potong yang tajam.
Gambar 2.17 Geram continous dengan built up edge (BUE) [14]
d. Serrated chip
Merupakan semi continous chip. Terjadi pada logam dengan
konduktivitas termal rendah dan memiliki kekuatan yang menurun
tajam dengan temperatur yang tinggi pada saat proses turning, seperti
titanium, menunjukkan perilaku ini. Bentuk chip memiliki gigi gergaji
seperti pada Gambar 2.18. Hal ini juga dikenal sebagai chip
tersegmentasi atau non-homogen chip [18].
27
Gambar 2.18 Serrated chip [18]
2.5 Pengujian Material
2.5.1 Uji Densitas
Densitas merupakan besaran fisis yaitu perbandingan massa (m) dengan
volume benda (V). Pengukuran densitas yang materialnya berbentuk padatan
atau bulk digunakan metode Archimedes. Untuk menghitung nilai densitas
aktual dan teoritis digunakan persamaan [3]:
(2.1)
Dimana:
m: densitas aktual (gram/cm3)
ms: massa sampel kering (gram)
mg: massa sampel yang digantung di dalam air (gram)
H2O: massa jenis air (1 gram/cm3)
2.5.2 Porositas
Porositas dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah volume
ruang kosong (rongga pori) yang dimiliki oleh zat padat terhadap jumlah dari
volume zat padat itu sendiri. Porositas suatu bahan pada umumnya dinyatakan
sebagai porositas terbuka atau apparent porosity, dan dapat dinyatakan dengan
persamaan [3]:
28
Cutting tool
(2.2)
Dimana:
m : densitas aktual (gram/cm3)
th : densitas teoritis (gram/cm3)
2.5.3 Uji Kekerasan
Pada umumnya, kekerasan menyatakan ketahanan terhadap deformasi dan
merupakan ukuran ketahanan logam terhadap deformasi plastik atau deformasi
permanen. Untuk para insinyur perancang, kekerasan sering diartikan sebagai
ukuran kemudahan dan kuantitas khusus yang menunjukkan sesuatu mengenai
kekuatan dan perlakuan panas dari suatu logam.
Kekerasan suatu bahan didefinisikan sebagai ketahanan suatu bahan
terhadap penetrasi material lain pada permukaannya. Terdapat tiga jenis
mengenai ukuran kekerasan, yang tergantung pada cara melakukan
pengujiannya. Ketiga jenis tersebut adalah :
Kekerasan goresan (Scratch hardness)
Kekerasan lekukan (Identation hardness)
Kekerasan pantulan (rewbound hardness) atau kekerasan dinamik
(dynamic hardness)
Untuk logam kekerasan lekukan yang sering dipergunakan. Berikut ini
adalah jenis pengujian kekerasan lekukan [2]:
a. Uji Kekerasan Rockwell
Pada pengujian kekerasan menurut Rockwell diukur kedalaman
pembenaman (t) penekan. Sebagai penekan pada baja yang dikeraskan
digunakan sebuah kerucut intan. Untuk menyeimbangkan ketidakrataan
yang diakibatkan oleh permukaan yang tidak bersih, maka kerucut intan
ditekankan keatas bidang uji, pertama dengan beban pendahuluan 10 kg.
setelah ini, beban ditingkatkan menjadi 150 kg sehingga tercapai
kedalaman pembenaman terbesar. Sebagai ukuran digunakan kedalaman
29
pembenaman menetap t dalam mm yang ditinggalkan beban tambahan.
Sebagai satuan untuk ukuran t berlaku e = t dalam 0,002 mm.
Kekerasan Rockwell
(2.3)
Pengujian Rockwell HRC sebagai cara yang paling cocok untuk
pengujian bahan yang keras. Makin keras bahan yang diuji, makin
dangkal masuknya penekan dan sebaliknya makin lunak bahan yang
diuji, makin dalam masuknya. Cara Rockwell sangat disukai karena
dengan cepat dapat diketahui kekerasannya tanpa menghitung dan
mengukur. Nilai kekerasan dapat dibaca setelah beban utama dilepaskan,
dimana beban awal masih menekan bahan [2].
b. Uji Kekerasan Brinell
Uji kekerasan brinell merupakan suatu penekanan bola baja (identor
pada permukaan benda uji. Bola baja berdiameter 10 mm, sedangkan
untuk material uji yang sangat keras identor terbuat dari paduan karbida
tungsten, untuk menghindari distorsi pada identor. Beban uji untuk
logam yang keras adalah 3000 kg, sedangkan untuk logam yang lebih
lunak beban dikurangi sampai 500 kg untuk menghindari jejak yang
dalam. Lama penekanan 20 – 30 detik dan diameter lekukan diukur
dengan mikroskop daya rendah, setelah beban tersebut dihilangkan.
Permukaan dimana lekukan akan dibuat harus relatif halus, bebas dari
debu atau kerak [6].
Angka kekerasan Brinell (Brinell hardness number, BHN)
dinyatakan sebagai beban P dibagi luas permukaan lekukan, persamaan
untuk angka kekerasan tersebut adalah sebagai berikut :
(2.4)
30
Dimana:
P = Beban yang digunakan (kg)
D= Diameter indentor (mm)
d = Diameter lekukan (mm)
c. Uji Kekerasan Vickers
Uji kekerasan Vickers menggunakan identor yang berbentuk
pyramid intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar dengan sudut 1360.
Angka kekerasan Vickers (Vickers hardness number, VHN)
didefinisikan sebagai beban dibagi dengan luas permukaan lekukan.
VHN ditentukan oleh persamaan berikut [7]:
(2.5)
Dimana:
P = Beban yang digunakan (kg)
L = Panjang diagonal rata-rata (mm)
= Sudut antara permukaan intan yang berlawanan (1360)
2.5.4 Uji Struktur Mikro
Metalografi adalah disiplin ilmiah meneliti dan menentukan konstitusi dan
struktur yang mendasari konstituen dalam logam, paduan dan bahan (kadang-
kadang disebut materialography). Pemeriksaan struktur dapat dilakukan melalui
berbagai panjang skala atau tingkat pembesaran, mulai dari visual atau rendah
perbesaran (~ 20 ×) pemeriksaan untuk perbesaran lebih dari 1.000.000 ×
dengan mikroskop elektron. Metalografi juga dapat mencakup pemeriksaan
struktur kristal dengan teknik seperti difraksi sinar-x. Namun, alat yang paling
akrab metalografi adalah mikroskop cahaya, dengan perbesaran mulai dari ~ 50-
1000 × dan kemampuan untuk menyelesaikan struktur mikro fitur ~ 0,2 m atau
lebih besar. Pengamatan metalografi dibagi menjadi dua, yaitu metalografi
31
makro, yaitu penyelidikan struktur logam dengan pembesaran 10-1000 kali, dan
metalografi mikro, yaitu penyelidikan struktur logam dengan pembesaran 1000
kali.
Berdasarkan pembesaran, ada dua macam mikroskop yang dipakai untuk
melakukan pengamatan metalografi, yaitu :
Mikroskop Optik, mikroskop ini mempunyai kemampuan pembesaran
10-1000x pembesaran, mikroksop ini mengandalkan cahaya dan
rangkaian lensa untuk dapat melakukan pembesaran gambar
Scanning Electron Microscope (SEM), mikroskop jenis ini dapat
melakukan pembesaran lebih dari 1000x, hal ini bisa dilakukan karena
SEM menggunakan sinar elektron yang terfokus untuk memindai sampel
agar dapat menghasilkan gambar [5].
2.5.4.1 Persiapan Spesimen Pengujian Mikrografi
Untuk mendapatkan gambar mikrografi yang baik, maka sebelum
melakukan pengamatan perlu dilakukan persiapan terlebih dahulu. Tahapan
persiapan benda uji metalografi secara umum adalah sebagai berikut :
1. Memilih atau mengambil spesimen
Ada tiga cara dalam memilih spesimen dari sifat dan tujuan
penyelidikan :
Kontrol kualitas
Analisa kerusakan
Keperluan penelitian
2. Pemotongan benda uji
Pemotongan jangan sampai merusak struktur bahan akibat
gesekan alat potong dengan benda uji. Untuk menghindari pemanasan
setempat dapat digunakan air sebagai pendingin. Selain itu juga perlu
menghindari perubahan bentuk spesimen akibat beban alat
pemotongan. Pada dasarnya ada tiga arah pemotongan :
Arah memanjang
32
Arah menyilang
Arah sejajar
3. Mounting
Mounting dilakukan untuk benda uji yang kecil dan tipis
sehingga memudahkan untuk memegang benda uji. Proses mounting
biasanya menggunakan resin yang dibentuk dengan menggunakan
cetakan.
4. Pengamplasan
Pengamplasan dilakukan pada permukaan yang hendak diamati.
Dimulai dari amplas yang paling kasar (#400, #600, dan #800) sampai
amplas yang paling halus (#1000 dan #1200) dengan posisi tegak
lurus sekitar 90° terhadap benda uji. Proses ini memakai mesin
berputar, yang digunakan sebagai medianya adalah amplas dengan
tingkat kekasaran yang berbeda. Selama proses pengamplasan benda
uji harus dialiri air secara terus-menerus untuk menghindari terjadinya
panas. Hasil yang diperoleh adalah permukaan spesimen dengan
goresan yang searah, halus dan homogen.
5. Polishing
Polishing atau pemolesan dilakukan dengan bahan poles seperti
pasta gigi atau Autosol. Tujuan polishing yaitu untuk menghasilkan
hasil akhir yang mengkilap (mirror-like finish), bebas dari noda, dan
dengan deformasi minimal yang tersisa dari proses persiapan.
6. Etching
Proses ini dilakukan untuk mewarnai butir sehingga struktur
mikro dapat diamati dengan jelas dengan menggunakan mikroskop.
Pada proses ini spesimen direndam dalam larutan etsa dalam jangka
waktu tertentu. Ada banyak macam larutan etsa yang dapat digunakan
untuk proses pengetsaan, komposisi larutan etsa tergantung dari
komposisi material spesimen, contoh bebrapa larutan etsa untuk
aluminium dan paduannya dapat dilihat pada tabel 2.1 [5].
Tabel 2.1 Beberapa Larutan Etsa untuk Aluminium dan Aluminium Paduan [5]
33
No. Komposisi Keterangan
1. 0.1-10 mL HF
90-100 mL aquades
Larutan kegunaan umum. Meneyrang FeAl3,
menggambarkan unsur lain. Kontras butir biasanya
rendah. HF dengan konsentrasi 0.5% sangat disukai
2. 2.5 mL HNO3
1.5 HCl
1.0 mL HF
95 mL aquades
Larutan Keller, larutan kegunaan umum yang sangat
disukai Al dan Al paduan, kecuali paduan dengan Si
yang tinggi. Rendam sampel 10-20 s, kemudian cuci
dengan air hangat. Dapat dilanjutkan dengan
dicelupkan ke dalam HNO3 pekat. Menggambarkan
semua unsur yang umum, memperlihatkan batas butir
pada paduan tertentu
3. 15 mL HF
10 ml H3PO4
60 mL aquades
Larutan untuk paduan Al-Mg. Menghasilkan kontras
butir di bawah cahaya polarized.
4. 2 g NaOH
5 g NaF
93 mL aquades
Larutan etsa untuk wrought alloy Al seri 2xxx dan
7xxx, serta Al-Cu dan Al-Zn cast alloy. Rendam 2-3
menit. Memperlihatkan struktur butir, pengerjaan
dingin, atau rekristalisasi.
5. 5 mL HF
10 mL H2SO4
85 mL aquades
Larutan etsa untuk meneliti tingkat rekristalisasi pada
Al seri 7xxx. Rendam sampel 20-30 menit.
34