Jurnal Energi dan Manufaktur Vol.
11
No. 1, April
2018 (1-5) ISSN: 2302-5255 (p)
http://ojs.unud.ac.id/index.php/jem
ISSN: 2541-5328 (e)
Studi Sifat Mekanik Magnesium AZ31 Hasil Proses Pengecoran Tekan (Squeeze Casting)
Muhammad Iqbal1), Irza Sukmana2)*, Yanuar Burhanuddin3) 1,2
,3)Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung, Gedung H – Lt.2,
Jalan
Prof.
Soemantri
Brojonegoro No.1, Bandar Lampung 35145
doi: 10.24843/JEM.2018.v11.i01.p01 Abstract Magnesium forms 2% in the earth's crust, magnesium is widely used in industry. For example, industrial machinery and electronics, and many developed in the field of biomedicine, especially in the field of orthopedics. Magnesium about 60% is present in the human bones, therefore it has great potential for human body implants. However, it is necessary to increase the mechanical and chemical properties of magnesium in order to be used for bone implant materials. Production process using squeeze casting method. Through this method, Liquid metal is given hydraulic pressure, so the mechanical properties of magnesium were better. In this research use temperature parameter = 450˚C, pressure = 300 MPa, duration of press 1 minute and variation of holding time 7 and 9 minutes. Magnesium AZ31 increased compared with samples without treatment. Tensile strength with holding time 7 minutes equal to120.27 MPa, holding time 9 minutes was 128.77 MPa, and samples without treatment of was 94.63 MPa. The magnesium hardness value of AZ31 decreased at 7 minute detention was 39 VHN, compared with the sample without treatment of was 41.8 VHN. And the hardness value increased at holding time 9 minutes equal to 46.2 VHN. However, it should be noted that excessive overheating and holding time may lead to decrease in magnesium mechanical properties of AZ31. Keywords: Magnesium AZ31, Squeeze Casting, Holding Time, Biomaterial, Mechanical Properties Abstrak Magnesium membentuk 2% pada kerak bumi, magnesium banyak digunakan pada industri. Misalnya, industri mesin dan elektronik, dan banyak dikembangkan pada bidang biomedik, terutama di bidang orthopedi. Magnesium sekitar 60% ada pada tulang manusia, oleh karena itu berpotensi besar untuk implan tubuh manusia. Namun, diperlukan peningkatan sifat mekanik dan kimia magnesium agar dapat digunakan untuk bahan implan tulang. Proses produksi menggunakan metode pengecoran tekan. Melalui metode ini, logam cair diberi tekanan hidrolik, sehingga sifat mekanik magnesium lebih baik. Dalam penelitian ini menggunakan parameter temperatur = 450˚C, tekanan = 300 MPa, durasi tekan 1 menit dan variasi holding time 7 dan 9 menit. Magnesium AZ31 meningkat dibandingkan sampel tanpa perlakuan. Kekuatan tarik dengan holding time 7 menit sebesar 120,27 MPa, holding time 9 menit sebesar 128,77 MPa, dan sampel tanpa perlakuan sebesar 94,63 MPa. Nilai kekerasan magnesium AZ31 menurun pada holding time 7 menit sebesar 39 VHN, bila dibandingkan sampel tanpa perlakuan sebesar 41,8 VHN. Dan nilai kekerasan meningkat pada holding time 9 menit sebesar 46,2 VHN. Namun, perlu diperhatikan pemanasan dan holding time yang berlebih (over heat) dapat mengakibatkan penurunan sifat mekanik magnesium AZ31. Kata Kunci: Magnesium AZ31, pengecoran tekan, holding time, biomaterial, sifat mekanik. 1. Pendahuluan Magnesium (Mg) merupakan elemen terbanyak keempat (setelah besi, oksigen, silikon). Magnesium membentuk 2% kerak dari massa bumi pada saat ini (Ibrahim dkk, 2015). Magnesium merupakan memiliki beberapa kelebihan sifat ringan, mudah bereaksi dengan logam lain, dengan sifat yang mudah terbakar, setelah mengetahui
sifat magnesium yang
relatif
ringan,
sehingga
cocok digunakan sebagai bahan pengganti dari besi cor dan baja yang relatif berat
[1].
Magnesium juga
banyak
digunakan
dalam komponen peralatan industi, produk otomotif, maupun pertanian, dikarenakn sifatnya yang ringan [1]. Selain digunakan dalam dunia industri *Korespondensi: Tel./Fax.: +62 81294836432 / - E-mail: irza.sukmana@gmail.com magnesium banyak diteliti dan dikembangkan untuk bidang biomaterial, khususnya dalam dunia orthopedi. Karena didalam tubuh manusia dewasa mengandung sekitar 24 gram magnesium dengan 60% berada dalam tulang.
Magnesium dan paduannya memiliki potensi yang besar untuk
menjadi bahan biomaterial implan [2]. Biomaterial merupakan suatu material yang berfungsi untuk memperbaiki atau menggantikan fungsi jaringan pada tubuh manusia. Syarat sebuah biomaterial yang dikatakan baik harus memiliki sifat mekanik yang baik, memiliki sifat biokompabilitas, tidak sulit dalam pembentukan atau proses manufakturnya dan tidak memiliki siat yang merugikan pada tubuh manusia dan tidak terkontaminasi racun ataupun zat-zat yang dapat bersifat karseogenik, biomaterial dapat diperoleh dari bahan alam maupun dari bahan kimiawi atau sintetis [3]. Teknik pengecoran tekan pertama kali di perkenalkan oleh Chernov pada tahun 1878 di negara Rusia, metode pengecoran tekan pada dasarnya merupakan perpaduan proses-proses antara pengecoran dan pembentukan, proses ini yang berarti dari penempaan logam cair yang diberi perlakuaan tambahan sebuah tekanan beban yang berasal dari tenaga hidrolik, Seperti yang dijelaskan pada Gambar 1 [4]. Gambar 1. Perangkat pengecoran tekan Proses ini bertujuan untuk menghasilkan sifat mekanis, permukaan, kepadatan, dan keakuratan sebuah material yang baik [5]. Mekanisne tekan dibedakan
menjadi dua yaitu direct squeeze casting (DSC) dan In-direct squeeze casting (ISC)
[6].
2. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan menggunakan metode
pengecoran tekan, yang memanfaatkan tenaga pompa hidrolik yang menekan material. Material yang digunakan adalah magnesium paduan (AZ31), adapun penjelasan komposisi, sifat kimia dan mekanik magnesium AZ31 seperti
pada Tabel 1 dan Tabel 2. Tabel 1. Komposisi Kimia
Magnesium AZ31 Element Al Zn Mn Fe Si Ni Mg Percent (%) 3.08 0.76 0.15 0.005 0,01 0,002
Bal
Tabel 2. Sifat Fisik Magnesium
AZ31
Sifat fisik
Paduan
Magnesium Titik Cair, K 922 K Titik Didih, K 1380 K Energi Ionisasi 1 738 kJ/mol Energi Ionisasi 11 1450 kJ/mol
Elektronegatifitas
1,
31 3 Kerapatan massa (ρ) 1,74 g/cm Potensial reduksi standar -2,38
Jari-jari atom 1,60 A Kapasitas Panas 1,02 J/gK Potensial Ionisasi 7,646 Volt Konduktivitas Kalor 156 W/mK Entalpi Penguapan 127,6 kJ/mol Entalpi Pembentukan 8,95 kJ/mol
Magnesium murni memiliki kekuatan tarik
110
N/
mm2
dalam bentuk hasil pengecoran (casting). 2.1.
Persiapan
Penelitian. Penelitian ini dilakukan menggunakan metode
pengecoran tekan, proses
penelitian dengan
dimulai dengan mempersiapkan magnesium AZ31 berbentuk silinder dengan dimensi L = 75 mm dan Ø =10,4 mm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dan menyiapkan seluruh perangkat pengecoran tekan, seperti pada Gambar 2. Gambar 2. Spesimen magnesium AZ31 Spesimen awal magnesium AZ31 seperti pada gambar diatas. Dibentuk dengan menggunakan proses pembubutan dan menyesuaikan standar pengujian tarik (ASTM-E8) seperti yang dijelaskan pada Tabel 3. 2.2. Pembuatan spesimen pengujian. 2.2.1. Pengujian tarik Spesimen pengujian tarik sesuai standar ASTM-E8 atau seperti pada Tabel 3 Tabel 3. Standar ASTM-E8 Bagian-bagian Spesimen G-Gage length 30,0 ± 0,1 [1,250 ± 0,005] D-Diameter 6,0 ± 0,1 [0.250 ± 0,005] R-Radius (fillet) 6 [0.188] A-Length 36 [1,4] 2.2.2. Pengujian mikro hardness. Spesimen di potong dengan panjang 10 mm dengan diameter 10,5 mm, pemotongan spesimen pada sisi bagian tengah dari material hasil pengecoran tekan dari seluruh masing-masing spesimen pengujian seperti pada Gambar 3. Gambar 3. Spesimen pengujian mikro hardness 2.2.3. Pelaksaan dan prosedur pengecoran tekan Pelaksaan pengecoran tekan menggunakan parameter dan variasi penelitian, yang dijelaskan pada Tabel 4. Tabel 4. Parameter penelitian No Temperatur (˚C) Tekanan (Mpa) Durasi penekanan (Menit) Holding time (menit) 1 2 450 300 1 7 9 Pada penelitian yang dilakukan memiliki beberapa prosedur pengecoran tekan yang akan dijelaskan sebagai berikut: • Memasang dan mengintalasi peralatan yang diperlukan. • Memasang ejektor pada dies dan mengunci ejektor pada dudukan dies. • Mengatur tekanan gas argon sebesar <1 bar pada regulator. • Memposisikan nozel argon pada lubang dies. • Menghidupkan dan mengatur temperatur 450˚C • Memasukan magnesium kedalam dies. Menahan dan memanaskan magnesium selama 7 dan 9 menit. • Memompa hidrolik sampai tekanan 300 MPa • Menahan durasi tekanan hidrolik selama 1 menit. • Membuka pengunci ejektor dan melepaskan penutup dies pada bagian bawah. • Memompa kembali hidrolik dan mengeluarkan spesimen pengujian.
3. Hasil dan pembahasan 3.1. Pengujian Tarik Pengujian tarik yang dilakukan
merupakan produk proses pengecoran tekan menggunakan parameter temperatur 450˚C, tekanan 300 MPa, waktu penekanan selama 1 menit dengan variasi waktu tahan pemanasan (holding time) 7 dan 9 menit. Gambar 4. Hasil tegangan yield dan maksimal Gambar 5. Hasil regangan maksimal Berdasarkan hasil pengujian seperti pada Gambar 4 dan 5, pada penelitian ini menggunakan parameter temperatur 450˚C, tekanan 300 MPa, waktu tahan penekanan 1 menit dan variasi holding time 7 dan 9 sangatlah berpengaruh pada hasil pengecoran tekan, dimana sifat mekanik pada magnesium AZ31 meningkat. Meningkatnya seluruh hasil pengujian bila dibandingkan dengan tanpa perlakuan. Pada variasi holding time 7 dan 9 menit nilai tegangan yield dan sifat tegangan tarik maksimal yang terbaik pada variasi 9 menit dengan nilai tegangan yield sebesar 10,76 MPa dan nilai tegangan maksimal sebesar 128,77 Mpa, Sedangkan pada sifat regangan maksimal sebesar 0,32. Khususnya pada sifat tegangan tarik maksimal, dari keseluruhan hasil penelitian mengalami peningkatan bila dibandingkan dengan tanpa perlakuan, adapun penurunan yang terjadi pada tegangan yield dan regangan maksimalnya, penurunan tersebut dapat disebabkan over heat (pemanasan yang berlebih), tetapi hasil pada penelitian ini masih relatif jauh dari over heat dan masih batas normal. Melihat penelitian yang dilakukan oleh [7] dengan temperatur 630˚C dan holding time 1800 detik yang berpengaruh pada penurunan tegangan tarik sebesar 545 menjadi 307 Mpa. Selain penurunan yang terjadi disebabkan sifat over heat, adapun penyebab lain terjadinya penurunan tersebut adalah faktor proses penelitian yang terkendala seperti terjepit atau tersangkutnya punch pada dies, sehingga dapat memperlambat dan pemanasan ulang, hal tersebut terjadi karena adanya sisa-sisa magnesium AZ31 yang tertinggal pada dinding cetakan. Sehingga bila dihubungan pengaruh parameter dan variasi holding time dengan sifat mekanik material khususnya kekuatan tarik material, pengaruh tersebut dapat meningkatkan sifat mekanik material magnesium AZ31, namun perlu diperhatikan adalah temperatur dan lama waktu pemanasan (over heat) dapat menurunkan sifat tegangan tarik sebuah material tersebut. 3.2. Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan yang dilakukan merupakan hasil proses pengecoran tekan dengan menggunakan parameter temperatur 450˚C, tekanan 300 MPa, waktu penekanan selama 1 menit dengan variasi waktu tahan pemanasan (holding time) 7 dan 9 menit Gambar 6. Hasil pengujian Kekerasan Keseluruhan hasil pengujian micro hardness yang sudah dilakukan terhadap magnesium AZ31 tanpa perlakuan pengecoran tekan dan magnesium AZ31 hasil pengecoran tekan dengan variasi holding time 7 dan 9 menit, sehingga diketahui nilai kekerasan dan diubah dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 6. Setelah mengetahui hasil pengujian kekerasan dan selanjutnya dapat menarik pembahasan yaitu terjadi penurunan hasil kualitas nilai rata-rata kekerasan pada 7 menit sebesar 39 VHN dan membandingkan dengan hasil magnesium AZ31 tanpa perlakuan dengan nilai rata-rata kekerasan sebesar 41,8 VHN. Apabila membandingkan hasil pengujian tanpa perlakuan dengan hasil pengecoran tekan variasi holding time 9 menit terjadinya peningkatan kekerasan pada material magnesium AZ31 tersebut, dari nilai kekerasan material awal tanpa perlakuan sebesar 41,8 VHN menjadi 46,2 VHN. Peningkatan tersebut terjadi karena pemberian temperatur dan waktu tahan pemanasan keseluruhan material magnesium AZ31 secara cukup sehingga material magnesium AZ31 tersebut mencapai kondisi semi-solid atau material tersebut mulai dalam kondisi meleleh. Menyikapi dari hasil penurunan nilai kekerasan pada holding time 7 menit
tersebut. Dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain
seperti kurang tingginya temperatur dan kurangnya waktu tahan pemanasan, sehingga temperatur belum terdistribusi merata pada material magnesium AZ31 pada saat pengujian penelitian. Selain faktor-faktor tersebut, ada sisa-sisa material magnesium AZ31 yang menempel pada ruang cetakan dapat mengakibatkan punch tersangkut, hal tersebut juga memperlambat proses pengeluaran material dan dapat mempengaruhi kualitas hasil pengecoran tekan. 4. Simpulan Hasil pengujian sifat mekanik khususnya kekuatan tarik magnesium AZ31 hasil pengecoran tekan
mengalami peningkatan yang cukup signifikan bila dibandingkan dengan
tanpa perlakuan
sebesar
94,63 MPa, pada variasi 7 menit sebesar 120,27 MPa dan pada variasi 9 sebesar 128,77 MPa. Hasil pengujian kekerasan magnesium AZ31 hasil pengecoran tekan mengalami penurunan nilai kekerasan pada variasi 7 menit sebesar 39 VHN, bila dibandingkan dengan nilai kekerasan magnesium AZ31 tanpa perlakuan sebesar 41,8 VHN, selanjutnya terjadi peningkatan kekerasan pada variasi 9 menit sebesar 46,2 VHN. Ucapan Terima kasih Penulis mengucapakan terimakasih kepada Kemenristekdikti atas pendanaan Hibah Penelitian tahun anggaran 2018. Daftar Pustaka [1]
Song, G. 2007. Control of biodegradation of
biocompatable magnesium alloys CAST Cooperative Research Centre, School of Engineering, The University of Queensland, Australia. [2] Supriadi, S. Latief, B.S. Sulistyani, L.D. Rahayu, E.F. Rhaka, S.M. Kahari, A.R dan Didi, S. 2015. Simulasi Fabrikasi Bio- Degradable Implant Untuk Aplikasi Tulang Wajah Dengan Menggunakan Material Magnesium. Jurnal
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV).
Departemen Universitas
Indonesia,
Depok. [3] Badeges, A. 2012.
Analisis Proses Biodegradasi Magnesium Yang Telah Melalui Proses
Egual
Channel Angular Pressing (ECAP) Dalam Cairan Fisiologis (In Vitro).
Tesis. Universitas Indonesia.
Jakarta.
[4] Hu, H. 1998. Squeeze Casting Of Magnesium Alloys And Their
Camposites. Jurnal materials
of science
33. Institute Of Magnesium Technology (ITM). Canada. [5] Diannegara, M.A. 2010. Squeeze Casting. Jurnal overview. Universitas Indonesia. Jakarta. [6] Tjitro, S dan Firdaus. 2001. Pengecoran Squeeze. Makalah.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra.
[7]
Meng, Y.
Fukushima, S.
Sugiyama, S
and Yanagimoto,
J.
2014.
Cold formability of AZ31 wrought magnesium alloy undergoing semisolid spheroidization treatment.
Jurnal homepage: Materials
Science & Engineering
A
624
(2015) 148–156,
Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Japan.
[8]
Ibrahim, G.A. Harun, S dan Doni, A.R. 2015. Analisa Nilai Kekasaran Permukaan Paduan Magnesium AZ31 Yang dibubut Menggunakan Pahat Potong Berputar.
Jurnal SNTTM XIV,
Universitas Lampung. Bandar Lampung.
Iqbal et al. /
Jurnal Energi dan Manufaktur vol.
11
no. 1 April
2018 (1-5) 2 Iqbal et al. /
Jurnal Energi dan Manufaktur vol.
11
no. 1 April
2018 (1-5) 3 Iqbal et al. /
Jurnal Energi dan Manufaktur vol.
11
no. 1 April
2018 (1-5) 4 Iqbal et al. /
Jurnal Energi dan Manufaktur vol.
11
no. 1 April
2018 (1-5) 5
