PENGARUH PENAMBAHAN SERAT NILON TERHADAP …

1

PENGARUH PENAMBAHAN SERAT NILON TERHADAP

KARAKTERISTIK CETAKAN KERAMIK DAN PRODUK COR HASIL

INVESTMENT CASTING

Rizky Nurdin, Bondan Tiara Sofyan

Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

Abstrak

Salah satu bagian krusial pada investment casting ialah pembuatan cetakan keramik.

Permasalahan yang terdapat pada cetakan keramik antara lain seringnya terjadi kegagalan saat

proses penghilangan lilin, permeabilitas cetakan yang kurang, dan lamanya proses

pengeringan lapisan slurry keramik. Untuk itu dilakukan penelitian pengaruh penambahan

serat nilon (0, 10, 20 dan 30 gr/l) kedalam slurry cetakan keramik dengan tujuan mengetahui

karakteristik cetakan dan produk cor akibat penambahan nilon pada slurry cetakan keramik.

Karakterisasi pada sampel keramik berupa pengujian 3-point bending, sudut, porositas dan

pengamatan SEM. Untuk produk cor sudu turbin, digunakan paduan Al – 9 wt.% Zn – 4 wt.%

Mg – 3 wt.% Cu menggunakan cetakan keramik 20 gr/l nilon. Karakteristik produk cor

berupa pengujian kekerasan dan pengamatan foto mikro. Dari hasil pengujian didapat bahwa

penambahan nilon akan meningkatkan ketebalan terutama pada bagian sudut cetakan keramik

dan juga porositas pada cetakan keramik, sampel yang tidak diberi tambahan nilon (0 gr/l)

memiliki kekuatan yang lebih baik dibandingkan sampel yang diberi tambahan nilon (10, 20

dan 30 gr/l) baik itu pada bagian rata (flat) maupun pada bagian sudut pada sebelum maupun

sesudah pembakaran. Pada produk cor, nilai kekerasan menggunakan cetakan keramik

berpenguat nilon lebih rendah dibanding tak berpenguat nilon dikarenakan kehadiran

porositas pada produk cor.

Kata Kunci : investment casting; cetakan keramik; serat nilon; sudu turbin; permeabilitas

Abstract

One of crucial part in investment casting is production of ceramic mould. The problems are

found in the ceramic mould such us failure during wax removal, decrease of permeability and

the long duration of drying process of the ceramic slurry coating. Following to this problems,

the main discussion of this study was to analyse the effect of adding nylon fiber (0, 10, 20 and

30 gr/l) into ceramic slurry to the characteristics of mould and as cast product.

Characterization of ceramic mould included 3-point bending testing, edge testing, porosity

testing and SEM. For as cast product, the alloying element are Al – 9 wt.% Zn – 4 wt.% Mg –

3 wt.% Cu by ceramic mould with addition of 20 gr/l of nylon. Characterization of as cast

product included hardness testing and observation of microstructure by optical microscope.

The results show that the addition of nylon increases the thickness of ceramic mould, mainly

at the edges as well as increases the porosity. Samples with no addition of nylon (0 gr/l) have

higher strength than samples with nylon (10, 20 and 30 gr/l) both on flat and edge for green

and fired condition. The hardness of the as cast product made by using ceramic mould with

the nylon addition, is lower. This is due to the presence of porosity in the product.

Keywords : investment casting; ceramic mould; nylon fiber; impeller; permeability

Pengaruh penambahan…, Rizky Nurdin, FT UI, 2013

2

1. Pendahuluan

Peningkatan kebutuhan akan komponen yang presisi serta bentuk yang semakin rumit

mendorong peningkatan penggunaan dari proses investment casting di dunia. Salah satu

bagian krusial dari keseluruhan proses ini ialah pembuatan cetakan keramik [11].

Permasalahan yang sering terjadi pada cetakan keramik ialah seringnya terjadi kegagalan pada

saat proses penghilangan lilin, permeabilitas cetakan yang kurang dan lamanya pengeringan

lapisan cetakan keramik. Dengan menambahankan serat nilon, diharapkan terjadi peningkatan

ketebalan lapisan cetakan yang nantinya berdampak pada peningkatan kapasitas pembebanan,

pengurangan waktu produksi dan peningkatan permeabilitas cetakan. Penelitian ini juga

merupakan bagian dari penelitian besar yang berjudul “Desain dan Pengembangan

Aluminium Sudu Turbin Radial Inflow Mini Melalui Proses Investment casting”. Adapun

prosedur umum dari proses investment casting dapat dilihat pada Gambar 1

Dalam prosedur investment casting (Gambar 1), pola berbentuk komponen akhir yang

diinginkan biasanya terbuat dari lilin, dibentuk dengan cara menginjeksikan lilin cair kedalam

cetakan logam. Setelah pola lilin jadi, kemudian dilakukan perakitan pola bersama sistem

saluran masuk. Pola lilin kemudian dilakukan pencelupan kedalam slurry keramik dan

dilakukan penaburan stucco berulang-ulang sampai membentuk lapisan-lapisan keramik, yang

mana kemudian mengering dan mengeras menyelubungi pola lilin ini. Pola lilin kemudian

dikeluarkan dari cetakan meninggalkan rongga didalam cetakan keramik yang mana

bentuknya sama persis dengan pola lilin yang dicelupkan tadi. Cetakan keramik kemudian

dilakukan pembakaran untuk mengeraskan cetakan dan juga menghilangkan sisa-sisa lilin

yang masih terdapat pada cetakan keramik. Pengecoran logam dilakukan setelahnya dengan

menuangkan logam cair kedalam cetakan keramik. Setelah logam cair ini mengeras, cetakan

Gambar 1. Tahapan-tahapan dalam proses investment casting [1]


3

keramik dihilangkan dengan metode mekanis maupun kimia kemudian dilakukan pemotongan

saluran masuk untuk akhirnya memperoleh komponen akhir produk.

Setiap lapisan yang diaplikasikan kepada cetakan investment casting menggunakan

parameter slurry dan stucco yang berbeda-beda yang nantinya berpengaruh pada perbedaan

sifat fisik lapisan dari cetakan. Whitehouse dan Dahlin [2] menyimpulkan bahwa lapisan

primer tambahan dapat mengurangi permeabilitas cetakan sebanyak 30%. Permeabilitas

berkurang sebanyak 30% berada diantara lapisan kelima dan keenam yang menunjukan

bahwa penambahan lapisan dapat menghalangi aliran gas. Hendricks et al. [3] menemukan

bahwa lapisan pertama yang memiliki viskositas yang lebih besar akan lebih tebal dan

membatasi aliran gas lebih besar dibanding lapisan yang memiliki viskositas lebih rendah.

Hal ini dikarenakan, slurry yang lebih kental memiliki kandungan air yang lebih sedikit

dibanding padatannya sehingga pori mikro yang terbentuk dari penguapan air lebih sedikit.

Selama proses pembakaran, Hendricks [4] menemukan terdapat tiga tahapan selama

proses sintering dari cetakan keramik: awal, tengah dan akhir. Cetakan mengalami sedikit

densifikasi dan penyusutan pori pada tahap awal. Pada tahap ini terbentuk batas antara butir

dan terjadi penghalusan permukaan. Tahap tengah merupakan temperatur dimana mayoritas

densifikasi dan penghilangan dan isolasi pori terjadi. Pada tahap akhir memperlihatkan sedikit

pengikatan tambahan dan meliputi pertumbuhan dan kombinasi butir keramik yang

sebelumnya terbentuk.

Penggunaan material tambahan yang akan terbakar seperti batubara dan polistyrene akan

meningkatkan porositas pada keramik. Material tambahan ini mempunyai batasan

dikarenakan bila terlalu banyak akan membatasi jumlah ikatan pada cetakan [5]. Sementara

porositas pada keramik dengan penggunakan butiran granular akan tinggi, namun porositas ini

kebanyakan tidak terbuka. Dengan menggunakan material tambahan ini kemungkinan

porositas akan semakin terhubung akan besar. Slurry yang mengandung serat didalamnya juga

mempunyai beberapa masalah antara lain: serat ini sulit untuk terdispersi merata didalam

slurry. Penentuan viskositas juga semakin sulit untuk dilakukan dan juga serat ini dapat

mengurangi akurasi kontak antara slurry dan lilin, sehingga slurry yang mengandung serat ini

tidak selalu bisa menjangkau lubang yang kecil, celah, lekukan dan detail halus, meskipun

demikian material ini bekerja dengan baik saat digunakan untuk kepentingan komersial [6].

Paduan aluminium mempunyai densitas dan temperatur penuangan yang rendah,

sehingga tidak perlu diaplikasikan lapisan keramik terlalu tebal sebelum proses pengecoran,

terlebih lagi dengan meningkatkan jumlah lapisan, biaya dan waktu proses akan meningkat

[26]. Oleh karenanya, ketebalan lapisan keramik dapat dikurangkan untuk hanya membuat


4

komponen kecil. Porositas yang terdapat dalam cetakan keramik membuat gas panas yang

terperangkap dalam cetakan selama proses penuangan logam cair keluar sehingga mengurangi

terjadinya shell cracking akibat tekanan gas yang diakibatkan oleh logam cair [7].

Nilon merupakan jenis serat poliamida (Gambar 2), serat ini mempunyai durability yang

sangat baik serta sifat fisik yang bagus. Nilon merupakan polimer semi-kristalin. Adanya

gugus amida –(-CO-NH-)- memberikannya ikatan hidrogen antar rantai poliamida,

memberikan nilon ketahanan terhadap temperatur tinggi, ketangguhan pada temperatur

rendah, berkombinasi dengan sifat fisik lain seperti stiffness, ketahanan aus dan abrasi,

koefisien friksi yang rendah dan ketahanan kimia yang baik.

Bagaimanapun, kegagalan banyak terjadi saat proses penghilangan lilin dan pengecoran

pada bagian berujung tajam dan bersudut [9], dimana cakupan dari slurry dan stucco sangat

kritis dibagian ini. Untuk mengatasi hal ini maka digunakan penambahan polimer cair

kedalam slurry keramik, yang ternyata dapat meningkatkan kekuatan sebelum pembakaran

dari cetakan keramik [10]. Namun, hal ini ternyata menurunkan kekuatan sesudah

pembakaran dari cetakan dan juga polimer organik ini sangat mahal bila digunakan secara

massif. Cetakan keramik yang diproduksi hanya dengan menggunakan colloidal silica binder

mempunyai kekuatan sebelum pembakaran yang sangat rendah sehingga rentan terjadi retak

saat proses penghilangan lilin dan penanganan cetakan keramik [10].

Sifat dari cetakan keramik investment casting yang ditambahkan serat nilon diteliti oleh

Yuan dan Jones [11] menggunakan serat nilon berdiameter 20 µm dan panjang 1 mm yang

ditambahkan kedalam colloidal silica binder berbasis air untuk menggantikan penambahan

polimer cair yang mahal. Penggunaan serat akan meningkatkan ketebalan sebesar 13% pada

bagian flat dan 40% pada bagian sudut. Sehingga untuk memperoleh ketebalan yang sama,

jumlah pengaplikasian lapisan dapat dikurangi dengan menggunakan serat. Perbandingan

kekuatan sebelum pembakaran menunjukan bahwa cetakan dengan penambahan serat

menghasilkan kapasitas pembebanan yang lebih rendah pada bagian rata, namun terjadi

Gambar 2. Struktur kimia dari nilon 6 dan nilon 66 [8]


5

peningkatan 65 % kapasitas pembebanan pada bagian sudut. Kekuatan yang lebih rendah pada

kondisi sebelum pembakaran dikarenakan permukaan nilon yang halus sehingga mudah

keluar dari matriks keramik. Pada kondisi sesudah pembakaran, baik itu polimer maupun serat

nilon akan terbakar, kapasitas pembebanan yang lebih tinggi ditemukan pada cetakan yang

menggunakan serat dimana terjadi peningkatan 26 dan 85 % pada bagian rata dan sudut.

Ketebalan pada bagian sudut juga lebih tinggi sehingga meningkatkan ketahanan dimana

cetakan sering mengalami kegagalan. Keuntungan lainnya ialah dengan menambahkan serat,

permeabilitas cetakan sesudah pembakaran akan meningkat sehingga dapat mengurangi

kegagalan akibat udara yang terperangkap.

Berdasarkan latar belakang diatas, maka inti permasalahan yang dapat diangkat antara

lain bagaimana karakteristik cetakan setelah ditambah serat nilon dan karakteristik produk cor

apa yang dihasilkan bila dilakukan penambahan serat nilon kedalam cetakan keramik. Tujuan

dari dilakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan serat nilon kedalam slurry keramik

ialah (a) mengetahui pengaruh penambahan serat nilon terhadap sifat mekanis, permeabilitas

dan mikrostruktur patahan dari sampel cetakan keramik investment casting, (b)

membandingkan dan menganalisa produk cor hasil cetakan dengan penambahan serat nilon

dengan yang tidak menggunakan serat nilon dan (c) mengetahui karakteristik berupa

kekerasan dan mikrostruktur produk cor yang dihasilkan menggunakan cetakan keramik yang

diberi penambahan serat nilon.

2. Metode Penelitian

Penelitian dibagi menjadi dua tahap yakni (1) pembuatan sampel cetakan keramik dengan

menambahkan variasi 0, 10, 20 dan 30 gr/l serat nilon untuk kemudian dilakukan karakterisasi

cetakan keramik investment casting dan (2) pembuatan produk cor dengan menambahkan 0

dan 20 gr/l serat nilon untuk selanjutnya dilakukan karakterisasi pada produk cor.

2.1 Pembuatan Sampel Cetakan Keramik

Untuk pengujian 3-point bending, pola lilin dibentuk dengan ukuran 80 x 20 x 15 mm

(Gambar 3a) sedangkan untuk pengujian sudut pola lilin dibuat seperti pada Gambar 3b.

Gambar 3. Bentuk sampel lilin; (a) pengujian 3-point bending dan (b) pengujian sudut [11]


6

Komposisi slurry primer terdiri dari filler tepung zirkon 325#, binder dan wetting agent.

Slurry primer dibuat pertama dengan mencampurkan binder slurry primer dan tepung zirkon

dengan perbandingan 1:3, kemudian ditambahkan wetting agent sebanyak 0.3% dari total

keseluruhan cairan. Pola lilin kemudian dicelup kedalam slurry primer ini dan saat sampel

masih basah segera dilakukan penaburan stucco zirkon sand dan ditunggu mengering selama

1x24 jam sebelum pencelupan slurry sekunder berikutnya.

Pelapisan lapisan sekunder dibuat dengan mengaplikasikan lima lapis slurry pada sampel

cetakan. Lapisan sekunder dibuat dengan mencampurkan binder slurry sekunder dan filler

tepung zirkon 200# dengan perbandingan 1:2 kemudian dilakukan pengadukan. Dilakukan

penambahan variasi 0, 10, 20, dan 30 gr/l serat nilon dengan panjang 5 mm kedalam slurry

sekunder ini. Lapisan sekunder pertama, dibuat dengan mencelupkan pola hasil pencelupan

slurry primer untuk kedua sampel uji kedalam slurry sekunder. Kemudian saat masih basah

segera taburi stucco ukuan 35# (sedang), dan tunggu hingga lapisan mengering selama 1 x 24

jam sebelum pencelupan berikutnya. Lapisan sekunder kedua, dilakukan dengan mencelupkan

pola lilin hasil pencelupan sebelumnya kedalam slurry sekunder, kemudian dilakukan

penaburan stucco 22# (kasar) dan ditunggu mengering selama 1 x 8 jam. Untuk lapisan

sekunder ketiga dan keempat, prosedur yang dilakukan sama dengan pencelupan lapisan

sekunder kedua. Lapisan terakhir atau seal coat, slurry yang digunakan sama dengan lapisan

sekunder namun tanpa pemberian stucco.

Proses selanjutnya ialah mengeluarkan lilin (dewaxing) dari cetakan keramik. Sampel

dimasukan kedalam panci pengukus, kemudian dimasukan kedalam muffle pemanas dengan

suhu 210 °C sehingga nantinya akan menghasilkan uap panas yang akan melelehkan lilin.

Selanjutnya untuk mensimulasikan kondisi sesudah pembakaran, sampel dimasukan kedalam

muffle furnace dengan suhu 1000 °C selama kurang lebih 1 jam. Pengujian yang dilakukan

selanjutnya ialah 3-point bending, pengujian sudut, uji porositas serta pengamatan SEM.

2.2 Pembuatan Produk Cor Sudu Turbin

Komposisi slurry primer dan sekunder sama dengan proses pembuatan sampel cetakan

keramik hanya saja pada slurry sekunder dilakukan penambahan 0 dan 20 gr/l serat nilon

kedalam slurry sekunder dan proses pengeringan lapisan terakhir selama 86 jam. Pola lilin

yang digunakan ialah berbentuk komponen sudu turbin yang dirakit bersama sistem saluran

masuk didalam satu ‘trees’. Proses pembakaran menggunakan suhu 1050 °C dan paduan

aluminium yang digunakan ialah Al – 9 wt.% Zn – 4 wt.% Mg – 3 wt.% Cu. Suhu pelelehan

aluminium ialah 700 °C, kemudian dilakukan penambahan logam paduan dan proses


7

degassing untuk mengangkat kotoran didalam lelehan aluminium. Disaat bersamaan cetakan

keramik dilakukan preheating terlebih dahulu pada suhu 800 °C selama 1 jam didalam muffle

furnace. Seluruh peralatan yang bersentuhan langsung dengan aluminium cair dilakukan

coating dengan clay terlebih dahulu. Setelah siap, kemudian dilakukan proses penuangan

paduan aluminium kedalam cetakan keramik dan biarkan membeku pada suhu ruang.

2.3 Pengujian dan Karakterisasi

Pengujian 3-point bending dilakukan berdasarkan standard BS 1902: “Method of Testing

Refractory Materials. Sampling and Physical Tests”. Dengan melakukan pengujian ini kita

dapat mengetahui sifat material berupa Modulus of Rupture (MORb), yang mana kita dapat

mengetahui fracture load dari suatu material (Pmax), kemudian MORb, kita hitung

menggunakan Persamaan 1.

Dimana Pmax merupakan fracture load, W merupakan lebar sampel, H merupakan tebal

sampel dan L merupakan lebar diantara dua penyangga dengan besaran sesuaui persamaan 2.

Kita menggunakan mesin uji bending GOTECH AI 7000 LA 10 dengan loading rate

sebesar 1 mm/detik. Kita juga dapat menghitung nilai adjusted fracture load (AFLb) pada dari

nilai MORb yang didapat (Persamaan 3). Dimana Fb adalah konstanta dengan nilai 0.1 [11].

(1)

(2)

(3)

Gambar 4. (a) konfigurasi penekan pengujian sudut dan (b) desain specimen pengujian sudut [11]


8

Alat yang digunakan untuk penekan pengujian sudut (Gambar 4) memiliki ukuran θ =

29o[6]. Kekuatan dari sisi sudut sampel kita hitung menggunakan Persamaan 4 [12].

Dimana F merupakan nilai fracture load, T merupakan ketebalan diujung sampel, W

merupakan lebar sampel dan d merupakan panjang sisi sampel. Nilai kapasitas pembebanan

atau AFLw didapat melalui Persamaan 5. Dengan fw adalah konstanta dengan nilai 0.17 [11].

Pengujian prosistas cetakan keramik dilakukan sesuai dengan langkah-langkah yang

terdapat pada ASTM C20. Dimana pertama timbang berat kering (D) sampel setelah

sebelumnya dilakukan pemanasan pada suhu 105 – 110 °C, selanjutnya rendam sampel di air

mendidih selama 2 jam dan diamkan pada suhu ruang selama 12 jam. Ukur berat sampel

didalam air (S) kemudian keluarkan sampel dan timbang beratnya (W). persen porositas

dihitung menggunakan persamaan 6, dengan memasukan nilai yang sudah didapat.

P

Untuk mengetahui pengaruh cetakan keramik dengan tambahan serat nilon terhadap

kekerasan dari produk cor yang dihasilkan, maka dapat dilakukan uji kekerasan dari sampel

produk cor menggunakan metode Rockwell B sesuai standard ASTM E18. Dari hasil

perpatahan sampel pengujian sudut, dilakukan pengataman SEM dengan sebelumnya

dilakukan pelapisan terlebih dahulu mengguakan Pd/Au pada sampel cetakan keramik. Untuk

produk cor aluminium dilakukan pengataman foto mikro dan SEM.

3. Hasil Penelitian dan Pembahasan

3.1 Perbandingan Ketebalan Sampel Cetakan Keramik

5

8

11

14

17

20

0 10 20 30

Ket

ebal

an (

mm

)

Penambahan Nilon (g/l)

SebelumPembakaran

SesudahPembakaran

5

8

11

14

17

20

0 10 20 30

Ke

teb

alan

(m

m)


SebelumPembakaran

SesudahPembakaran

(4)

(5)

(6)

a b

Gambar 5. Pengaruh penambahan 0, 10, 20 dan 30 gr/l serat nilon terhadap ketebalan cetakan

keramik untuk sampel; (a) pengujian 3-point bending dan (b) pengujian sudut


9

Pada Gambar 5(a), untuk sampel 3-point bending terlihat bahwa ketebalan dari sampel

hasil penambahan 10, 20 dan 30 gr/l nilon mengalami peningkatan. Peningkatan ketebalan

terjadi karena penambahan serat nilon akan meningkatkan viskositas dari slurry dan akhirnya

akan meningkatkan ketebalan lapisan dari cetakan keramik. Namun ketebalan yang lebih

tinggi terjadi pada penambahan 0 gr/l nilon, hal ini tidak sesuai dengan hipotesa awal dimana

penambahan nilon akan meningkatkan ketebalan lapisan. Peningkatan ketebalan lebih

dikarenakan peningkatan viskositas dari slurry itu sendiri, yang semakin lama jika terpapar

udara akan terjadi penguapan dari kandungan air yang terdapat pada slurry cair sehingga

viskositas akan semakin meningkat. Secara keseluruhan juga terlihat bahwa ketebalan sampel

sebelum pembakaran lebih tinggi dibandingkan sesudah pembakran, hal ini dikarenakan saat

keramik dilakukan pembakaran akan terjadi mekanisme sintering sehingga terjadi penyusutan

ukuran pori dan pemadatan keramik sehingga menurunkan ketebalan saat sesudah dibakar.

Pada Gambar 5(b), untuk sampel pengujian sudut terlihat bahwa seiring penambahan

mulai dari 0, 10, 20 dan 30 gr/l nilon ketebalan dari sampel untuk kedua kondisi mengalami

peningkatan. Hal ini sesuai dengan hipotesa dimana dengan meningkatkan partikel solid yakni

menambahkan serat nilon kedalam slurry cair maka viskositas akan meningkat sehingga

meningkatkan ketebalan saat slurry cair diaplikasikan. Dari Gambar 5 (a dan b) juga terlihat

bahwa ketebalan sampel pengujian sudut lebih rendah dibandingkan 3-point bending, hal ini

mengindikasikan bahwa daerah sudut merupakan daerah kritis dimana cakupan slurry rendah

3.2 Sifat Mekanis Sampel Cetakan Keramik

Pada Gambar 6(a) untuk sampel 3-point bending, terlihat kekuatan yang lebih rendah

pada sampel yang diberi nilon dibandingkan dengan sampel 0 gr/l nilon pada kedua kondisi.

Kekuatan sebelum pembakaran pada sampel berpenguat nilon yang lebih rendah diakibatkan

permukaan serat nilon yang sangat halus yang membuatnya mudah untuk terdorong keluar

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30

MO

RB (

MP

a)

Penambahan Nilon (gr/l)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30

AFL

B (

N)

Penambahan NIlon (g/l)

Gambar 6. Pengaruh penambahan fraksi berat 0, 10, 20 dan 30 gr/l serat nilon terhadap nilai; (a)

MORb dan (b) AFLb cetakan keramik melalui pengujian 3-point bending

a b


10

dan bergeser dari matriks [11]. Hal ini mengindikasikan bahwa hanya membutuhkan sedikit

gaya untuk membuat serat nilon keluar dari matriks sehingga menghasilkan kekuatan yang

lebih rendah. Pada kondisi sesudah pembakaran, nilai rendah ini dikarenakan serat nilon yang

terbakar ketika dilakukan pembakaran sehingga meninggalkan pori lebih banyak daripada

sampel cetakan tanpa nilon yang nantinya menurunkan kekuatan sesudah pembakarannya.

Pada sampel dengan tambahan nilon mulai dari 10, 20 dan 30 gr/l nilon saat kondisi sebelum

pembakaran terlihat terjadi peningkatan kekuatan, adapun terjadinya penurunan kekuatan

pada penambahan 20 gr/l nilon dikarenakan tidak meratanya distribusi serat nilon didalam

cetakan keramik yang diakibatkan sulit terdispersinya nilon ini didalam slurry keramik [6].

Adapun saat kondisi sesudah pembakaran terlihat terjadi peningkatan kekuatan. Hal ini tidak

sesuai dengan hipotesa awal dimana penambahan nilon ini diharapkan justru akan mengurangi

kekuatan saat sesudah pembakaranya. Kekuatan sesudah pembakaran yang lebih rendah

memiliki keuntungan yakni kemudahan dalam proses pembongkaran nantinya. Peningkatan

kekuatan ini kemungkinan diakibatkan adanya karbon yang tertinggal akibat proses

pembakaran nilon dan hal ini dibuktikan pada hasil pengamatan SEM.

Pada Gambar 6(b), nilai AFL ini memperhitungkan ketebalan sehingga menggambarkan

kondisi aktual saat sampel diberi beban. Sesuai dengan Gambar 5 mengenai ketebalan sampel,

maka sampel 0 gr/l nilon yang memiliki ketebalan lebih besar akan memiliki nilai AFLb yang

lebih besar pula. Nilai AFLb yang lebih besar ini berarti sampel dengan tidak diberi nilon

memberikan ketahanan terhadap keretakan saat proses penghilangan lilin dan pengecoran

lebih baik dibanding sampel dengan berpenguat nilon. Untuk sampel berpenguat nilon sendiri,

terjadi peningkatan kapasitas pembebanan dikarenakan terjadi peningkatan ketebalan seiring

penambahan serat nilon. Sehingga memberi kesimpulan bahwa memang terjadi penguatan

akibat penambahan serat nilon walaupun nilainya akan sedikit lebih rendah bila dibandingkan

sampel tidak diberi nilon.

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30

MO

RW

(M

Pa

)


0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30

AFL

W (

N)


Gambar 7. Pengaruh penambahan fraksi berat 0, 10, 20 dan 30 gr/l serat nilon terhadap nilai; (a)

MORw dan (b) AFLw cetakan keramik melalui pengujian sudut

a b


11

Pada Gambar 7(a) untuk sampel pengujian sudut, kekuatan yang lebih besar terlihat pada

sampel 0 gr/l nilon. Sama halnya seperti yang terjadi pada sampel untuk pengujian 3-point

bending, hal ini disebabkan karena pada sampel dengan nilon pada kondisi sebelum

pembakaran, serat nilon yang ada bergeser atau keluar dari matriks keramik dikarenakan

permukaaan serat nilon yang sangat halus [11]. Untuk sampel sesudah pembakaran,

pengurangan kekuatan dikarenakan serat nilon yang terbakar sehingga menghasilkan pori

yang akan mengurangi kekuatannya. Bila kita lihat pada sampel yang berpenguat nilon itu

sendiri, maka terjadi pengurangan kekuatan seiring bertambahanya kandungan serat nilon

yakni mulai dari 10, 20 dan 30 gr/l baik itu pada kondisi sebelum maupun sesudah

pembakaran. Pada kondisi sebelum pembakaran, hipotesa awal ialah penambahan serat nilon

ini akan meningkatkan kekuatan sebelum pembakaran yang nantinya berguna terhadap

ketahanan terhadap proses penghilangan lilin. Namun justru yang terjadi ialah pengurangan

kekuatan, hal ini dimungkinkan karena serat nilon sulit terdispersi dalam slurry sehingga

nantinya akan mengurangi keakurasian kontak antara slurry dan pola lilin [6]. Cakupan slurry

yang cukup sangat penting pada bagian ujung dimana bagian ini ialah bagian kritis yang

rentan terjadi retak. Dengan kondisi yang berada diujung maka cakupan dari serat nilon ini

juga akan kritis sehingga tak maksimal dalam menanggung beban yang diberikan. Pada

kondisi sesudah pembakaran, pengurangan kekuatan nilon diakibatkan serat nilon yang

terbakar kemudian meninggalkan pori yang akan menurunkan kekuatannya.

Pada Gambar 7(b), kondisi sebelum pembakaran, terlihat bawah nilai AFLw pada saat

tidak ditambahkan nilon (0 gr/l) lebih tinggi dibandingkan sampel yang ditambah serat nilon.

Hal ini dikarenakan nilai MORw dari sampel 0 gr/l nilon lebih tinggi dibanding sampel yang

diberi nilon. Hal ini berpengaruh langsung terhadap nilai AFLw yang didapat meskipun

ketebalan dari sampel lebih rendah. Namun terlihat perbedaan nilai AFLw yang tidak terlalu

jauh pada sampel 0 dan 20 gr/l nilon saat kondisi sebelum pembakaran. Nilai AFLw untuk

sampel 0 dan 20 gr/l berturut-turut 39.61 dan 37.63 N. Hal ini mengindikasikan kapasitas

pembebanan dari sampel berpenguat 20 gr/l nilon masih dapat mengatasi kegagalan saat

proses penghilangan lilin. Hal berbeda terjadi pada kondisi sesudah pembakaran, dimana

ketebalan memberikaan dampak signifikan pada peningkata nilai AFLw. Sampel dengan

berpenguat nilon memberikan kapasitas pembebanan lebih baik dibanding tidak diberi nilon.

Hal ini mengindikasikan ketahanan cetakan pada bagian ujung saat proses casting untuk

menahan berat dari logam cair sangat baik. Adapun penurunan nilai AFLw lebih dikarenakan

pengaruh dari nilai MORw yang didapat lebih rendah.


12

3.3 Porositas Sampel Cetakan Keramik

Pada Gambar 8, adanya porositas pada cetakan keramik sangatlah penting karena

keberadaan porositas ini dapat meningkatkan permeabilitas dari cetakan. Porositas pada

cetakan keramik sangat penting terutama pada kondisi sesudah pembakaran dikarenakan

adanya penuangan logam cair. Pada proses pembakaran terjadi penghilangan material selain

keramik akibat suhu tinggi, meninggalkan porositas pada cetakan keramik.

Peningkatan persen porositas pada kondisi sesudah pembakaran dibandingkan sebelum

pembakaran disebabkan penguapan kandungan air yang masih terdapat pada cetakan sehingga

meninggalkan pori pada cetakan keramik ditambah lagi pada sampel cetakan berpenguat

nilon, keberadaan nilon akan semakin memperbesar kandungan porositas dikarenakan nilon

yang terbakar akan meninggalkan keberadaan porositas pada cetakan keramik.

3.4 Pengamatan SEM dan Analisa EDS Patahan Sampel Cetakan Keramik

Berdasarkan Gambar 9, pada titik 1 memperlihatkan adanya serat nilon yang

dikonfirmasi pada EDS (Tabel 1) bahwa terdapat sejumlah kandungan karbon yang cukup

tinggi ditambah lagi terdeteksinya nitrogen dan oksigen. Titik 2 merupakan matriks dari

cetakan keramik saat kondisi sebelum pembakaran dimana pada Tabel 1 mengindikasikan

adanya elemen-elemen seperti Al, Si dan O yang cukup signifikan pada matriks cetakan

keramik, sehingga kemungkinan merupakan senyawa mulite (Al2O3-SiO2). Pada Tabel 1 titik

3 dan 4, terdapat elemen seperti karbon dengan jumlah yang cukup tinggi serta elemen lain

pembentuk cetakan keramik seperti Al, Si dan O. Adanya karbon yang tersisa menandakan

bahwa saat nilon terdegradasi, ada sebagian dari senyawa karbon oksida yang tidak keluar

dari cetakan keramik dan mengendap didalam cetakan keramik sebagai abu karbon. Adanya

senyawa karbon oksida inilah yang menyebabkan mengapa kekuatan dari cetakan keramik

15

17

19

21

23

25

0 10 20 30

Po

rosi

tas

(%)


Gambar 8. Pengaruh penambahan fraksi berat 0, 10, 20 dan 30 gr/l serat nilon terhadap %

porositas yang terbentuk pada sampel cetakan keramik


13

saat sudah mengalami pembakaran masih lebih tinggi seiring peningkatan penambahan serat

nilon dan juga mengapa nantinya pada produk cor terbentuk adanya porositas akibat gas panas

yang tidak sempat keluar melalui pori cetakan keramik.

3.5 Pengamatan Visual Produk Cor dengan Cetakan Berpenguat 20 gr/l Nilon

Pada Gambar 10 (a dan b) terlihat adanya porositas pada bagian patahan blade dan bagian

dalam dari produk cor dan dibuktikan pada pengamatan mikro pada Gambar 12 (a, b, c dan d)

dimana hampir semua bagian sudu turbin terdapat cacat berupa kehadiran porositas.

Gambar 9. Pengamatan SEM sampel cetakan keramik berpenguat 20 gr/l nilon; (a dan b) kondisi

sebelum pembakaran dan (c) kondisi sesudah pembakaran

Tabel 1. Hasil analisa EDS sampel cetakan

keramik 20 gr/l nilon

a b

c

1

2

3

4

Gambar 10. Foto penampang produk cor sudu turbin; (a) patahan blade akibat porositas, dan (b)

permukaan bagian dalam sudu turbin memperlihatkan adanya porositas

a b


14

Porositas pada produk cor, disebabkan karena cetakan keramik yang terlalu tebal

sehingga gas panas akibat proses penuangan aluminium cair tidak bias keluar. Meskipun

porositas dari sampel cetakan keramik (Gambar 8) mengalami peningkatan pada penambahan

20 gr/l nilon, namun dikarenakan pemberian lapisan yang terlalu banyak dan bentuk cetakan

komponen sudu turbin yang rumit, sehingga membuat cetakan terlalu tebal menyebabkan gas

panas tidak punya cukup waktu untuk keluar dan aluminium segera mendingin dengan gas

yang masih terperangkap didalamnya. Padahal seharusnya dengan menggunakan serat nilon,

akan terjadi pengurangan jumlah pemberian lapisan sebagai contoh yang tadinya

menggunakan enam lapisan slurry, dapat dikurangi menjadi empat dengan ketebalan yang

hampir sama. Paduan aluminium mempunyai densitas dan temperatur penuangan yang

rendah, sehingga tidak perlu diaplikasikan lapisan keramik terlalu tebal sebelum proses

Gambar 11. Retak yang timbul akibat tekanan dari gas panas yang tidak dapat keluar dari dalam

cetakan sehingga mengakibatkan porositas pada produk cor

Gambar 12. Hasil foto mikro perbesaran 50x menggunakan zat etsa keller pada produk cor menggunakan

cetakan keramik berpenguat 20 gr/l nilon memperlihatkan adanya porositas pada; (a) bawah sudu turbin,

(b) daerah ujung blade, (c) badan sudu turbin, dan (d) bagian bawah blade

a b

c d


15

pengecoran, terlebih lagi dengan meningkatkan jumlah lapisan permeabilitas akan berkurang

[2], biaya dan waktu proses akan meningkat. Dapat dikatakan bahwa terdapat ketebalan kritis

dari cetakan keramik investment casting untuk aluminium dimana gas masih dapat keluar.

Adanya kandungan abu karbon dari hasil sisa pembakaran nilon ini juga menyebabkan

gas yang tidak dapat keluar dari cetakan keramik. Bukti dari gas panas yang tidak dapat

keluar ini ialah timbulnya retak setelah aluminium yang dituang mendingin (Gambar 11)

sehingga cetakan mengalami tekanan akibat gas panas yang berusaha keluar dan akihrnya

mengalami kegagalan berupa retakan. Adanya porositas ini juga dapat diakibatkan proses

degassing yang kurang lama sehingga masih ada H2 yang terperangkap dalam aluminium.

Porositas ini lah yang menyebabkan rendahnya niai kekerasan pada produk cor dengan

cetakan berpenguat nilon (Gambar 13).

4. Kesimpulan

Kesimpulan yang didapat dari penelitian mengenai karakteristik cetakan keramik dan

produk cor hasil investment casting ini antara lain:

1. Penambahan nilon akan meningkatkan viskositas slurry sehingga berdampak pada

peningkatan ketebalan dari cetakan keramik terutama pada sisi tepi/sudut dari cetakan

keramik dimana cakupan slurry akan kritis pada bagian ini.

2. Porositas pada cetakan keramik meningkat seiring penambahan nilon terutama pada

kondisi sesudah pembakaran akibat nilon yang terbakar sehingga meninggalkan porositas

pada keramik.

3. Sampel yang tidak diberi tambahan nilon (0 gr/l) memiliki kekuatan yang lebih baik

dibandingkan sampel yang diberi tambahan nilon (10, 20 dan 30 gr/l) baik itu pada

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Kek

era

san

(H

RB

)

Penambahan Nilon (gr/l) 0 20

Gambar 13. Pengaruh dari cetakan keramik dengan penambahan 0 dan 20 gr/lt nilon terhadap

kekerasan dari produk cor. Terlihat bahwa kekerasan produk cor hasil cetakan diberi penambahan

nilon memiliki kekerasan lebih rendah dibanding tanpa menggunakan tambahan nilon


16

bagian rata (flat) maupun pada bagian sudut pada kondisi sebelum maupun sesudah

pembakaran. Pengurangan kekuatan dari sampel berpenguat nilon antara lain dikarenakan

sulitnya nilon terdispersi dalam slurry keramik sehingga menghasilkan cakupan kritis

pada pola lilin, permukaan serat nilon yang halus sehingga mudah untuk bergeser dari

matriks keramik yang nantinya mengurangi kekuatan sebelum pembarakannya dan juga

nilon yang terbakar akibat proses pembakaran cetakan keramik akan mengurangi

kekuatan sesudah pembakaranya.

4. Pada pengamatan SEM dan analisa EDS pada sampel cetakan keramik membuktikan

bahwa memang saat kondisi pembakaran serat nilon akan menghilang namun

meninggalkan abu karbon pada matriks keramik. Keluarnya serat nilon akibat permukaan

yang sangat halus juga dikonfirmasi melalui SEM yang mengakibatkan kekuatan sebelum

pembakaran dari sampel berpenguat nilon lebih rendah dibanding yang tidak

menggunakan serat nilon.

5. Pada pengamatan visual produk cor hasil investment casting menggunakan cetakan

keramik berpenguat 20 gr/l nilon didapat adanya cacat berupa porositas gas. Porositas ini

disebabkan oleh gas yang sulit keluar dikarenakan penggunaan lapisan slurry yang terlalu

banyak padahal dengan menambahkan serat nilon seharusnya terjadi pengurangan jumlah

pengaplikasian lapisan slurry keramik, dapat dikatakan pula terdapat ketebalan kritis dari

cetakan keramik untuk paduan aluminium dimana gas masih dapat keluar. Adanya

kandungan abu karbon yang pada matriks keramik juga dapat mengurangi permeabilitas

cetakan. Serta proses degassing yang kurang sempurna dapat menimbulkan cacat

porositas gas.

6. Adanya porositas pada produk cor berpengaruh terhadap nilai kekerasan yang lebih

rendah dibanding sampel yang memiliki porositas lebih sedikit. Keberadaan porositas

pada produk cor sudu turbin ini dikonfirmasi juga oleh pengamatan struktur mikro

menggunakan foto mikro.

5. Kepustakaan

[1] ASM International Handbook Committee. ASM Handbook Volume 15: Casting. ASM

International.1988

[2] C. Whitehouse, B. Dahlin, “Effects of Wax Viscosity and Shell Permeability on Shell

Cracking”, Investment Casting Institute, 2008.


17

[3] M.J. Hendricks, M.J.P. Wang, R.A. Filbrun, D.K. Well. “The Effect of Seal Dips on

Ceramic Shell Properties and Performance”, Investment Casting Institute 50:18 (2002):1-

12.

[4] M.J. Hendricks, “Processing and Firing Influences on Ceramic Shell Materials”, Foundry

Trade Journal, June 1991.

[5] Y. Guzman. “Certain Principles of Formation of Porous Ceramic Structures. Properties

and Applications (A Review)”, Glass and Ceramics 60: 9-10 (2003): 280-283.

[6] Doles, R.S., Viers, D.S., 2009. Filler Component for Investment Casting Slurries.

USPatent No. 7588633 B2.

[7] Pattnaik, Sarojrani et al. “Developments in Investment Casting Process—A Review”.

Journal of Materials Processing Technology 212 (2012): 2332-2348.

[8] <http://www.engr.utk.edu/mse/Textiles/Nylon%20fibers.htm>, diakses 24 November

2012

[9] Jones, S dan Yuan, C.“Advances In Shell Moulding for Investment casting”. Journal of

Materials Processing Technology 135 (2003): 258–265.

[10] Jones, S. “Improved Sol Based Ceramic Moulds for Use in Investment casting”. PhD

thesis, University of Birmingham, UK,1993.

[11] Yuan, C dan Jones, S. “Investigation of Fibre Modified Ceramic Moulds for Investment

casting”. Journal of the European Ceramic Society 23 (2003): 399-407.

[12] Hyde, R. “The Mechanical Properties of Mould Materials For Investment casting”.

Ph.D Thesis, University of Birmingham. UK, 1999


Documents

PENGARUH PENAMBAHAN SERAT NILON TERHADAP …