## KONVEKSI PAKSA SELAMA PEMBEKUAN PADUAN Al-4 wt% Cu DAN

## PENGARUHNYA TERHADAP MAKROSEGREGASI

## Shinta Virdhian
Balai Besar Logam dan Mesin, Kementerian Perindustrian Jalan Sangkuriang No. 12, Bandung, Jawa Barat 40135 Email: shinta-v@kemenperin.go.id

## ABSTRAK
Makrosegregasi  adalah  ketidakseragaman  komposisi  pada  jarak  yang  dapat  dibandingkan  dengan  ukuran produk,contohnya  mm,  cm  bahkan  meter.Ketidakseragaman  komposisi  ini  akan  berakibat  menurunnya  sifat mekanis  dari  hasil  produk direct  chill  casting pada  Aluminium  ingot/billet.  Pada  paduan  Al-4%Cu, macrosegregasi  dimaksudkan  ketidakseragaman  komposisi  Cu  pada  ingot/billet.  Dalam  penelitian  ini,  pompa screw yang dirancang khusus  untuk memproduksi dan memodifikasi aliran dalam logam cair selama pembekuan paduan  Al-4%  Cu.  Pompa screw digunakan  unuk  mempoduksi  aliran  konveksi  paksa  sejajar  atau  berlawanan dengan  konveksi  alami  dengan  cara  mengatur  arah  dan  kecepatan  putaran.  Hasil  analisa  struktur  mikro menunjukkan  bentuk  butiran  yang equiaxed  dendritic untuk  semua  kasus  dalam  penelitian  ini.  Peningkatan intensitas dari konveksi paksa akan menurunkan ukuran butir secara kualitatif, walaupun secara kuantitatif tidak ditemukan nilai perbedaan yang signifikan.  Analisa makrosegregasi menunjukkan bahwa konveksi paksa searah dengan konveksi alami menyebabkan segregasi positif (presentase Cu yang lebih besar dari rata-rata) di bagian tengah dari bilet, peningkatan kecepatan lebih lanjut akan menyebabkan variasi komposisi menjadi lebih besar dan makrosegragasi akan sulit untuk dikontrol.Konveksi paksa yang berlawanan dengan segregasi akan menekan konveksi alami sehingga dihasilkan variasi komposisi yang lebih kecil.
Kata kunci : proses direct chill casting, makrosegregasi, konveksi paksa

## ABSTRACT
Macrosegregrationisthe inhomogeneous  of  thecompositionat  distancescomparable  tothe  size  of  theproduct,  for examplemm,  cmand  evenfeet.  Inhomogeneousofthis  compositionwillresult  in  decreasedmechanical  propertiesof theresulting  productindirect  chillcasting  aluminumingot/billet.  In  thealloyAl-4%  Cu,  macrosegregation  is intendedvariation of composition of Cuin aluminumingot/billet.In this present work, a specially designed screw pump was used to produce and modify theflow in the bulk liquid during solidification . Ascrew pump produced the  forced  flow  aligned  with  natural  convection  or  oppositeto  natural  convection.  The  flow  can  be  controlled with  arrangement  of  rotationspeed  and  direction  of  the  rotation.  The  results  showed  that  the  microstructure remains  the  same  for  all condition.  The  structure  of  grain is  equiaxed  dendritic.   Macrosegregration  analysis showed that forcedflow aligned with natural convection causes positive segregation in thecenterline. Increasing further  the  magnitude  of  the  flow  will  cause  chaotic  flow  inbulk  liquid  and  result  in  irregular  pattern  of composition  profiles,  i.e.macrosegregation  profiles  is  difficult  to  control.  Forced  flow  opposite  to  natural convection suppresses the natural convection and at the certain condition the flow will result in small deviation of composition profiles.
Keywords: direct chill casting, macrosegregation, forced convection

## PENDAHULUAN
Konveksi  (aliran  fluida)  memainkan  peran penting  selama  proses  pembekuan.  Konveksi mengubah  konsentrasi  dan  gradien  termal  di antarmuka  fasa padat/cair, dan karenanya akan mempengaruhi struktur mikro, laju pertumbuhan  butir,  dan  segregasi  dari  unsur- unsur paduan. Proses direct chill casting adalah proses  yang  umum  digunakan  untuk  membuat ingot  atau  billet  (batangan  logam  yang berbentuk  balok  atau  silinder)  aluminium. Skema  dari  proses  direct  chill  casting  dapat dilihat  pada  Gambar  1. 1 Sebuah starting  block diletakkan  didalam  sebuah  cetakan  yang  tidak memiliki  bagian  bawah  ( bottomless ).  Cairan logam  dimasukkan  melalui nozzle ,dan  cairan yang bersentuhan dengan dinding cetakan akan
mulai  membeku  dan  membentuk  lapisan  luar. Sewaktu  bagian  luar  membeku,  bagian  dalam dari  ingot/billet  masih  berupa  fasa  padat  dan cair  ( mushy  zone ).  Kemudian starting  block diturunkan ke bawah dengan kecepatan tertentu dan pada  waktu  ingot  mencapai bagian  bawah dari  cetakan,  aliran  air  jet  akan  membekukan ingot  lebih  lanjut.  Dalam  proses  ini,  cetakan berfungsi sebagai pendingin primer, sedangkan air merupakan pendingin sekunder (pendinginan langsung).
Pada  proses direct  chill  casting ,  ingot  yang terbentuk  terbagi  menjadi  tiga  area,  yaitu daerah  yang  sudah  membeku  di  bagian  bawah ( solid  ingot ),  daerah  gabungan  fasa  padat
dengan  cair  ( mushy  zone )  dan  daerah  yang masih cair ( liquid zone ). 1-3
Gambar 1.  Skematik proses direct chill casting 1
Penyebab  umum  dari  makrosegregasi  adalah aliran  relatif  dari  fasa  padat  dan  fasa  cair selama proses pembekuan logam. 1,3-4,7
Kebanyakan  unsur  paduan  memiliki  kelarutan yang lebih rendah pada fasa padat dibandingkan  pada  waktu  cair. Sewaktu  proses pembekuan,  unsur  terlarut  akan  dikeluarkan dari fasa padatan dan akan memperkaya daerah yang  masih  cair. 1,3,4 Makrosegregasi  positif adalah komposisi paduan yang diatas komposisi  rata-rata, sedangkan  makrosegregasi negatif  adalah  komposisi  paduan  lebih  rendah daripada  komposisi  rata-rata. 1,4 Gambar  2 menunjukkan  tipikal  makrosegregasi  pada aluminum  ingot  yang  dihasilkan  dari  proses direct chill casting . 8
Gambar 2 . Tipikal profil makrosegregasi pada billet Aluminium direct chill casting. 8
Aliran  selama  proses  pembekuan dapat disebabkan  oleh  gaya buoyancy (konveksi alami),  gaya  dari  luar  (konveksi  paksa), pergerakan  fasa  padat  yang  lebih  ringan  atau berat  daripada  cairan,  proses  penyusutan selama  pembekuan  atau  tegangan  permukaan pada  antarmuka  ( Mangaroni  convection ). 7,9 Konveksi  alami  adalah  konveksi  yang  terjadi tanpa adanya gaya dari luar. Driving force dari konveksi  alami  adalah  adanya  perbedaan temperatur  atau  perbedaan  konsentrasi.Gambar 3  menunjukkan  pola  aliran  konveksi  alami. Alirandalam  fluida  dapat  juga  dihubungkan dengan  aliran  cairan  pada  waktu  memasuki cetakan,  sebagai  contoh  pada  waktu  proses penuangan. 10
Gambar 3.  Pembekuan pada ingot, a) Konveksi pada waktu penuangan, (b)-(d) Konveksi alami selama proses pembekuan.
Perangkat lunak dinamika fluida komputasi adalah  alat  yang  dapat  digunakan  untuk memprediksi  atau  memverifikasi  hasil eksperimen  atau  percobaan.    Saat  ini, pengaruh  dari  aliran  fluida  terhadap struktur  dan  segregasi  pada  komersial paduan aluminium belum dimengerti sepenuhnya.    Oleh  karena  itulah  maka percobaan  khusus  dikombinasikan  dengan simulasi  pola  aliran  diperlukan  untuk mempelajari  fenomena  ini.  Penelitian  ini dilakukan  untuk  mengetahui  pengaruh konveksi  paksa  selama  proses  pembekuan terhadap  struktur  dan  makrosegregasi paduan
aluminium .

## METODE PENELITIAN
Analisa  pola  aliran  dengan  perangkat  lunak komersial dinamika fluida komputasi
Dalam  penelitian  ini,  pompa screw khusus didesain  untuk  memodifikasi  aliran  dalam  cairan selama proses pembekuan. Pompa screw digunakan  sebagai  alat  untuk  memberikan konveksi paksa pada cairan logam selama proses pembekuan.  Pompa screw berfungsi  untuk memodifikasi aliran yang searah dengan konveksi  alami  ataupun  berlawanan  dengan konveksi  alami.Turchin  et  al. 21 menggunakan metode yang sama pada mesin direct chill casting dalam  penelitian  mereka.  Geometri  dari  pompa screw dibuat  berdasarkan  ukuran  dari  krusibel dan  dinamika  fluida. 21-22 Penjelasan  penentuan desain  dari pompa screw dijelaskan pada sumber literatur  yang  lain. 21,23 Bagian screw dan  barel dari  pompa screw dibuat  menggunakan  material Hasteloy  (paduan  Nikel)  yang  tahan  terhadap temperatur tinggi dan dilapis dengan boron nitrit. Gambar  3  adalah  gambar  dari  file  STL (s tereolithography )  yang  digunakan  perhitungan simulasi  pola  aliran.  Gambar  4(a)  menunjukkan set-up dari  percobaan  yang  akan  dilakukan, sedangkan  Gambar  4(b-d)  menunjukkan  bagian- bagian  dari  pompa screw yang  meliputi  bagian screw , barel dan krusibel.
Perangkat  lunak  komersial  Dinamika
Fluida Komputasi ( Computational Fluid Dynamics )  digunakan  untuk  memodelkan  pola aliran  yang  dihasilkan  oleh  pompa screw serta besarnya  kecepatan  dari  aliran.  Performa  dari pompa screw dievaluasi  secara  kualitatif  yang meliputi  kemampuan  untuk  menghasilkan  aliran yang  mempengaruhi  pembekuan  secara  efektif, pembetukan vortices seminimal  mungkin  serta kesimetrisan aliran yang dihasilkan.
Gambar 4. Gambar STL yang digunakan dalam perhitungan, a) set-up eksperimen, b) bagian screw . c) bagian barel, d) krusibel.
Pompa screw dimodelkan  menggunakan perangkat  lunak  3D  CADyaitu  Pro/ENGINEER
Wildfire 3.0 ( Parametric Technology Corporation ).  Performa  dari  pompa screw dianalisa menggunakan perangkat lunak komersal FLOW -3D (versi 9.1). Perhitungan pola aliran  dan  profil  kecepatan  cairan,  dilakukan tanpa  memasukkan  proses  pembekuan.  Domain perhitungan  adalah  3D  model  dari  set-up eksperimen.Komputasional domain adalah 20 cm x  20  cm  x  18  cm  yang  dibagi  menjadi  490852 kubik  sel.  Pendekatan finite  volume digunakan untuk  memecahkan  persamaan Navier-Stokes untuk  aliran  fluida  secara  iterative  dengan minimum time  step 10 -9 s.  Sebelumnya,  kode yang  digunakan  dalam  perhitungan  ini  telah divalidasi dengan hasil eksperimen yang meliputi pengisian cetakan, pembekuan dan pola aliran. 24 Perhitungan  dihentikan  setelah  mencapai kondisi steady  state .Dalam  perhitungan  simulasi pola  aliran  ini,  material  yang  digunakan  adalah paduan  Al  4  wt%  Cu  dengan  berat  jenis  cairan 2460  kg/m 3 ,  temperatur  cairan  720 0 C  , viskositasdinamik 0.0013 Pa.s, dengan kecepatan putaran  1  putaran/detik.  Studi  kasus  yang  akan disimulasikan  menggunakan  perangkat  lunak FLOW 3D dapat dilihat pada Tabel 1.
Asumsi-asumsi yang digunakan dalam perhitungan pola aliran meliputi:
a) Aliran  dalam  pompa screw dianggap
sebagai aliran laminar. b) Cairan logam adalah fluida incompressible dan  memiliki  permukaan bebas.
c) Kontak  dengan  batas  padat  bagian  luar adalah kondisi no-slip untuk  persamaan momentum.
d) Perhitungan  simulasi  hanya  menhitung aliran  tanpa  memasukkan  parameter perpindahan panasnya.
e) Temperatur  awal  diatas  temperatur  cair leleh dari cairan logam.
Tabel 1.  Studi kasus untuk perhitungan pola aliran dan kecepatan aliran. Studi kasus Bentuk barel Diameter dalam pompa Posisi barel terhadap screw Konveksi paksa 1 Silinder 25 mm Sejajar Searah konveksi alami 2 Silinder ditambah dengan bagian kerucut ( cone ) 10 mm Sejajar Searah konveksi alami 3 Silinder 10 mm Posisi barel di bawah screw Searah konveksi alami 4 Silinder 10 mm Posisi barel di bawah screw Berlawanan konveksi alami

## Eksperimental
Percobaan  dilakukan  di  Laboratorium  Material Proses  di  Delf  University  of  Technology, 2007.Percobaan  dilakukan  dalam  krusibel  yang berukuran diameter atas 130 cm, diameter bawah 80  mm  dan  tinggi  175  mm.  Pompa screw diletakkan  di  bagian  tengah  dari  krusibel  pada jarak  50  mm  dari  bagian  dasar.  Material  yang digunakan dalam percobaan ini adalah aluminium dengan penambahan 4% paduan tembaga.Paduan Al  4  wt%  Cu  dipilih  dalam  penelitian  ini disebabkan  paduan  ini  memiliki  tempeatur  leleh yang relatif rendah, daerah temperatur pembekuannya  yang  lebar.Selain  itu  sifat fisikdan  karakteristik  pembekuannya  yang  sudah
dimengerti  dan  mudah  dimasukkan  dalam perhitungan simulasi.
Temperatur  awal  dari  cairan  adalah 720 0 C.  Perputaran  dari  pompa screw dihentikan apabila  temperatur  sudah  mencapai  640 0 C dimana  fasa  dari  cairan  sudah  mencapai  fasa padat-cair( mushy  zone ).  Temperatur  dari  cairan diukur  dengan  termokopel  yang  diletakkan  pada daerah yang dekat barel (Gambar 5).Sebuah pelat besi  diletakan  pada  bagian  bawah  dari  krusibel untuk mengarahkan pembekuan dari bagian dasar krusibel ke atas.Untuk menghindari cairanmembeku  dari  atas  maka  pada  bagian  atas diberikan insulator.Gambar 5 menunjukan set-up dari  eksperimen.Tabel  2  memberikan  ringkasan mengenai  percobaan  yang  dilakukan  pada penelitian ini.
Gambar 5.  Set-up percobaan konveksi paksa dengan menggunakan pompa screw
Tabel 2.  Ringkasan percobaan yang dilakukan dalam
penelitian ini No Kondisi Aliran Kode Kecepatan putaran (putaran per detik) 1 Tanpa aliran NC 0 2 Aliran searah konveksi alami NC4 4 3 Aliran searah konveksi alami NC6 6 4 Aliran searah konveksi alami NC8 8 5 Aliran berlawanan konveksi alami ONC4 4
Setelah percobaan, masing masing sampel  dikeluarkan  dari  cetakan  dan  dipotong pada  arah  longitudinal  yang  melewati  garis tengah  ( centerline )  seperti  yang  terlihat  pada Gambar  6a.Profil  dari  makrosegregasi  diperoleh dengan  pengukuran  komposisi  kimia,  dalam  hal ini  presentase  tembaga,  dari  sampel  yang  telah dipotong  (Gambar  6b).  Pengukuran  komposisi kimia dari sampel dilakukan dengan menggunakan spark spectrum analyzer (SpectroMax).  Pemgukuran  dilakukan  pada setiap  jarak  8  mm  pada  arah  longitudinal  pada posisi  10,  20,  30  cm  dari  bagian  dasar krusibel.Absolut error dari pengukuran komposisi menggunakan  alat  ini  adalah  ±  0.01  wt  %.Hasil yang  diperoleh  merupakan  nilai  nomalisasi  dari komposisi  rata-rata  tembaga  dalam  paduan aluminium tembaga ini.
Pengujian  selanjutnya  adalah  pengujian mikrostruktur  dari  sampel.  Bagian  tengah  pada arah  longitudinal  dari  sampel  (Gambar  6b) dipotong  ,  untuk  kemudian  di  grinding,  poles, etsa  dan  diperiksa  strukturnya  mengunakan mikroskop  optik  dengan  sinar  polarisasi.  0.5% HF  digunakan  untuk  mendapatkan  mikrostruktur dari sampel.
Gambar 6.  Skematik sampel yang digunakan untuk analisis, a) analisis makrosegregasi dan makrostruktur,
b) analisis mikrostruktur.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis  pola  aliran  dengan  perangkat  lunak komersial dinamika fluida komputasi Hasil  simulasi  menggunakan FLOW 3D  dari keempat  kasus  tersebut  dapat  dilihat  pada Gambar 6. Gambar 7(a) menunjukkan pola aliran dari  hasil  simulasi  pada  kasus  1,  dimana  jarak antara barel  dengan  bagian  dasar  krusibel  adalah 20 mm. Aliran di dalam  barel menunjukkan arah
ke  bawah  yang  berarti  sejajar  dengan  konveksi alami.  Pada  bagian  bawah  barel  terdapat  aliran keluar  yan  pada  akhirnya  membentuk vortices di kedua  sisi.Hal  ini  disebabkan  jarak  yang  terlalu dekat  antara  bagian  dasar  krusibel  dengan barel.Hasil  perhitungan  menunjukkan  kecepatan pada daerah di bawah barel adalah 74 mm/s.
Pada kasus 2, modifikasi dilakukan untuk meningkatkan  volume  cairan  yang  dipindahkan dengan  cara  memperkecil  daiameter  dalam  dari pompa screw .  Selain  itu  penambahan  cone  pada ujung  barel  dimasukkan  untuk  memfokuskan aliran.Jarak  antara  pompa screw dengan  bagian dasar  dimodifikasi  menjadi  30  mm  untuk menghindari  terjadinya vortices akibat  pantulan aliran  dari  dinding  krusibel.  Hasil  simulasi  pola aliran  pada  kasus  2  menunjukkan  pada  bagian dalam pompa screw kecepatan aliran lebih tinggi apabila  dibandingkan  dengan  kasus  1.  Hal  ini menunjukkan  peningkatan  volume  cairan  yang dipindahkan oleh pompa screw .Penggunaan cone pada  bagian  barel  membuat  aliran  tidak  simetris dan menimbulkan banyak vortices .Dalam melakukan percobaan, pola aliran yang diharapkan  adalah  menyerupai  pola  konveksi natural  (searah  maupun  berlawanan  arah),  tetapi dengan kecepatan aliran yang lebih
besar(pengaruh adanya external force dari pompa screw ).Walaupun  begitu,  kecepatan  aliran  yang terlalu  tinggi  akan  menyebabkan  terjadinya vortices dan pembentukan gelembung udara yang harus  dihindari.  Kecepatan  pada  bagian  bawah barel  adalah64  mm/s.  Sebagai  perbandingan, konveksi  alami  pada  daerah  padat-cair  (mushy zone)  6  mm/min 1 ,  yang  merupakan  nilai  sangat kecil  bila  dibandingkan  dengan  kecepatan  aliran yang dihasilkan oleh pompa screw .
Kasus 3 dan  kasus 4  memiliki parameter desain  yang  sama,  perbedaannya  terdapat  pada arah  putaran  dari  pompa screw .  Aliran  yang dihasilkan  searah  dengan  konveksi  alami  untuk kasus  3  dan  berlawanan  dengan  konveksi  alami untuk  kasus  4.Hasil  simulasi  (Gambar  7  (c-d)) menunjukkan  pola  aliran  yang  simetris,  dengan jumlah vortices yang sedikit. Kecepatan maksimum  aliran  terdapat  pada  bagian  bawah dari  barel  dengan  nilai  38.6  mm/s  untuk  kasus  3 dan  40.4  mm/s  untuk  kasus  4.  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa  desain  pada  kasus  3  dan kasus  4  digunakan  dalam  penelitian  ini  untuk membuat konveksi paksa selama proses pembekuan.
(a) (b) (c)

## (d)
Gambar 7.  Hasil simulasi pola aliran yang terbentuk untuk masing-masing kasus dengan menggunakan FLOW 3d (kiri) dan skematik dari pola aliran (kanan), a) pompa dan barel berbentuk silinder sejajar, b) pompa dan barel berbentuk cone, c) pompa dan barel tidak sejajar, aliran searah konveksi alami, dan d) pompa dan barel tidak sejajar, aliran berlawanan dengan konveksi alami.
Analisa  pengaruh  konveksi  paksa  terhadap mikrostruktur dan makrosegregasi paduan aluminium Foto  struktur  mikro  pada  bagian centerline dari kelima  kondisi  percobaan  dapat  dilihat  pada  Gambar 8.Hasil  dari  pengamatan  mikrostruktur    ditemukan adanya struktur yang memiliki floating dendrite dengan  jumlah  yang  tidak  signifikan  berupa patahan  cabang  dendrit  (Gambar  8(d)).  Keseluruhan struktur  mikro  menunjukkan  bentuk  butiran  yang equiaxed dendritic .Pembentukan equiaxed grain dapat disebabkan oleh rendahnya gradient temperatur dalam
cairan  selama  proses  pembekuan.  Dalam  percobaan ini  pendinginan  berlangsung  lambat  karena  hanya menggunakan  pendinginan  dari  dinding  cetakan  dan tidak meggunakan pendinginan sekunder (menggunakan  air)  seperti  pada  proses direct  chill casting . Oleh karena itu gradient temperatur di dalam krusibel  akan  lebih  kecil  dibandingkan  apabila menggunakan pendinginan sekunder. Gradien temperature  yang  rendah  bisa  mempromosikan pembentukan equiaxed grain .
Penghalusan  ukuran  butir  juga  dapat  diamati dengan  semakin  meningkatnya  konveksi  paksa.Pada kondisi tanpa konveksi paksa, ukuran butir lebih besar apabila dibandingkan dengan kondisi konveksi paksa. Hal  ini  sesuai  dengan  beberapa  hasil  penelitian mengenai penggunaan konveksi paksa melalui metode elecmagnetic  stiring dimana  adanya  konveksi  paksa akan  menyebabkan  penghalusan  butir. 1,15,19 Hal  ini disebabkan  oleh  adanya  konveksi  paksa  pada  waktu pembentukan  dendrit  menyebabkan  cabang  dari dendrit akan terlepas dan dibawa oleh konveksi paksa, yang pada akhirnya bertindak sebagai  inti-inti selama proses  pembekuan  ( heterogeneous  nucleation) .  Inti- inti  itu  selanjutkan  akan  berkembang  membentuk equiaxed  grain.  Walaupun  begitu  secara  kuantitatif, penghalusan  ukuran  butir  tidak  menunjukkan  nilai yang signifikan.Ukuran butir berkurang dari 700 ± 60 µm  (tanpa  konveksi  paksa)  menjadi  650  ±  50  µm (konveksi paksa 8 putaran/s).
Gambar  9  menunjukkan  plot  dari  relatif segregasi  terhadap  posisipengukurandan  diagram contour  line hasil  pengukuran  makrosegregasi terhadap  posisi  pengukuran.Hasil  pengukuran  untuk kondisi tanpa konveksi paksa (NC) pada Gambar 9(a) menunjukkan  pola  segregasi  yang  terbagi  dua  pola yaitu  pola  segregasi  positif  pada  setengah  bagian  dan pola  segregasi  negatif  di  bagian  satunya.  Hal  ini berbeda  bila  dibandingkan  pola  segregasi  untuk tipikal  pola  makrosegrasi  pada  proses direct  chill casting untuk  paduan  aluminium  (Gambar  2).  Dari gambar  tersebut,  pada  bagian centerline terdapat segregasi  negatif  dan  daerah  di  kanan  kirinya segregrasi  positif.Segregrasi  negatif  dihubungan adanya  bagian  dendrit  yang  terlepas  ( floating  of detachment  dendrite )  dan  terapung  dalam  cairan. Karena  terbawa  oleh  konveksi  alami,  bagian  dendrit ini  akan  terbawa  ke  daerah mushy  zone dan menyebabkan  segregasi  negatif  di  bagian  tengah / centerline dari bilet.Dari pengamatanhasil mikrostruktur  dimana  ditemukannya  struktur floating dendrite tetapi  jumlahnya  dan  ukurannya  tidak signifikan,  sehingga  pengamatan  struktur  mikro  tidak bisa menjelaskan mengenai variasi pada makrosegregasi  dikarenakan  mikro  struktur  yang sama untuk semua kondisi.
a) NC b) NC4 c) NC6 d) NC8 e) ONC4 Gambar 8. Foto struktur mikro pada bagian centerline untuk  masing- masing kondisi percobaan. a) Tidak  ada  konveksi  paksa (NC). b) Konveksi paksa searah konveksi  alami  4  putaran/s (NC4). c) Konveksi paksa searah konveksi  alami  6  putaran/s (NC6). d) Konveksi paksa searah konveksi  alami  8  putaran/s (NC8). e) Konveksi  paksa  berlawanan arah konveksi alami 4 putaran/s (ONC4).
Oleh  karena  itu  variasi  hasil  dari makrosegregasi akandijelaskan
dengan menganalisa  pergerakan  cairan  (fluida)  akibat adanya konveksi paksa selama proses pembekuan. Pada bagian centerline pada solidification front terdapat dua jenis aliran, yaitu aliran  yang  disebabkan  adanya  penyusutan  dan aliran  akibat  perbedaan  gradient  temperature. Pada  waktu  pembekuan  akan  terjadi  penyusutan yang  menyebabkan  zat  terlarut  dikeluarkan  dari tengah  kea  arah  permukan.  Aliran  ini  akan menyebabkan daerah tengah mengalami segregasi  negatif.  Aliran  yang  kedua  adalah aliran  akibat  perpindahan solute  rich  liquid ke arah  tengah  bilet  sehingga  mengakibatkan segregasi  positif  pada  bagian  tengah.    Konveksi paksa  searah  dengan  konveksi  natural  akan membawa solute-rich liquid dalam zone slurry ke bagian tengah, sehingga akan membuat segregasi positif ke bagian tengah bilet (Gambar 9b).
Peningkatan  magnitude  dari  konveksi paksa  akan  membuat  peningkatan  penetrasi solute  rich  liquid ke  dalam  mushy  zone,  tetapi juga  mengeluarkan  solute  rich  liquid  dari  slury sehinggal  pola  makrosegregasi  yang  tidak beraturan. Pada konveksi paksa yang berlawanan arah  dengan  konveksi  alami,  aliran  ini  akan
menekan aliran yang disebabkan oleh penyusutan sehingga  akan  menkonpensasi  aliran  yang disebabkan oleh penyusutan. Hal ini menyebabkan  nilai  segregasi  relatifnya  menjadi lebih  kecil.    Apabila  konveksi  paksa  yang dihasilkan  bisa  menekan  konveksi  natural  dan mengkonpensasi  aliran  akibat  penyusutan,  maka makrosegregasi  akan  berkurang  secara  dramatis seperti yang terlihat pada Gambar 9 (e).
Gambar  9 . Pengaruh  konveksi  paksa terhadap profil makro segregasi a) Tidak ada konveksi paksa (NC). b) Konveksi paksa searah konveksi alami 4 putaran/s (NC4). c) Konveksi paksa searah konveksi alami 6 putaran/s (NC6). d) Konveksi paksa searah konveksi alami 8 putaran/s (NC8). e) Konveksi paksa berlawanan arah konveksi  alami  4  putaran/s (ONC4).

## KESIMPULAN
Pengaruh konveksi paksa terhadap struktur mikro dan makrosegregasi telah diamati dalam penelitian ini.Keseluruhan struktur mikro menunjukkan  bentuk  butiran  yang equiaxed dendritic .Peningkatan  intensitas  dari  konveksi paksa  akan  menurunkan  ukuran  butir  secara kualitatif,  walaupun  secara  kuantitatif  tidak ditemukan  nilai  perbedaan  yang  signifikan. Pemberian  konveksi  paksa  selama  proses pembekuan dapat meningkatkan atau menurunkan makrosegregasi pada bilet. Konveksi  paksa  searah  dengan  konveksi  natural dapat menyebabkan segregasi positif pada bagian
tengah  bilet,  sedangkan  peningkatan  lebih  lanjut akan menyebabkan derajat makrosegregasi menjadi  meningkat.  Konveksi  paksa  yang berlawanan  dengan  segregasi  akan  menekan konveksi  alami  dan  mengkonpensasi  aliran  yang disebabkan  oleh  penyusutan  selama  proses pembekuan  dan  interdendritik flow sehingga dihasilkan pola makrosegregasi lebih seragam..

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  ingin  mengucapkan  terima  kasih  kepada Dr. D.G. Eskin, Dr. Andrey Turchin dan Prof. L. Katgerman atas bimbingannya dalam penelitian.
a) b) c) e)

## DAFTAR PUSTAKA
1 Nadella, R.,D.G. Eskin, Q. Du, L. Katgerman,
2008.Macrosegregation  in  direct-chill casting of aluminium alloys. Progress in Materials Science 53: 421–480.
2 Davidson,  P.A.  and  S.C.  Flood,  1994.Alami convection  of  an  aluminum  ingot  a mathematicalmodel. Metallurgical  and Materials  Transactions  B 25B:  293- 302.
3 Zhang,  H.,  H.  Nagaum,  Y.  Zui,  J.  Cui,
2007.Coupled modeling
of electromagnetic  field,  fluid flow ,  heat transfer and solidification during conventional  DC  casting  and  low frequencyelectromagnetic  casting  of 7xxx aluminum alloys. Advanced Materials Research 15-17: 18-23.
4 Ghosh,  A.,  2001.  Segregation  in  a  cast products, Sadhana 26(1-2): 5-24.
5 Slamet, S., Suyitno, 2012. Pengaruh konsentrasi  Cu  terhadap  sifat  mekanis
Al-Cu  pada  proses  pembekuan  searah ( Unidirectional  Solidification ).  Dalam:
Prosiding  Seminar  Nasional  Sains  dan Teknologi  Fakultas  Teknik  Universitas Wahid Hasyim Semarang 1(1): 82-87.
6 Porter,  D.A.,  K.E.  Easterling,  1992. Phase transformations  in  Metals  and  Alloys.
USA: Chapman and Hall, 514 hal.
7 Beckermann, C., 2002.Modelling of macrosegregation: applications and future  needs. International  Materials Reviews 47: 243-261.
8 Flood, S.C., L. Katgerman,  V.R. Voller, 1991. The  calculationof  macrosegregation and  heat  and  fluid flow s  in  the  DC casting of aluminium alloys. Dalam: M. Rappaz,  M.R.  Ozgu,  K.W.  Mahin, Modeling  of  Casting , Welding  and Advanced Solidification Processes V .Pennsylvania:TMS, 683-690.
9 Viskanta,  R.,  1988.Heat  transfer  during melting  and  solidification  of  metals,
Trans. of ASME, J. of Heat Transfer 110: 1205-1219.
10 Fredriksson,  H.,  U.  Arkelind,  2006. Material Processing  during  Casting .  Chichester: Wiley, 434 hal.
11 Guo, M., Y. Yang, F. Hua, Z. Hu, 20004.The mechanism  of  columnar  to  equiaxed transitionduring
electromagnetic centrifugal  solidification. Zeitschrift  für Metallkunde 95(9): 835-839.
12 Yang,  Y.,  Q.  Zhang,  Y.He,  Z.  Hu,  2001.The segregation of copper and silicon in Al- Si-Cu alloyduring electromagnetic centrifugal  solidification. Science  and Technology  of  AdvancedMaterials 2:
271-275.
13 Prescott,  P.J.,  Incopera  F.P.,  1995.The  effect of  turbulence  on  solidification  of  a binary  metalalloy  with  electromagnetic stirring. Transaction  of  the  ASME 117: 716-724.
14 Rishel,  L.L.,  1993. A  study  of  the  effect  of  a unidirectional bulk flow on the structure  of  selected  aluminum  copper alloy. PhD  Thesis.USA:  University  of Pittsburgh.
15 Zhang, B., J. Cui, G. Lu, 2003. Effects of low-
frequency electromagnetic field
onmicrostructures and macrosegregation of continuous casting 7075 aluminium alloy. Materials Science  and  Engineering  A  355:  325-
330.
16 Murakami,  K.,  H.  Aihara, T.  Okamoto,  1984.
Growth direction of columnar crystalssolidified  in flow ing  melt. Acta Materialia 32(6): 933-939.
17 Filip, O., R. Hermann R, G. Gerbeth,J. Priede, V. Shatriv, A. Gueth, L. Schultz, 2004. Influence  ofmelt  convection  on  the microstructure of levitated and undercooled Nd-Fe-B alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276: 1857-1858.
18 Buchholz,  A.,  S.  Engler,  1996.The  influence of  forced  convection  on  solidification interfaces. Computational  Materials Science 7: 221-117.
19 Fan,  Z.,  G.  Liu,  and  M.  Hitchcock,
2005.Solidification behavior under intensive forcedconvection. Materials Science  and  Engineering  A 413–414: 229–235.
20 Liu,  L. , T.  Huang,  Y.  Xiong,  A.  Yang,  Z.
Zhao,  R.  Zhang,  J.  Li,  2005.  Grain refinement  of  superalloy  K4169  by addition  of  refiners:  cast  structure andrefinement  mechanisms.  Materials Science and Engineering A, 394:1–8.
21 Turchin,  A.N.,  2008. Effects  of  Melt  Flow  in
Casting Process .PHd Thesis. Netherlands: Delft University of Technology.
22 Womer,  T.W.,  Basic Screw Geometry,  Xaloy Inc.
23 Virdhian, S., 2007. Effects of forced convection  on  the  structure  and macrosegregation  of  Al-Cu  Alloy . Master  Thesis.  Netherlands:  Delft University of Technology.
24 Turchin,  A.N.,  D.G.Eskin  and  L.Katgerman, 2007.Solidification under Forced Flow Conditions in a Shallow Cavity. Metallurgical  and  Materials
Transactions A 38 (6): 1317-132.