## IDENTIFIKASI DAN ANALISIS MATERIAL CASING REGULATOR GAS
1 Freddy Marpaung, 2 Nyoman Artana
1 Senior Researcher PTIP-BPPT, 2 Specialist Researcher PTIP-BPPT
1,2 Building 251, Puspitek Serpong, Indonesia
1 reddy.marpaung@bppt.go.id, 2 nyoman.artana@bppt.go.id

## Abstrak
Regulator  gas  merupakan  salah  satu  komponen  penting  pada  system  tanki  liquefied natural  gas  (LNG).  Komponen  ini  didesain  harus  mampu  bekerja  pada  temperature  rendah ekstrim dan tekanan tinggi. Dalam keseluruhan proses desain, material memiliki peran penting sehingga  designer  harus  dapat  mengidentifikasi  jenis  material  dengan  fungsionalitas  spesifik agar  ditemukan  konsep  desain  yang layak.  Identifikasi  material  tersebut  dapat  digunakan sebagai  informasi  awal  mengenai  sifat  mekanik dan  struktur  mikro  dari  material. Tujuan  dari penelitian  ini  adalah  menyajikan  data  identifikasi  material  casing  regulator  gas  alam  jenis Belgas  P39  dan  memberikan  rekomendasi  persyaratan  material  yang  harus  dipenuhi  oleh perusahaan lokal yang tertarik untuk mengembangkan material casing regulator tersebut. Pada paper  ini,  identifikasi  material  casing  regulator  Belgas  P39  high  pressure  dilakukan  melalui serangkaian  pengujian,  diantaranya  pengujian  komposisi  kimia,  pengujian  kekerasan, pengujian  metalografi,  dan  pengujian  SEM-EDS.  Selanjutnya  data  hasil  pengujian  tersebut dibandingkan dengan data pembanding standar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa material casing regulator Belgas P39 high pressure termasuk dalam paduan kuningan jenis duplex.
Kata Kunci : Casing Regulator Gas, Material, Paduan Kuningan, Pengujian Material

## Abstract
Gas  regulator  is  one  of  important  component  in  the  liquefied  natural  gas  storage system. This part is designed to be working in cryogenic temperature and high pressure. During the  entire  design  process,  materials  play  an  important  role  in  order  to  obtain  feasible  design concepts.  Materials  identification  is  used  as  initial  information  regarding  mechanical properties  and  microstructure.  The  purpose  of  this  work  is  to  provide  information  regarding material identification of high pressure Belgas P39, to provide recommendation about material requirements  that  have  to  be  fulfilled  of  local  industry  which  interesting  for  developing  this product. In this paper, material identification of high pressure Belgas P39 is conducted using a series  testing,  such  as  chemical  composition  testing,  hardness  testing,  and  micro  structure examination. Then, experimental data is compared with other references. This research results showed that high pressure Belgas P39 material is classified into duplex brass.
Keywords : Brass Alloy, Casing of Regulator Gas, Material, Material Testing

## PENDAHULUAN
Regulator  gas  merupakan  salah  satu komponen  penting  dalam  industri  gas  yang digunakan  untuk  menyalurkan,  mengatur  dan menstabilkan  tekanan  gas  yang  keluar  dari tanki  penampung  untuk  menjaga  aliran  gas
menjadi konstan [1]. Regulator gas umumnya harus  memenuhi  standar  industry  dari  sisi akurasi  dan  kualitas.  Salah  satu  bagian  dari regulator  gas  tersebut  adalah  material  casing yang  didesain  harus  memenuhi  standar  yang berlaku.  Terdapat  dua  jenis  material  yang digunakan  untuk  bodi  casing  regulator  gas
untuk  aplikasi high  pressure yaitu stainless steel 316, monel, inconel dan brass alloy [2].
Paduan  kuningan  merupakan  paduan tembaga-seng  yang  paling  banyak  digunakan sebagai  casing  regulator  gas  dikarenakan memiliki  sifat  mudah  untuk  dimanufaktur, ketahanan  korosi  tinggi  dan  tampilan  yang menarik [3]. Jenis material ini dikelompokkan atas dua bagian yaitu paduan alpha (α) dengan persentase  zinc  37%  dan  paduan  alpha  dan beta  (α+β)  dengan  persentase  zinc  37-45%. Paduan α memiliki struktur kristal FCC yang memiliki sifat duktilitas yang tinggi dan dapat dibentuk  melalui  proses  pengerjaan  dingin, seperti deep  drawing , bending ,  dan cold rolling .  Sementara  paduan  kuningan  dengan kandungan Zn yang lebih tinggi memiliki dua phasa  (bi-phase)  yaitu  phasa-α  dan  phasa-β, dimana  paduan  ini  sering  disebut  dengan paduan  duplex.  Dikarenakan  phasa-β  memiliki struktur  kristal  BCC  sehingga  sifatnya  lebih keras dan kuat dibandingkan dengan phasa-α, akibatnya  paduaan  alpha  dan  beta  sulit dibentuk dengan proses pengerjaan dingin [4].
Material  kuningan  banyak  digunakan untuk  berbagai  aplikasi  seperti  peralatan rumah  tangga,  peralatan  listrik  dan  sektor industri  rekayasa  dengan  tingkat  presisi  yang tinggi.  Hal  ini  dikarenakan  keunikan  sifat yang  dimilikinya  yaitu  mudah  di  machining, di  cor  maupun  dibentuk  melalui  proses metal forming lainnya [5]. Untuk memenuhi persyaratan yang  ditentukan,  tersedia  berbagai  range komposisi  yang  digunakan  untuk  membuat paduan  kuningan  bi-phase.  Selain  unsur
utama (Zn dan Cu), unsur minor ditambahkan untuk  memodifikasi  sifat-sifat  yang  dimiliki- nya  sehingga  material  yang  dihasilkan memenuhi persyaratan yang diinginkan.
Hingga saat ini telah banyak studi di- lakukan  terkait  pengembangan  material  paduan berbasis  kuningan.  Misalnya  penelitian  oleh [6]  melakukan  pembuatan  paduan  kuningan menggunakan  metode  investment  casting dengan  memvariasikan  komposisi  kimia  dan temperature pengecoran. Studi tersebut menunjukkan  bahwa  komposisi  kimia  dan temperatur  mempengaruhi  morfologi permukaan. Hal  ini  ditunjukkan  dengan  adanya  segregasi Cu,  struktur  mikro  yang  lebih  halus  dan terbentuknya  phasa  beta  dengan  struktur Widmanstatten yang lebih halus dan terdistribusi  merata  pada  daerah  yang  meng- alami  pendinginan  cepat.  Selain  itu,  di- identifikasi  terjadi  peningkatan  kekerasan akibat  penambahan  unsur  Al  pada  paduan kuningan  jenis  duplex.  Studi  sejenis  juga dilakukan  oleh  [7]  mengembangkan  paduan kuningan  dengan  memvariasikan  komposisi Zn  menggunakan  teknik  sand  casting.  Studi tersebut  menunjukkan  terjadinya  penurunan duktilitas  dan  kekuatan  tarik  disertai  dengan perubahan  warna  dari  merah  menjadi  kuning dengan adanya peningkatan kandungan Zn.
Studi terbaru yang  dilakukan  oleh [8] membuat paduan Cu-40% Zn dengan menggunakan  teknik investment  casting dan sand  casting .  Pengamatan  struktur-mikro hasil pengecoran menunjukkan adanya phasa- α  dan  phasa-β  yang  dikenal  dengan  struktur-
mikro Widmanstatten. Hasil studi ini menujukkan  bahwa  jumlah  masing-masing phasa tidak hanya bergantung pada komposisi kimia  tetapi  juga  dipengaruhi  oleh  laju pendinginan.  Pada  studi  ini  kami  melakukan identifikasi  dan  analisis  material  casing regulator  gas  alam  jenis  Belgas  P39 high pressure dan memberikan rekomendasi persyaratan material yang harus dipenuhi oleh perusahaan lokal yang tertarik untuk mengembangkan  material  casing  regulator tersebut.

## METODE PENELITIAN
Casing bodi  regulator  gas  yang diamati  pada  penelitian  ini  adalah  regulator
gas  alam  Belgas  P39 high  pressure . Sebelum dilakukan  identifikasi  material,  penelitian  ini diawali dengan studi literature pengembangan katup  gas  berbasis  paduan  kuningan.  Metode penelitian  yang  digunakan  adalah reverse engineering melalui serangkaian pengujian  di Pusat  Penelitian  Metalurgi  dan  Material, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), diantaranya  uji  komposisi  kimia,  kekerasan Brinell,  pemeriksaan  morfologi  permukaan (metalografi), dan uji SEM-EDS. Selanjutnya hasil  studi  literatur  dan  data  pengujian dievaluasi  tingkat    kesesuaiannya  dengan material  standar.  Untuk  menyederhanakan penelitian  ini,  dibuatkan  tahapan  penelitian dalam bentuk diagram alir seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar1. Diagram alir penelitian
Gambar2 Casing regulator gas (Belgas P39 high pressure )

## Persiapan sampel uji komposisi kimia
Pengujian  komposisi  kimia  dilakukan dengan  menggunakan  metode  uji optical emission spectroscopy (OES).

## Persiapan Sampel Uji Metalorgi
Pemeriksaan  struktur  mikro  material eksisting  dilakukan berdasarkan standar ASTM E  407-93.  Pemeriksaan  ini  dimaksudkan untuk  mengamati  morfologi  permukaan  dan jenis  phasa  yang  terjadi  pada  permukaannya. Selain itu, pengujian ini juga dilakukan untuk menginvestigasi  proses  pembuatan alloy ter- sebut  dan  histori  perlakuan  panas  yang dialami  oleh  material  tersebut.  Tahapan persiapan  sampel  uji  metalografi  dimulai dengan  pemotongan  spesimen  pada  bagian tertentu  lalu  dimounting  dengan  meng- gunakan resin bening. Selanjutnya dihaluskan dengan  kertas  ampelas  Niken  grade  80,  120, 400,  600,  100,  dan  1200.  Diikuti  dengan
proses  polishing  sampel  menggunakan  pasta alumina  grade  5  µm,  0,3  µm,  0,05  µm.  Hasil polishing  dilanjutkan  dengan  proses  etsa menggunakan larutan K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 .

## Persiapan Sampel Uji Kekerasan
Pengujian  kekerasan  brinell  ( Brinell Hardness )  dilakukan  berdasarkan  standar ASTM  A370.  Pengujian  kekerasan  Brinell tersebut  menggunakan  indentor  bola  baja berdiameter  5  mm  dan  beban  62.5  kgf load . Nilai  rata-rata  kekerasan  HBN  ditentukan dengan  mengukur  10  titik  lokasi  pada  setiap sampel yang diperiksa.

## Persiapan Sampel Uji SEM-EDS
Untuk  menginvestigasi  lebih  detail  struktur mikro  dan  mengkuantifikasi  elemen-elemen pada daerah struktur mikro dilakukan pemeriksaan  dengan  menggunakan Scanning Electron  Microscope (SEM)  dan Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Data  hasil  pengujian  material  casing regulator  Belgas  P39  tersebut  dianalisis  dan dievaluasi  untuk  dibandingkan  dengan  ber- bagai studi yang pernah dilakukan sebelumnya.

## Pengujian Komposisi Kimia
Hasil  pemeriksaan  komposisi  kimia dari  casing  regulator  gas  Belgas  P39  dengan pembanding,  yaitu  paduan  kuningan  jenis CW721R  [9]  ditunjukkan  pada  Tabel  1. Berdasarkan  hasil  pengujian  komposisi  kimia material  eksisting  dan  material  referensi tersebut,  kedua  jenis  material  tersebut  dapat dianggap  identik.  Hal  ini  terlihat  dari  hasil pengujian  material  eksisting  masih  dalam batasan material pembanding. Dengan demikian  material  uji  tersebut  termasuk dalam  paduan  jenis  duplex/ naval  brass yang
dikenal  sebagai  paduan  kuningan  dengan kekuatan tarik yang tinggi.

## Pemeriksaan Struktur Mikro
Morfologi  permukaan  dari  hasil  pengujian metalografi  menunjukkan  bahwa  material Belgas P39 high pressure merupakan kuningan  yang  mengandung  dua  phasa  (bi- phase)    yaitu  paduan  α+β  atau  β’.  Hal  ini disupport  dari  data  struktur  mikro,  phasa-α berupa butir-butir tampak terang (putih)  yang terdistribusi merata berbentuk bulat dan jarum sementara  butir-butir  tampak  gelap  di- identifikasi sebagai phasa β.  Partikel-partikel phasa-α  yang  halus  dan  terdistribusi  merata merupakan penyumbang sifat paling signifikan  pada  struktur  mikro  material kuningan  hasil  coran.  Hal  ini  terjadi dikarenakan  efek  pendinginan  yang  cepat ketika  proses  pengecoran.  Dimana  partikel-
Tabel 1. Komposisi Kimia CW721R Brass dan P39 High Pressure Regulator
partikel  halus  yang  terdistribusi  merata tersebut  meningkatkan  kekuatan  paduan kuningan  tersebut.  Selain  itu  terlihat  adanya presipitat-presipitat  intermetalik  yang  lebih
halus berupa titik-titik berwarna hitam. Detail pembentukan presipitat-presipitat inter-
metallik  ini  dibahas  pada  hasil  pengujian SEM-EDS. Perbesaran 1000x Perbesaran 500x Perbesaran 200x Perbesaran 100x Gambar 3. Struktur mikro material P39 High pressure Regulator pada berbagai pembesaran
Gambar 4. Identifikasi jenis phasa hasil pengujian struktur mikro

## Kekerasan Brinell
Hasil  pengujian  kekerasan  ditunjuk- kan  pada  Tabel  2.  Dimana  nilai  kekerasan permukaan dari material Belgas P39 menunjuk- kan  keseragaman  pada  pada  10  titik pengukuran  dengan  nilai  kekerasan  rata- ratanya adalah 132.08 HBN. Nilai kekerasan tersebut berada dalam batasan sandar  EN  (HBN:  100-140  max).  Selain  itu
dilakukan analisis lebih lanjut untuk mengestimasi  kekuatan  tarik  maksimum  dari material  Belgas  P39.  Gambar  5  merupakan gafik  hubungan  antara  kekuatan  tarik  dengan kekerasan  pada  berbagai  material  logam[6]. Dimana,  grafik  garis  linear  berwarna  hijau merupakan  paduan  brass,  dengan  demikian perkiraan  kekuatan  tarik  dari  material  uji tersebut sebesar 450 MPa.
Tabel 2. Hasil pengujian kekerasan metode Brinell (HB) Belgas P39 high pressure
Gambar 5. Grafik hubungan kekerasan dan kekuatan paduan brass [10]

## Pengujian SEM-EDX
Pengujian  SEM-EDS  ini  dilakukan untuk  membantu  mengidentifikasi  pem- bentukan  senyawa  intermetallik  yang  ada. Gambar  6  menunjukkan  foto  permukaan sampel  uji  menggunakan  SEM  pada  per- besaran 500x dan 1000x.
Selanjutnya untuk membedakan antara  presipitasi  dan  matriks  dilakukan
pengambilan data dengan  menggukan  metode backscattered  electron  imaging dan  di- identifikasi  hanya  terdapat  satu  senyawa intermetallik.  Dalam  gambar backscatter tersebut,  senyawa  intermetallik  berwarna cerah  tersebut  merupakan  bukti  bahwa terdapat  konsentrasi  elemen-elemen  yang tinggi.  Ini  mengindikasikan  kandungan  Pb yang  tinggi  pada  paduan naval  brass [11].
Gambar 6. Foto permukaan electron microsope (a) perbesaran 500x, (b) perbesaran 1000x
Gambar7. Foto permukaan electron microsope (a) area 1, (b) area 2, (c) area 3, (d) area 4
Selanjutnya  dilakukan  uji  spot  EDS pada  4  area  untuk  menentukan  perkiraan konsentrasi  unsur-unsur  pada  presipitasi  dan matriks.  Uji  spot  EDS  di  area  1  yaitu  area matriks phasa α (Gambar 7.a), uji spot EDS di area 2 yaitu area matriks phasa β (Gambar 7.b), uji  spot  EDS  di  area  3  yaitu  pada  presipitat berukuran  besar  berwarna  terang  (Gambar 7.c),  dan  uji  spot  EDS  di  area  4  yaitu  pada presipitat  berukuran  kecil  berwarna  terang (Gambar  7.d).  Pola  peak-peak  dari  hasil analisis ini ditunjukkan dalam Gambar 8.
Hasil  uji  analisa  kualitatif  pada matriks  phasa-α  terdeteksi  hanya  dua  unsur yaitu  Cu  (63,28  %  mass)  dan  Zn  (36,72  % mass).  Sama  halnya  dengan  matriks  phasa-β
juga  hanya  mengandung  dua  unsur  yaitu  Cu (55,31  %  mass)  dan  Zn  (44,69  %  mass). Analisa  pada  presipitat  berwarna  terang  (area 3)  menunjukkan  konsentrasi  Pb  yang  tinggi (74,12  %  mass)  diikuti  senyawa  lainnya  C (6,61 % mass), O (1,93 % mass), Cu (10,08 % mass),  dan  Zn  (7,27  %  mass).  Hasil  analisa pada area 4 juga menunjukkan konsentrasi Pb lebih  tinggi  (66,63%  mass),  Cu  (20,02  % mass),  Zn  (11,69  %  mass),  dan  O  (1,67  % mass).  Dari  hasil  spot  EDS  pada  area  yang berwarna  terang  tersebut  dapat  disimpulkan bahwa paduan kuningan tersebut mengandung senyawa intermetallik yang kaya akan Pb dan berukuran  halus  serta  terdistribusi  merata pada seluruh struktur.
Gambar8. Grafik analisa kualitatif (a) area 1, (b) area 2, (c) area 3, (d) area 4

## SIMPULAN DAN SARAN
Pada  penelitian  ini,  sifat-sifat  dari
produk Belgas P39
high pressure diinvestigasi  dan  dianalisis  untuk  mengetahui jenis material,  proses manufaktur  dan rekayasa struktur mikro yang terjadi. Berdasarkan hasil identifikasi yang dilakukan, produk  ini  termasuk  dalam  paduan naval brass , yaitu paduan kuningan dengan kandungan  phasa-α  dan  phasa-β  disertai dengan  senyawa  intermetallik  Pb  yang  tinggi dan  terdistribusi  merata  pada  matriks.  Hasil pengujian  komposisi  kimia  menunjukkan produk  ini  memiliki  kandungan  Cu  (54,64 %berat),  Zn  (38,50  %berat),  Pb  (1,185 %berat).  Produk  ini  memiliki  kekerasan  rata- rata sebesar 132,08 BHN. Proses pembentukan  Belgas  P39 high  pressure tersebut dapat menggunakan sand casting dan permanent mould casting .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] W. C. Dunn, Fundamentals of industrial  instrumentation  and  process control .  New  York:  McGraw-Hill
Education, 2018.
[2] M.  Heestand,  “Choosing  the  proper valve  material,” controleng.com ,  11
Juni 2016. [Daring]. Tersedia: https://www.controleng.com/articles/ch oosing-the-proper-valve-material/. [Diakses: 12 Maret 2021]. [3] H.  Y.  Atay,  G.  Uslu,  Y.  Kahmaz,  dan Ö. Atay, “Investigations of microstructure and mechanical
properties  of  brass  alloys  produced  by sand casting method at different casting temperatures,” In  IOP  Conference Series: Materials Science and Engineering , vol. 726, no. 1, hal. 1 – 8,
2020.
[4] M.  M.  Haque  dan  A.  A.    Khan, “Investigation on structure and properties  of brass casting,” Journal  of Materials Science and Technology , vol.
24, no. 3, hal. 299 – 301, 2008.
[5] S.  Jha,  D.  Balakumar,  dan  R.
Paluchamy,  “Experimental  analysis  of microstructure and mechanical properties  of  copper  and  brass  based alloys,” IJAME-Int.J.  Automotive  and Mechanical  Engineering ,  vol.  11,  hal.
2317 – 2331, 2015.
[6] G.  Iecks,  L.  M.  A.  Maiolo,  dan  A.  D. Bortolozob,  “Wislei  riuper  osório designing a microstructural array associated  with  hardness  of  dual-phase Cu-Zn alloy using investment casting,” Materials Research , vol. 21, no. 4, hal.
1 – 15, 2018.
[7] O.  Alo,  “Investigation  of  mechanical properties  and  microstructure  of  brass alloys  obtained  from  recycled  copper and zinc metals,” International Journal of  Scientific  &  Engineering  Research , vol. 6, no. 9, hal. 799 – 806, 2015.
[8] S. Kattel, J. Bhatt, R. Subedi, B. Thapa, S.  Sujakhu,  A.  Kafle,  dan  T.  M. Shakya,  “Investigation  of  mechanical properties  of  brass  francis  turbine manufactured  by  local  investment casting technique in Nepal,” Journal of Physics:  Conference  Series ,  vol.  1608,
no. 1, 2020.
[9] Anonim,  “Copper  and  Copper  Alloys:
CW721R  High  Tensile Brass  ~ Manganese Bronze,” aalco.co.uk , 2021. [Daring]. Tersedia: https://www.aalco.co.uk/datasheets/Co pper-and-Copper-Alloys-CW721R- High-Tensile-Brass--Manganese-
Bronze_115.ashx.  [Diakses:  23  Mei 2021]
[10]   Anonim,  “The  naval  brass  for  which the  stress-strain  behavior  is  shown  in Animated Figure 6.12. You might need to  use  Animated,” chegg.com ,  2021. [Daring]. Tersedia: https://www.chegg.com/homework- help/questions-and-answers/naval- brass-stress-strain-behavior-shown- animated-figure-612-might-need-use- animated-figur-q42212816#question- transcript. [Diakses: 25 Mei 2021]
[11]   M.  Türker,  Z.Y.  Comert,  A.  Kisasoz,
dan K.A. Guler, “Experimental
research  on  properties  of  naval  brass castings,” Practical  Metallography , vol.  53,  no.  1,  hal.  24  –  35,  2016