ANALISA PENGARUH KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO TERHADAP KEGAGALAN VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY
Guruh A.Syahputra 1 , Bustami Syam 2 , Tugiman 3 , Farida Ariani 4 , Mahadi 5 , Ikhwansyah Isranuri 6 1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: guruhandryansyahputra@yahoo.com

## ABSTRAK
Velg  aluminium  mempunyai  daerah  yang  dinamakan  area  kritis  terletak  di  daerah hub , spoke, dan flange. Kegagalan  pada  daerah flange,spoke, dan hub dapat  mengakibatkan  banyakkerugian,  baik kerugian  dari  segi  materi  maupun  dari  segi  non  materi.  Tujuan  penelitian  ini  dilakukan  untuk  dapat mengetahui  penyebab  terjadinya  kegagalan  pada  velg  aluminium alloy dengan  pengujian eksperimental  dan  menggunakan  simulasi  numerik.  Objek  penelitian  yang  digunakan  adalah  velg mobil aluminium alloy Toyota Corolla Altis dengan  diameter 17,5 inci (444,5 mm)  dan lebar 7 inci (177,8  mm).  Pengujian  yang  dilakukan  adalah  uji  komposisi  kimia,  uji  kekerasan,  uji  tarik,  uji metalografi. Dari pengujian didapat bahwa komposisi pada material velg merupakan aluminium alloy dengan  tipe  A413.0.  Kekerasan  pada  material  velg  di  daerah flange yang  normal  adalah  80,9  skala BHN.  Kekerasan  pada  daerah flange terdeformasi  plastis  adalah  74,7  skala  BHN.  Tegangan  tarik maksimum  adalah  232,990  MPa,  elongasinya  5,48  %,  tegangan  mulurnya  190,334  MPa,  Modulus Young  72,199  GPa.  Foto  mikro  dengan  100  x  dan  200  x  pembesaran  mendapatkan  porositas  pada daerah yang terjadi  deformasi plastis. Hasil simulasi numerik velg standar menggunakan Ansys 14.0 Workbench mendapatkan Total  Deformation maksimum  menunjukkan  angka  sebesar  0,67475  mm dari  bentuk  semula.Simulasi Equivalent    Stress menghasilkan  tegangan  maksimum  sebesar  71,434 MPa,  dan  tegangan  minimum  yang  terjadi  sebesar  0,073879MPa.  Dapat  disimpulkan  bahwa  yang menyebabkan  kegagalan pada velg aluminium alloy adalah terjadinya banyak porositas pada daerah yang terdeformasi plastis sehingga menyebabkan kekerasan material berkurang.

## Kata kunci: Porositas, Kekerasan Material, dan Simulasi ANSYS

## 1. PENDAHULUAN
Banyak industri otomotif yang  menggunakan paduan alumunium silikon sebagai bahan baku utama  untuk  proses  pengecoran.  Salah  satunya  adalah velg  mobil.  Berdasarkan  bahan  bakunya,  velg mobil  terbagi  menjadi  dua  jenis  yaitu  velg  baja  dan  velg  aluminium [1] .  Paduan  aluminium  yang banyak digunakan pada velg mobil adalah aluminium silikon atau sering disebut juga paduan A413.0 [2] .  Paduan  ini  memiliki  mampu  alir  yang  baik,  mampu  las  yang  baik,  sifat  ketahanan    korosi  yang baik,  memiliki  massa  jenis  yang  rendah  dan heat  treatable .  Dengan  berbagai  keutamaaan  tersebut maka  velg  dengan  paduan  A413.0  menjadi  pilihan  utama  diberbagai  industri  otomotif  sehingga permintaaan velg A413.0 semakin meningkat.
Velg  aluminum  A413.0  adalah  salah  satu  jenis velg  non  ferrous yang  tidak  mempunyai fatique limit . Velg aluminium  mempunyai  daerah yang  dinamakan area kritis atau yang  disebut juga dengan critical area dimana area kritis itu adalah daerah terjadinya konsentrasi tegangan. Area kritis di velg terletak di daerah hub , spoke, dan flange [3] . Kegagalan pada daerah flange dapat mengakibatkan kerugian banyak, baik kerugian dari segi materi  maupun  dari  segi non  materi .  Dari  segi  materi  bagi  produsen  yaitu  kurangnya  minat  pembeli velg racing yang  dibuat  tidak  sesuai  dengan  permintaan  pasar,  bertambahnya  biaya  produksi dikarenakan  velg  yang  mengalami  keretakan  harus  dilebur  kembali.  Dan  kerugian  materi  yang  lain bagi  konsumen  yaitu  dapat  menambah  biaya  karena  velg  akan  mengalami  kerusakan  sebelum mencapai umur pakainya dan kerugian dari segi non materi adalah timbulnya korban jiwa ketika velg tersebut mengalami kegagalan saat sedang dioperasikan.
Masalah  di  atas  dapat  diminimalisir  dengan  menggunakan    analisa  kegagalan  atau failure analysis . Dengan analisa kegagalan dapat ditemukan penyebab terjadinya keretakan pada daerah hub
dan kegagalan yang sama tidak terulang kembali . Berdasarkan uraian di atas, maka sangatlah penting dilakukannya  penelitian failure  analysis guna  meminimalisir  dan  mengetahui  penyebab  terjadinya keretakan  pada  velg  sehingga  dapat  dilakukan  tindakan  untuk  pencegahannya.  Oleh  karena  itu, simulasi  secara  numerik  menggunakan  komputer  dapat  dilakukan  untuk  memodifikasi  bentuk  velg mobil agar kegagalan yang sering terjadi dapat diminimalisir.

## 2.   TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1 Sifat-Sifat Aluminium
Sifat  teknik  bahan  aluminium  murni  dan  aluminium  paduan  dipengaruhi  oleh  konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut. Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas.
Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium [4] .

## 2.2 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu Pada Paduan Aluminium
Jenis dan pengaruh unsur-unsur paduan terhadap perbaikan sifat aluminium antara lain:
1. Unsur Silikon (Si)
Unsur Si dalam paduan aluminium mempunyai pengaruh positif :
a. Meningkatkan sifat mampu alir ( Hight Fluidity ).
b. Mempermudah proses pengecoran
Pengaruh  negatif  yang  ditimbulkan  unsur  Si  berupa  penurunan  keuletan  bahan  terhadap  beban  kejut jika kandungan silikon terlalu tinggi.
2. Unsur Tembaga (Cu)
Pengaruh baik yang dapat timbul oleh unsur Cu dalam paduan aluminium:
a. Meningkatkan kekerasan bahan dengan membentuk presipitat
b. Memperbaiki kekuatan tarik
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan oleh unsur Cu :
a. Menurunkan daya tahan terhadap korosi
b. Mengurangi keuletan bahan dan
3. Unsur Magnesium (Mg)
Magnesium memberikan pengaruh baik yaitu:
a. Mempermudah proses penuangan
b. Meningkatkan kemampuan pengerjaan mesin
Pengaruh  buruk  yang  ditimbulkan  oleh  unsur  Mg  yaitu  meningkatkan  kemungkinan  timbulnya  cacat pada hasil pengecoran.
4. Unsur Besi (Fe)
Pengaruh baik yang dapat ditimbulkan oleh unsur Fe adalah mencegah terjadinya penempelan logam cair pada cetakan.
Pengaruh buruk yang dapat ditimbulkan unsur paduan ini adalah : a. Penurunan sifat mekanis
b. Peningkatan cacat porositas.
5. Unsur Mangan (Mn)
Dengan  unsur  mangan  aluminium  sangat  mudah  dibentuk,  tahan  terhadap  korosi  baik,  sifat dan mampu lasnya baik.
6. Unsur Nikel (Ni)
Dengan  unsur  nikel  aluminium  dapat  bekerja  pada  temperatur  tinggi,  misalnya  piston  dan silinder head untuk motor.
7. Unsur Seng (Zn)
Umumnya  seng  dapat  ditambahkan  bersama-sama  dengan  unsur  tembaga  dalam  persentase kecil.  Dengan  penambahan  ini  akan  meningkatkan  sifat-sifat  mekanik  pada  perlakuan  panas,  juga kemampuan mesin [2] .

## 3.   METODOLOGI
Dalam penelitian ini bahan  yang  digunakan adalah  velg  mobil Toyota  Corolla Altis berbasis logam  aluminium alloy dengan  diameter  17,5  inci  (444,5  mm)    dan  lebar  7  inci  (177,8  mm)  seperti yang terlihat pada gambar 1.
Gambar 1. Velg mobil Toyota Corolla Altis jenis Aluminium Alloy A413.0
Karakteristik dari material velg aluminium jenis A413.0 terlihat pada tabel 1.
Tabel 1. Karakteristik paduan A413.0 Sifat Jenis Sifat Nilai Sifat Fisik Densitas (g/cm 3 ) 2,66 Sifat Tarik ( Tensile ) Ultimate Tensile Strength (MPa) 290 Sifat Tarik ( Tensile ) Tensile Yield Strength (MPa) 131 Sifat Tarik ( Tensile ) Elongasi Tarikan (%) 3,5 Sifat Elastis Shear Modulus (GPa) 26,7 Sifat Elastis Shear Strength (MPa) 170 Sifat Kekerasan Brinell Hardness (HB) 80
Sumber:http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=641c7123204a4c6bb81190f8685 cf60d
Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah : a. Uji Kekerasan b. Uji Foto Mikro c. Simulasi Ansys

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1 Uji Kekerasan
Berdasarkan  pengujian  kekerasan  yang  dilakukan  pada  velg  material  A413.0  di  lima  titik yang  berbeda  pada  daerah flange antara flange yang  normal  dan flange yang  terdeformasi  plastis, diperoleh  hasil  pengujian  seperti  pada  tabel  2  dan  tabel  3.  Hasil  pembuatan  spesimen  uji  kekerasan dapat dilihat pada gambar 2.
(a)
(b)
Gambar 2. Spesimen uji kekerasan, (a) yang terdeformasi plastis, (b) yang normal Dimensi spesimen:
(a) Titik 1,2, dan 3
Panjang = 28,5 mm, lebar = 19,5 mm, tebal = 4 mm Titik 4 dan 5 Panjang = 28,5 mm, lebar = 19,5 mm, tebal = 4 mm
(b) Panjang = 62 mm, lebar = 32,45 mm, tebal = 4 mm
Tabel 2 Pengujian Kekerasan di daerah flange normal dengan beban 500 kg No. Diameter (mm) Hardness (BHN) 1 2,85 76,8 2 2,85 76,8 3 2,75 82,6 4 2,75 82,6 5 2,70 85,7 Rata-rata 80,9
Tabel 3 Pengujian Kekerasan di daerah flange terdeformasi plastis dengan beban 500 kg
No. Diameter (mm) Hardness (BHN) 1 2,90 74,1 2 2,90 74,1 3 2,80 79,6 4 2,90 74,1 5 2,95 71,5 Rata-rata 74,7
Dari  hasil  pengujian  kekerasan  dapat  dilihat  kekerasan  di  daerah flange normal  bernilai 80,9BHN  dan  daerah flange terdeformasi  plastis  bernilai  74,7  BHN.  Hal  ini  menandakan  bahwa kekerasan  pada  velg  di  daerah flange normal  masuk  pada  standar  yang  digunakan  di  pabrik  tetapi sedikit  melewati range tertinggi  yaitu  80  BHN.  Sedangkan  kekerasan  velg  pada  daerah flange terdeformasi plastis bernilai 74,7 BHN.
Dari  hasil  pengujian  ini,  terlihat  perbedaan  antara  daerah flange yang  normal  dan  yang terdeformasi plastis. Sehingga kekerasan mempengaruhi terjadinya velg mengalami deformasi plastis.

## 4.2 Uji Metalografi
Pengujian  metalografi  dilakukan  untuk  melihat  mikrostruktur  yang  ada  pada  spesimen. Pengujian  ini  menggunakan Refrected  Metallurgical  Microscope dengan  tipe  Rax  Vision. Berdasarkan  hasil  uji  metalografi  pada  sampel  spesimen  yang  normal  dan  yang  terdoformasi  plastis dapat  dilihat  pada  gambar  1  dan  gambar  2.  Hasil  pembuatan  spesimen  uji  metalografi  dapat  dilihat pada gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3. Spesimen uji metalografi, (a) yang normal, (b) yang terdeformasi plastis
Dimensi spesimen:
(a) Panjang = 32,4 mm, lebar = 28 mm, tebal = 9 mm
(b) Panjang = 38,25 mm, lebar = 20,25 mm, tebal = 5,25 mm
Gambar 4. Mikrostruktur spesimen yang terdeformasi plastis dengan 200 x pembesaran
Pada  gambar  4  yang  dilingkari  merah  terdapat  porositas.  Alasan  ini  yang  memungkinkan penyebabterjadinya  velg  mengalami  deformasi  plastis.  Porositas  merupakan  cacat  produk  cor  yang dapat  menurunkan  kualitas  hasil  coran.  Salah  satu  penyebab  terjadinya  porositas  pada  penuangan aluminium adalah perbedaan suhu yang sangat tinggi antara cetakan dengan logam cair yang dituang. Proses pembekuan diawali pada bagian logam cair yang lebih dahulu mengenai dinding cetakan.
Hal ini diakibatkan oleh suhu dinding cetakan yang sangat rendah dibandingkan dengan suhu logam  cair.  Pembekuan  yang  cepat  dan  proses  pendinginan  yang  tidak  merata  mengakibatkan sejumlah  gas  terperangkap,  sehingga  terbentuk  pori.  Porositas  oleh  gas  dalam  benda  cetak  paduan aluminium  silikon  akan  memberikan  pengaruh  yang  buruk  pada  kesempurnaan  dan  kekuatan  dari benda tuang tersebut. Cacat ini dapat dihindari dengan penuangan logam yang cukup temperaturnya, mengontrol jumlah gas yang dihasilkan oleh material.

## 4.3 Simulasi Numerik
Hasil simulasi dengan Ansys 14.0 Workbench dapat dilihat dengan cara sebagai berikut.

## 4.3.1 Simulasi Hasil Total Deformation
Pada gambar 5 memperlihatkan hasil Total Deformation .
Al Si Porositas

## Gambar 5. Distribusi Total Deformation
Distribusi perubahan bentuk yang terjadi ditandai dengan kontur warna pada gambar 5 Warna merah menunjukkan daerah konsentrasi deformasi dimana deformasi maksimum terjadi di daerah ini, dan  pada  titik  ini  pulalah  yang  paling  berpotensi  munculnya  deformasi  plastis  pertama.  Selanjutnya distribusi  deformasi  menjalar  sesuai  dengan  warna  sampai  ke  daerah  yang  paling  aman  yaitu  daerah yang  ditunjukkan  dengan  warna  biru.    Deformasi  maksimum  yang  terjadi  sebesar  0,64872  mm  dari bentuk semula.

## 4.3.2 Simulasi Equivalent Stress
Pada gambar 6 memperlihatkan hasil Equivalent Stress .

## Gambar 6. Distribusi Equivalent Stress
Tegangan  maksimum  yang  terjadi  adalah  sebesar  71,023  MPa  dan  tegangan  minimum  yang terjadi  sebesar  0,039784  MPa.  Hal  ini  ditandai  dengan  kontur  warna  merah  yang  mendapat konsentrasi tegangan. Selanjutnya distribusi tegangan menjalar sesuai dengan warna sampai ke daerah yang paling aman yaitu daerah yang ditunjukkan dengan warna biru yang terlihat pada gambar 6

## 4.   KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan dan saran sebagai berikut:
1.  Komposisi  pada  material  velg  aluminium alloy merupakan  aluminium  dengan  tipe  A413,0. Komposisi  kimia  pada  material  aluminium alloy didapat  data  seperti  pada tabel  4.1  yang  terlilat bahwa  semua  komposisi  unsur  pada  velg  masuk  ke  dalam  standar  material  A413,0.  Pada komposisi  material  ini  terlihat  tidak  ada  sesuatu  yang  signifikan  yang  dapat  diperoleh  dari  hasil pengujian, sehingga unsur tidak mempengaruhi penyebab terjadinya deformasi pada velg.
2.  Kekerasan  pada  material  aluminium alloy di  daerah flange normal  adalah  80,9  skala  brinell  dan kekerasan  pada  material  aluminium alloy di  daerah flange yang  terjadi  deformasi  adalah  74,7 skala brinell. Dalam pengujian ini terlihat perbedaan yang signifikan antara daerah flange normal dengan flange yang  terjadi  deformasi,  sehingga  kekerasan  mempengaruhi  terjadinya  deformasi plastis pada velg.
3.    Foto  mikro  dilakukan  dengan  100  x  pembesaran  dan  200  x  pembesaran.  Pada  spesimen  yang normal setelah di uji dengan foto mikro tidak terdapat porositas sedangkan spesimen yang terjadi
Max.
MAX
deformasi plastis terdapat porositas yang terlihat pada gambar 4.7 yang dilingkari  merah. Alasan ini yang memungkinkan penyebab terjadinya deformasi plastis pada velg.
4.    Kekuatan  tarik  pada  material  velg  aluminium alloy pada  pengujian  ini  adalah  232,990  MPa, elongasinya 5,48 % dan kekuatan mulurnya 190,334 MPa. Dari hasil tersebut telah sesuai dengan standar yang digunakan, dengan kata lain tidak ada suatu hal yang signifikan penyebab terjadinya kegagalan pada velg.
5.   Hasil simulasi numerik menunjukkan bahwa velg standar terbuat dari material paduan aluminium A413.0  bila  diberi  beban  6.500  N  maka  simulasi    hasil Total  Deformation maksimum menunjukkan angka sebesar 0,64872 mm dari bentuk semula dan pada titik inilah yang berpotensi munculnya  deformasi  plastis  pertama.  Simulasi Equivalent  Stress menghasilkan  tegangan maksimum sebesar 71,023 MPa, dan tegangan minimum yang terjadi sebesar 0,039784 MPa.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Daryanto. 2004. Reparasi Casis Mobil . Bina Adiaksara. Jakarta.
[2] Hatch, John E., 1984. Aluminium Properties and Physical Metallurgy . Ohio: American Society for Metals.
[3] Anggono,  Wilyanto.  2011. Deciding  the  Optimum  Spoke  Number  of  Motor  Cycle  Cast  Wheel . Seminar Nasional Simulasi Velg. IX (2). 1-5.
[4] A.Schey, John. 2009. Proses Manufaktur . Edisi ketiga. Yogyakarta: Penerbit Andi.