Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 16-25

## Analisa Cacat yang Terjadi pada Proses Pembuatan Roda Gigi Lurus Melalui Proses Pengecoran Besi Cor Nodular yang Menggunakan Chill
Justino M. Salsinha 1 , Rusnaldy 1 , P. Paryanto 1 , Natalino Fonseca D. S. Guterres 1,2* dan Achmad Widodo 1
1 Department of Mechanical Engineering, Diponegoro University Jl. Prof. Soedharto Street, Tembalang, Semarang 50275, Indonesia
2 Department of Mechanical Engineering, Dili Institute of Technology Rua de Ai-Meti Laran Street, Dili - Timor Leste
*E-mail: natalinofonseca81@gmail.com

## Abstract
Gear surface hardening by using chill in the casting method is very unique in the gear manufacturing process because it shortens the stages of gear manufacturing. The problem that needs attention is the occurrence of defects in the tooth profile after the gears are cast. Porosity defects and shrinkage or expansion defects often occur in the final solidification step in nodular cast iron materials. The use of chill is a fast cooling rate on the surface between the cast and molded material. However, it is easy for air bubbles to occur in the process of forming spheroidal graphite at the end of the solidification step. The purpose of this study was to analyze shrinkage or expansion defects and porosity defects that occur on the tooth profile surface. Casting uses an electric furnace at a temperature of 1400oC and an open mold using silica sand. Before the pouring step, the chill will be heated at a temperature of 700oC. Dimensional change defects are detected by measuring the dimensions of the tooth profile. While the porosity defects were tested by radiography to determine the cavities in the chilled area, then the percentage value of porosity used the pycnometric method and the Archimedes principle. Shrinkage defects in the tooth thickness area are on average 0.2mm (0.04%), while porosity defects in chilled areas are cavities in the surface area of the tooth profile having the highest porosity value reaching 0.108wt.% because it is influenced by Cooling speed too high.
Keywords: Spur gear, Chill, Nodular cast iron, Shrinkage defect, Porosity defect.Abstrak

## Abstrak
Pengerasan  permukaan  roda  gigi  menggunakan  chill  dalam  metode  pengecoran  sangat  unik  pada  proses manufaktur roda gigi karena mempersingkat tahapan pembuatan roda gigi. Tetapi hal  yang perlu diperhatikan adalah terjadinya cacat pada profil gigi setelah roda gigi dicor. Sering terjadi cacat porositas dan cacat penyusutan atau  ekspansi  pada  langkah  akhir  pembekuan  pada  material  besi  cor  nodular.  Penggunaan  chill  sebagai  laju pendinginan cepat dipermukaan antara material cor dan cetakan, akan tetapi mudah terjadi gelembung-gelembung udara  pada  proses  pembentukan  speroidal  grafit  di  saat  langka  akhir  pembekuan.  Tujuan  penelitian  ini  untuk menganalisa  cacat  penyusutan  atau  ekspansi  dan  cacat  porositas  yang  terjadi  pada  permukaan  profil  gigi. Pengecoran menggunakan tungku listrik pada temperatur 1400 o C dan cetakan terbuka menggunakan pasir silika. Sebelum  langkah  penuangan  maka  chill  akan  dipanaskan  pada  temperature  700 o C.  Cacat  perubahan  dimensi dideteksi dengan cara pengukuran dimensi profil gigi. Sedangkan cacat porositas diuji dengan radiografi untuk mengetahui ronga-ronga di daerah yang dilapisi chill, selanjutnya nilai persentasi porositas menggunakan metode piknometri dan prinsip archimedes. Cacat perubahan dimensi di daerah tebal gigi rata-rata mengalami -0,024mm (0,322%),  sedangkan  cacat  porositas  di  daerah  yang  dilapisi  chill  adalah  terdapat  rongga-  rongga  di  daerah permukaan profil gigi memiliki nilai porositas tertinggi mencapai 0,108wt.% karena dipengaruhi oleh kecepatan pendinginan terlalu tinggi.
Kata kunci: Roda Gigi Lurus, Chill, Besi Cor Nodular, Cacat Shrinkage, Cacat Porositas

## 1. Pendahuluan
Sistem  manufaktur  roda  gigi  meliputi  permesinan  dan  ada  juga  menggunakan  proses  pengecoran,  tergantung material yang digunakan [1]. Salah satu proses pembuatan roda gigi lurus dengan material besi cor adalah menggunakan sistem pengecoran, metode pengecoran roda gigi sebagai langkah awal produksi roda gigi untuk membentuk profil gigi kemudian selanjutnya dengan finishing dan proses grinding, blasting dan lain-lain [2]. Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas  roda  gigi  adalah  terjadinya  kesalahan-kesalahan  pada  saat  proses  pengecoran,  proses  permesinan  dan  juga pemilihan material [3]. Material yang telah banyak digunkan untuk pembuatan roda gigi adalah baja karbon dan baja paduan seperti AISI 1040, AISI 1060, AISI 4140, dan AISI 4340. Baja ini dapat digunakan untuk pembuatan roda gigi dengan cara permesinan [4, 1].
Selain material baja, besi cor juga sangat cocok digunakan untuk pembuatan roda gigi. Salah satu besi cor yang banyak dipakai adalah besi cor nodular karena mempunyai kelebihan seperti meredam getaran, ketangguhannya tinggi,
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
kekerasan tinggi dan prosesnya singkat [1]. Besi cor nodular adalah besi cor yang memiliki grafit berbentuk bulat, oleh karena itu besi cor nodular mempunyai keuletan sangat tinggi jika dibandingkan dengan besi cor kelabu, besi cor putih dan besi cor lainnya [5]. Tetapi ada juga kelemahan yang perlu diperhatikan ketika melakukan pengecoran, sering terjadi cacat penyusutan atau ekspansi dan cacat porositas.
Pengerasan permukaan adalah langkah penting dalam pembuatan roda gigi untuk meningkatkan kekerasan tinggi di lapisan permukaan profil gigi sehingga tahan terhadap gesekan yang tinggi pada saat roda gigi beroperasi [6-7]. Salah satu  metode yang sangat  singkat untuk pengerasan permukaan material besi  cor nodular pada saat pengecoran adalah menggunakan chill [8], banyak penelitian telah menggunakan chill untuk mengeraskan permukaan spesimen yang dicor meskipun mereka belum menerapkan ke komponen-komponen mesin seperti roda gigi [9-10].
Chill adalah material atau komponen dengan konduktivitas termal tinggi yang digunakan untuk mempercepat laju pendinginan di dalam cetakan. Chill biasanya digunakan pada sistem pengecoran untuk pengerasan permukaan produk dengan  menggunakan  material  besi  cor  [11].  Salah  satu  faktor  penyebab  dalam  metode  pengecoran  adalah  cacat penyusutan atau ekspansi dan cacat porositas yaitu di daerah permukaan antara dinding cetakan dan benda cor.
Ada  dua  macam  cacat  volumetri  seperti  penyusutan  dan  ekspansi  yang  terjadi  pada  proses  pengecoran.  Cacat porositas  berupa  porositas  kaviti,  porositas  seperti  gelembung  berpori.  Hasil  penelitian  dari  [12]  menjelaskan  bahwa cacat-cacat yang sering terjadi pada permukaan spesimen cor dengan metode chilled casting adalah terjadi penyusutan dan terjadi juga porositas yang memiliki rongga skala kecil terbentuk pada batas butiran yang disebut interdendritik [13]. Terjadinya cacat porositas akan mempengaruhi nilai tegangan tarik dan tegangan impak [14].
Berdasarkan penjelasan Li dkk bahwa cacat porositas terbentuk pada material cor dapat dipengaruhi oleh komposisi kimia yang  terkandung di  dalam material  [15]. Hal  yang sama dengan penelitian dari  K. Allafi  dan A. Ahmadi [16]. Faktor lain adalah temperatur penuangan dan temperatur pembekuan yang tidak merata atau tidak beraturan maka akan menimbulkan cacat cavity di dalam specimen cor [17]. Penelitian yang dilakukan oleh Kim dkk menjelaskan bahwa pori- pori di dalam gas nukleasi yang terjadi pada cairan material cor akan meningkatkan volume cacat porositas [12].
Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang penggunaan chill untuk pengerasan permukaan spesimen cor sehingga nilai kekerasan sangat tinggi dan ketebalan kekerasan sangat tipis tetapi belum dinyatakan terjadi cacat pada permukaan yang dikeraskan. Dengan demikian penulis mencoba menganalisis cacat pada volumetri seperti penyusutan atau ekspansi dan caca porositas pada permukaan profil gigi setelah roda gigi dilakukan pengecoran menggunakan chill untuk pengerasan permukaan.

## 2. Material dan metodologi
2.1. Material dan Proses Pengecoran Roda Gigi
Material dan peralatan penelitian akan disiapkan berdasarkan tujuan dan parameter penelitian yang telah ditentukan. Material yang digunakan untuk peleburan adalah baja skrap dan besi skrap, selanjutnya diproses melalui Mg-treatment sesuai  penelitian  yang  telah  dilakukan  oleh  A.  Boutorabi  dkk  [18]  untuk  mendapatkan  struktur  speroidal  grafit berdasarkan  rekomendasi  panduan  standar  ASTM  A536  [19]  yaitu  mengenai  spesifikasi  besi  cor  nodular  yang diperuntukkan pembuatan roda gigi. Kapasitas crucible yang digunakan adalah 20kg dan dilebur menggunakan tungku listrik dengan tipe Shang Li electric machinery pada temperatur 1400 o C. Proses operasi tungku listrik melalui menaikkan temperatur peleburan material besi cor nodular secara bertahap yang dimulai dari temperatur 400 o C, ditahan selama 5 menit  kemudian dinaikkan lagi ke temperatur 800 o C dan ditahan selama 15 menit. Selanjutnya dinaik  lagi hingga ke temperatur yang ditargetkan.
Material chill yang digunakan untuk pengerasan permukaan roda gigi adalah pelat baja tahan karat (stainless steel) dengan cara melapisi permukaan cetakan. tipe pelat baja tahan karat ini adalah austenitik stainless steel SS 304 seperti yang telah digunakan oleh penelitian terdahulu [9-10]. Ketebalan variasi pelat chill yang dipergunakan untuk masing- masing sampel roda gigi dapat dicantumkan dalam Tabel 1 dan komposisi kimia dari material chill dapat dilihat dalam Tabel 2.
Tabel 1. Parameter penelitian tentang chill dan sampel roda gigi yang akan diproduk
Code sampel roda gigi Tebal chill (SS 304 pelat) (mm) Ketebalan gigi (tooth thickness) (mm) G1 (Acuan) - 16,01 G2 0,2 15,85 B3 0,4 15,88 B4 0,6 15,24
Tabel 2. Komposisi kimia pelat austenitik stainless steel SS 304 untuk pembuatan chill sesuai standar ASTM [21]
Kandungan unsur C Si Mn Ni Cr Fe wt.% 0,05 0,27 1,37 4,91 19,34 72,78
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
Setelah mengetahui material utama untuk pengecoran roda gigi dan chill maka selanjutnya mempersiapkan pola roda gigi dan cetakan terbuka yang terbuat dari pasir silika. Material yang digunakan untuk membuat  cetakan adalah lempengan  kayu  untuk  membuat  bingkai  kotak  untuk  cetakan  pasir  silika,  komposisi  pasir  yang  digunakan  adalah campuran silika SiO 2 (silika dioksida) 89%, bentonit 7,5%, dan air 3,5%, sedangkan jenis resin yang digunakan adalah alkaline phenolic , yaitu bahan perekat. Seperti yang telah dipakai pada penelitian terdahulu [9].
Jumlah pola roda gigi yang dibuat adalah 4 buah yang telah diberi kode dan kegunaannya masing-masing seperti dilihat dalam Tabel 1. Pola roda gigi seperti G2, G3 dan G4 akan digunakan untuk pembentukan lubang di dalam cetakan pasir selanjutnya untuk pengecoran roda gigi yang berjalan dengan tahapan pengerasan permukaan menggunakan chill . Akan tetapi pola roda gigi G1 adalah  hanya digunakan sebagai pola awal. Pola awal roda gigi ini sebagai data pembanding untuk dimensi setelah roda gigi dilakukan proses pengecoran, selain itu pola awal sebagai fungsi untuk mencetak pola G2, G3 dan G4. Tiga pola ini (G2, G3, G4) akan berbeda dimensi terutama dimensi pada daerah tebal gigi (tooth thickness) seperti  dilihat  dalam  Tabel  1.  Material  untuk  pola  acuan  (G1)  adalah  baja  karbon  rendah  yang  dibuat  dengan  mesin hobbing untuk pembentukan profil gigi. Pola roda gigi G2, G3 dan G4 adalah menggunakan material resin+katalisnya dan di campur dengan silicone rubber untuk mencetak bentuk roda gigi lurus. Pola roda gigi dan perakitan pelat penambah terhadap pola (Gambar 1a) hingga dipasangkan untuk pembuatan cetakan resin (Gambar 1b) dan membuat pola G2, G3 dan  G4  (Gambar  1c).  Langkah  selanjutnya  adalah  pola  yang  telah  jadi  akan  dipasangkan  dengan chill (Gambar  1d) sehingga diletakan ke dalam cetakan pasir dapat ditunjukkan pada Gambar 1e. Selanjutnya langkah pengambilan sampel yang telah cor untuk dilanjutkan dengan proses permesinan (bubut) untuk memotong  ketebalan roda gigi sesuai  yang dengan spesifikasi roda gigi.
Gambar 1. Diagram skematik proses pembuatan pola dan chill (a) pola roda gigi acuan dan pelat penambah dimensi (b) pengecoran cetakan roda gigi dari silicone rubber (c) Pola roda gigi yang telah dibuat dan pelat chill (d) perakitan chill terhadap pola roda gigi (e) pembentukan lubang bekas pola pada cetakan pasir silika.
Nomenklatur roda gigi yang dibuat dalam penelitian ini adalah Modul (m) = 8, Jumlah gigi (z) = 10, Tebal roda gigi (f) = 25mm, Diameter poros atau lubang tengah (r) = 40mm, Sudut tekan ( o ) 25 o , Diameter lingkaran kepala (Do) = 96mm, Diameter lingkaran kaki (b) = 60mm, Tinggi gigi (h t ) = 18mm dan Tebal gigi (t) = 16mm.
2.2. Inspeksi dan Pengujian Roda Gigi
Inspeksi roda gigi pada penelitian ini adalah setelah roda gigi dilakukan pengerasan permukaan menggunakan chill . Pengukuran  dimensi  dilakukan  untuk  mengetahui  cacat  penyusutan  atau  ekspansi  pada  profile  gigi  akibat  distorsi volumetrik setelah pengecoran. Dengan demikian pengukuran dimensi menggunakan alat ukur profil proyektor Starrett VB400 dilengkapi dengan Quadra-Chek 200 sebagai fungsi deteksi nilai hasil pengukuran secara digital seperti dilihat pada Gambar 2a dan dapat diukur di daerah titik kontak pada tebal gigi (tooth thickness) seperti dilihat pada Gambar 2b. Pentingnya tebal gigi adalah mempengaruhi perubahan titik kontak awal dan titik kontak akhir di flank gigi. Perubahan tebal gigi ini juga akan mempengaruhi dimensi di daerah addendum dan dedendum [20].  Selanjutnya hasil pengukuran akan diolah di Ms Excel kemudian di analisa melalui grafik.
a b c d Titik awal pengukuran Titik akhir pengukuran Arah pengukuran Garis pitch circle
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46

## 2.3. Pengujian Radiografi
Pada pengujian radiografi menggunakan metode non destruktif menggunakan alat X-ray computed tomography (CT) scan ini paling efisien untuk keperluan kontrol kualitas dari produk-produk pengecoran [21-22]. Peralatan medis ini dalam bidan metalurgi digunakan secara cepat dan akurat untuk mendeteksi porositas, penyusutan dan inclusion pada spesimen dicor seperti yang dilakukan dalam penelitian terkait [23]. Pengujian radiografi dilakukan terhadap 3 sampel (G2, G3 dan G4) setelah dicor dan hasil cacat akan saling dibandingkan karena tiga spesimen roda gigi menggunakan ketebalan chill yang berbeda. Penggunaan tebal pelat chill 0.2mm terhadap sampel roda gigi G2, tebal chill 0,4mm dipakai pada spesimen roda gigi G3, dan tebal chill 0,6mm dipakai  pada  spesimen roda gigi G4. Tujuan dari  pengujian radiografi  ini untuk mendeteksi  posisi  pembentukan  cacat  porositas  di  daerah-daerah  roda  gigi  yang  mengalami  lubang  rongga  akibat gelembung-gelembung udara yang terjadi pada saat langkah pembekuan.

## 2.4. Pengujian Cacat Porositas dan Densitas
Pengujian ini menggunakan metode destruktif, spesimen roda gigi akan dipotong dalam bentuk persegi empat  di daerah-daerah yang mengalami rongga-rongga dan pori-pori berdasarkan hasil uji radiografi dan juga didaerah flank gigi. Dimensi  sampel  uji  adalah  3x3x3mm.  Selanjutnya  sampel  dilanjutkan  dengan  pengujian  densitas  untuk  mengetahui volume cacat porositas (%). Volume cacat porositas akan menggunakan metode piknometri dengan perhitungan prinsip Archimedes untuk mengetahui nilai presentasi porositas yang terjadi di daerah profil gigi seperti yang telah digunakan oleh penelitian terkait Taylor dkk [24] dan penelitiannya D. Tyagita dan Irawan [25]. Setelah hasil diketahui maka nilai persentasi  dibandingkan dengan uji densitas melalui apparent  density dan true density dan memperhitungkan dengan persamaan 1.
%𝑷 = (𝟏 − 𝝆 𝒔 𝝆 𝒕𝒉 ) 𝒙 𝟏𝟎𝟎% .......................................................................................................................................        (1)
Dimana, %P adalah nilai persentasi porositas (%), ρ s adalah apparent density (g/cm 3 ) dan ρ th adalah nilai True density (g/cm 3 ). Selanjutnya hasil perhitungan akan ditampilkan dalam tabel dan di analisa pada grafik.

## 3. Hasil dan pembahasan
Hasil pengecoran roda gigi dapat ditampilkan pada Gambar 3 sedangkan produk roda gigi hasil pengecoran dapat dilihat pada Gambar 3d. Ada 3 (tiga) spesimen roda gigi yang dicetak adalah menggunakan tebal chill yang berbeda untuk mengeraskan permukaan profil gigi. Data-data hasil uji roda gigi yang dapat dibahas dalam bab ini seperti data hasil cacat perubahan dimensi setelah dicor, data hasil uji radiografi dan data hasil pengujian cacat porositas.
Gambar 3. Proses pembuatan roda gigi (a) pengecoran roda gigi (b) pembersihan sampel roda gigi bebas dari ikatan pasir (c) pemotongan ketebalan roda gigi (bubut) (d) sampel roda gigi yang telah jadi
3.1 Hasil Pengujian Cacat Shrinkage (Perubahan Dimensi)
Pengujian hasil pengukuran dimensi dilakukan untuk mengetahui nilai tebalnya cacat penyusutan atau ekspansi yang terjadi  pada  profil  roda  gigi  terutama  di  tebal  gigi (tooth  thickness) .  Data  hasil  pengukuran  dimensi  roda  gigi  dapat ditampilkan dengan cara membandingkan antara roda gigi acuan (G1) dan produk pengecoran  roda gigi G2, G3 dan G4 yang setelah di cor.
Selanjutnya pembahasan dilakukan untuk  setiap  gigi  yang sedang mengalami  penyusutan atau ekspansi. Dari  kondisi menyusut dan ekspansi tersebut akan dapat mengetahui seberapa cacat perubahan dimensi yang terjadi pada roda gigi setelah roda gigi dilakukan pengerasan permukaan menggunakan chill . Gigi-gigi yang dipilih sebagai perwakilan data adalah gigi nomor 1, gigi nomor 2, gigi nomor 5, gigi nomor 6, gigi nomor 9 dan gigi nomor 10. Gigi-gigi dari roda gigi akan diberi simbol dengan T, maka T1, T2, T5, T6, T9 dan T10.
(a) (b) (c)
(d)
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
Tabel 3 Dimensi pola roda gigi setelah daerah tebal gigi (tooth thickness) dilakukan pengukuran.
Dimensi pola roda gigi G1 (Pola acuan) G2 G3 G4 Nomor gigi Tebal gigi (mm) Tebal gigi (mm) Pelat penambah Tebal gigi (mm) Pelat penambah Tebal gigi (mm) Pelat penambah T1 15,080 15,100 0,02mm 15,130 0,05mm 15,180 0,10mm T2 15,120 15,140 15,170 15,220 T5 15,010 15,030 15,060 15,110 T6 15,190 15,210 15,240 15,290 T9 15,170 15,190 15,220 15,270 T10 15,110 15,130 15,160 15,210 Std. Dev. 0,059 0,059 0,059 0,059
Untuk mengetahui nilai cacat ekspansi akan dibedakan dengan kode negatif (-) pada hasil numerik dalam Tabel 4. Yang artinya angka yang disertai negatif (-) adalah roda gigi mengalami cacat ekspansi, untuk angka yang disertai tanda positif (tidak tertulis) yaitu roda gigi mengalami penyusutan.
Tabel 4 Dimensi daerah tebal gigi (tooth thickness) setelah roda gigi dicor dan dilakukan pengukuran Dimensi untuk sampel roda gigi setelah dicor
Nomor gigi G2 G3 G4 Tebal gigi (mm) Tebal chill Tebal cacat (mm) Tebal gigi (mm) Tebal chill Tebal cacat (mm) Tebal gigi (mm) Tebal chill Tebal cacat (mm) T1 15,080 0,2mm 0,000 15,098 0,4mm
-0,018 15,085 0,6mm -0,005 T2 15,119 0,001 15,140 -0,020 15,122 -0,002 T5 15,012 -0,002 15,011 -0,001 15,099 -0,089 T6 15,118 0,072 15,191 -0,001 15,201 -0,011 T9 15,175 -0,005 15,171 -0,001 15,198 -0,028 T10 15,113 -0,003 15,119 -0,009 15,119 -0,009 Std. Dev. 0,054 0,064 0,050 Nilai ketebalan rata-rata cacat/terdistorsi 0,010mm -0,008mm -0,024mm
Dari Tabel 3 tercantum dimensi untuk pola roda gigi awal yaitu pola roda gigi acuan (G1), dengan demikian nilai pola acuan akan dibandingkan dengan nilai perubahan dimensi setelah roda gigi dilakukan pengecoran yang ditampilkan dalam Tabel 4. Selanjutnya hasil perbandingan untuk setiap sampel roda gigi (G2, G3 dan G4) akan ditampilkan dalam grafik pada Gambar 4.

## Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
Gambar 4. Hasil pengukuran nilai cacat setelah sampel roda gigi dilakukan pengecoran (a) tebal cacat pada sampel roda gigi G2 (b) tebal cacat pada sampel roda gigi G3 (c) tebal cacat pada sampel roda gigi G4
Gambar 4a menampilkan hasil cacat yang terjadi pada sampel roda gigi G2 yang menggunakan tebal chill 0,2mm. Sebagian besar daerah tebal gigi (tooth thickness) mengalami penyusutan tetapi ada beberapa gigi juga sedang mengalami cacat ekspansi. Nilai cacat tertinggi atau disebut perubahan dimensi tertinggi yang terjadi pada daerah tebal gigi untuk sampel roda gigi G2 adalah 0,072mm mengalami penyusutan atau penurunan dimensi pada daerah tebal gigi. Sedangkan cacat yang mengalami ekspansi yang tertinggi adalah -0,005mm. Cacat rata-rata dari semua gigi-gig yang mengalami perubahan dimensi  adalah  0,010mm (0,160%). Dilihat dari  hasil rata-rata dari  cacat  penyusutan atau ekspansi  bahwa dengan menggunakan tebal pelat penambah yang fungsinya untuk mencegah cacat penyusutan dan ekspansi pada proses pengecoran  maka nilai rata-rata cacat ini masih termasuk kategori  aman jika dibandingkan dengan nilai standar  cacat porositas untuk sistem pengecoran besi cor nodular adalah 0,7%, yang dijelaskan dalam ASM Handbook Vol. 1 [13].
Gambar  4b  menampilkan  hasil  inspeksi  cacat  untuk  sampel roda  gigi  G3  yang  menggunakan  tebal chill 0,4mm bahwa  jenis  cacat  yang  terjadi  di  daerah  tebal  gigi (tooth  thickness) rata-rata  mengalami  cacat  ekspansi  yang  artinya didaerah-gigi-gigi  mengalami  pertambahan  dimensi  di  tebal  gigi.  Nilai  ekspansi  tertinggi  adalah  0,02mm  dan  nilai ekspansi terendah adalah 0,001mm. Selain itu nilai cacat rata-rata didaerah tebal gigi pada sampel roda gigi G3 adalah - 0,008mm (0,126%). Hasil cacat ekspansi pada sampel roda gigi G3 ini nilainya lebih kecil dari pada nilai cacat rata-rata pada sampel roda gigi G2. Dikarenakan pada pola modifikasi yang menggunakan resin dan silikon rubber seperti dilihat pada  Gambar  1b  adalah  menggunakan  tebal  pelat  penambah  0,05mm,  sehingga  dapat  mencegah  terjadinya  cacat penyusutan pada daerah yang dilapisi chill yaitu daerah tebal gigi (tooth thickness) .
Selanjutnya analisis untuk hasil sampel roda gigi G4 setelah dilakukan pengecoran yang ditampilkan pada Gambar 4c. rata-rata bentuk cacat yang terjadi pada permukaan tebal gigi mengalami cacat ekspansi akan tetapi tidak ditemukan cacat penyusutan pada daerah yang dilapisi chill . nilai cacat ekspansi tertinggi ditemukan pada gigi-gigi yang terpilih adalah - 0,089mm dan nilai cacat ekspansi terendah adalah -0,002mm, dengan demikian nilai cacat rata-rata untuk sampel roda gigi G4 adalah -0,024mm. Sampel roda gigi G4 mengalami cacat ekspansi lebih tebal dari pada sampel roda gigi yang lain karena penggunaan pelat penambah pada pola adalah 0,10mm sehingga pertambahan dimensi pada pola roda gigi dari material resin lebih besar dan dapat mencegah terjadinya cacat penyusutan pada tebal gigi pada saat roda gigi dicor.

## 3.2   Hasil Pengujian Radiografi
Hasil uji radiografi dapat ditunjukkan pada Gambar 5 bahwa pada sampel roda gigi G2 terbentuknya lubang pori di daerah-daerah  yang  di  lapisi chill yaitu  daerah  flank  gigi  tetapi  di  daerah  tengah  tidak  terjadi  lubang  pori.  Porositas terbentuk pada sampel roda gigi G3 adalah terbentuk di daerah akar gigi dan porositas terbentuk pada sampel roda gigi G4 adalah sangat banyak terbentuk di daerah akar gigi. Terjadinya lubang yang berskala kecil maupun skala besar tersebut disebabkan adanya gelembung-gelembung udara pada saat pembentukan sel-sel interdendritik pada saat langkah akhir pembekuan material cor [26-27].
Gambar 5 Cacat porositas (lubang pori-pori) pada profil roda gigi setelah dilakukan CT-scan (a) pembentukan porositas pada sampel roda gigi G2 (b) pembentukan porositas pada sampel roda gigi G3 (c) pembentukan porositas pada sampel roda gigi G4.
(a) Cacat porositas (b) Cacat porositas (c) Cacat porositas
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46

## 3.3   Hasil Pengujian Kekerasan Microvickers
Hasil nilai kekerasan vickers ini diambil pada tahap setelah proses pengecoran. Data hasil nilai kekerasan vickers akan dibanding antara penggunaan chill yang lebih tebal dan penggunaan chill yang lebih tipis. Diperlukan perbandingan karena ketebalan chill sangat mempengaruhi nilai kekerasan pada saat laju pendingginan tinggi akan menciptakan struktur matriks sementi dan struktur fasa martensit mengelilingi grafit nodul seperti yang dijelaskan oleh penelitian terkait [10]. Pada hasil pengujian kekerasan di permukaan sampel roda gigi G2, G3 dan G4 di lihat pada Tabel 5 bahwa sampel roda gigi G2 yang menggunakan chill yang lebih tipis maka  di daerah permukaan nilai kekerasan rata-rata mencapai 792HV tetapi diaerah tengah terjadi kekerasannya menurun 200-300HV dapat dilihat dalam grafik pada Gambar 6.  Sampel G3 dan G4 menggunakan chill lebih tebal maka nilai kekerasan dipermukaan lebih tinggi rata-rata mencapai 778-883HV. Hal  ini dikarenakan menggunakan chill yang lebih tebal maka laju  pendinginan sangat tinggi. Hal yang sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Guterres dkk [10] bahwa mereka tidak menggunakan proses preheating terhadap pelat chill maka hasil yang ditemukan adalah menggunakan chill yang lebih tipis menghasilkan nilai kekerasan sangat tinggi yaitu mencapai 900HV. Dengan demikian menggunakan proses preheating akan mempengaruhi nilai kekerasan di permukaan, karena distribusi pancaran api menghambat laju pendinginan cepat di permukaan yang dilapisi chill seperti yang dijelaskan dari penelitian terkait [9] .
Gambar 6 Grafik nilai kekerasan rata-rata untuk seluruh spesimen G2,G3 dan  G4.
3.4   Hasil Pengujian Cacat Porositas
Data hasil besarnya nilai porositas berdasarkan analisa densitas. Densitas (ρ) merupakan perbandingan antara massa bahan dengan volume bahan yang sedang diuji. Pengujian densitas untuk sampel roda gigi ini dilakukan untuk mengukur massa dengan menggunakan timbang dan dilanjutkan dengan mengukur volume berdasarkan pertambahan volume air pada gelas ukur ketika di masukan sampel uji. Dengan demikian ada sembilan sampel yaitu 3 sampel diambil dari sampel roda gigi G2, tiga sampel lagi diambil dari sampel roda gigi G3 dan tiga sampel lainnya diambil dari sampel roda gigi G4. Selanjutnya dari masing-masing sampel tersebut dapat diukur dan nilainya dijumlahkan untuk mengambil nilai rata- rata  sehingga  digunakan  sebagai  pembahasan  dan  analisa  data.  Dari  beberapa  sampel  ini  akan  di  uji  untuk membandingkan antara roda gigi yang menggunakan tebal chill yang lebih besar dan tebal chill yang lebih kecil dengan alasan bahwa ketebalan chill sangat berpengaruh kepada cacat-cacat yang terjadi di daerah yang dilapisi chill yaitu daerah tebal gigi (tooth thickness).
Hasil pengujian cacat porositas pada flank gigi untuk roda gigi G2 yang ditampilkan dalam Tabel 5 bahwa nilai presentasi  untuk  masing-masing  spesimen  akan  dihitung  dengan  metode  yang  sama.  Sebelumnya  terlebih  dahulu menentukan nilai true density dan apparent density dan data perhitungan menggunakan metode sesuai dengan standar ASTM E-252 [29].
Sampel  G2  menggunakan  tebal  pelat chill 0.2mm  dan  menggunakan  suhu preheating 700 o C.  Hal  tersebut menunjukkan bahwa porositas yang terjadi di permukaan rata-rata sebesar 7,833wt.%. Nilai tersebut dihitung dan dapat dilihat pada Tabel 5. Bahwa macro porosity tidak terlalu banyak dan juga terdapat pori-pori yaitu mikro porositas. Cacat porositas  sedikit  terbentuk  karena  laju  pendinginan  lambat  karena  penggunaan preheating sebelum  penuangan. Perhitungan menggunakan metode sesuai dengan standar ASTM E-252 [28].
Hasil perhitungan presentase cacat porositas untuk roda gigi berdasarkan perhitungan apparent density untuk sampel roda gigi G2, G3 dan G4  maka true density menggunakan persamaan  1 dan berdasarkan prinsip Archimendes sehingga bisa mengetahui nilai persentasi porositas di daerah yang dilapisi chill yaitu daerah permukaan flak gigi. Tabel 6 menampilkan hasil nilai total rata-rata untuk nilai apparent density dibagi dengan nilai total true density , maka akan diketahui hasil akhir porositas yang terbentuk di permukaan flank gigi.
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
Tabel 5 Hasil perhitungan true density . Unsur 1/Densitas (M3/Mg) Persentase Berat (Wt.%) 1/Densitas X Persentase Berat (Wt.%) C 0,44 3,89 1,721 Mn 0,14 0,45 0,062 Si 0,43 1,90 0,819 Cr 0,14 0,04 0,006 Ni 0,11 0,17 0,019 Mo 0,10 0,07 0,007 Cu 0,11 0,15 0,017 P 0,55 0,03 0,016 S 0,48 0,00 0,001 Ce 0,12 0,15 0,018 Mg 0,57 0,06 0,034 Fe 0,13 93,088 11,828 Total 12,766 100 7,833
Dengan demikian porositas yang terbentuk di permukaan sampel roda gigi G2 adalah rata-rata mencapai 0.088wt.%. Sedangkan cacat porositas yang terbentuk di daerah permukaan flank gigi untuk sampel roda gigi G3 adalah rata-rata 0.075wt.%. Selanjutnya di permukaan flank gigi untuk sampel roda gigi G4, cacat porositas yang  terbentuk mencapai 0.108wt.%. Dilihat dari beberapa sampel yang telah menggunakan ketebalan chill yang berbeda seperti ditampilkan di dalam Tabel 6 bahwa semakin tebal chill digunakan untuk melapisi permukaan dengan tujuan mengeraskan permukaan roda gigi pada proses pengecoran akan semakin tinggi juga laju pendinginan cepat dipermukaan sehingga menghasilkan kekerasan tinggi tetapi cacat porositas bertumbuh semakin banyak jika di bandingan dengan sampel yang menggunakan tebal chill yang lebih tipis pada permukaan flank gigi. Cacat porositas terbentuk karena dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti  laju  pendinginan  cepat,  desain  riser  tidak  baik  dan  juga  temperatur  penuangan  sangat  rendah  maka  terjadi pertumbuhan struktur dendritik lebih lambat sehingga timbul lubang pori di antara celah sel struktur matrix pada material padat seperti yang dijelaskan oleh penelitian Lekakh dan Hrebec [29]. Penyebab lain adalah laju pendinginan di antara material cor dan cetakan terlalu tinggi dapat dijelaskan dari J. Beddoes dan M. J. Bibby [30].
Tabel 6 Total nilai perhitungan persentase porositas (%) untuk sampel roda gigi
Sampel Pth (cm 3 ) Ps (g/cm 3 ) Hasil 1-Hasil porositas (wt.%) G2 7,83 7,142 0,912 0,088 0,088 G3 7,83 7,242 0,925 0,075 0,075 G4 7,83 9,689 0,892 0,108 0,108

## 4. Kesimpulan
Proses  pembuatan  roda  gigi  lurus  dengan  material  besi  cor  nodular  menggunakan chill untuk  mengeraskan permukaan profil gigi yang sejalan dengan proses pengecoran. Akan tetapi cacat porositas dan cacat penyusutan adalah hal penting untuk di analisa. Maka berdasarkan hasil yang telah didapat sehingga penulis mengambil kesimpulan sebagai berikut:
1.  Pengerasan permukaan menggunakan chill menghasilkan nilai kekerasan tinggi yaitu mencapai 883HV.
2.  Terjadi cacat porositas di permukaan profil gigi yang dilapisi chill mencapai 7,613%, karena dipengaruhi oleh laju pendinginan yang sangat tinggi. Semakin tebal chill yang digunakan maka laju pendinginannyapun tinggi tetapi cacat porositas akan semakin banyak.
3.  Perubahan  dimensi  pada  daerah  tebal  gigi  adalah  semua  profil  gigi  rata-rata  mengalami  ekspansi  dengan  nilai perubahan dimensi adalah -0,024mm setelah roda gigi dilakukan proses pengecoran. Nilai perubahan dimensi tertinggi adalah mencapai -0,089mm adalah mengalami ekspansi.
4.  Dengan menggunakan pelat penambah untuk mencegah terjadinya cacat penyusutan pada profil gigi, maka nilai cacat penyusutan tertinggi adalah 0,072mm yang terjadi pada sampel roda gigi G2 yang menggunakan tebal pelat penambah 0,02mm.
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
5.  Dilihat  dari  hasil  perbandingan  antara chill yang  lebih  tebal  dan chill yang  lebih  tipis  maka  diketahui  penyebab terjadinya cacat porositas dan cacat penyusutan di daerah permukaan, sehingga disimpul bahwa laju pendinginan yang sangat tinggi akan menyebabkan banyaknya lubang pori-pori atau disebut porositas di permukaan yang dilapisi chill .

## Ucapan terima kasih
Penulis sangat berterima kasih kepada pihak yang membantu dalam penyelesaian proses pengecoran di Politeknik Manufaktur  Ceper-Klaten,  Laboratorium  inspeksi  roda  gigi  di  PT  ATMI  IGI  Center  Surakarta  dan  Laboratorium pengujian Badang Pelatihan TC-UNDIP Tembalang, Semarang.

## Daftar Pustaka
[1]  Davis, J. R., Gear Material , Properties , and Manufacture . United State of America: ASM International, 2005. P 12-14.
[2]  Concli,  F.,  Austempered  Ductile  Iron  (ADI)  for  gears:  Contact  and  bending  fatigue  behavior. Procedia  Struct. Integr. , vol. 8., 2018. pp. 14 – 23.
[3]  Nisbett,  B., Mechanical  Engineering:  Shigley’s  Mechanical  Engineering  Design .  8th  Edition.  United  State  of America: A Division of The Mc Graw Hill Companies, 2006. p 28-56
[4]  Gupta, K dkk, Advanced Gear Manufacturing and Finishing (Classical and Modern Processes) . London-United Kingdom: Elsevier Ltd, 2017. p 127-128.
[5]  Pongsak, C and Srichandr P., Continuously  cast ductile iron : Processing  , structures , and p roperties, J. Mater. Process. Tech. , vol. 211, no. 8. 2011. pp. 1372 – 1378.
[6]  Meneghetti,  G.,  Terrin  A.,  dan  Giacometti,  S.,  A  twin  disc  test  rig  for  contact  fatigue  characterization  of  gear materials, Procedia Struct. Integr. , vol. 2, 2016. pp. 3185 – 3193.
[7]  Karpuschewski,  B., Toefke,  M., Beutner,M.,  and Spintig,  W. Surface integrity aspects of milled large hardened gears, Procedia CIRP , vol. 13, 2014. pp. 37 – 42.
[8]  Qian, M dkk., Surface hardening of ductile cast iron using stainless steel,” Mater. Sci. Eng. A , vol. 208, no. 1, 1996. pp. 88 – 92.
[9]  Guterres, N. F. D. S dkk., Investigate Temperature Preheating on the Chill Plate to Identify Surface Characteristic on the Ductile Iron by Sand Casting, Int. J. Eng. Mater. Manuf. , Vol. 6, no. 3, 2021. pp. 141 – 151.
[10]  Guterres, N. F. D. S dkk., The effect of chills thickness to microstructure and surface hardness layer on specimen ductile cast iron, in the 4Th International Conference on Materials and Metallurgical Engineering and Technology (Icommet) 2020, vol. 2384, no. 2021. p. 040004.
[11]  John, C., A New Metallurgy of Cast Metals, Castings , Second Edi. Oxford: Butterworth-Heineann, 2003 p 239-279.
[12]  Kim, S. dkk., Prediction of shrinkage defects in iron castings using a microporosity model., Mater. Sci. Forum , vol. 925 MSF, 2018. pp. 411 – 418.
[13]  Allen  C.  M  dan  Boardman  B., ASM  Handbook,  Volume  1,  Properties  and  Selection:  Irons,  Steels,  and  High Performance Alloys , 10th Editi. United State of America: ASM Handbook, Volume 1, 2005 p 25-48.
[14]  Benedetti, M., Fontanari, V dan Lusuardi, D., Effect of graphite morphology on the fatigue and fracture resistance of ferritic ductile cast iron, Eng. Fract. Mech. , vol. 206, 2019. pp. 427 – 441.
[15]  Li, Z dkk . , Characterization on the formation of porosity and tensile properties prediction in die casting Mg alloys, J. Magnes. Alloy. , 2021.
[16]  Khalil-Allafi,  J.  dan Amin-Ahmadi, B., Effect  of Mold  Hardness on Microstructure and Contraction Porosity in Ductile Cast Iron, J. Iron Steel Res. Int. , vol. 18, no. 4, 2011. pp. 44-47,67.
[17]  Hurst, S., METAL CASTING Appropriate technology in the small foundry . London-UK: Intermediate Technology Publications Ltd, 1996.
[18]  Alabbasian,  F.,  Boutorabi,  S.  M.  A  dan  Kheirandish,  S.,  Effect  of  inoculation  and  casting  modulus  on  the microstructure and mechanical properties of ductile Ni-resist cast iron, Mater. Sci. Eng. A , Vol. 651, 2016. pp. 467 – 473.
[19]  ASTM A 536, Standard Specification for Ductile Iron Casting , no. Reapproved. 2004.
[20]  Atraszkiewicz, R dkk , High pressure gas quenching: Distortion analysis in gears after heat treatment,” Mater. Sci. Eng. A , vol. 558, 2012. pp. 550 – 557.
[21]  Pollee,  C  dkk.,  An  industrial  radiography  exposure  device  based  on  measurement  of  transmitted  gamma-ray intensity, J. Phys. Conf. Ser. , vol. 611, no. 1. 2015
[22]  Takemoto, Y., Mizumoto, M. Mizumoto, dan Kinno, K, . Internal Porosity Defects in Ductile Cast Irons,” Int. J. Met. , vol. 15, no. 3, 2021. pp. 916 – 929.
[23]  Rebuffel, V., Sood, S dan Keynes, M., Defect Detection Method in Digital Radiography for Porosity in Magnesium Castings, Ecndt , 2006. pp. 1 – 10.
[24]  Toylor, R. P., McClain, S. T dan Berry, J. T., Uncertainty analysis of metal-casting porosity measurements using Archimedes’ principle, Int. J. Cast Met. Res. , vol. 11, no. 4, 1999. pp. 247 – 257.
Guterres,dkk./ ROTASI, Vol. 24 No. 4 (Oktober 2022) Hal. 37-46
[25]  D. A. T. dan Irawan, A., Porosity and Microstructure Analysis in Aluminum Waste Pieces, First Int. Conf. Food Agric. , vol. 253 – 172, 2018. pp. 565 – 571.
[26]  ASM International Handbook Committee, Metals Handbook. Casting, Vol. 15 , 1988. p 593-630.
[27]  ASM International Handbook Committee, ASM Metals Handbook, Metallography and Microstructure , vol. Vol. 9. United State of America: ASM International, 2004. p 47-72.
[28]  ASTM E 252, E252 6(2013) Standard Test Method for Thickness of Foil, Thin Sheet, and Film by Mass Measure ment. , Vol. 06, no. Reapproved. 2013.
[29]  Lekakh, S. N. dan Hrebec, B., Solidification kinetics of graphite nodules in cast iron and shrinkage porosity, Int. J. Met. , Vol. 10, no. 4, 2016. pp. 389 – 400.
[30]  Beddoes, J. Beddoes dan Bibby, M. J., Principles of Metal Manufacturing Processes . Canada: Elsevier, 2003.