## PENGUJIAN KEKUATAN TARIK, KEKERASAN, DAN STRUKTUR MIKRO PRODUK COR PROPELER KUNINGAN

## Hera Setiawan
Dosen Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muria Kudus Email: herasetiawan6969@yahoo.com

## ABSTRAK
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menguji    kekuatan  tarik,  kekerasan,  dan  struktur  mikro  propeler  kapal nelayan  tiga  sudu  dengan  material  kuningan (brass) produk  dari    UKM  logam  di  Juana  Pati.  Proses  peleburan logam  kuningan  dengan  dapur crucible menggunakan  bahan  bakar  minyak  dan  pengecoran  dilakukan  dengan teknik pasir cetak (sand casting). Pengujian spectrometer digunakan untuk mengetahui komposisi kimia material kuningan.  Untuk  melihat  struktur  mikro  digunakan  mikroskop  optik  logam  dengan  perbesaran  200  kali. Pengujian kekerasan digunakan metode Rockwell dengan indentor bola baja diameter 1/16 inchi  dengan beban mayor 100 kg (HRB). Mesin servopulser digunakan untuk pengujian kekuatan tarik. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa material merupakan kuningan atau paduan Cu-Zn tipe α+β dengan kandungan Zn sebesar 46,95% dan titik cair (melting point) sekitar  900 o C.  Kekerasan  material  adalah  35,4  HRB  dengan  tegangan  tarik  maksimum  max =342  MPa  dan regangan  =4,8%. Bentuk dari  struktur mikro belum menunjukkan struktur columnar dendrite . Kata kunci: kuningan, propeler, pasir cetak, struktur mikro, kekerasan, tarik.

## ABSTRACT
The  aim  of  this  work  is  to  study  tensile  properties,  hardness  and  microstructure  of  brass  (Cu-Zn  alloy) three  blades  ship  propeller.  The  alloy  material  was  melted  on  a  crucible  furnace  with  sand  casting  methode. Spectrometer test was used to know chemicals compositions of brass.  Optical microscope was used to observe the microstructure of alloy. The results of this study show that the material is α + β type of Cu-Zn alloy (brass) with  46,95%  Zn  and  melting    point  occur  at  about  900 o C.    The  tensile  strengh  max =342  MPa  and  strain  =4,8% with 35,4 HRB hardnes with non-columnar denrite microstructure. Keywords : Brass, propeller, sand casting, microstructure, hardness, tensile strength.

## 1. PENDAHULUAN
Pengecoran logam merupakan salah satu ilmu pengetahuan tertua yang dipelajari oleh umat manusia. Walaupun telah berumur sangat tua, ilmu pengecoran logam terus berkembang dengan pesatnya. [1] Berbagai macam metode pengecoran logam  telah  ditemukan  dan  terus  disempurnakan,  diantaranya  adalah centrifugal  casting,  investment  casting, dan sand casting serta masih banyak lagi metode-metode lainnya. [1,3]
Industri pengecoran logam tumbuh seiring dengan perkembangan teknik dan metode pengecoran,  berbagai model produk  cor  membanjiri  pasar  domestik.  Produk  cor  banyak  kita  jumpai  mulai  dari  perabotan  rumah  tangga,  komponen otomotif, pompa air sampai propeler kapal seperti yang terlihat pada gambar 1 dibawah. [4]
Gambar 1. Produk propeler untuk kapal nelayan dari UKM – Juwana
Sentra-sentra industri pengecoran menengah-kecil (UKM) banyak tersebar di Propinsi Jawa Tengah seperti Klaten, Pati, Tegal dan Surakarta. Salah satu sentra industri logam khususnya pengecoran adalah Kecamatan Juwana di Kabupaten
Pati  Jawa  Tengah.  Tidak  kurang  dari  12  pengrajin  dalam  skala  industri  menengah  kecil  (UKM)  menekuni  pekerjaan pengecoran  logam  dari  bahan  aluminium  maupun  kuningan.  Beberapa  industri  menengah  dengan  produk  yang  cukup komplek yaitu : UKM Citra Widi Mandiri, Timbulindo Gear, Yamusu, Indogas Maju Saputra, Barokah Jaya Abadi dan KTM.  Salah  satu  produk  yang  dibuat  dan  telah  dipasarkan  untuk  industri  galangan  kapal  nasional  adalah  baling-baling kapal/propeler. UKM pengecoran logam ini juga telah menjalin kemitraan dengan PT. National Gobel, Panasonic, Pindad Material, PT. Pura Box dan PT. Galangan Kapal. [4] Permintaan  pasar  akan  produk  logam  cor  yang  prospektif  dan  luas  ini,  kurang  di  imbangi  dengan  peningkatan kualitas produk. Ironisnya walaupun banyak industri cor di tanah air, produk logam cor dari pengrajin lokal masih kalah bersaing dengan produk impor baik dari sisi kualitas dan harga. Hal ini merupakan tantangan yang harus segera dibenahi, agar industri kita dapat bersaing dipasar domestik maunpun luar negeri.
Upaya meningkatkan kualitas produk menjadi prioritas utama dalam upaya meningkatkan daya saing produk di pasar domestik  maupun  global.  Produk  yang  berkualitas  tentu  dihasilkan  dari  pemilihan  bahan  baku  yang  baik,  penguasaan teknik produksi, serta pengujian kualitas yang melekat.
Pada  penelitian  ini  akan  dilakukan  pengujian  struktur  mikro (metalografi) ,  pengujian  kekerasan,  dan  pengujian kekuatan tarik pada propeler kuningan hasil pengecoran produk UKM dari Juana Pati.
Propeler  yang  merupakan  salah  satu  komponen  sistem  penggerak  kapal  sangat  menentukan  keberhasilan  rancang bangun kapal. Kualitas produk cor propeler sangat ditentukan oleh keunggulan sifat mekanisnya, hal ini masih dikeluhkan oleh  UKM  dan  konsumen  pengguna  produk  propeler.  Upaya  memperbaiki  sifat  mekanis  tersebut  selain  dari  pemilihan bahan baku (raw material) dan pengaturan komposisi paduan, juga sangat ditentukan oleh proses dan teknik pengecoran yang  akan  mempengaruhi  bentuk  mikrostruktur  logam  cor.  Sebagaimana  diketahui  sebelum  proses  pembekuan  akan didahului oleh proses pengintian untuk selanjutnya terbentuk butir (cristal) dengan batas butir (grain boundary) . Produk cor seperti propeler kapal dan sudu-sudu turbin sangat membutuhkan orientasi butir searah sehingga mampu menahan beban aksial dan memiliki kekuatan mulur yang tinggi serta tahan terhadap beban berulang atau retak fatik. [3,5,6] Gambar 2  menunjukkan diagram fasa Cu-Zn (kuningan). Dalam sistem ini terdapat fasa yaitu α, β, γ, δ, Ɛ dan η, dari semua fasa itu yang penting secara industri adalah dua yaitu α dan β. α mempunyai struktur fcc dan β mempunyai struktur bcc. Ada juga fasa β’ dengan kisi super. Sebagaimana diketahui dari diagram fasa untuk kuningan 70-30, fasa α merupakan fasa yang lunak dan mudah dikerjakan, sedangkan kuningan 60-40, adalah fasa α+β yang mempunyai kekuatan tinggi, dan banyak dari paduan ini yang mempunyai kekuatan tarik yang tinggi. Paduan dengan kira-kira 45%Zn mempunyai kekuatan yang paling tinggi akan tetapi tidak dapat dikerjakan, jadi hanya dipergunakan untuk paduan coran. [1,2] Kuningan dengan paduan Sn, Fe dan Mn merupakan bahan utama pembuatan poros dan propeler kapal. [7]
Gambar 2. Diagram fase biner Cu-Zn [2]
Kekerasan suatu bahan (logam) dapat diketahui dengan pengujian kekerasan memakai mesin uji kekerasan (hardness tester) menggunakan tiga metoda atau teknik yang umum dilakukan yaitu metoda Brinell, Rockwell dan Vickers seperti yang terlihat pada gambar 3 dibawah. [1-3]
Uji kekerasan Rockwell sering dipakai untuk meterial yang keras. Hal ini disebabkan oleh sifat-sifatnya yaitu cepat, bebas dari kesalahan  manusia, mampu  untuk  membedakan perbedaan kekerasan  yang kecil pada baja atau logam  yang diperkeras, dan ukuran lekukannya kecil, sehingga bagian bagian yang mendapatkan perlakuan panas yang lengkap dapat diuji kekerasannya tanpa menimbulkan kerusakan. [1,2]
Gambar 3. Teknik pengujian kekerasan [2]
Gambar 4. Pengujian kekerasan dengan metoda Rockwell [2]
Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan  material  terhadap  benda  uji  (spesimen)  yang  berupa  bola  baja  ataupun  kerucut  intan    yang  ditekankan  pada permukaan  material  uji  tersebut.  Pengukurannya  dapat  dilakukan  dengan  bantuan  sebuah  kerucut  intan  dengan  sudut puncak 120º dan ujungnya yang dibulatkan sebagai benda pendesak (indentor) seperti terlihat pada gambar 4 diatas. [1,2] Prinsip  pengujian  pada  metoda  Rockwell  adalah  dengan  menekankan penetrator ke  dalam  benda  kerja  dengan pembebanan,  dan  kedalaman indentasi akan  memberikan  harga  kekerasan  yaitu  perbedaan  kedalaman indentasi yang didapatkan dari beban mayor dan minor. [1,2]
Uji tarik banyak dilakukan untuk mengetahui kekuatan suatu bahan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Tujuan  dari  pengujian  tarik  adalah  untuk  mengetahui  tegangan  tarik  maksimum,  tegangan  luluh  dan  regangan  bahan melalui kurva tegangan-regangan. [1,3]
Metalografi  adalah  pengetahuan  tentang  bentuk-bentuk  struktur  mikro  suatu  logam.  Sifat-sifat  mekanik  dan  fisik suatu logam akan ditentukan oleh gambar bentuk struktur mikronya. Gambar tersebut berasal dari ketidakteraturan butir, ukuran butir, distribusi fase, unsur pengatur, perubahan karena deformasi dan lainnya. [1,2,6] Pengujian secara metalografi dapat dibagi menjadi 2 macam, yaitu :
a. Pengujian  struktur  makro  :  perubahan  bentuk  dan  ukuran  butir  karena  deformasi  atau  karena  ketebalan  kulit  pada pengerasan  permukaan  dapat  dilihat  dengan  cara  :  benda  kerja  cukup  dilihat  dengan  mata  setelah  melalui  proses pemolesan dan etsa.
b. Pengujian struktur mikro : untuk mengetahui bentuk-bentuk fase dan perbandingan komposisi, diperlukan mikroskop dengan perbesaran tertentu setelah benda kerja dipoles dan dietsa.
Penelitian ini bertujuan untuk menguji  kekuatan tarik, kekerasan, dan struktur mikro propeler kapal nelayan tiga sudu dengan material kuningan (brass) .

## 2.  METODOLOGI PENELITIAN
Material  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  paduan  Cu-Zn  atau  kuningan (brass) .  Pengujian  komposisi paduan logam kuningan dengan spektrometer digunakan untuk mengetahui kandungan unsur kimia yang terdapat dalam logam  tersebut.  Selanjutnya  dengan  menggunakan  acuan  diagram  fase  biner  paduan  Cu-Zn  dapat  ditentukan  berapa temperatur untuk mencapai titik liquidus (melting point) . Hal ini penting untuk menghindari temperatur peleburan berlebih yang justru merusak cairan logam cor.
Untuk melihat struktur mikro digunakan mikroskop optik logam dengan perbesaran 200 kali. Pengujian kekerasan menggunakan metode Rockwell (HRB) dan pengujian kekuatan tarik dilakukan dengan mesin servopulser. Gambar 5 dibawah ini menunjukkan diagram alir penelitian yang dilakukan.

## Gambar 5. Diagram alir penelitian
Material  yang  akan  diuji  pada  penelitian  ini  adalah  kuningan (brass) logam  paduan  tembaga  dan  seng    (Cu-Zn) berupa propeler kapal nelayan tiga sudu hasil pengecoran produk UKM dari Juana Pati. Proses peleburan logam kuningan menggunakan dapur crucible menggunakan bahan bakar minyak dan pengecoran dengan pasir cetak (sand casting) dengan pola cetakan dari logam dan bingkai cetakan (frame) dari kayu seperti  yang  terlihat  terlihat  pada  gambar  6  sampai dengan gambar 9 dibawah.
Gambar 6. Peleburan logam kuningan dengan dapur crucible
Gambar 7. Pengecoran dengan pasir cetak
Gambar 8. Pola cetakan logam
Gambar 9. Produk cor propeller kapal tiga sudu
Pada penelitian ini digunakan uji kekerasan logam metode Rockwell dengan indentor bola baja diameter 1/16 inchi dengan beban mayor 100 kg (HRB), seperti yang terlihat pada tabel 1 dibawah.
Tabel 1. Skala kekerasan Rockwell [2]
Gambar 10. Uji kekerasan dan uji tarik
Pengujian kekuatan tarik dilakukan dengan mesin Servopulser seperti yang terlihat pada gambar 10 diatas dengan beban maksimal yang digunakan 2000 kg. Ukuran spesimen uji tarik disesuaikan dengan standar JIS Z2201 seperti yang terlihat pada gambar 11 dibawah dengan menambah seksi uji panjang  Lo dari 12,5 mm menjadi 25 mm dan tebal benda uji dari 3,1 mm menjadi 3 mm.
Gambar 11. Ukuran spesimen uji tarik JIS Z2201

## 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Komposisi kimia
Tabel 2 menunjukkan komposisi kimia material kuningan propeler kapal hasil pengecoran produk UKM dari Juwana Pati yang digunakan pada penelitian ini.
Tabel 2 Komposisi kimia kuningan propeler kapal
No. Komposisi (%) Cu Sn Pb Zn Ni Fe Si Mn Al Cd P S 1 57,65 0,92  1,94 38,50 0,25  0,66  0,10  0,02  0,00  0,02  0,00  0,00 2 37,71 0,84  2,67 55,40 0,11  0,08  0,11  0,09  2,91  0,40  0,01  0,02 Mean 47,68 0,88  2,31 46,95 0,18  0,37  0,11  0,06  1,46  0,21  0,01  0,01
Dari diagram fase biner Cu-Zn seperti yang terlihat pada gambar 12 dibawah, untuk kuningan dengan kandungan 46,95% Zn termasuk kuningan tipe α + β dengan titik cair (liquid) sekitar 900 o C. Temperatur ini dapat dijadikan acuan untuk proses peleburan sehingga dapat dihindari temperatur peleburan berlebih yang justru merusak cairan logam cor. [1-3]
Gambar 12. Diagram fase biner Cu-Zn (46,95% Zn) [2]

## 3.2. Kekerasan
Hasil  pengujian  kekerasan  material  propeler  kuningan  adalah  seperti  terlihat  pada  tabel  3  dibawah.  Dari tabel  terlihat  kekerasan  rata-rata  material  kuningan  adalah  35,4  HRB  dan  kekerasan  ini  dapat  dikatakan  relatif merata pada setiap titik pengujian dengan nilai standar deviasi yang kecil yaitu 0,65.
Tabel 3. Kekerasan kuningan propeler kapal No. HRB Jumlah Rata-rata St.Dev. 1 34,5 177 35,4 0,65192 2 36 3 35,5
4 35 5 36

## 3.3. Struktur Mikrografi
Hasil  pengujian  struktur  mikrografi  material  kuningan  propeler  kapal  dengan  perbesaran  200  kali  adalah seperti terlihat pada gambar 13 dibawah.
Gambar 13. Struktur mikrografi material kuningan propeler
Gambar  struktur  mikro  diatas  kelihatan  masih  ada  garis-garis  dan  goresan,  menunjukkan  bahwa  proses perataan dan pemolesan sampel uji kurang halus. Sedang gambar masih ada yang kabur menunjukkan penyetelan fokus  mikroskop  logam  atau  atau  pengambilan  gambar  dengan  kamera  kurang  sempurna.  Garis  skala  yang melekat  pada  gambar  juga  belum  ada.  Untuk  penelitian  selanjutnya  harus  disempurnakan  sehingga  lebih  jelas dan memudahkan dalam menganalisa gambar struktur mikro dari material propeler.
Pada  struktur  mikro  terlihat  fase  β  (yang  terlihat  terang)  lebih  mendominasi  dibanding  fase  α  (terlihat gelap) sesuai dengan kandungan Zn yang besar termasuk (46,95%), lebih dari 36% yang merupakan batas fase α. [2] Bentuk  struktur  mikro  belum  menunjukkan  struktur columnar  dendrite dengan  orintesi  butir  searah  yang  sangat dibutuhkan untuk material propeler dan sudu turbin sehingga mampu menahan beban aksial dan memiliki kekuatan mulur yang tinggi serta tahan terhadap beban berulang atau fatigue . [3,5,6]
Dari struktur mikro ini perlu dilakukan penelitian proses pengecoran yang lebih baik sehingga didapatkan struktur mikro columnar dendrite yang dibutuhkan untuk material propeler.
3.4. Uji Tarik
Gambar 14. Spesimen uji tarik
Spesimen uji tarik adalah seperti yang terlihat pada gambar 14 diatas dengan perhitungan hasil uji tarik seperti yang terlihat pada tabel 4 dibawah.
2 6 2
1 (1) 3 . 3 9 9.10
26, 2 25 1, 2 o Ao mm mm mm m
L L L mm mm mm    
      max 6 2 max (2) (3) 1, 2 4, 8% 25 314.9, 8 342 9.10 o o L mm L mm P N MP A m           (4)
a
Tabel 4. Hasil uji tarik material propeler kuningan
t W Lo L 1 P max Ao  L  
 max
(mm) (mm) (mm) (mm) (Kg) (m 2 ) (mm) (%) (MPa) 3 10 25 26,2 314 9.10 -6 1,2 4,8 342

## 4. KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Material yang digunakan pada penelitian ini adalah kuningan dengan kandungan 46,95% Zn termasuk kuningan tipe α + β dengan titik cair (liquid) sekitar 900 o C.
2. Bentuk struktur mikro belum menunjukkan struktur columnar dendrite dengan orintesi butir searah 3. Kekerasan material adalah 35,4 HRB.
4. Tegangan tarik maksimal material  max = 342 MPa dan regangan  = 4,8%.

## 5. SARAN
Perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk mengembangkan proses dan teknik pengecoran propeler kapal kuningan sehingga didapatkan material yang mampu menahan beban aksial dan memiliki kekuatan mulur yang tinggi serta tahan terhadap beban berulang atau fatigue .

## 6.  DAFTAR PUSTAKA
[1]     Surdia, T dan Saito, S. (1992). Pengetahuan Bahan Teknik . Jakarta:  P.T. Pradnya Paramitha.
[2]  Callister  Jr.,W.D.  (2001). Fundamentals  of  Materials  Science  and  Engineering,  An  Interactive  e.Text ,  Seventh Edition, New York, USA : John Wiley & Sons.
[3]  Brown,  JR.  (2001). Foseco  Non-Ferrous  Foundryman’s  Handbook, Eleveth  Edition,  Oxford:  Butterworth- Heinemann.
[4]  Disperindag Pati. (2008). Profil Usaha Industri Kecil Menengah Perlogaman . Pati.
[5]  Slamet, S. (2007). Pengaruh Konsentrasi Cu pada Proses Pembekuan Searah Paduan Al-Cu . Thesis, Teknik Mesin UGM, Yogyakarta.
[6] Smallman, R.E. and Bishop, R.J. (1999). Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, Science, process, applications . Sixth Edition, Oxford: Butterworth-Heinemann