Page 1
Kode/Nama Rumpun Ilmu* : 150288/MESIN-OTOMOTIF
USULAN
PENELITIAN FUNDAMENTAL
PENGGUNAAN ALUMINIUM CARBON SEBAGAI MATERIAL PADA CYLINDER BLOCK
UNTUK MENINGKATKAN PERFORMA KENDARAAN
(ISA MUHAMMAD SAID / NIM 130551818102)
UNIVERSITAS NEGERI MALANG
FEBRUARI 2014
Page 2
RINGKASAN
Teknologi material yang digunakan untuk blok silinder terus
dikembangkan dari tahun ke tahun, tujuan dari pengembangan material blok
silinder adalah menghemat berat kendaraan. Kendaraan dengan berat yang ringan
akan mengkonsumsi bahan bakar yang sedikit, sehingga populasi pengguna
kendaraan tidak terus menerus menghabiskan bahan bakar yang notabene adalah
bahan bakar fosil atau energy nonrenewable. Tidak hanya bertujuan untuk
menghemat cadangan untuk generasi akan datang namun emisi yang diproduksi
bahan bakar fosil hanya akan merusak lingkungan melalui global warming.
Berdasarkan fenomena fisika, berat yang ringan akan mempercepat
jalannya kendaraan, kendaraan yang ringan akan berjalan dengan bebas dengan
sedikit bahan bakar. Dalam perkembangannya, kendaraan, khususnya mobil
diproduksi atau dikembangkan dengan bahan yang ringan.
Aluminium (Al) dan karbon (C) adalah material ringan yang paling
banyak dimanfaatkan oleh industri manufaktur, peralatan rumah tangga. Pada
penelitian ini akan dijelaskan secara detil material aluminium dan material karbon
sehingga menghasilkan formula sebagai bahan pembuatan blok silinder yang kuat,
ringan, dan tahan panas untuk selanjutnya diuji kualitasnya.
Kata kunci: Aluminium, Carbon, Cylinder Block
Material technology used for the cylinder block have been developed from
year to year, the goal of development is make the cylinder block material for
saving vehicle weight. Vehicles with lighter weight will consume little fuel, so the
user population does not continue to spend the vehicle fuel which is actually a
fossil fuel or nonrenewable energy. Not only aiming to save up for generations to
come, but the emissions produced by fossil fuels will only damage the
environment through global warming.
Based on physical phenomena, light weight will accelerate the vehicle,
light vehicle will run freely with less fuel. During its development, vehicles,
especially cars produced or developed with lightweight material.
Aluminum (Al) and carbon (C) is a lightweight material that is most widely used
by the manufacturing industry, home appliances. This research will be described
in detail material of aluminum and carbon materials so as to produce a formula as
materials for the cylinder block is strong, light, and heat resistant to further test its
quality.
Keywords: Aluminum, Carbon, Cylinder Block
Page 3
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan masyarakat akan kendaraan bermotor seperti sepeda motor dan
mobil atau kendaraan transportasi pada era sekarang terhitung cukup signifikan
jumlahnya. Masyarakat melakukan mobilisasi dalam menjalankan aktivitas sehari-
hari. Suasana mobilisasi dapat kita rasakan jika kita melihat tayangan televisi atau
saat sedang melintas di jalan raya di kota-kota besar. Kendaraan bermotor
memerlukan bahan bakar, sedangkan bahan bakar yang komposisi utamanya
terdapat dalam Bumi akan habis jika digunakan terus menerus. Oleh sebab itu,
sudah merupakan tugas generasi muda untuk dapat mencari alternatif atau energi
terbarukan pengganti bahan bakar sebagai langkah konservasi energi.
Penghematan energi atau konservasi energi adalah tindakan mengurangi
jumlah penggunaan energi. Penghematan energi dapat dicapai dengan penggunaan
energi secara efisien dimana manfaat yang sama diperoleh dengan menggunakan
energi lebih sedikit, ataupun dengan mengurangi konsumsi dan kegiatan yang
menggunakan energi. Penghematan energi dapat menyebabkan berkurangnya
biaya, serta meningkatnya nilai lingkungan, keamanan negara, keamanan pribadi,
serta kenyamanan. Organisasi-organisasi serta perseorangan dapat menghemat
biaya dengan melakukan penghematan energi, sedangkan pengguna komersial dan
industri dapat meningkatkan efisiensi dan keuntungan dengan melakukan
penghematan energi.
Terdapat banyak cara untuk mengatasi penggunaan bahan bakar yang
berlebihan. Banyak karya yang sudah ditemukan oleh para praktisi otomotif
dalam rangka menghemat bahan bakar. Produsen otomotif pun selalu
mengimprovisasi produk mereka menjadi produk yang murah dan ramah
lingkungan berdasarkan perfoma yang sesuai dengan kebutuhan. Namun tidak
mudah untuk merancang mesin dengan konsumsi hemat bahan bakar dan ramah
lingkungan namun memiliki performa atau efisiensi tinggi. Untuk itu dalam
penelitian ini akan dibahas tentang bagaimana menghemat konsumsi bahan bakar
sekaligus efisiensi performa mesin dalam rangka meningkatkan performa
kendaraan.
Page 4
1.2 Batasan Penelitian
Batasan dalam penelitian ini adalah penggunaaan Aluminum Carbon pada
mesin mobil.
1.3 Tujuan Khusus
Beberapa tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:
Tahun Tujuan Tahun Pertama Tujuan Tahun Kedua
Pencapaian
Menganalisis sifat
aluminum
Menganalisis sifat
carbon
Menghasilkan formula
campuran aluminum
carbon yang sesuai
Merancang cylinder block
tipe inline
Menganalisis Bahan
Aluminum Carbon
Uji tarik
Uji tekan
Uji panas
Menguji beban mesin
Menguji gas buang
Menguji ketahanan panas
Menguji performa mesin
Menguji kecepatan mesin
1.4 Pentingnya Penelitian
Tujuan penelitian tahun pertama adalah menganalisis bahan aluminum dan
carbon sehingga menghasilkan formula aluminum dan karbon yang sesuai atas
pengujian kualitas yang direncanakan untuk tahap tahun ke kedua.
Pada tahun kedua, penelitian ini ditargetkan untuk fokus merancang
cylinder block hingga langkah-langkah produksi cylinder block dengan bahan
aluminum dan carbon serta melakukan uji atas efisiensi, performa mesin, dan
performa kendaraan.
Page 5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Performa Kendaraan
Performa dalam arti luas sesuai dengan kamus besar bahasa Indonesia
adalah “hal melakukan; hal menyelenggarakan, hal memainkan (seni drama,
musik, dan seni tari), dan penampilan. Performa bisa disebut sebagai penampilan
atau prestasi. Performa mesin berarti prestasi mesin “dalam hal torsi, daya,
maupun kemampuan mesin sesuai efisiensi dengan efektif”, sedangkan performa
kendaraan adalah prestasi kendaraan atas tujuan pemenuhan kelayakan efisiensi
mesin seperti kecepatan, berat, dan penekanan efisiensi atas performa mesin
maupun perangkat lain pada kendaraan.
Untuk menghitung performa kendaraan dalam hal tenaga mesin dapat
dilakukan dengan rumus sederhana sebagai berikut:
HP = (m/t) * 1,241
HP = Horse power/tenaga kuda
m = massa total kendaraan, satuan (kg)
t = waktu yang dibutuhkan untuk berakselerasi 0-100 kpj, satuannya detik
1,241 = konstanta
Perlu kita ketahui hingga saat ini banyak sekali cara atau langkah-langkah
dalam upaya meningkatkan mesin sebagai langkah awal meningkatkan performa
kendaraan, langkah-langkah meningkatkan performa kendaraan dapat dijabarkan
sebagai berikut:
1. Menambah kapasitas mesin
Kapasitas mesin lebih besar berarti lebih bertenaga, bukan berarti
kapasitas kecil performa kendaraan tidak maksimal, orang yang
melakukan modifikasi ekstrim sekalipun terkadang performa
kendaraannya masih bisa kalah dengan orang yang memiliki kapasitas
mesin lebih kecil, namun dengan mengesampingkan hal itu semua,
untuk kendaraan harian, meningkatkan kapasitas mesin lebih besar dari
bawaan pabrik akan memperbaiki prestasi kendaraan, dengan
menambah kapasitas mesin, bisa diperoleh lebih banyak debit gas yang
terbakar dalam setiap putaran mesin. Cara menambah kapasitas mesin
hanya ada dua: 1) Melesakkan piston dengan diameter lebih besar, atau
Page 6
2) memanjangkan langkah ayun piston dengan menggeser big end
lebih maju atau mengganti dengan pen stroke aftermarket yang umum
dijual di pasaran.
2. Meningkatkan Rasio
Rasio Kompresi yang lebih tinggi pasti memproduksi tenaga lebih
sedikit atau banyak. Semakin campuran udara/bahan bakar dipadatkan,
semakin cepat campuran akan menyembur menjadi api secara spontan,
namun tentunya harus diimbangi dengan oktan bahan bakar yang pas
untuk mencegah pembakaran dini. Ini jawaban mengapa mesin motor
balap road-race, atau drag yang diliput di tabloid atau majalah
umumnya memakai bahan bakar ber oktan tinggi – karena mesin
mereka memakai rasio kompresi lebih tinggi untuk mendapatkan
tenaga. Ada banyak cara untuk meningkatkan rasio kompresi. Mulai
dari memapas kop atau cylinder head, blok, meninggikan dome piston,
atau mempersempit kubah ruang bakar hingga menyerupai bak mandi
atau bisa juga dengan menggabungkan berbagai metoda itu.
3. Memudahkan udara mengalir masuk
Ketika piston meluncur mundur atau turun pada langkah hisap,
hambatan udara dapat merampok pundi-pundi tenaga dari mesin.
Hambatan udara bisa dikurangi dengan modifikasi serius, karena
kesalahan bisa berakibat fatal, melakukan modifikasi pada saluran
pemasukan silinder atau seringkali disebut Porting, selain
memperbesar volumenya, pun harus memperhatikan geometri porting
agar lebih terarah dan aliran udara menjadi lembut. Teknik lain yang
mampu mengurangi hambatan secara drastis adalah konfigurasi multi
klep masuk atau menempatkan dua klep masuk dalam sebuah silinder.
Dan intake manifold yang halus layaknya manifold koso yang mahal
tentu sangat bagus melancarkan aliran udara/bahan bakar yang akan
masuk ke porting atau membuka filter udara adalah cara yang paling
mudah.
4. Memudahkan gas buang bebas keluar
Jika hambatan udara membuat gas keluar dari silinder tentu akan
mengurangi tenaga mesin. Ada beberapa cara untuk melepaskan gas
buang agar bebas keluar, diantaranya ialah: 1) dengan memperbesar
head atau head yang memakai dua klep buang. Head yang memiliki
dua klep buang secara cepat akan mampu melepas gas sisa
pembakaran dari dalam silinder. 2) Memperbaiki porting buang
dengan porting buang yang halus. 3) Mengganti knalpot,
muffler/knalpot yang memiliki banyak sekat akan membuat efek
Page 7
tendangan balik semakin besar. Knalpot dengan performa tinggi
memakai rangakaian pipa header yang lebih besar, dan pipa belakang
yang semakin membesar, dan muffler free flow akan membuang gas
sisa hasil pembakaran dengan bebas dari dalam silinder. Tujuan
penggunaan knalpot free flow adalah meningkatkan tenaga mesin.
5. Mengurangi berat kendaraan
Part yang lebih ringan membantu mesin bekerja lebih baik. Setiap
piston berubah arah, pasti memerlukan energi untuk berhenti dan
memulai ke arah yang lain. Piston yang lebih ringan mengurangi
pemakaian energi ini. Mengurangi beban gesekan, mengurangi beban
rotasi, semua hal ini apa yang disebut meningkatkan efisiensi mekanis.
6. Mengganti dengan system Injection
Sistem kontrol campuran bahan bakar secara elektronis melalui
injector akan memberikan keakuratan tingkat tinggi pada setiap derajat
langkah piston dan kepastian debit yang dibutuhkan sesuai beban
mesin. Oleh karenanya teknologi tersebut dapat meningkatkan
performa dan pemakaian bahan-bakar yang lebih ekonomis.
Berdasarkan langkah-langkah dalam upaya meningkatkan performa
kendaraan seperti penjabaran di atas, maka diketahui bahwa mengurangi berat
kendaraan (weight reduction) merupakan salah satu langkah yang cukup
signifikan dan penting terlebih dalam proses produksi sebuah mesin untuk
menentukan dan memanfaatkan material alami atau sintesis yang ringan dan juga
kuat sebagai tujuan menciptakan kendaraan yang memiliki performa tinggi dalam
hal daya tanpa mengabaikan emisi gas buang. Menurut complex magazine, dalam
situsnya complex.com “Sebuah mobil yang ringan bisa berakselerasi dengan lebih
cepat, sudut tikung yang sulit, dan mendapatkan ekonomi bahan bakar yang lebih
baik.”
Berikut ini merupakan salah satu contoh data performa kendaraan sebelum
dan sesudah mengalami weight reduction yang dapat dideskripsikan pada tabel
berikut.
Tabel 2.1: Perbandingan performa kendaraan UCSD FSAE tahun 2005 dan 2006
Page 8
Tabel tersebut di atas mendeskripsikan torsi puncak yang diperoleh pada
kendaraan yang diproduksi ditahun 2006 meningkat sebesar 21% dengan berat
berkurang 23kg dan akselerasi lebih cepat 10,7%.
2.2 Cylinder Block
Blok Silinder merupakan inti dari mesin, yang terbuat dari besi tuang.
Blok silinder terdiri dari beberapa lubang tabung silinder, yang di dalamnya
terdapat torak yang bergerak turun-naik. Silinder-silinder ditutup bagian atasnya
oleh kepala silinder yang dijamin oleh gasket . Crankcase terpasang dibagian
bawah blok silinder dan poros engkol dan bak oli termasuk di dalam blok silinder,
hanya pada tipe OHV (Over Head Valve). Pada mesin modern poros nok berada
di dalam kepala silinder. Silinder-silinder dikelilingi oleh mantel pendingin (water
jacket) untuk membantu pendinginan. Perlengkapan lainnya seperti starter,
alternator, pompa bensin, distributor dipasangkan pada bagian samping blok
silinder. Adapun susunan silinder mesin pada mesin diantaranya dapat
dideskripsikan sebagai berikut.
a. Tipe V
Gambar 2.1 Susunan silinder mesin tipe V
Pada tipe ini, blok silinder berbentuk V (V-Shape). Tipe ini
memungkinkan dimensi mesin menjadi lebih tinggi dan panjang mesin
menjadi berkurang.
b. Tipe In Line
Gambar 2.2 Susunan silinder mesin tipe In-Line
Page 9
Pada tipe in-line, silinder-silinder disusun dalam satu baris, tipe ini banyak
digunakan karena konstruksinya sederhana.
c. Tipe Horizontal
Gambar 2.3 Susunan silinder mesin tipe horizontal berlawanan
Silinder pada tipe ini disusun secara horizontal dan berlawanan satu
dengan yang lain. Susunan seperti ini dapat menentukan ukuran tinggi
mesin.
Pada umumnya blok silinder dibuat dengan proses pengecoran.
Pengecoran adalah suatu proses manufaktur yang menggunakan logam cair dan
cetakan untuk menghasilkan parts dengan bentuk yang mendekati bentuk
geometri akhir produk jadi. Logam cair akan dituangkan atau ditekan ke dalam
cetakan yang memiliki rongga sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Setelah
logam cair memenuhi rongga dan kembali ke bentuk padat, selanjutnya cetakan
disingkirkan dan hasil cor dapat digunakan untuk proses sekunder. Pasir hijau
untuk pengecoran digunakan sekitar 75 percent dari 23 million tons coran yang
diproduksi dalam USA setiap tahunnya.
Untuk menghasilkan tuangan yang berkualitas maka diperlukan pola yang
berkualitas tinggi, baik dari segi konstruksi, dimensi, material pola, dan
kelengkapan lainnya. Pola digunakan untuk memproduksi cetakan. Pada
umumnya, dalam proses pembuatan cetakan, pasir cetak diletakkan di sekitar pola
yang dibatasi rangka cetak kemudian pasir dipadatkan dengan cara ditumbuk
sampai kepadatan tertentu. Pada lain kasus terdapat pula cetakan yang
mengeras/menjadi padat sendiri karena reaksi kimia dari perekat pasir tersebut.
Pada umumnya cetakan dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian atas dan bagian
bawah sehingga setelah pembuatan cetakan selesai pola akan dapat dicabut
dengan mudah dari cetakan.
Inti dibuat secara terpisah dari cetakan, dalam kasus ini inti dibuat dari
pasir kuarsa yang dicampur dengan Airkaca (Water Glass / Natrium Silikat), dari
campuran pasir tersebut dimasukan kedalam kotak inti, kemudian direaksikan
dengan gas CO2 sehingga menjadi padat dan keras. Inti diseting pada cetakan.
Kemudian cetakan diasembling dan diklem.
Page 10
Sembari cetakan dibuat dan diasembling, bahan-bahan logam seperti ingot,
scrap, dan bahan paduan, dilebur di bagian peleburan. Setelah logam cair dan
homogen maka logam cair tersebut dituang ke dalam cetakan. Setelah itu ditunggu
hingga cairan logam tersebut membeku karena proses pendinginan. Setelah cairan
membeku, cetakan dibongkar. Pasir cetak, inti, dan benda tuang dipisahkan. Pasir
cetak bekas masuk ke instalasi daur ulang, inti bekas dibuang, dan benda tuang
diberikan ke bagian fethling untuk dibersihkan dari kotoran dan dilakukan
pemotongan terhadap sistem saluran pada benda tersebut. Setelah fethling selesai
apabila benda perlu perlakuan panas maka diproses di bagian perlakuan panas.
Proses pengecoran sendiri dibedakan menjadi dua macam, yaitu traditional casting
dan non-traditional/contemporary casting.
Teknik traditional terdiri atas :
1. Sand-Mold Casting
2. Dry-Sand Casting
3. Shell-Mold Casting
4. Full-Mold Casting
5. Cement-Mold Casting
6. Vacuum-Mold Casting
Sedangkan teknik non-traditional terbagi atas :
1. High-Pressure Die Casting
2. Permanent-Mold Casting
3. Centrifugal Casting
4. Plaster-Mold Casting
5. Investment Casting
6. Solid-Ceramic Casting
Perbedaan secara mendasar di antara keduanya adalah bahwa
contemporary casting tidak bergantung pada pasir dalam pembuatan cetakannya.
Perbedaan lainnya adalah bahwa contemporary casting biasanya digunakan untuk
menghasilkan produk dengan geometri yang kecil relatif dibandingkan bila
menggunakan traditional casting. Hasil coran non-traditional casting juga tidak
memerlukan proses tambahan untuk penyelesaian permukaan.
Jenis logam yang kebanyakan digunakan di dalam proses pengecoran
adalah logam besi bersama-sama dengan aluminium, kuningan, perak, dan
beberapa material non logam lainnya.
2.2.1 Bahan Blok Silinder (Cylinder Block)
Berikut ini merupakan bahan produksi silinder blok, dapat dijabarkan
sebagai berikut:
Page 11
1. Besi Cor Kelabu
Besi cor kelabu atau grey cast iron ditandai dengan mikro graphitic, yang
menyebabkan fraktur bahan untuk memiliki penampilan yang abu-abu. Ini adalah
besi cor paling sering digunakan dan bahan cor yang paling banyak digunakan
berdasarkan berat. Sebagian besar besi cor memiliki komposisi kimia dari 2,5-
4,0% karbon, 1-3% silikon, dan sisanya adalah zat besi. Besi cor kelabu memiliki
kekuatan tarik lebih sedikit dan tahan shock dari baja, tetapi kekuatan tekan
adalah sebanding dengan baja karbon rendah dan menengah.
2. Paduan Aluminium
Paduan Aluminium adalah paduan aluminium dengan logam lain, ( Al )
adalah logam yang dominan untuk paduan aluminium. Unsur-unsur paduan khas
aluminium adalah tembaga, magnesium, mangan, silikon dan seng. Ada dua
klasifikasi pokok dalam memadukan aluminium, yaitu pengecoran paduan dan
paduan tempa, yang keduanya kemudian dibagi lagi menjadi kategori heat-
treatable dan non-heat-treatable. Sekitar 85 % dari aluminium digunakan untuk
produk tempa, misalnya digulung piring, foil dan ekstrusi. Paduan aluminium cor
menghasilkan produk hemat biaya karena titik leleh rendah, meskipun mereka
umumnya memiliki kekuatan tarik lebih rendah dari paduan tempa. Yang paling
penting sistem paduan aluminium cor Al - Si, di mana tingkat tinggi silikon ( 4,0-
13 % ) memberikan kontribusi untuk memberikan karakteristik pengecoran yang
baik. Paduan Aluminium banyak digunakan dalam struktur teknik dan komponen
ringan atau diperlukan ketahanan korosi.
Blok mesin biasanya terbuat dari besi cor “diproduksi oleh pengecoran
menggunakan paduan fluiditas yang baik dan rentang pembekuan kecil”,
meskipun dalam akhir 1990-an, pada umumnya berat dari blok mesin kurang lebih
ialah 135kg, blok mesin yang terbuat dari bahan eksperimen lain sedang
dikembangkan, dalam prototype mobil dengan harapan untuk mengembangkan
kendaraan yang lebih ringan dan efisien. Adapun beberapa syarat yang harus
dipenuhi oleh sinlinder blok, diantaranya ialah:
Kuat
Kondiktuvitas termal yang baik
Kepadatan rendah
Tahan aus
Tahan korosi
Page 12
2.3 Analisis Beban Mesin Kendaraan terhadap Peningkatan Performa
Kendaraan dan Pemakaian Bahan Bakar
Beban dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu: beban dari
alam/lingkungan, beban operasional, dan beban sustain (berat mesin dan
peralatannya). Beban dari alam adalah beban yang diterima mesin/ peralatan,
selama beroperasi maupun tidak beroperasi, dari lingkungan dimana mesin/
peralatan itu berada, seperti beban angin, gempa dll. Beban operasional adalah
beban akibat beroperasinya mesin/peralatan sesuai dengan fungsi kerjanya ketika
mesin tersebut beroperasi. Beban sustain adalah beban berat mesin/ peralatan
yang terus-menerus diterima mesin/peralatan tersebut ketika beroperasi maupun
tidak beroperasi.
2.3.1 Kelas Pembebanan
Mesin atau peralatan serta komponen-komponenya pasti menerima beban
operasional dan beban lingkungan dalam melakukan fungsinya. Beban dapat
dalam bentuk gaya, momen, defleksi, temperatur, tekanan dan lain-lain. Analisis
pembebanan dalam perancangan mesin atau komponen mesin sangatlah penting,
karena jika beban telah diketahui maka dimensi, kekuatan, material, serta variabel
design lainnya dapat ditentukan. Jenis beban pada suatu mesin/peralatan dapat
dibagi menjadi beberapa kelas berdasarkan karakter beban yang bekerja dan
adanya gerakan atau perpindahan. Jika konfigurasi umum dari mesin telah
didefinisikan dan gerakan kinematikanya telah dihitung, maka tugas berikutnya
adalah menganalisis besar dan arah semua gaya, momen, dan beban lainnya.
Beban-beban ini dapat saja konstan atau bervariasi terhadap waktu. Komponen
mesin dimana gaya tersebut bekerja juga bisa dalam keadaaan diam (statik) atau
bergerak. Dengan demikian kelas pembebanan dapat dibedakan menjadi empat
seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.2 sebagai berikut:
Tabel 2.2 : Kelas pembebanan
Sedangkan aplikasi beban berdasarkan daerah pembebanan dapat
diklasifikasikan menjadi dua yaitu:
Beban terkonsentrasi : beban yang diaplikasikan pada daerah yang sangat
kecil dibandingkan dengan luas komponen yang dibebani, dapat
Page 13
diidealisasikan menjadi beban terkonsentrasi pada suatu titik.
Gambar 2.4 Ilustrasi beban terkonsentrasi
Beban terdistribusi: beban didistribusikan pada suatu daerah tertentu.
Gambar 2.5 Ilustrasi beban terdistribusi
Berdasarkan lokasi dan metoda aplikasi beban serta arah pembebanan,
beban dapat diklasifikasikan menjadi: beban normal, beban geser, beban lentur,
beban torsi, dan beban kombinasi.
Page 14
Gambar 2.6 Klasifikasi beban berdasarkan lokasi dan metoda aplikasinya: (a)
normal tarik, (b) normal tekan, (c) geser, (d) lentur, (e) torsi, (f) kombinasi
2.3.2 Diagram Benda Bebas dan Persamaan Kesetimbangan
Untuk mendapatkan identifikasi semua gaya dan momen pada suatu
sistem/peralatan, maka kita perlu menggambar diagram benda beban (DBB) setiap
elemen dari sistem tersebut. DBB haruslah menunjukkan bentuk umum komponen
serta semua gaya dan momen yang bekerja pada elemen tersebut. Perlu diingat
juga bahwa akan ada gaya dan momen luar yang bekerja, dan juga gaya atau
momen yang timbul pada sambungan satu elemen dengan yang lain.
Sebagai tambahan, gaya-gaya dan momen pada DBB, baik yang diketahui
maupun yang tidak diketahui nilainya, dimensi dan sudut setiap element harus
didefinisikan dalam koordinat lokal. Sistem koordinat diletakkan pada pusat
gravitasi elemen (CG). Untuk beban dinamik, percepatan kinematik baik linear
maupun angular pada CG, perlu diketahui atau dihitung sebelum melakukan
analisis beban. Hukum Newton dan persamaan Euler adalah dasar yang dapat
digunakan untuk melakukan analisis beban, baik untuk 3 dimensi maupun 2
dimensi.
Hukum Newton I: “a body at rest tends to remain at rest and abody in motion at
constant velocity will tend to maintain that velocity unless acted upon by an
external force”
Hukum Newton II: “The time rate of change of momentum of a body is equal to
the magnitude of the applied force and acts in the direction of the force”
Untuk sebuah benda kaku yang tidak mengalami percepatan (statik), hukum
Newton I & II dapat dinyatakan dalam persamaan
∑F = 0 ∑M = 0
Page 15
dan untuk benda yang mengalami percepatan
∑F = ma ∑M =Iα
Dengan F = gaya, m = massa, I = momen inersia massa, dan α = percepatan sudut.
Persamaan diatas dikenal sebagai persamaan kesetimbangan statik dan persamaan
kesetimbangan dinamik. Untuk menganalisis gaya-gaya dan momen pada
sambungan yang merupakan interaksi antara body satu dengan yang lainnya dapat
digunakan prinsip dari hukum Newton yang berbunyi :
Hukum Newton III: “When two particles interact, apair of equal and opposite
reaction forces will exist at their contact point. This force pair will have the same
magnitude and act along the same direction line, but have opposite sense”
Konsep aksi-reaksi pada setiap sambungan ini dapat digunakan untuk menentukan
besar dan arah gaya dan momen pada sambungan.
Analisis Beban 3 Dimensi
Untuk sistem tiga dimensi dari beberapa benda yang saling berhubungan,
persamaan vektor diatas dapat ditulis dalam tiga persamaan skalar sesuai dengan
komponen orthogonal koordinat lokal x, y, dan z. titik awal sistem koordinat local
sebaiknya pada pusat gravitasi. Persamaan tersebut untuk kondisi statik adalah
∑Fx = 0 ∑Fy = 0 ∑Fz = 0
∑Mx = 0 ∑My = 0 ∑Mz = 0
Sedangkan untuk kondisi dinamik, dimana benda mengalami percepatan
∑Fx = max ∑Fy = may ∑Fz = maz
dan
∑Mx =Ix αx – (Iy –Iz) ωy ωz
∑My =Iy αy – (Iz –Iy) ωz ωx
∑Mz =Iz αz – (Ix –Iy) ωx ωy
Persamaan tersebut dikenal dengan nama persamaan Euler. ω adalah kecepatan
sudut.
Analisis Beban 2 Dimensi
Pada kenyataannya semua mesin berada dalam 3 dimensi. Akan tetapi
untuk beberapa kondisi khusus, kondisi 3 dimensi ini dapat diidealkan menjadi 2
dimensi gerakan dan gaya/momen yang terjadi hanya pada satu bidang atau
Page 16
bidang-bidang yang paralel. Sebagai contoh, jika semua gerakan dan gaya-gaya
dan momen yang bekerja hanya terjadi pada bidang x-y maka persamaan dari
hukum Newton dan persamaan Euler dapat direduksi menjadi
∑Fx = max ∑Fy = may ∑Mz = Iz αz
Contoh Analisis Beban Mesin atas Performa Kendaraan
Ilustrasi I: Sebuah kendaraan dengan berat (Wmobil) 3000 lb, bergerak dengan
kecepatan konstan 60 mph. Pada kecepatan ini drag aerodinamis adalah 16 HP.
Titik pusat gravitasi dan titik tangkap tahanan aerodinamis ditunjukkan pada
gambar. Tentukanlah gaya-gaya reaksi yang bekerja pada roda kendaraan.
Gambar 2.7 DBB kendaraan yang bergerak dengan kecepatan konstan
Idealisasi :
Kecepatan konstan
Roda belakang sebagai roda penggerak
Gaya aerodinamik dalam arah vertikal diabaikan
Tahanan rolling roda diabaikan
Analisis
1. Hitung gaya drag aerodinamik
Page 17
2. Gunakan kesetimbangan gaya pada arah horizhontal
3. Gunakan kesetimbangan momen
4. Gunakan kesetimbangan gaya dalam arah vertical
Ilustrasi II: Kendaraan pada ilustrasi I yang bergerak dengan kecepatan 60 mph
tiba-tiba di “gas” dengan sehingga daya mesin naik menjadi 96 HP (total).
Tentukanlah gaya-gaya reaksi yang bekerja pada roda kendaraan dan percepatan
kendaraan.
Idealisasi :
Roda belakang sebagai roda penggerak
Efek inersia rotasional adalah ekivalen 7% berat kendaraan. (hanya
100/107
bagian daya yang berfungsi untuk mempercepat kendaraan)
Gambar 2.8 DBB kendaraan yang bergerak dipercepat
Analisis
1. Efek inersia rotasional
Page 18
Hanya 100/107 bagian daya yang berfungsi untuk mempercepat kendaraan
secara linear.
2. Tentukan gaya dorong yang digunakan untuk mempercepat kendaraan.
Daya 16 hp memberikan gaya dorong roda kedepan (Ft) sebesar 100 lb
yang diperlukan untuk menjaga kecepatan selalu konstan.
Daya yang diperlukan untuk mempercepat kendaraan:
3. Tentukan percepatan
4. Gunakan kesetimbangan gaya & momen untuk menghitung reaksi pada
roda
Kesimpulan Analisis Beban Mesin atas Performa Kendaraan terhadap
Peningkatan Performa Kendaraan dan Pemakaian Bahan Bakar
Pada Ilustrasi I pembebanan kendaraan atas dasar Wmobil dengan kecepatan
konstan diperoleh W lebih ringan 50% dengan kecepatan 60mph atau kecepatan
konstan, sedangkan pada saat kendaraan diakselerasi mendadak hingga kecepatan
96mph (Ilustrasi II), maka W yang diperoleh lebih ringan 46% namun dipercepat
5 ft/s2 akibat efek inersia rotasional. Semakin ringan Wmobil semakin cepat laju
Page 19
kendaraan pada kecepatan konstan maupun akselerasi juga menghemat konsumsi
pemakaian bahan bakar.
Selain mengetahui bahwa mengurangi beban kendaraan dapat menghemat
pemakaian bahan bakar seperti langkah di atas, efisiensi kendaraan berdasarkan
pemakaian bakar dapat juga diketahui melalui rumus berikut:
Diketahui:
o : efisiensi total system
WE : output daya
ΣQTH : output termal
QFUEL : input total bahan bakar
Menurut Anrico Casadei dan Richard Broda dalam penelitian mereka
"Impact of Vehicle Weight Reduction on FuelEconomy for Various Vehicle
Architectures” didapatkan data dan juga kesimpulan tentang penghematan bahan
bakar melalui weight reduction. Adapun data dan kesimpulan tersebut dapat
dideskripsikan sebagai berikut:
Gambar 2.9 Grafik Peningkatan Penghematan Pemakaian Bahan Bakar
Page 20
Menurut Anrico dan Richard (2007), Mengurangi berat badan kendaraan (massa)
menghasilkan sedikit traksi yang dibutuhkan untuk mempercepat kendaraan dan
rolling resistance lebih sedikit dari ban. Drive cycle dengan peristiwa akselerasi
yang lebih (kota dan EPA Eropa) menunjukkan manfaat ekonomi bahan bakar
yang lebih besar dari weight reduction dari jalan raya atau kondisi stabil. Juga,
pada kendaraan yang lebih tinggi kecepatan mesin biasanya di throttle lebih tinggi
(lebih baik BSFC) titik operasi dan memberikan sedikit kesempatan untuk
perbaikan. Karena kerugian ban yang lebih besar persentase traksi total pada
kecepatan rendah (menyebabkan kerugian aerodinamis meningkat kecepatan
kuadrat) potensi keuntungan ekonomi bahan bakar dari weight reduction lebih
besar pada kecepatan kendaraan yang lebih rendah.
2.4 Aluminum
Aluminium ialah unsur kimia. Lambang aluminium ialah Al, dan nomor
atomnya 13. Aluminium ialah logam paling berlimpah. Aluminium bukan
merupakan jenis logam berat, namun merupakan elemen yang berjumlah sekitar
8% dari permukaan bumi dan paling berlimpah ketiga. Aluminium terdapat dalam
penggunaan aditif makanan, antasida, buffered aspirin, astringents, semprotan
hidung, antiperspirant, air minum, knalpot mobil, asap tembakau, penggunaan
aluminium foil, peralatan masak, kaleng, keramik, dan kembang api.
Aluminium merupakan konduktor listrik yang baik. Terang dan kuat.
Merupakan konduktor yang baik juga buat panas. Dapat ditempa menjadi
lembaran, ditarik menjadi kawat dan diekstrusi menjadi batangan dengan
bermacam-macam penampang. Tahan korosi.
Aluminium digunakan dalam banyak hal. Kebanyakan darinya digunakan
dalam kabel bertegangan tinggi. Juga secara luas digunakan dalam bingkai jendela
dan badan pesawat terbang. Ditemukan di rumah sebagai panci, botol minuman
ringan, tutup botol susu dsb. Aluminium juga digunakan untuk melapisi lampu
mobil dan compact disks.
Pada abad ke-19, sebelum ditemukannya proses elektrolisis, aluminium
hanya bisa didapatkan dari bauksit dengan proses kimia Wöhler. Dibandingkan
dengan elektrolisis, proses ini sangat tidak ekonomis, dan harga aluminium
dulunya jauh melebihi harga emas. Karena dulu dianggap sebagai logam berharga,
Napoleon III dari Perancis (1808-1873) pernah melayani tamunya yang pertama
dengan piring aluminium dan tamunya yang kedua dengan piring emas dan perak.
Pada tahun 1886, Charles Martin Hall dari Amerika Serikat (1863-1914) dan Paul
L.T. Héroult dari Perancis (1863-1914) menemukan proses elektrolisis yang
sampai sekarang membuat produksi aluminium ekonomis.
Page 21
2.4.1 Proses Pemurnian Refinery Pembuatan Aluminium
Pembuatan Aluminium terjadi dalam dua tahap:
1. Proses Bayer merupakan proses pemurnian bijih bauksit untuk
memperoleh aluminium oksida (alumina), dan
2. Proses Hall-Heroult merupakan proses peleburan aluminium oksida untuk
menghasilkan aluminium murni.
Proses Bayer
Bijih bauksit mengandung 50-60% Al2O3 yang bercampur dengan zat-zat
pengotor terutama Fe2O3 dan SiO2. Untuk memisahkan Al2O3 dari zat-zat yang
tidak dikehendaki, kita memanfaatkan sifat amfoter dari Al2O3. Tahap pemurnian
bauksit dilakukan untuk menghilangkan pengotor utama dalam bauksit. Pengotor
utama bauksit biasanya terdiri dari SiO2, Fe2O3, dan TiO2. Caranya adalah
dengan melarutkan bauksit dalam larutan natrium hidroksida (NaOH),
Al2O3 (s) + 2NaOH (aq) + 3H2O(l) ---> 2NaAl(OH)4(aq)
Aluminium oksida larut dalam NaOH sedangkan pengotornya tidak larut.
Pengotor-pengotor dapat dipisahkan melalui proses penyaringan. Selanjutnya
aluminium diendapkan dari filtratnya dengan cara mengalirkan gas CO2 dan
pengenceran.
2NaAl(OH)4(aq) + CO2(g) ---> 2Al(OH)3(s) + Na2CO3(aq) + H2O(l)
Endapan aluminium hidroksida disaring, dikeringkan lalu dipanaskan
sehingga diperoleh aluminium oksida murni (Al2O3)
2Al(OH)3(s) ---> Al2O3(s) + 3H2O(g)
Proses Hall-Heroult
Selanjutnya adalah tahap peleburan alumina dengan cara reduksi melalui
proses elektrolisis menurut proses Hall-Heroult. Dalam proses Hall-Heroult,
aluminum oksida dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam bejana baja
berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode. Selanjutnya elektrolisis
dilakukan pada suhu 950oC. Sebagai anode digunakan batang grafit.
Setelah diperoleh Al2O3 murni, maka proses selanjutnya adalah
elektrolisis leburan Al2O3. Pada elektrolisis ini Al2O3 dicampur dengan CaF2
dan 2-8% kriolit (Na3AlF6) yang berfungsi untuk menurunkan titik lebur Al2O3
(titik lebur Al2O3 murni mencapai 20000C), campuran tersebut akan melebur
Page 22
pada suhu antara 850-9500C. Anode dan katodenya terbuat dari grafit. Reaksi
yang terjadi sebagai berikut:
Al2O3 (l) 2Al3+ (l) + 3O2- (l)
Anode (+): 3O2- (l) 3/2 O2 (g) + 6e−
Katode (-): 2Al3+ (l) + 6e- 2Al (l)
Reaksi sel: 2Al3+ (l) + 3O2- (l) 2Al (l) + 3/2 O2 (g)
Peleburan alumina menjadi aluminium logam terjadi dalam tong baja yang
disebut pot reduksi atau sel elektrolisis. Bagian bawah pot dilapisi dengan karbon,
yang bertindak sebagai suatu elektroda (konduktor arus listrik) dari sistem. Secara
umum pada proses ini, leburan alumina dielektrolisis, dimana lelehan tersebut
dicampur dengan lelehan elektrolit kriolit dan CaF2 di dalam pot dimana pada pot
tersebut terikat serangkaian batang karbon dibagian atas pot sebagai katoda.
Karbon anoda berada dibagian bawah pot sebagai lapisan pot, dengan aliran arus
kuat 5-10 V antara anoda dan katodanya proses elektrolisis terjadi. Tetapi, arus
listrik dapat diperbesar sesuai keperluan, seperti dalam keperluan industri.
Alumina mengalami pemutusan ikatan akibat elektrolisis, lelehan aluminium akan
menuju kebawah pot, yang secara berkala akan ditampung menuju cetakan
berbentuk silinder atau lempengan. Masing – masing pot dapat menghasilkan
66.000-110.000 ton aluminium per tahun(Anonymous,2009). Secara umum, 4 ton
bauksit akan menghasilkan 2 ton alumina, yang nantinya akan menghasilkan 1 ton
aluminium.
2.4.2 Sifat Aluminium
Sifat Fisika
Aluminium memiliki sifat fisika seperti yang ditunjukkan pada Tabel berikut:
No Sifat Nilai
1 Jari-jari atom 1,82 Å
2 Volume atom 10 cm/gr.atm
3 Density (660oC) 2,368 gr/cm
3
4 Density ( 20oC) 2,6989 gr/cm
3
5 Potensial elektroda (25oC) -1,67 volt
Page 23
6 Kapasitas panas (25oC) 5,38 cal/mol
oC
7 Panas pembakaran 399 cal/gr mol
8 Tensile strength 700 MPa
9 Kekerasan brinnel 12-16 skala mehs
10 Hantaran panas (25oC) 0,49 cal/det
oC
11 Valensi 3
12 Kekentalan (700oC) 0,0127 poise
13 Panas peleburan 94,6 cal/gr
14 Panas uap 200 cal/gr
15 Massa atom 26,98
16 Titik lebur 660oC
17 Titik didih 2452oC
18 Tegangan permukaan 900 dyne/cm
19 Tegangan tarik 4,76 kg/mm
Sifat Kimia
Aluminium bersifat amfoter (kemampuan suatu zat yang dapat perpindah sifat
keasaman dari sifat asam ke sifat basa). Ini dapat ditunjukkan pada reaksi sebagai
berikut:
a. Al2O3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2O
b. Al2O3 + 6NaOH 2Na3AlO2 + 6H2O
Aluminium merupakan unsur yang sangat reaktif sehingga mudah teroksidasi.
Karena sifat kereaktifannya maka Aluminium tidak ditemukan di alam dalam
bentuk unsur melainkan dalam bentuk senyawa baik dalam bentuk oksida
Alumina maupun Silikon. Sifat-sifat Aluminium yang lebih unggul bila
dibandingkan dengan logam lain adalah sebagai berikut:
a. Ringan
Massa jenis Aluminium pada suhu kamar (29oC) sekitar 2,7 gr/cm
3.
Page 24
b. Kuat
Aluminium memiliki daya renggang 8 kg/mm3, tetapi daya ini dapat berubah
menjadi lebih kuat dua kali lipat apabila Aluminium tersebut dikenakan proses
pencairan atau roling. Aluminium juga menjadi lebih kuat dengan ditambahkan
unsur-unsur lain seperti Mg, Zn, Mn, Si.
c. Ketahanan Terhadap Korosi
Aluminium mengalami korosi dengan membentuk lapisan oksida yang tipis
dimana sangat keras dan pada lapisan ini dapat mencegah karat pada Aluminium
yang berada di bawahnya. Dengan demikian logam Aluminium adalah logam
yang mempunyai daya tahan korosi yang lebih baik dibandingkan dengan besi dan
baja lainnya.
d. Daya Hantar Listrik yang Baik
Aluminium adalah logam yang paling ekonomis sebagai penghantar listrik karena
massa jenisnya dari massa jenis tembaga, dimana kapasitas arus dari Aluminium
kira-kira dua kali lipat dari kapasitas arus pada tembaga.
e. Anti Magnetis
Aluminium adalah logam yang anti magnetis.
f. Toksifitas
Aluminium adalah logam yang tidak beracun dan tidak berbau.
g. Kemudahan dalam proses
Aluminium mempunyai sifat yang baik untuk proses mekanik dari kemampuan
perpanjangannya, hal ini dapat dilihat dari proses penuangan, pemotongan,
pembengkokan, ekstrusi dan penempaan Aluminium
h. Sifat dapat dipakai kembali
Aluminium mempunyai titik lebur yang rendah, oleh karena itu kita dapat
memperoleh kembali logam Aluminium dari scrap.
Page 25
Penampilan
abu-abu perak metalik
Garis spektrum dari aluminium
Ciri-ciri umum
Nama, lambang,Nomor atom aluminium, Al, 13
Dibaca Britania Rayaˌæljʉˈmɪniəm/
al-ew-min-ee-əm; or
AS /əˈluːmɪnəm/
ə-loo-mi-nəm
Jenis unsur logam lainnya
Golongan,periode, blok 13, 3, p
Massa atom standar 26.9815386(13)
Konfigurasi elektron [Ne] 3s2 3p
1
2, 8, 3
Page 26
Sifat fisika
Fase solid
Massa jenis(mendekati suhu
kamar)
2.70 g·cm−3
Massa jeniscairan pada t.l. 2.375 g·cm−3
Titik lebur 933.47 K, 660.32 °C, 1220.58 °F
Titik didih 2792 K, 2519 °C, 4566 °F
Kalor peleburan 10.71 kJ·mol−1
Kalor penguapan 294.0 kJ·mol−1
Kapasitas kalor 24.200 J·mol−1
·K−1
Sifat atom
Bilangan oksidasi 3, 2, 1
(oksida amfoter)
Elektronegativitas 1.61 (skala Pauling)
Energi ionisasi
(lebih lanjut)
pertama: 577.5 kJ·mol−1
ke-2: 1816.7 kJ·mol−1
ke-3: 2744.8 kJ·mol−1
Page 27
Jari-jari atom 143 pm
Jari-jari kovalen 121±4 pm
Jari-jari van der Waals 184 pm
Lain-lain
Struktur kristal face-centered cubic
Pembenahan magnetik paramagnetik
Keterhambatan elektris (20 °C) 28.2 nΩ·m
Konduktivitas termal 237 W·m−1
·K−1
Ekspansi termal (25 °C) 23.1 µm·m−1
·K−1
Kecepatan suara(batang
ringan)
(suhu kamar) (rolled) 5,000 m·s−1
Modulus Young 70 GPa
Modulus Shear 26 GPa
Bulk modulus 76 GPa
Rasio Poisson 0.35
Kekerasan Mohs 2.75
Kekerasan Viker 167 MPa
Kekerasan Brinell 245 MPa
Nomor CAS 7429-90-5
Isotop paling stabil
Page 28
2.5 Carbon
Karbon atau zat arang merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol C
dan nomor atom 6 pada tabel periodik. Sebagai unsur golongan 14 pada tabel
periodik, karbon merupakan unsur non-logam dan bervalensi 4 (tetravalen), yang
berarti bahwa terdapat empat elektron yang dapat digunakan untuk membentuk
ikatan kovalen. Terdapat tiga macam isotop karbon yang ditemukan secara alami,
yakni 12C dan 13C yang stabil, dan 14C yang bersifat radioaktif dengan waktu
paruh peluruhannya sekitar 5730 tahun. Karbon merupakan salah satu dari di
antara beberapa unsur yang diketahui keberadaannya sejak zaman kuno. Istilah
"karbon" berasal dari bahasa Latin carbo, yang berarti batu bara.
Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal adalah
grafit, intan, dan karbon amorf. Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung
pada jenis alotropnya. Sebagai contohnya, intan berwarna transparan, manakala
grafit berwarna hitam dan kusam. Intan merupakan salah satu materi terkeras di
dunia, manakala grafit cukup lunak untuk meninggalkan bekasnya pada kertas.
Intan memiliki konduktivitas listik yang sangat rendah, sedangkan grafit adalah
konduktor listrik yang sangat baik. Di bawah kondisi normal, intan memiliki
konduktivitas termal yang tertinggi di antara materi-materi lain yang diketahui.
Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam kondisi normal, tetapi grafit
merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di antara alotrop-
alotrop lainnya.
Semua alotrop karbon sangat stabil dan memerlukan suhu yang sangat
tinggi untuk bereaksi, bahkan dengan oksigen. Keadaan oksidasi karbon yang
paling umumnya ditemukan adalah +4, manakala +2 dijumpai pada karbon
monoksida dan senyawa kompleks logam transisi lainnya. Sumber karbon
anorganik terbesar terdapat pada batu kapur, dolomit, dan karbon dioksida,
sedangkan sumber organik terdapat pada batu bara, tanah gambut, minyak bumi,
dan klatrat metana. Karbon dapat membentuk lebih banyak senyawa daripada
unsur-unsur lainnya, dengan hampir 10 juta senyawa organik murni yang telah
dideskripsikan sampai sekarang.
Karbon adalah unsur paling berlimpah ke-15 di kerak Bumi dan ke-4 di
alam semesta. Karbon terdapat pada semua jenis makhluk hidup, dan pada
manusia, karbon merupakan unsur paling berlimpah kedua (sekitar 18,5%) setelah
oksigen. Keberlimpahan karbon ini, bersamaan dengan keanekaragaman senyawa
organik dan kemampuannya membentuk polimer membuat karbon sebagai unsur
dasar kimiawi kehidupan. Unsur ini adalah unsur yang paling stabil di antara
unsur-unsur yang lain, sehingga dijadikan patokan dalam mengukur satuan massa
atom.
Page 29
2.5.1 Karakteristik Carbon
Karbon memiliki berbagai bentuk alotrop yang berbeda-beda, meliputi intan
yang merupakan bahan terkeras di dunia sampai dengan grafit yang merupakan
salah satu bahan terlunak. Karbon juga memiliki afinitas untuk berikatan dengan
atom kecil lainnya, sehingga dapat membentuk berbagai senyawa dengan atom
tersebut. Oleh karenanya, karbon dapat berikatan dengan atom lain (termasuk
dengan karbon sendiri) membentuk hampir 10 juta jenis senyawa yang berbeda.
Karbon juga memiliki titik lebur dan titik sublimasi yang tertinggi di antara semua
unsur kimia. Pada tekanan atmosfer, karbon tidak memiliki titik lebur karena titik
tripelnya ada pada 10,8 ± 0,2 MPa dan 4600 ± 300 K, sehingga ia akan
menyublim sekitar 3900 K.
Karbon dapat menyublim dalam busur karbon yang memiliki temperatur
sekitar 5800 K, sehingga tak peduli dalam bentuk alotrop apapun, karbon akan
tetap berbentuk padat pada suhu yang lebih tinggi daripada titik lebur logam
tungsten ataupun renium. Walaupun karbon secara termodinamika mudah
teroksidasi, karbon lebih sulit teroksidasi daripada senyawa lainnya (seperti besi
dan tembaga).
Karbon merupakan unsur dasar segala kehidupan di Bumi. Walaupun
terdapat berbagai jenis senyawa yang terbentuk dari karbon, kebanyakan karbon
jarang bereaksi di bawah kondisi yang normal. Di bawah temperatur dan tekanan
standar, karbon tahan terhadap segala oksidator terkecuali oksidator yang terkuat.
Karbon tidak bereaksi dengan asam sulfat, asam klorida, klorin, maupun basa
lainnya. Pada temperatur yang tinggi, karbon dapat bereaksi dengan oksigen,
menghasilkan oksida karbon oksida dalam suatu reaksi yang mereduksi oksida
logam menjadi logam. Reaksi ini bersifat eksotermik dan digunakan dalam
industri besi dan baja untuk mengontrol kandungan karbon dalam baja:
Fe3O4 + 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)
Pada temperatur tinggi, karbon yang dicampur dengan logam tertentu akan
menghasilkan karbida logam, seperti besi karbida sementit dalam baja, dan
tungsten karbida yang digunakan secara luas sebagai abrasif.
Pada tahun 2009, grafena diketahui sebagai material terkuat di dunia yang
pernah diujicobakan. Walaupun demikian, proses pemisahan grafena dari grafit
masih belum cukup ekonomis untuk digunakan dalam proses industri.
Berbagai alotrop karbon memiliki ciri-ciri yang sangat berlawanan satu
sama lainnya:
Page 30
Intan nanokristal sintetik merupakan
material terkeras yang diketahui.
Grafit adalah salah satu material
terlunak yang diketahui.
Intan merupakan bahan abrasif. Grafit adalah pelumas yang sangat
baik.
Intan tidak menghantarkan listrik
(insulator).
Grafit menghantarkan listrik
(konduktor).
Intan merupakan konduktor panas yang
baik.
Beberapa jenis grafit digunakan
sebagai insulator panas.
Intan berwarna transparan. Grafit berwarna kelam.
Intan mengkristal dalam sistem kristal
kubik.
Grafit mengkristal dalam sistem
kristal heksagonal.
Karbon amorf bersifat isotropik.
Karbon nanotabung merupakan bahan
yang paling anisotropikyang pernah
dibuat.
Isotop
Isotop karbon adalah inti atom yang memiliki enam proton ditambah
beberapa neutron (bervariasi mulai dari 2 sampai 16). Karbon memiliki dua isotop
stabil, secara alami terjadi. Isotop karbon-12 (C-12) membentuk 98,93% karbon
yang ada di bumi, sementara isotop Karbon-13 (C-13) membentuk sisanya yakni
1,07%. Konsentrasi isotop C-12 lebih meningkat pada material biologi karena
reaksi biokimia menyingkirkan isotop C-13. Pada tahun 1961, IUPAC
mengadopsi isotop C-12 sebagai dasar dari masa atom. Identifikasi karbon pada
percobaan resonansi magnetik nuklir diselesaikan dengan isotop C-13.
Karbon-14 (C-14) adalah radioisotop yang terjadi secara alami yang
terjadi dalam jumlah jejak di bumi hingga 1 bagian per triliun (10-10%),
kebanyakan terbatas di atmosfer dan endapan dangkal, terutama pada gambut dan
material organik lainya. Isotop ini, meluruhkan 0,158 MeV emisi sinar β-. Karena
waktu paruh relatifnya 5730 tahun, 14C hampir tidak ada dalam batuan tua, tetapi
tercipta di atmosfer (stratosfer bagian bawah dan troposfer bagian atas) oleh
interaksi interaksi nitrogen dengan sinar kosmis. Kelimpahan 14C di atmosfer dan
organisme hidup hampir konstan, tetapi diduga berkurang pada saat organisme itu
mati. Prinsip inilah yang digunakan dalam penanggalan radiokarbon, ditemukan
Page 31
pada tahun 1949, yang telah digunakan secara luas untuk menghitung usia
material yang mengandung karbon sampai dengan 40.000 tahun usianya.
Ada 15 isotop karbon yang terkenal dan isotop dengan hidup terpendek
adalah 8C yang meluruhkan proton dan peluruhan alfa dan memiliki waktu paruh
1,98739x10-21 sekon 19C yang luarbiasa menunjukan halo nuklir, yang berarti
radiusnya cukup besar daripada yang diharapkan jika inti dalam keadaan
kepadatan konstan.
Penampilan Carbon
bening (intan) & hitam (grafit)
Garis spektrum karbon
Ciri-ciri umum
Nama, lambang,Nomor atom karbon, C, 6
Dibaca /ˈkɑrbən
Jenis unsur nonlogam
Golongan,periode, blok 14, 2, p
Massa atom standar 12.0107(8)
Konfigurasi elektron 1s2 2s
2 2p
2 atau [He] 2s
2 2p
2
2,4
Sifat fisika
Fase Solid
Massa jenis(mendekati suhu amorphous: 1.8–2.1 g·cm−3
Page 32
kamar)
Massa jenis(mendekati suhu
kamar)
intan: 3.515 g·cm−3
Massa jenis(mendekati suhu
kamar)
graphite: 2.267 g·cm−3
Titik sublimasi 3915 K, 3642 °C, 6588 °F
Titik tripel 4600 K (4327°C), 10800 kPa
Kalor peleburan 117 (graphite) kJ·mol−1
Kapasitas kalor 6.155 (intan)
8.517 (grafit) J·mol−1
·K−1
Sifat atom
Bilangan oksidasi 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4
Elektronegativitas 2.55 (skala Pauling)
Energi ionisasi
(lebih lanjut)
pertama: 1086.5 kJ·mol−1
ke-2: 2352.6 kJ·mol−1
ke-3: 4620.5 kJ·mol−1
Jari-jari kovalen 77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
Jari-jari van der Waals 170 pm
Lain-lain
Struktur kristal diamond
Catatan struktur kristal (intan, bening)
Pembenahan magnetik diamagnetic
Page 33
Konduktivitas termal 900-2300 (intan)
119-165 (grafit) W·m−1
·K−1
Ekspansi termal (25 °C) 0.8 (intan) µm·m−1
·K−1
Kecepatan suara(batang
ringan)
(20 °C) 18350 (intan) m·s−1
Modulus Young 1050 (intan) GPa
Modulus Shear 478 (intan) GPa
Bulk modulus 442 (intan) GPa
Rasio Poisson 0.1 (intan)
Kekerasan Mohs 10 (intan)
1-2 (grafit)
Nomor CAS 7440-44-0
2.6 Silicide
Sebuah silicide adalah senyawa yang memiliki silikon dengan unsur-unsur
(biasanya) lebih elektropositif. Silikon lebih elektropositif dari karbon. Silikida
secara struktural lebih dekat dengan borida daripada karbida. Mirip dengan borida
dan karbida, komposisi silikida tidak dapat dengan mudah ditetapkan sebagai
molekul kovalen . Ikatan kimia di silikida berkisar dari struktur logam seperti
konduktif untuk kovalen atau ionik. Silikida dari semua logam non - transisi,
dengan pengecualian berilium, telah dijelaskan.
Mercury, thallium, bismut, dan timbal adalah nonmiscible dengan silikon cair.
Atom silikon dalam silisida dapat memiliki banyak organisasi yang mungkin :
Atom silikon terisolasi : elektrik konduktif Cu5Si , ( V , Cr , Mn ) 3si , Fe3Si ,
Mn3Si, dan nonconductive ( Mg , Ge , Sn , Pb ) 2Si , ( Ca , Ru , Ce , Rh , Ir , Ni )
2Si
Si2 pasang : U3Si2 , Hf dan Th silikida
Si4 tetrahedra : KSI , RBSI , CSSI
Rantai Sin : USI , ( Ti , Zr , Hf , Th , Ce , Pu ) Si , CaSi , SrSi , YSI
Page 34
Planar heksagonal grafit - seperti Si lapisan : β - USi2 , silisida dari lantanoid dan
actinoids lainnya
Bergelombang heksagonal lapisan Si : CaSi2
Terbuka tiga dimensi kerangka Si : SrSi2 , ThSi2 , α - USi2
Sebuah silicide dibuat dengan proses self-aligned disebut salicide a . Ini
adalah proses di mana kontak silicide terbentuk hanya di daerah-daerah di mana
disimpan logam ( yang setelah anil menjadi komponen logam silicide ) adalah
bersentuhan langsung dengan silikon, sehingga, proses ini self-aligned . Hal ini
biasanya diterapkan dalam proses MOS /CMOS untuk kontak ohmik dari sumber,
tiriskan, dan poli - Si gerbang.
Kelompok 1 dan 2 silikida misalnya Na2Si dan Ca2Si bereaksi dengan air
untuk menghasilkan hidrogen dan/atau silane. Pada Consumer Electronics Show (
CES) 2012 yang 1Kw yang aman dan ramah lingkungan atau 3KW charger ponsel
dengan sodium silicide yang berjalan di atas air telah diperkenalkan untuk ' orang-
orang yang menghabiskan waktu jauh dari jaringan listrik . Setiap jenis air dapat
digunakan , termasuk air garam dan bahkan dapat berjalan di atas air genangan
menyediakan itu tidak menebal dengan lumpur atau sedimen lainnya.
The silisida logam transisi adalah, sebaliknya, biasanya inert untuk larutan
berair dari segala sesuatu dengan pengecualian asam fluorida; Namun, mereka
bereaksi dengan agen yang lebih agresif , misalnya meleleh kalium hidroksida,
atau fluorin dan klorin ketika merah-panas.
Ketika magnesium silicide ditempatkan ke dalam asam klorida, HCl ( aq),
silan gas , SiH4 , diproduksi . Gas ini adalah analog silikon metana, CH4, tetapi
lebih reaktif . Silan pirofori , yaitu, karena adanya oksigen, secara spontan
combusts di udara:
Mg2Si ( s ) + 4HCl ( aq) → SiH4 ( g ) + 2MgCl2 ( s )
SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O
Reaksi ini khas dari Grup 2 silicide. Mg2Si bereaksi sama dengan asam
sulfat. Kelompok 1 silikida bahkan lebih reaktif . Sebagai contoh, natrium silisida,
Na2Si, bereaksi cepat dengan air untuk menghasilkan natrium silikat, Na2SiO3,
dan gas hidrogen.
Struktur film tipis amorf Si / Al / Si amorf diendapkan berturut-turut tanpa
melanggar vakum. Selama anil 440 K, Al bereaksi dengan Si membentuk lapisan
senyawa homogen antara dua lapisan a-Si. Senyawa ini memiliki struktur yang
unik dan didefinisikan dengan baik, berbeda dari kedua Al dan Si meskipun ada
kesamaan. The Al silicide diamati stabil sampai dengan 575 K, di mana suhu itu
memisahkan ketika a-Si mengkristal.
Page 35
2.7 Merencanakan Formula yang Digunakan sebagai Bahan Produksi Blok
Silinder
Seperti penjabaran sebelumnya di atas, pada awalnya hingga tahun 1990, blok
silinder (cylinder block) dibuat/diproduksi dengan menggunakan besi cor (besi
tuang).
Adapun sifat besi tuang digunakan sebagai material silinder blok:
paduan besi dengan C > 2%
sampai dengan 3% Si untuk mengontrol pembentukan cabride
memiliki titik leleh yang rendah
visikositas cair rendah
tidak ada film yang tidak diinginkan ketika menuangkan
penyusutan yang moderat pada pemadatan
mikrosturktur kurang lebih seragam dengan material tempa
Gambar 2.10 Diagram Fase Iron Carbon
Page 36
Gambar 2.11 Diagram (2) Fase Iron Carbon
Penjelasan diagram fase Iron Carbon (FeC)
Ferrite , juga dikenal sebagai α - ferit ( α - Fe ) atau besi alpha , adalah
istilah ilmu material untuk besi murni , dengan struktur kristal kubik BCC body -
centered. Ini adalah struktur kristal ini yang memberikan baja dan besi cor sifat
magnetik , dan merupakan contoh klasik dari bahan feromagnetik. Ferrite
memiliki kekuatan 280 N/mm2. Dan kekerasan sekitar 80 Brinell.
Baja ringan (baja karbon dengan sampai sekitar 0,2 % berat C) sebagian
besar terdiri dari ferit, dengan meningkatnya jumlah perlit (struktur pipih halus
ferit dan sementit) sebagai kandungan karbon meningkat. Sejak bainit (
ditampilkan sebagai ledeburite pada diagram di bagian bawah halaman ini) dan
perlit masing-masing memiliki ferit sebagai komponen, setiap paduan besi -
Page 37
karbon akan berisi beberapa jumlah ferrite jika diperbolehkan untuk mencapai
kesetimbangan pada suhu kamar. Jumlah yang tepat dari ferit akan tergantung
pada pendingin memproses paduan besi - karbon mengalami seperti mendingin
dari keadaan cair.
Dalam besi murni, ferit stabil di bawah 910 ° C ( 1.670 ° F ) . Di atas suhu
ini bentuk kubik berpusat muka dari besi , austenit ( gamma - besi ) stabil . Di atas
1.390 ° C ( 2,530 ° F ) , sampai dengan titik leleh pada 1.539 ° C ( 2.802 ° F ) ,
struktur kristal kubik berpusat badan lagi bentuk yang lebih stabil dari delta - ferit
( δ - Fe ) . Ferit di atas suhu kritis A2 ( suhu Curie ) dari 771 ° C ( 1.044 K , 1.420
° F ) , di mana itu adalah paramagnetik daripada feromagnetik , adalah beta ferit
atau besi beta ( β - Fe ) . Besi beta Istilah jarang digunakan karena
crystallographically identik dengan, dan fase bidang berdekatan dengan , α - Fe .
Hanya jumlah yang sangat kecil dari karbon dapat larut dalam ferit ;
kelarutan maksimum adalah sekitar 0,02 % berat pada 723 ° C ( 1.333 ° F ) dan
0,005 % karbon pada 0 ° C ( 32 ° F ) [ 3 ] . Hal ini karena karbon larut dalam besi
interstisial, dengan atom karbon menjadi sekitar dua kali diameter interstisial "
lubang", sehingga setiap atom karbon dikelilingi oleh medan regangan lokal yang
kuat. Oleh karena entalpi pencampuran adalah positif ( menguntungkan ) , tetapi
kontribusi entropi dengan energi bebas dari solusi menstabilkan struktur untuk
konten karbon rendah . 723 ° C ( 1.333 ° F ) juga adalah suhu minimum di mana
austenit besi-karbon ( 0,8 wt % C ) stabil ; pada suhu ini ada reaksi eutektoid
antara ferit , austenit dan sementit.
Pada temperatur ruang ferrite adalah magnetik, jumlah karbon yang dapat
larut pada suhu kamar tersebut secara praktis adalah nol, ketika dipanaskan,
temperatur ferrite meningkat dari 0 menjadi 1333F atau sebesar 0,025% dan terus
meningkat hingga 1670F, BCC (Body Centered Cubic) kristal ferrite
bertransformasi menjadi austenite, “Austenite, juga dikenal sebagai fase gamma
besi (γ-Fe), adalah logam, allotrope non-magnetik dari besi atau larutan padat dari
besi, dengan unsur paduan. Pada baja karbon-biasa, austenit ada di atas kritis suhu
eutektoid dari 1.000 K (1.340 ° F, 730 ° C); paduan lain dari baja memiliki suhu
eutektoid yang berbeda. Hal ini dinamai Sir William Chandler Roberts-Austen
(1843-1902)”.
Temperatur austenite turun maksimum sebesar 2%, dari posisi temperatur
paling panas 1670F sebesar 0,80% menjadi 1333F kemudian meningkat lagi
sebesar 2% pada temperatur 2066F hingga menjadi cementite. “Sementit, juga
dikenal sebagai karbida besi, adalah senyawa kimia dari besi dan karbon, dengan
rumus Fe3C (atau Fe2C: Fe). Berat, itu adalah 6,67% karbon dan 93,3% besi. Ini
memiliki struktur kristal ortorombik. Ini adalah, bahan rapuh keras, biasanya
diklasifikasikan sebagai keramik dalam bentuk murni, meskipun lebih penting
dalam metalurgi.
Page 38
Jenis besi tuang yang dihasilkan pada fase Iron Carbon adalah white cast iron dan
grey cast iron carbon.
Gambar 2.12 White Cast Iron
Gambar 2.13 Grey Cast Iron
Pada white cast iron dan grey cast iron ditemukan pearlite. Pearlite adalah
hasil dua fase, pipih ( atau berlapis ) struktur terdiri dari lapisan bolak alpha - ferit
(88 wt %) dan sementit (12 wt %) yang terjadi pada beberapa baja dan besi cor.
Bahkan, penampilan pipih menyesatkan karena lamellae individu dalam koloni
Page 39
yang terhubung dalam tiga dimensi; Oleh karena itu, koloni tunggal adalah
bicrystal yang saling ferit dan sementit. Dalam sebuah paduan besi - karbon ,
selama lambat bentuk pendinginan perlit oleh reaksi eutektoid sebagai mendingin
austenit di bawah 727 ° C ( 1.341 ° F ) ( suhu eutektoid ). Perlit adalah mikro
umum terjadi di banyak nilai baja.
Selain itu juga terdapat graphite flakes, grafit/ɡræfaɪt/ adalah alotrop
karbon . Ini disebut oleh Abraham Gottlob Werner pada tahun 1789 dari γράφω
Yunani Kuno ( Grapho ), " menggambar / menulis ", untuk digunakan dalam
pensil, mana yang biasa disebut timbal (tidak harus bingung dengan memimpin
elemen logam). Tidak seperti berlian (alotrop karbon lain), grafit adalah
konduktor listrik, semimetal a . Hal ini, akibatnya, berguna dalam aplikasi seperti
elektroda lampu busur. Grafit adalah bentuk paling stabil karbon dalam kondisi
standar. Oleh karena itu, digunakan dalam termokimia sebagai negara standar
untuk menentukan panas pembentukan senyawa karbon. Grafit dapat dianggap
kelas tertinggi dari batubara, tepat di atas antrasit dan alternatif disebut meta -
antrasit, meskipun tidak biasanya digunakan sebagai bahan bakar karena sulit
untuk menyala.
Adapun komposisi cast iron yang digunakan pada blok silinder ialah:
Tabel 2.4 : Komposisi cast iron.
Dalam perkembangannya, teknologi material terus dilakukan, selain cast iron,
material yang terus diuji adalah aluminium, pada mulanya, blok silinder
aluminium dikembangkan berdasarkan:
Kebutuhan engine di perusahaan
Uji coba material (sebagai perlengkapan engine)
Berikut ini akan dideskripsikan aplikasi cylinder block dengan aluminium:
Page 40
Aluminium Casting Alloys
Tabel 2.5 Komposisi Aluminium dalam Aluminium Casting Alloys sebagai
paduan aluminium untuk memproduksi blok silinder aluminium
Pada tahun 2000, Toshihiro Takami dkk mengembangkan engine dengan
MMC All Aluminium, dalam penelitiannya, Blok semua silinder aluminium
dengan Matrix Logam Composite (MMC) lubang silinder yang dikembangkan
memungkinkan untuk merancang ulang mesin dasar untuk tinggi kinerja dengan
jarak bore-to-bore sesempit 5.5mm. Silinder blok tipe deck terbuka dan MMC
preform terdiri dari serat alumina-silika dan mulite partikel. Sebuah proses cor
aliran laminar die dipilih untuk memastikan bebas cacat kualitas MMC
membosankan. Untuk memastikan baik pelumasan, mesin elektrokimia
diaplikasikan pada permukaan bore.
Perlu diketahui temperatur cylinder block dan temperatur ruang bakar
sebelum menyusun formula. Temperatur cylinder block dapat dideskripsikan
melalui gambar berikut:
Page 41
Gambar 2.14 Temperatur Cylinder Block
Merencanakan Formula Mesin yang Kuat terhadap Panas dan “Ringan”
Hipotesis proses pencampuran
1. FeC
FeC adalah jenis logam yang banyak diaplikasikan sebagai material blok silinder,
FeC kuat terhadap panas dalam proses pembakaran dalam mesin. Fe adalah
bagian dari FeC (Fe adalah jenis logam transisi)
Logam transisi adalah kelompok unsur kimia yang berada pada golongan 3
sampai 12 (IB sampai VIIIB pada sistem lama). Kelompok ini terdiri dari 38
unsur. Semua logam transisi adalah unsur blok-d yang berarti bahwa elektronnya
terisi sampai orbit d. Dalam ilmu kimia, logam transisi mempunyai dua
pengertian:
Page 42
Definisi dari IUPAC mendefinisikan logam transisi sebagai "sebuah unsur yang
mempunyai subkulit d yang tidak terisi penuh atau dapat membentuk kation
dengan subkulit d yang tidak terisi penuh"
Sebagian besar ilmuwan mendefinisikan "logam transisi" sebagai semua
elemen yang berada pada blok-''d'' pada tabel periodik (semuanya adalah logam)
yang memasukkan golongan 3 hingga 12 pada tabel periodik. Dalam kenyataan,
barisan blok-f lantanida dan aktinida juga sering dianggap sebagai logam transisi
dan disebut "logam transisi dalam".
Jensen meninjau ulang asal usul penamaan "logam transisi" atau blok-d.
Kata transisi pertama kali digunakan untuk mendeskripsikan unsur-unsur yang
sekarang dikenal sebagai unsur blok-d oleh kimiawan asal Inggris bernama
Charles Bury pada tahun 1921, yang merujuk pada peralihan/transisi pada
perubahan subkulit elektron (contohnya pada n=3 pada baris ke-4 tabel periodik)
dari subkulit dengan 8 ke 18, atau 18 ke 32.
2. AlSi
AlSi adalah jenis aluminium alloy yang digunakan dalam proses produksi blok
silinder, Al adalah bagian dari AlSi (Al/Aluminium adalah jenis logam)
Dalam kimia, sebuah logam atau metal (bahasa Yunani: Metallon) adalah
sebuah unsur kimia yang siap membentuk ion (kation) dan memiliki ikatan logam,
dan kadangkala dikatakan bahwa ia mirip dengan kation di awan elektron. Metal
adalah salah satu dari tiga kelompok unsur yang dibedakan oleh sifat ionisasi dan
ikatan, bersama dengan metaloid dan nonlogam. Dalam tabel periodik, garis
diagonal digambar dari boron (B) ke polonium (Po) membedakan logam dari
nonlogam. Unsur dalam garis ini adalah metaloid, kadangkala disebut semi-
logam; unsur di kiri bawah adalah logam; unsur ke kanan atas adalah nonlogam.
Nonlogam lebih banyak terdapat di alam daripada logam, tetapi logam banyak
terdapat dalam tabel periodik. Beberapa logam terkenal adalah aluminium,
tembaga, emas, besi, timah, perak, titanium, uranium, dan zink.
Alotrop logam cenderung mengkilap, lembek, dan konduktor yang baik,
sementara nonlogam biasanya rapuh (untuk nonlogam padat), tidak mengkilap,
dan insulator.
Dalam bidang astronomi, istilah logam seringkali dipakai untuk menyebut
semua unsur yang lebih berat daripada helium.
3. C
C adalah material yang lebih ringan daripada aluminium (Carbon adalah jenis
unsur non logam)
Page 43
Nonlogam adalah kelompok unsur kimia yang bersifat elektronegatif,
yaitu lebih mudah menarik elektron valensi dari atom lain dari pada
melepaskannya. Yang termasuk dalam nonlogam adalah halogen, gas mulia, dan 7
unsur berikut: hidrogen (H), karbon (C), nitrogen (N), oksigen (O), fosfor (P),
belerang (S), dan selenium (Se).
Sebagian besar nonlogam ditemukan pada bagian atas tabel periodik,
kecuali hidrogen yang terletak pada bagian kiri atas bersama logam alkali. Tidak
seperti logam yang merupakan konduktor listrik, nonlogam biasanya bersifat
insulator atau semikonduktor. Nonlogam dapat membentuk ikatan ion dengan
menarik elektron dari logam, atau ikatan kovalen dengan nonlogam lainnya.
Oksida nonlogam bersifat asam.
Walaupun hanya terdiri dari 12 unsur, dibandingkan dengan lebih dari 80
lebih jenis logam, nonlogam merupakan penyusun sebagian besar isi bumi,
terutama lapisan luarnya. Makhluk hidup tersusun hampir semuanya dari
nonlogam. Banyak nonlogam yang berbentuk diatomik (hidrogen, nitrogen,
oksigen, fluor, klor, brom, dan yodium), sedangkan sisanya adalah poliatomik.
Perencanaan campuran sementara adalah (Fe+Al)+C+Al
Tahap pertama yang dilakukan dalam merencanakan paduan tersebut ialah
memadukan Fe dengan Al. Dengan reaksi Fe+Al. Fe dan Al dipadukan dengan
fase intermetallic.
Senyawa intermetallic atau intermetalik adalah istilah yang digunakan dalam
sejumlah cara yang berbeda. Paling sering mengacu pada fase solid-state yang
melibatkan logam. Ada sebuah "definisi penelitian " ditaati umum di publikasi
ilmiah, dan lebih luas "penggunaan umum" istilah. Ada juga penggunaan yang
sama sekali berbeda dalam kimia koordinasi, di mana telah digunakan untuk
merujuk kepada kompleks yang mengandung dua atau lebih logam yang berbeda.
Fe
Al
C
Page 44
Meskipun istilah senyawa intermetalik, yang berlaku untuk fase padat, telah
digunakan selama bertahun-tahun, diperkenalkan disayangkan, misalnya dengan
Hume - Rothery pada tahun 1955.
Perhatikan bahwa banyak senyawa intermetalik sering hanya disebut ' paduan ',
meskipun hal ini agak keliru . Keduanya fase logam yang mengandung lebih dari
satu elemen, tetapi dalam paduan berbagai elemen pengganti secara acak satu
sama lain dalam struktur kristal , membentuk larutan padat dengan berbagai
kemungkinan komposisi; dalam senyawa intermetalik, unsur-unsur yang berbeda
diperintahkan ke situs yang berbeda dalam struktur, dengan lingkungan lokal yang
berbeda dan sering didefinisikan dengan baik, stoikiometri tetap. Struktur yang
kompleks dengan sel unit yang sangat besar dapat terbentuk.
Fase intermetalik dalam G¨uven¸c TEM˙IZEL (2007) dapat dijelaskan sebagai
berikut:
Fase intermetalik FeAl2 muncul pertama di Fe- Al Film antarmuka untuk
sebagian besar experimental dirancang kondisi tal. Hasil ini didukung thermo-
dinamis karena memiliki energi bebas terendah untuk formasi dalam sistem Fe-
Al bila dibandingkan dengan lainnya intermetallics di wilayah Al-kaya fase Fe-Al
diagram. Fase intermetalik Fe2 Al5 diamati setelah pembentukan fase intermetalik
FeAl2. Tiga kondisi baik dapat diberikan untuk pembentukan intermetalik- fase
lic Fe2Al5 . Ini dicapai pertama dengan lipatan dalam waktu anil pada suhu
konstan. Kedua, hal itu dicapai dengan penurunan awal ketebalan film pada suhu
anil konstan dan waktu anil. Kondisi terakhir untuk formasi fase intermetalik
Fe2Al5 adalah dengan meningkatkan suhu annealing pada awal Al Film konstan
ketebalan, dan pada waktu anil konstan. Atom Al persentase fase intermetalik
terbentuk meningkat dengan awal Al ketebalan film, yang dibuktikan melalui
semua percobaan. Semua fase hadir dalam diagram kesetimbangan tidak selalu
muncul dan mereka tentu tidak ingin untuk tumbuh secara bersamaan, namun
berbagai inkubasi periode yang diamati. Mereka terbentuk sequentially, berbeda
dengan intermetallics, yang dibentuk serempak dalam bahan massal.
Page 45
Adapun metode pencampuran paduan Al Fe dapat dideskripsikan sebagai berikut:
Tabel 2.6 Metode pencampuran Fe dan Al:
Sedangkan hasil analisis EDS dari fase intermetalik diamati oleh anil pada
temperatur yang berbeda. dimana nomor mewakili persentase atom dari fase
masing-masing. Hasil analisis tersebut dapat dijabarkan dalam tabel sebagai
berikut.
Tabel 2.7 Hasil analisis EDS dari fase intermetalik:
Hal ini dapat disimpulkan bahwa persentase atom Al dari fase intermetalik
dibentuk pada antarmuka meningkat dengan Al film awal ketebalan. Fe2Al3
memiliki persentase atom Al antara 58% dan 65%. Fase intermetalik ini diamati
Page 46
pada ketebalan film awal 2 μ m, sedangkan atom persentase Al FeAl2 adalah 66%
-66,9%, yang merupakan konsentrasi yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan
Fe2 Al3 , Dan diamati pada ketebalan film yang lebih tinggi awal (3 μ m).
Akhirnya, pada ketebalan film awal tertinggi 8 μ m, persentase atom tertinggi Al
diamati untuk FeAl3 (74,5% -76,5%).
Dengan memadukan Fe dan Al dengan fase intermetalik berdasarkan data hasil
ujicoba, Fe2Al5 dicapai pertama dengan lipatan dalam waktu anil pada suhu
konstan.
Paduan antara Fe dan Al yang direncanakan adalah Fe2Al5 (dimana rentangan
persentase setelah terbentuk FeAl2 atau FeAl3 cenderung konstan).
Tahap selanjutnya ialah mencampur C dan Al dengan reaksi C+Al
Menurut JasonV. Shu art (2012), dalam penelitiannya: Bahan-bahan aluminium-
karbon diungkapkan di sini tidak menunjukkan respon galvanik dan stabil bahkan
dalam suhu tinggi, garam pengujian korosi air. Selain itu, bahan aluminium
karbon yang diungkapkan di sini telah diuji dengan teknik pembakaran canggih
seperti LECO pembakaran analisis yang beroperasi lebih dari 15000 C. dan tidak
ada karbon terdeteksi. C+Al yang padukan disini ialah aluminum alloy 6061 and
2.7 Wt % carbon.
Dalam hasil penelitiannya Jason menyatakan:
1. Sebuah komposisi aluminium karbon yang terdiri dari aluminum dan karbon,
Dimana aluminium dan bentuk karbon bahan fase tunggal, dicirikan bahwa
karbon tidak bukan fase terpisah dari aluminium Ketika fase tunggal material
dipanaskan sampai suhu leleh.
2. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana aluminium adalah paduan
aluminium.
3. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana karbon terdiri dari sekitar 0,01
sampai sekitar 40 persen Berat material.
4. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana karbon terdiri dari setidaknya
sekitar 1 persen berat dari material.
5. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana karbon terdiri dari setidaknya 5
persen Bobot material.
6. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana karbon terdiri paling banyak
sekitar 10 persen Berat materi.
Page 47
7. Komposisi aluminium karbon klaim 1 Dimana karbon terdiri paling banyak
sekitar 25 persen Berat materi.
8. Komposisi aluminium karbon dari klaim 1 lebih lanjut terdiri dari aditif yang
menanamkan perubahan ke fisik atau sifat mekanik dari komposisi.
9. Sebuah komposisi aluminium karbon pada dasarnya terdiri aluminium dan
karbon, aluminium Dimana dan membentuk karbon bahan fase tunggal, dan
Dimana karbon tidak fase terpisah dari aluminium Kapan materi dipanaskan
sampai suhu leleh.
10. Komposisi aluminium karbon klaim 9 Dimana aluminium adalah paduan
aluminium.
11. Komposisi aluminium karbon klaim 9 dimana karbon terdiri dari sekitar 0,01
sampai sekitar 40 persen Berat material.
12. Komposisi aluminium karbon klaim 9 Dimana karbon terdiri dari setidaknya
sekitar 1 persen berat dari material.
13. Komposisi aluminium karbon klaim 9 Dimana karbon terdiri dari setidaknya 5
persen Bobot material
6061 adalah paduan pengerasan presipitasi aluminium, yang mengandung
magnesium dan silikon sebagai elemen utama paduan. Awalnya disebut "Alloy
61S," ini dikembangkan pada tahun 1935. Ia memiliki sifat mekanik yang baik
dan pameran mampu las yang baik. Ini adalah salah satu paduan aluminium yang
paling umum dipakai untuk tujuan umum.
Hal ini umumnya tersedia di kelas pra-marah seperti 6061-O (anil) dan nilai
marah seperti 6061-T6 (solutionized dan artifisial usia) dan 6061-T651
(solutionized, stres lega membentang dan artifisial usia).
Komposisi paduan dari 6061 adalah:
Silicon minimum 0,4%, maksimum 0,8% berat
Besi tidak ada minimum, maksimum 0,7%
Tembaga minimum 0,15%, maksimum 0,40%
Mangan tidak ada minimum, maksimum 0,15%
Magnesium minimum 0,8%, maksimum 1,2%
Chromium minimum 0,04%, maksimum 0,35%
Seng ada minimum, maksimum 0,25%
Titanium tidak ada minimum, maksimum 0,15%
Unsur-unsur lain tidak lebih dari 0,05% masing-masing, 0,15% dari total
Sisa Aluminium (95,85% -98,56%)
Page 48
Paduan aluminium digunakan dibanyak rekayasa applications karena berat dan
kekuatan yang tinggi karakteristik mereka. Namun, kekerasan yang rendah dan
ketahanan aus rendah membatasi penggunaannya dalam beberapa aplikasi.
Matriks logam aluminium komposit (Al-MMC) yang mengandung partikel bala
bantuan yang dianggap sebagai solusi yang menjanjikan untuk menyampaikan aus
yang lebih baik resistensi terhadap paduan aluminium. Penambahan silikon
karbida dan alumina Untuk paduan aluminium dilaporkan untuk meningkatkan
ketahanan aus mereka. Berbagai jenis reinfor- semen seperti aluminium nitrida,
granit, nikel aluminide, Garnet, Kaca, beryl, Boron karbida, Titanium dioksida,
aluminium diboride dan cerium dioksida juga telah dilaporkan efektif bala
bantuan untuk meningkatkan sifat tribological aluminium paduan berbasis.
Dilaporkan bahwa ketahanan aus meningkat dengan peningkatan konten
penguatan akibat kekerasan yang tinggi dan kekuatan fase penguatan.
Paduan campuran antara aluminium dan carbon yang direncanakan pada tahap ini
dapat diformulasikan dengan Al6061+C
Selain dua paduan, terdapat tiga jenis paduan, atau ternary, Ternary (paduan dari
tiga unsur) paduan Al-Fe-Si sangat menarik karena untuk kepentingan komersial
Fe-kaya magnetik paduan (Sendust, ALSIFER) dan aplikasi luas dari paduan Al-
kaya dalam produksi cahaya konstruksi bahan nasional. Selain itu, cairan paduan
Al-Fe-Si pada pendinginan cepat mampu untuk membentuk fase amorf, yang sifat
yang intensif dipelajari dekade terakhir. Pengetahuan tentang sifat termodinamika
dari sistem, termasuk keadaan cair, diperlukan untuk desain dan perbaikan paduan
industri. Menurut Kanibolotsy (2003) Telah ditetapkan bahwa cairan Al-Fe-Si
alloys terbentuk dengan pengeluaran kehangatan signifikan hingga -35 KJ mol -1 .
Dependensi konsentrasi paresensial untuk aluminium dan entalpi integral dari
pencampuran memastikan bahwa sifat termodinamika dari Al-Fe-Si alloys
sebagian besar adalah ditentukan oleh komponen interaction dalam sistem batas
Fe-Si.
Sehingga formula yang direncanakan untuk membuat mesin yang lebih ringan
darn tahan panas dapat dijabarkan dengan reaksi sebagai berikut:
Fe2Al5 + C + Al6061 + C => Fe2Al5 + Al6061 +2C
Fe2Al5 + Al6061 +2C => 2FeC+6Al
Formula 1 : Fe2Al5 + Al6061 +2C
Formula 2 : 2FeC+6Al
Formula 3 : FeAl3SiC
Page 49
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Membuat Formula
Mencetak
Menguji
Berhasil
Membuat
blok silinder
Tidak Berhasil
Menganalisa
1,2,3
Uji Performa
Uji Berat
Page 50
DAFTAR PUSTAKA
_____________. High-pressure Die Cast Cylinder Blocks Made of Aluminium.
German
A.M. Al-Qutub. 2012. Wear and friction behavior of Al6061 alloy reinforced with
carbon nanotubes
Camelia. 2011. Considerations On Thermal Fatigue Internal Combustion Engines
Cobden, Ran. 1994. Physical Properties, Characteristics and Alloys
Grabke, Hans. 2002. Carburization, carbide formation, metal dusting, coking
G¨uven¸c TEM˙IZEL, Macit OZENBAS. 2006. Intermetallic Phase Formation at
Fe-Al Film Interfaces
JasonV. Shu art.2012. Aluminum-Carbon Compositions
Kanibolotsky. 2003. Enthalpy of mixing in liquid Al–Fe–Si alloys at 1750 K
Kumar, Sudipit. 2008. Production And Characterisation Of Aluminium-Flyash
Composite Using Stir Casting Method
Nguyen, H. 2005. Manufacturing Processes and Engineering Materials Used in
Automotive Engine Blocks
Richardo. 2008. Impact of Vehicle Weight Reduction on Fuel Economy for
Various Vehicle Architectures
Tom, dkk. 2010 Analysis of the Relationship Between Vehicle Weight/Size and
Safety, and Implications for Federal Fuel Economy Regulation
Toshihiro Takami, dkk. 2000. MMC All Aluminum Cylinder Block for High
Power SI Engines
Sandia National Laboratories. 2014. Low-temperature combustion enables
cleaner, more efficient engines