LAPORAN AKHIR
Pembuatan Ulang Roda Kereta Api dengan Metoda Bandage, Reverse Engineering dengan Memanfaatkan Kemampuan Industri Kecil Menengah
PROGRAM INSENTIF
RISET LITBANG PEREKAYASA
Pusat Teknologi Material - BPPT
Gedung IIlantai 22 BPPT, JI M.H Thamrin No 8
Jakarta Pusat 10340
Telp. 021-3169868, Fax 021-316 9873
[email protected]
Nopember 2010
Laporan Akhir Roda Kerela Api
LAPORAN AKHIR
Pembuatan Ulang Roda Kereta Api dengan Metoda Bandage, Reverse Engineering dengan Memanfaatkan Kemampuan Industri Kecil Menengah
PROGRAM INSENTIF
RISET LITBANG PEREKAYASA
Pusat Teknologi Material - BPPT
Gedung II lantai 22 BPPT, JI M.H Thamrin No 8
Jakarta Pusat 10340
Telp. 021-316 9868, Fax 021-316 9873
[email protected]
Nopember 2010
Laporan Akhir Roda Kerela Api
Daftar lsi
Hal
Lembar Identitas dan Pengesahan.. ........... ...... ..................... 2
Ringkasan........ ........................ ............................. ...... .... ... 3
Prakata .............................................................................. 4
Daftar Isi............................................................................ 5
Daftar Tabel........ .................................... ........................ ...
6
Daftar GalTlbar................ ............... ... ....... ............... ......... ... 7
1. Pendahuluan ............................................................................... 9
2. Tinjauan Pustaka ....................................................................... 10
3. Tujuan dan Manfaat ......................................................... 11
4. Metodologi .................................................................................... 12
5. Hasil dan Pembahasan ............................................................... 16
6. Kesimpulan .................................................................................. 38
Daftar Pustaka ............................................................................... 39
5
Laparan Akhll' Rada Kerela Api
Daftar Tabel
Tabel 5.1 Komposisi Kimia Roda KA Asli ... .. .......... .. .. ...... ............... .. .. .. .. .. ... 13
Tabel 5.2 Komposisi Kimia Material Cor .......... ................ ..... .... .. .... .. .. .. .. .... 21
Tabel 5.3 Hasil Pengujian .......... .. ..... .. ......... .. .. .. .............. .. ............ ............. 24
Tabel 5.4 Komposisi Roda KA ...... .. ........ ..... .. .. .. .. .... .... .. .............................. 31
Tabel 5.5 Bahan Dasar ........ ... .. ........ ....... .. .... ..... .. ....... ........ ..... .. ........ .... .... 32
Tabel 5.6 Komposisi Target ...... ........ ............ .. .................. ... ...... ..... .... ...... 32
Tabel 5.7 Komposisi Roda KA Asli dan Target Peramuan Peleburan ....... 33
Tabel 5.8 Komposisi Roda KA Asli dan Hasil Cor .. ................. .. ................. 34
Tabel 5.9 Uji Keras Roda KA As-Cast .... ...... .......... ... ......... .......... ... .. ...... .. 36
6
Laporan Akhir Rodn Kerela Api
Daftar Gambar
Gambar 5.1
Struktur Mikro Roda KA...................... ...... .... ..... .. .. ........ ............. 16
Gambar 5.2
Model Sampel............................................................................. 17
Gambar 5.3
Model Simulasi ............................................................................ 17
Gambar 5.4
Diagram perubahan temperatur pada sample...... .. . .... .. .. .. ..... 18
Gambar 5.5 Temperatur sampel 700 0 C - 9 Detik dan 18 Detik .................... 18
Gambar 5.6 Temperatur sampel 900 0 C - 9 Detik dan 18 Detik ................ ....... 19
Gambar 5.7 Sampel Padat.. ........................................................ .. ...... .. .... .. ..... 19
Gambar 5.8
Pembuatan cetakan.... .. ........ .... ...... ..... .......... ............................. 20
Gambar 5.9
Assembling cetakan...................... .......... ............ .. .. .. .. .. ...... .... .... 20
Gambar 5.10
Pemanasan Sampel Dalam Cetakan................ .................... .....
20
Gambar 5.11
Peleburan dan Penuangan ................................................ 21
Gambar 5.12
Hasil Cor dan posisi pemotongan ........................................ 21
Gambar 5.13
Pengamatan Makro potongan sample .................. ... ... ... ... ..... 22
Gambar 5.14
Interface Struktur Mikro ..................................................... 23
Gambar 5.15 Lokasi Pengujian ............................................................. 24
Gambar 5.16. Rancangan Penambah pada Model Roda KA ........................... 25
Gambar 5.17. Proses Pengisian Logam Cair .................... .. ....... ...... .... ..... ....... 26
Gambar 5.18. Feeding Zone Berakhir pada Penambah'................ .... .... ...... .. ..
26
Gambar 5.19. Fraction Solid pada Menit Ke-7 ............................................. .. .. 27
Gambar 5.20. Fraction Solid pada Menit ke-11............................................... 27
Gambar 5.21. Final Solidification - Shrinkage only at Riser...........................
28
Gambar 5.22. Pola Roda KA........................................................................... 28
7
Laporan Akhir Roda Kere la Api
Gambar 5.23. Penempatan Pol a Dalam Rangka Cetak dan Pemberian Pasir. 29
Gambar 5.24. Penempatan Penambah ...... .. .............. .... .................... ............ . 29
Gambar 5.25. Pemadatan Pasir Cetak .............. .. .... ... ............ ...... ................... 30
Gambar 5.26 . Pengangkatan Pola dari Cetakan ...... ... ........ .. .. ......... ........ .... ... 30
Gambar 5.27. Pemberian Coating Pada Cetakan dan Assembling Cetakan .. 30
Gambar 5.28 . Cetakan Siap Cor.. .... .... .... .. .................. .... ... ........ ...... .............
31
Gambar 5.29. Proses Peleburan dan Penuangan Ke Cetakan Roda KA.... ..
32
Gambar 5.30. Proses Penuangan dan Kondisi Cetakan Setelah Selesai Dicor
Penuh..... ............. ...... ................ .......... .... ... ............ ..... .. ...... ....
33
Gambar 5.31. Diagram Perlakuan Panas Normalising Coran Roda KA........
34
Gambar 5.32. Struktur IVlikro As-Cast Cor 1 (Bahan Baja Lain) .. ............ ...... 35
Gambar 5.33 . Struktur Mikro Hasil Normalising Cor 1 (Bahan Baja Lain).....
35
Gambar 5.34. Uji Ultrasonik Roda Cor 1 ....... .... .......... ........ ... ...... .. .. ..... ........ 36
Gambar 5.4.
PemeriksaanCacat Roda Cor 1 dengan Die Penetrant.. .. .... .. 37
8
LaparDn Akhir Rada Kerela Api
1. Pendahuluan
Dalam pelaksanaan penelitian rehabilitasi roda kereta yang telah mengalami aus (pengurangan ketebalan) maka akan dilakukan kegiatan riset pelapisan roda kereta api dengan cara "Hot metal cladding" sehingga akan diperoleh lapisan pada permukaan roda kereta dimana terjadi interdifusi antara material baja karbon roda kereta dan logam pelapisannya yang dalam hal ini di coba untuk memakai baja. Pelapisan dapat dilakukan dengan menggunakan jenis logam baja karbon yang sama dengan jenis roda kereta atau pelapisan dengan menggunakan logam baja anti karat. Untuk itu perlu dilakukan karakterisasi material untuk mengetahui komposisi material roda kereta bekas yang merupakan barang impor dan berbagai analisis beban (gaya) dinamis yang bekerja pada roda kereta saat sedang berfungsi. Fungsi-fungsi tersebut antara terdiri dari gaya pengereman antara sepatu rem dengan telapak roda kereta, gaya gesek antara roda kereta dan bantalan rei serta beban dinamis pada roda kereta akibat dari total beban yang berada diatasnya. Selain itu perlu dijaga agar supaya pada daerah yang saling berlapis tidak akan muncul semacam sifat katodik yang mempercepat korosi, sehingga perlu di jaga metal sebagai pelapisnya mengalami proses difusi bonding yang baik dan tidak terbentuk celah sebagai tempat perambatan media. Selain melakukan proses pelapisan ulang juga akan dilaksanakan pembuatan ulang roda kereta dengan menggunakan metoda pengecoran. Dengan metoda pengecoran diharapkan dapat ditentukan material balance dari paduan material roda kereta yang memenuhi persyaratan kekuatan dan kehandalan roda kereta yang sampai saat ini roda kereta api di Indonesia sepenuhnya masih terus di import.
9
Laparal1 Akhir Rada Kerela Api
2. Tinjauan Pustaka Untuk dapat menghasilkan sambungan antara logam padat dan cair yang sempurna tanpa adanya batas antara (interface) maka proses perlu dilakukan sampai terjadi fusi. Proses fusi yaitu sebagian logam padatan ikut mencair dan mencapai kondisi cair-padat (mushy zone) atau benar-benar mencair sebagian sehingga terjadi pencampuran antara logam cair dan logam padat tersebut. Kondisi tersebut akan menghasilkan sambungan yang sempurna, seolah cairan yang diberikan bukanlah sekedar melapis tapi benar-benar menyatu dengan logam padatan yang dilapisinya. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam proses pelapisan calran adalah parameter-parameter perpindahan panas. Logam padat perlu mendapatkan panas untuk mencapai kondisi mushy atau cairo Panas dapat di peroleh dari pemberian panas (heat generation) pada padatan dengan cara memanaskan logam padat menggunakan pemanas. Sumber lainnya adalah dari panas yang dimiliki cairan. Untuk sumber panas yang kedua tentunya akan berakibat terjadinya penurunan temperatur cairan karena adanya penyerapan panas oleh logam padat sehingga temperatur akhir keduanya akan mencapai titik pertemuan pada temperatur tertentu, selanjutnya kemudian keduanya akan turun secara bersamaan. Bila titik pertemuan temperatur yang terjadi pad a kondisi logam padat masih dalam kondisi full pad at atau belum mushy atau mencair maka yang terjadi adalah difusi atom-atom antara kedua bagian dan terjadi sambungan. Sambungan yang terjadi akan kurang kuat karena pada dasarnya keduanya masih terpisah oleh adanya interface. Untuk mengatasi penurunan temperatur cairan maka pemberian pelapisan dapat dilakukan dengan mengalirkan cairan. Dengan kondisi mengalir maka padatan akan mendapatkan panas sementara cairan yang telah memberikan panas akan pindah karena mengalir. Sampai pada saat temperatur padatan sudah cukup untuk berfusi dengan cairan maka aliran cairan dapat dihentikan. Dari konsep tersebut maka parameter utama yang perlu di cari dalam proses pelapisan cairan pada padatan adalah sebagai berikut: 1. Temperatur preheat logam padatan 2. Temperatur tuang logam cairan 3. Waktu pengaliran cairan
10
Laporon Akhir Rada Kerefa Api
3. Tujuan dan Manfaat
1. Teknologi terapan proses industri yang mampu melakukan
daur ulang secara cermat dan ber kualitas .
2. aplikasi dalam untuk membantu PT Kereta Api dalam
mengatasi kebutuhan roda kereta untuk mengganti roda
yang di nyatakan aus dan tidak dapat dipakai lagi , tanpa
harus melakukan impor
3. Penekanan pada industri Kecil Menengah dilakukan
sebagai pemicu agar IKM dapat juga melakukan daur
ulang produk2 yang secara langsung mengurangi irnpor
4 . Secara lebih terintegrasi maka IKIVl ini dengan PT Kereta
Api dapat melakukan kerja sama memanfaatkan bahan
baku dan desain mold secara benar dan cepat.
Ceruk pasar pengecoran baja mangan sangat potensial , terutama dalam mengembangkan keahlian pengecoran , dsb Manfaat 1. Meningkatnya kegiatan ekonomi masyarakat pengecoran
yang lesu dan tersedianya teknologi yang tepat .
2. Peningkatan added value mutu konsumtif yang mampu
bersaing dengan produk import. Sehingga mengurangi nilai
devisa ..
3. Pengembang mitra usaha yang sederhana dan
sebenarnya merupakan penggiatan perekonornian karena
tidak terpengaruh oleh nilai dolar.
11
Loparan Akhir Rada Kere la Api
4.
METODOLOGI
Pengembangan metode pelapisan logam cair pad a padatan ini ditujukan untuk melakukan perbaikan pada roda kereta api. Roda kereta api yang telah mengalami keausan permukaan akan diberi lapisan menggunakan cairan logam dengan komposisi sejenis . Penelitian yang dilakukan adalah melapis sampel padat dari bahan roda KA dan dilapis cairan. Langkah yang ditempuh untuk mencapai proses yang dapat menghasilkan sambungan lapisan yang baik dan kuat dilakukan sebagai berikut: Penentuan jenis logam baja
Penentuan jenis
logam
berkaitan
dengan
komposisi
logam
yang
akan
disambung. Analisisnya dilakukan pada roda kereta yang telah digunakan. Pengujian bahan roda KA bekas dilakukan yaitu : •
Pemeriksaan komposisi bahan
•
Pemeriksaan metalografi atau struktur mikro bahan .
Setelah diperoleh komposisi material maka akan dapat di analisis sifat atau karakteristik material dari mulai temperatur cair, karakter pembekuan dan struktur mikro yang akan terbentuk pada saat membeku. Simulasi pelapisan logam cair
Simulasi pelapisan logam padat oleh logam cair dilakukan dengan menggunakan software magma soft. Model akan dibuat serupa dengan rencana eksperimen. Dalam pemodelan dan simulasi dapat dilakukan variasi untuk parameter yang akan dicari dalam eksperimen . Parameter tersebut adalah Temperatur preheat logam padatan. Temperatur preheat sampel sebesar 500°C , 700 °c dan 900 °C. Parameter lain dibuat konstan yaitu temperatur tuang 'Iogam cairan dan waktu pengaliran cairan . Hasil simulasi akan diperoleh distribusi temperatur yang terjadi pada saat dilakukan pelapisan dan apakah temperatur pada bag ian padatan telah mencapai temperatur cair atau belum . Langkah simulasi yang dilakukan sebagai berikut: •
Pembuatan model sampel padatan 12
Laparan Akhir Rada Ke re /a Api
•
Raneangan proses dan variasi parameter
•
Simulasi pelapisan eairan
Eksperimen Pelapisan
Berbekal data hasil simulasi maka dapat dilakukan proses eksperimen . Proses eksperimen akan dilakukan pada sampel sederhana berbentuk kotak. Langkah yang dilakukan sebagai berikut: Pembuatan sampel Sam pel padat dibuat dari bahan roda KA yang bekas pakai , dipotong berbentuk sampel kotak . 4.1 Pembuatan eetakan Sampel diletakkan di dalam eetakan , dengan dilengkapi pemanas . Pada bag ian atas sampel diberi rongga cor untuk mengalirkan eairan yang akan dilapiskan . 4.2 Pemanasan sam pel dalam eetakan Sebelum dieor dengan material eair, sampel dipanaskan terlebih dahulu . Pemanasan dibuat tiga variasi untuk tiga buah sampel yaitu 500 900
°e,
700
°e dan
°e.
4.3 Proses peleburan dan penuangan eairan pelapisan Bahan yang digunakan untuk melapis adalah logam sejenis dengan komposisi yang sama dengan logam pada roda kereta api. 4.4 Pengujian hasil as-cast Analisis dilakukan dengan pengamatan sambungan melalui pemeriksaan foto makro , metalografi dan kekerasan . 4.5 Proses perlakuan panas Dalam kondisi digunakan roda kereta api telah mengalami proses perlakuan panas . Untuk dapat meneapai kondisi yang homoge!} antara logam eair yang melapisi dengan logam padat yang dilapis maka perlu dilakukan ekperimen perlakuan panas sampai diperoleh struktur mikro yang homogen antara logam padat dan logam pelapis .
13
4.6 Pengujian hasil perlakuan panas 8.etelah diberi perlakuan panas maka sam pel diperiksa kembali , apakah kondisi sambungan dan struktur mikro bisa menjadi homogen. Pemeriksaan yang dilakukan meliputi foto makro, metalografi dan kekerasan mikro . Hasil akhir yang diharapkan adalah diperoleh sam pel dengan kondisi pelapisan antara logam pad at dan cair tanpa adanya interface sambungan dengan struktur mikro yang homogen.
• PROSES PENGECORAN • Proses perancangan Roda KA yang akan dibuat disesuaikan dengan skala tanur yang dimiliki. Kapasitas tanur yang dimiliki sebesar 250 Kg, oleh karenanya roda KA yang dibuat dirancang memiliki berat tidak lebih dari 125 Kg. Rancangan bentuk roda KA disesuaikan dengan aslinya namun dalam skala yang lebih kecil. Perancangan pertama yang dilakukan berupa gambar teknik roda KA yang dilakukan meliputi : • Pembuatan gambar teknik roda KA • Perancangan pembuatan pola/pattern roda KA • Perancangan proses pengecoran roda KA (rancangan sistem saluran dan penambah) Untuk dapat menghasilkan coran roda KA yang bebas cacat susut cor maka dilakukan perancangan untuk sistem saluran dan penambah . Agar hasilnya optimal dan efisien maka dilakukan simulasi pengecoran menggunakan software magma soft. Dari hasil simulasi akan diperoleh : • Optimasi penggunaan penambah untuk menghindari cacat susut tuang (shrinkage) • Optimasi sistem saluran untuk menghindari turbulensi dan gas terjebak • Proses produksi coran roda KA Proses rancangan direalisasikan dalam bentuk pembuatan coran roda KA. Urutan langkah yang dilakukan sebagai berikut: • Pembuatan pola • Pembuatan cetakan dan inti • Peleburan - Penuangan • Pembongkaran • Pembersihan (fetling - shot blasting) • Perlakuan panas
14
Loporan Akh,r Roda Kerelo Api
Dalam hal penggunaan bahan untuk peleburan digunakan dua jenis bahan : • Bahan baku peleburan menggunakan 100 % roda KA bekas • Bahan baku peleburan menggunakan baja lain
Target komposisi yang dihasilkan sesuai dengan rancangan yang
ditetapkan.
• Proses pengujian Untuk mengetahui kualitas hasil cor maka dilakukan pengujian terhadap kualitas material dan benda cor. Pemeriksaan meliputi : • Pemeriksaan komposisi • Pemeriksaan metalografi - struktur mikro bahan • Pengujian kekerasan • Pengujian tarik • Pengujian impak • Pengujian NOT • Ultrasonik • Die penetrant • Pemotongan satu benda hasil pengecoran untuk menganalisa keberadaan cacat di bag ian dalam (shrinkage) • ANALISA HASIL - KOMPARASI CORAN DENGAN RODA KA ASLI Dari hasil pengecoran kemudian dilakukan perbandingan terhadap kualitas roda KA yang asli. Perbandingan hasil roda KA yang dihasilkan dengan bahan baku yang berbeda juga dilakukan. Hal yang dibandingkan berupa sifat mekanik dan struktur mikro yang dihasilkan . • PROTOTIPE SELESAI Setelah mendapatkan perbandingan hasil roda cor dengan roda KA asli maka proses pembuatan prototipe sudah selesai. Luarannya berupa roda KA dalam skala penelitian yang memiliki sifat mekanik sesuai dengan tuntutan roda KA. Selain itu dapat dihasilkan SOP untuk membuat roda KA .
15
Laparan Akhir Rada Kerela Api
5. HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Jenis Logam Baja Penentuan
jenis
logam
berkaitan
dengan
komposisi
logam
yang
akan
disambung . Analisisnya dilakukan pada roda kereta yang telah digunakan. Pengujian bahan roda KA bekas dilakukan yaitu : •
Pemeriksaan Komposisi Bahan Tabel 5.1 Komposisi Kimia Roda KA Asli
Material termasuk baja karbon tanpa paduano
Gambar 5.1 Struktur Mikro Roda KA Struktur mikro terdiri dari Perl it 95 % dan Ferrit 5 % .
16
Laparan Akhir Rada Kere la Api
Simulasi Pelapisan Logam Cair •
Pembuatan Model Sampel Padatan
Gambar 5.2 Model Sampel
.",'
,
I
Gambar 5.3 Model Simulasi
Model sam pel dan susunan dalam simulasi seperti yang digambarkan diatas . •
Parameter Simulasi
•
Bahan sam pel : Carbon Steel
•
Logam cair : Carbon Steel
•
Temperatur awal sampel : 500 0 C , 700 0 C dan 900 0 C
•
Temperatur cor
•
Waktu pengisian : 18 seconds
•
Jenis cetakan o
: Silica dry sand
Dimensi : 130mm x 130mm
o Tebal:10mm o
•
Berat: 1400 gr
Kondisi batas:
17
L({paran Akhir Rada Kereta Api
o Tebal sam pel : 8 - 12 mm
o Berat sampel: 1.4 kg o Observed at 2 seconds after filling process completed -7 [at
highest temp. of sample] o Observed at 0 - O.5mm depth from the sample surface.
• Simulasi Pelapisan Cairan
Temp
[0 C]
Sample 900° :::.--
~8QQ.o
-7"/'", . L........._... _-- ,.
/
7Q.O
