PENGARUH MEDIA PENCAMPUR TERHADAP ASPEK MEKANIK KOMPOSIT Al/SiC

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011 PENGARUH MEDIA PENCAMPUR TERHADAP ASPEK MEKANIK KOMPOSIT Al/SiC Nurul Chabibah, M. Zainuri Jurusan Fisika FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Abstrak: Distribusi kehomogenan penguat di dalam matrik pembuatan komposit Al/SiC dipengaruhi oleh media pencampur, telah dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh media pencampur dan korelasinya terhadap sifat mekanik komposit Al/SiC. Pada penelitian ini digunakan material proanalis serbuk Alumunium (Al) dimensi 5 µm sebagai matrik dan serbuk Silikon Karbida (SiC) 220 mesh sebagai penguat. Penguat partikel SiC dilapisi oleh spinel MgAl 2 O 4 yang berperan sebagai binder antara matrik dan penguat. Pada proses mixing antara matrik dan penguat divariasikan jenis media pencampurnya dengan metode kering, aquades dan N-butanol serta divarisikan fraksi volume penguat SiC 5%, 10%, 15%, dan 20 %. Pada penelitian ini menggunakan single compacting dengan gaya kompaksi sebesar 15 KN. Hasil penelitian menunjukkan media pencampur N- butanol menghasilkan komposit dengan densitas tertinggi jika dibandingkan dengan komposit yang dihasilkan dari dua media pencampur yang lain yaitu kering dan aquades dengan nilai densitas sebesar 2,76 gram/cm 3. Tingginya nilai densitas ini diperkuat dengan rendahnya nilai porositas kompisit tersebut dengan prosentase nilai porositas 1%. Nilai densitas yang tinggi dan porositas yang rendah berkorelasi terhadap peningkatan aspek mekanik komposit Al/SiC. Kata Kunci: Spinel MgAl 2 O 4, SiC, Komposit Al/SiC, Media pencampur PENDAHULUAN Pada akhir-akhir ini penelitian material komposit isotropik dengan basis material matrik Alumunium dan penguat material keramik, seperti komposit Al/SiC masih intensif dilakukan pengkajian dan pengembangannya. Material komposit tersebut menarik untuk dikaji karena memiliki beberapa sifat keunggulan dari segi sifat mekanik ataupun sifat fisisnya. Secara umum penelitian material komposit dengan menggunakan jenis material MMC (Metal Matrik Komposit) seperti pada material komposit Al/SiC, untuk mengetahui kualitas fisis dan mekanis bahan tersebut sangat berkolerasi dengan variable proses yang dilakukan. Salah satu variable proses yang berpengaruh terhadap kualitas mekanik bahan komposit adalah distribusi kehomogenan partikel penguat terhadap matrik. Distribusi penguat terhadap matrik dipengaruhi oleh kecepatan pengadukan dan media pencampur yang digunakan. Pada penelitian ini difokuskan pada jenis media pencampur yang berkolerasi terhadap kehomogenan dan sifat mekaniknya. Analiasa kualitatif mikrostruktur dan fase-fase yang terbentuk pada material komposit dianalisa menggunakan SEM, EDAX dan XRD. Hasil data kualitatif digunakan untuk mendukung data kuantitatif hasil pengujian sifat mekanik komposit Al/SiC yang diteliti yaitu dengan uji densitas yang sekaligus dapat menentukan porositas dari bahan komposit Al/SiC tersebut, porositas dapat diamati dari pendekatan makroskopis, dimana prediksi di buat untuk respon global dari komposit menggunakan fraksi volume dan karakteristik dari fase masingmasing. Menggunakan pengukuran geometri dan massa dari spesimen green dan sintered, densitas dan hubungan porositas masing-masing spesimen dapat diketahui. (Kruft, 2007). Porositas sangat berhubungan erat dengan kompaktibilitas. Semakin kecil ukuran serbuk maka semakin luas kontak permukaan antar partikel semakin luas. Sehingga porositasnya semakin kecil maka sifat kompaktibilitas bahan semakin tinggi. (Zainuri, 2005) Dari latar belakang di atas akan muncul permasalahan, Bagaimana Pengaruh Media pencampur bahan komposit Al/SiC terhadap distribusi kehomogenan penguat dan sifat mekanik bahan komposit dengan mevariasikan fraksi volume penguatnya.penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh media pencampur bahan komposit Al/SiC terhadap distribusi kehomogenan penguat dan sifat mekanik bahan komposit.penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, Ikut berkontribusi dalam pengembangan material komposit melalui proses keadaan padat (powder metalurgi) dan Penelitian ini bisa dijadikan pengetahuan tentang pengaruh dari ketiga macam media pencampur terhadap kualitas mekanik bahan komposit Al/SiC F-399

2 Nurul Chabibah dan M. Zainuri / Pengaruh Media Pencampur METODE PENELITIAN Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : Ultrasonic Cleaner berfungsi untuk pencucian SiC, Timbangan digital berfungsi untuk menimbang bahan, Magnetik stirrer, Mortar tempat untuk proses percampuran, Krusibel tempat sampel saat sintering, Furnace untuk proses pemanasan, Ph meter untuk mengetahui PH SiC yang telah dilapisi spinel MgAl 2 O 4, Cetakan, berbentuk silinder dengan diameter 1,4 cm, Pompa vakum digunakan untuk menvakumkan tabung saat sintering, Pressing, Alat pemoles untuk menghaluskan permukaan sampel, Seperangkat Alat Scanning Electron Microscope (SEM), dan Seperangkat Alat Difractometer X-Ray (XRD). Sedangkan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Serbuk Alumunium (Al) murni sebagai matrik, Serbuk Silikon Karbida dengan ukuran 220 mesh sebagai penguat, Serbuk Magnesium (Mg) murni, N-Butanol, sebagai media pencampur, Serbuk Zinc-stearat, sebagai pelumus dinding cetakan, Larutan HCl 37% 12 M, Larutan NH4OH 25%, Larutan Alkohol 96% dan Aquades. Prosedur Penelitian Pembuatan komposit isotropik Al/SiC terlapisi dalam penelitian ini dilakukan dengan metode metalurgi serbuk yang disertai kopresipitasi. Langkah-langkahnya dimulai dengan pembersihan permukaan SiC, Pada awal penelitian dilakukan penimbangan SiC 50 gram sesuai dengan perhitungan yang diinginkan oleh peneliti dan dilakukan pencucian Serbuk SiC (220 mesh) yang proanalis. Pembersihan SiC dilakukan dengan peralatan Ultrasonic Cleaner, seperti yang terlihat pada gambar 1. Pembersihan dilakukan di dalam alkohol 96 %. Pembersihan dilakukan sampai Serbuk SiC bersih setelah itu dianalisa dengan differential thermal analysic (DTA) untuk mengidentifikasi proses temperature yang terkait dengan transformasi fase yang terjadi dan didapatkan pada permukaan SiC akan terbentuk oksida pada suhu diatas 900 o C. Dengan data yang di dapat maka dilakukan pemanasan untuk SiC pada suhu 900 o C dengan menggunakan furnace dengan holding time 2 jam. Gambar 1. Seperangkat alat Ultrasonic cleaner Setelah SiC dibersihan langkah selanjutnya adalah Pelapisan permukaan SiC. Pada penelitian ini permukaan SiC akan dilapisi dengan Spinel MgAl 2 O 4, langkah awal yang harus dilakukan adalah pembuatan spinel MgAl 2 O 4, dengan langkah sebagai berikut : Magnesium murni (Mg) dengan massa 0,95 gram dicampur dengan Alumunium murni (Al) dengan massa 2,14 gram dan HCl 15 ml, selanjutnya diaduk dengan pengaduk magnetik sampai dihasilkan larutan elektrolit yang bening dan jernih. SiC dimasukkan ke dalam larutan elektrolit yang bersih dan bening tersebut, diaduk dengan pengaduk magnetik dan ditetesi sedikit demi sedikit NH 4 OH 30 ml. Kemudian diaduk dengan pengaduk magnetik. SiC yang sudah dilapisi spinel MgAl 2 O 4 dibilas aquades di kertas saring, sampai di dapat PH normal atau PH 7 dimana pengukuran PH dengan menggunakan Phmeter, untuk memastikan SiC yang telah dilapisi spinel MgAl 2 O 4 tidak menggandung HCl ataupun NH 4 OH. Pada penelitian ini Alumunium murni (ρ Al = 2,77 gr/cm 3 )sebagai matrik sedangkan SiC (ρ = 2,9 gr/cm 3 ) yang telah dilapisi dengan spinel MgAl 2 O 4 sebagai pengguat dimana variasi fraksi Volume yang digunakan dalam penelitian adalah 5%, 10 %, 15 %, 20 % SiC. Temperature kalsinasi 600 o C dengan variasi media pencampur kering, aquades dan N-Butanol. Waktu tahan sinter 60 menit dimana alat yang digunakan adalah furnice. Volume sampel dibuat berbentuk silinder dengan diameter 1,4 cm dan tinggi 1,6 cm, maka Volume komposit (Vc) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : F-400

3 Vc = πr 2 t = π (0.7) 2. 1,6 = 3,14 (0,49). 1,6 = 2,462 cm 3 Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011 sehingga volume total komposit yang harus dihasilkan adalah 2,462 cm 3, massa serbuk matrik Al = 5,45 gram, dan massa Filler SiC = 1,46 gram untuk Perhitungan untuk fraksi volume 20 % SiC 80 % Al. Proses pencampuran SiC dengan serbuk Alumunium dengan poses Wet mixing (pencampuran basah) yaitu pencampuran dengan menggunakan variasi pelarut, yaitu kering, aquades dan pelarut polar, larutan N-butanol, dengan fraksi volume 5 %, 10 %, 15 %, dan 20 % SiC. Proses pengadukan dilakukan diatas hot plate dengan menggunakan magnetic stearer sampai campuran mengering. Proses penekanan yang dilakukan pada penelitian ini adalah single compacting/cold compacting yaitu penekanan pada suhu ruang. Penekanan ini bertujuan untuk pembentukkan green density pada komposit Al/SiC. Serbuk Al yang sudah dicampur dengan SiC yang sudah homongen dimasukkan dalam cetakan berbentuk silinder dengan diameter 1,4 cm yang sudah ditaburi Zinc-stearat pada dindingnya. Selanjutnya campuran serbuk yang sudah di masukkan dalam cetakan ditekan dengan pompa hidrolik. Proses kompaksi ini dilakukan pada tekanan 15 KN, agar terjadi distribusi tegangan yang merata maka dilakukan dengan waktu penahanan 15 menit. Pada proses sintering dilakukan pada keadaan vakum (10-3 torr), yang diawali dengan dengan proses pre sinter 200 o C dengan holding time 60 menit, untuk meratakan proses sinter. Selanjutnya dilakukan proses sintering yang bertujuan untuk meningkatkan ikatan antar muka partikel serbuk. Temperatur sinter yang digunakan adalah 600 o C dengan holding time 60 menit. Hasil komposit Al/SiC tersebut akan diuji dengan metode Uji X-Ray Diffraction (XRD), Penggunaan XRD pada penelitian ini untuk mengetahui fasa-fasa yang terbentuk. Pengujian menggunakan difraksi sinar-x dilakukan di Laboratorium Riset ITS. Untuk uji yang kedua digunakan Uji SEM (Scanning Electron mikroscope), Penggunaan SEM pada penelitian ini untuk mengetahui lebih jelas struktur mikro bahan serta susunan matrik dan fillernya. Pengujian SEM dilakukan di Robotika ITS dengan tipe EVO MA dan LS Series dengan Merk Zeiss. Untuk uji yang ketiga yaitu Uji Porositas/Densitas, Hasil komposit Al/SiC yang di buat dianalisa densitas, porositas dengan metode Archimedes. Uji keempat menggunakan Uji Kekerasan, Untuk analisa sifat mekanik komposit Al/SiC digunakan uji kompresi. Hasil dari keempat uji tersebut Dianalisis dan diambil kesimpulan. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pada makalah ini akan disajikan khusus mengenai pembahasan tentang densitas dan porositasnya saja. 3.1 Karakterisasi permukaan partikel SiC yang terlapisi melalui proses perlakuan panas. Perlakuan panas terhadap partikel SiC pada suhu diatas 900 o C berdasarkan pada hasil DTA/DTG pada pertikel SiC yang terkait dengan transformasi fasa pada permukaan SiC, hasil DTA/DTG permukaan SiC ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2 menunjukkan bahwa di atas suhu 878,52 o C terjadi penambahan massa SiC, ini menunjukkan bahwa diatas suhu itu sudah mulai terbentuk fasa baru, fase baru yang terbentuk adalah fase SiO2. Terbentuknya formasi SiO2 pada permukaan partikel SiC dalam lingkungan atmosfer, dimana mekanisme reaksinya dinyatakan dengan (Villegas, 2006): SiC(s)+3/2O 2 (g) SiO2(s)+CO (g)..(1) F-401

4 Nurul Chabibah dan M. Zainuri / Pengaruh Media Pencampur Gambar 2. Hasil DTA/DTG padapartikel SiC 3.2 Karakterisasi permukaan partikel SiC yang terlapisi Spinel MgAl 2 O 4. SiC yang sudah dicuci dan dipanaskan 900 o C selama 2 jam bisa dilapisi dengan spinel MgAl 2 O 4 seperti terlihat pada Gambar 3. Gambar 3 SiC yang terlapisi spinel MgAl 2 O 4 Dari gambar hasil SEM diatas terlihat bahwa warna putih yang menyelimuti SiC adalah Spinel MgAl 2 O 4 dengan perbadingan prosentase seperti pada tabel 1. Tabel 1 Prosentase SiC dan Spinel MgAl 2 O Densitas dan Porositas Porositas erat hubungannya dengan densitas. Densitas komposit secara teoritis (ρt) dapat di hitung dengan persamaan rule of mixture, dimana mempresentasikan nilai densitas yang seharusnya di capai oleh produk komposit dengan persamaan 2. ρt = ρf.vf + ρm.vm...(2) Apabila kemudian secara eksperimental nilai densitas sinter (ρs) dapat ditentukan, tetapi tidak memenuhi nilai densitas teoritik, maka dapat diasumsikan telah terjadi sejumlah porositas. Semakin jauh selisih antara nilai densitas teoritik (ρt) dan eksperimental, atau semakin kecil nilai ρs dibanding ρt maka semakin besar pula porositas yang terjadi. Hubungan ini dapat di lihat pada persamaan 3. Porositas = [1 - ρs/ρt ] x ( 3) F-402

5 Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011 Tabel 2 : Densitas Sinter untuk 3 media pencampur dalam satuan gram/cm 3 ρ (10 3 gram/cm 3 ) Vf (%) KERING AQUADES N- BUTANOL Tabel 2 memuat data hasil perhitungan densitas sinter (ρs), untuk fraksi volume penguat 5, 10, 15, 20 %. Berdasarkan data dari tabel 2 dapat dibuat suatu grafik seperti yang disajikan pada gambar 4. Densitas (gram/cm 3 ) Gambar 4: Pengaruh fraksi volume penguat terhadap densitas sinter pada masing masingmedia pencampur Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa komposit Al/SiC dengan media kering dan N-Butanol cenderung naik sedangkan untuk media pencampur aquades cenderung turun sehingga dapat dikatakan untuk pembuatan komposit Al/SiC dengan menggunakan aquades menghasilkan densitas terendah pada fraksi volume 20 %. Dari hasil pengukuran densitas setelah sinter diketahui bahwa pembuatan komposit Al/SiC dengan media N-butanol memberikan nilai densitas terbaik dibandingkan dengan media yang lain. Hal ini dapat dilihat dari nilai densitas sinter untuk produk tersebut pada fraksi volume penguat 20 % dengan nilai 2,67 gram /cm 3. Berdasarkan persamaan 3, maka fraksi porositas setelah sinter dan prosentasenya dapat diukur dan hasilnya adalah seperti yang disajikan pada tabel 3, sedangkan secara grafis ditunjukkan pada gambar 5. Tabel 3 : Persentase Porositas (%) untuk 3 media pencampur POROSITAS (%) Vf ρt N- (%) KERING AQUADES BUTANOL 5 2, , , , F-403

6 Nurul Chabibah dan M. Zainuri / Pengaruh Media Pencampur Gambar 5: Pengaruh fraksi volume penguat terhadap fraksi porositas setelah sinter Dari grafik pada gambar 5 dapat dikatakan bahwa untuk media kering dan media N-Butanol terlihat dengan semakin naikknya fraksi volume, maka fraksi porositas semakin turun sedangkan untuk media aquades terlihat semakin tinggi. Semakin tinggi porositas suatu bahan akan semakin rendah aspek mekanik bahan tersebut. Untuk media kering dan N-butanol dapat dilihat bahwa media pencampur N-butanol menunjukkan nilai fraksi porositas yang paling rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa pembuatan komposit Al/SiC dengan menggunakan media pencampur tersebut paling baik dengan nilai porositas 1 %. Hal itu dapat menunjukkan bahwa dengan media pencampur N-butanol pembuatan komposit Al/SiC akan mempunyai kualitas mekanik yang paling baik daripada media pencampur kering dan aquades. KESIMPULAN Proses pembuatan komposit Al/SiC yang dilapisi dengan spinel MgAl 2 O 4 dengan mengunakan media pencampur N-Butanol mampu menghasilkan komposit dengan karakter persebaran partikel yang paling baik, dengan nilai densitas yang paling tinggi yaitu 2,76 gram/cm 3 dan porositas yang paling rendah yaitu 1 % pada fraksi volume pengguat 20 %, dengan tingginya densitas dan rendahnya porositas menunjukkan kualitas mekanik dari komposit Al/SiC dengan media pencampur N-Butanol paling baik di banding dari media pencampur kering dan aquades. SARAN Perlu adanya standar- standar pada peralatan mixing mengenai efektivitasnya pada kondisi pencampuran seperti apa wet atau dry, mengingat banyaknya ragam jenis peralatan mixing yang tersedia. DAFTAR PUSTAKA Agustine, Yenny Karakterisasi Difraksi Serbuk Nanokristal Spinel MgAl 2 O 4 Hasil Penggilingan. Tesis, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya. E.E.S. Moraes1, M.L.A. Graça2, C.A.A. Cairo Study Of alumunium Alloy Wettability On SiC Preform. Foz do Iguaçu, PR, Brasil. F. Nestola, dkk Comparative compressibility and structural behavior of spinel MgAl 2 O 4 at high pressures: The independency on the degree of cation order. American Mineralogist, Volume 92, pages F-404

7 Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011 Haribowo, Hendro Sifat Mekanik Komposit Isotropik Al/SiC Dengan Proses Pelapisan MgAl2O4 Pada Penguat SiC Dengan Variasi Waktu Sintering. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Jacob, Thomas. K, dkk Nanocrystalline MgAl 2 O 4 Measurements of Thermodynamic Properties Using a Solid State Cell. Material Research Centre and Department of Metallurgy Indian Institute of Science, Bangalore- India. Kamariyah, El indahnia Sintesis Serbuk Nanokristalin Al2O3, MgO, dan MgAl2O3 dengan metode kopresipitasi. Tugas akhir, ITS. Surabaya. Kuft, Jr., J. G Pressureless Sintering Of Power Processed Graded Metal Ceramic Composites Using A Nanoparticle Sintering Aid And Bulk Molding Tecnology. Universitas of Maryland : Tesis Mahardika, Kurnia Erry Pengaruh Variabel Fraksi Volume dan Ukuran Filler Silikon Karbida (SiC) terhadap Sifat Mekanik Komposit Lamina Al/SiC. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Ping, Lim Rooi, dkk Magnesium Aluminate (MgAl 2 O 4 ) Spinel Produced Via Self-Heat- Sustained (SHS) Technique. Material Research Bulletin 36 (2001) Selangor- Malaysia Saleh, M Pengaruh Pelapisan Oksida Pada Permukaan Partikel SiC TerhadapKualitas Ikatan Antarmuka Komposit Al/SiC. Tesis, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya. Suasmoro, Dr Fisika Keramik. MIPA Fisika. ITS. Widyastuti, dkk Struktur Mikro Daerah Laminasi Komposit Laminat Hibrid Al/Al2O3-Al/SiC Dengan Variasi Waktu Tahan sinter Seminar Nasional Sains Dan Teknologi II. Lampung. Urena, A., dkk. (2001), Active Coating for SiC Particles Reduce the degradation by Liquid Alumunium During Prosessing of Alumunium Matrix composites. Journal of microscopy, vol.201, pp Wulandari, Reni Metode Kopresipitasi Untuk Pelapisan partikel SiC yang Teroksidasi Pada Komposit Al/SiC. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Zainuri, M Pembuatan Komposit Serbuk Al/SiC Lamina Pada Penguatan Permukaan Komponen Gear. Penelitian Hibah Fisika MIPA ITS. Surabaya. Zainuri, M Pengaruh Pelapisan Permukaan Partikel SiC Dengan Oksida Metal Terhadap Modulus Elastisitas Komposit Al/SiC. Makara Sains 12: Zulfia, A dan Ariati, M Pengaruh suhu dan waktu Tahan TerhadapKarakteristik Material Komposit Logam Al/SiC Hasil Infiltrasi Tanpa Tekanan. Makara F-405

8 Nurul Chabibah dan M. Zainuri / Pengaruh Media Pencampur F-406