BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 8 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Material Koposit Koposit erupakan aterial teknik yang tersusun atas dua atau lebih bahan yang eiliki asa yang berbeda enjadi suatu aterial baru dengan siat yang berbeda dan lebih baik dari keduanya [18]. Deinisi lain enyatakan bahwa koposit adalah perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan siat asingasing bahan penyusun untuk enghasilkan aterial baru dengan siat yang unik dibandingkan siat aterial dasar sebelu dicapur dan terjadi ikatan perukaan asing-asing aterial penyusun [19]. Berdasarkan deinisi tersebut aka kondisi ikatan perukaan sangat berpengaruh terhadap kekuatan koposit. Persyaratan dasar kekuatan koposit terletak pada kekuatan antar uka atrik dan penguat. Ikatan antar uka inilah yang enjadi jebatan transisi tegangan luar yang diberikan dari atrik enuju partikel penguat. Jika ikatan antaruka terjadi dengan baik aka transisi tegangan ini dapat berlangsung dengan baik pula. Material koposit tersusun atas 2 (dua) bagian yang berbeda yaitu atrik dan penguat. Matrik erupakan asa utaa dan kontinu, berungsi enahan asa penguat dan eneruskan beban. Sedangkan penguat erupakan asa kedua dan diskontinu yang diasukkan kedala atrik. Matrik eiliki siat ulet, seentara itu penguat uunya eiliki kekuatan lebih tinggi dari pada atrik, sehingga disebut asa penguat (reinorcing phase). Bahan koposit dikebangkan sebagai bahan alternati untuk endapatkan siat yang lebih baik seperti high strength/odulus dan densitas rendah yang sangat sesuai diterapkan dala industri penerbangan, antariksa serta industri otooti. Pada industri tersebut eang ebutuhkan koponen yang lebih ringan naun eiliki karakteristik yang handal. Secara prinsip bahwa penguat yang kontinu eberikan siat kekuatan spesiik lebih baik. Naun sayangnya, high strength ibre dan etode pebuatanya lebih ahal dibanding jenis koposit lainya dan hal inilah yang ebatasi penggunaanya dala industri. Oleh karena keterbatasan dari continous reinorce tersebut aka sekarang banyak dan intensi dikebangkan jenis koposit lain, yaitu koposit

2 9 dengan discontinous renorce [5]. Meskipun koposit dengan penguat diskontinu tidak enghasilkan siat yang saa dan cenderung lebih rendah, akan tetapi biaya lebih urah, etode pebuatanya lebih udah dan dapat diterapkan pada etode pebuatan yang konvensional. Kelebihan lainya dari koposit dengan penguat diskontinu eberikan siat yang isotropik, yaitu siat yang saa dala segala arah. Koposit dapat digolongkan berdasarkan jenis atrik dan bentuk penguatnya. Klasiikasi Koposit Berdasarkan Matrik Metal atrix coposites (MMCs), yaitu koposit yang eiliki atrik berupa loga. Ceraic Matrix Coposites (CMCs), yaitu koposit dengan atrik dari bahan keraik. Polyer Matrix Coposites (PMCs), yaitu jenis koposit dengan atrik dari bahan polier. Klasiikasi Koposit Berdasarkan Penguat / reinorceent Fibrous coposite Particulate coposit Flake coposite Fillet coposite 2.2 Koposit Matrik Loga / Metal Matrix Coposites Bahan Penyusun MMCs Metal atrix coposites (MMCs) adalah aterial yang terdiri dari atrik berupa loga dan paduanya yang diperkuat oleh bahan penguat dala bentuk continous ibre, whiskers, atau particulate. Siat koposit tergantung dari beberapa aktor yang epengaruhinya diataranya adalah jenis aterial koposit yang digunakan, raksi volue penguat, diensi dan bentuk penguat dan beberapa variabel proses lainya. Bahan atrik uunya adalah aluuniu dan paduanya, agnesiu dan paduanya serta titaniu dan paduanya. Karakteristik isik dan ekanik atrik aluiniu ditunjukkan pada Tabel 2.1.

3 10 Tabel 2.1. Siat isik dan ekanik loga aluiniu [20] Density, ρ 2.7 g/c 3 Modulus o elastisity, E Hardness Yield strength, σ Y Theral conductiity, C C.T.E 71 Gpa 19 VHN 25 Mpa 237 W/K 2, / o C Sedangkan aterial penguat yang digunakan uunya dari bahan keraik seperti SiC, SiO 2, Al 2 O 3, B 4 C, karbon, grait dan lain-lain. Siat-siat beberapa penguat dengan bentuk berbeda-beda diperlihatkan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2. Siat beberapa jenis penguat bentuk particulat (p), whisker (w) chopped ibre (c) [3] Property Reinorceent SiC p Al 2 O 3p TiB 2p Si 3 N 4p Al 2 O 3c SiC w Si 3 N 4w Density,g/c Diaeter, µ CTE, 10-5.K UTS, Mpa > Young s odulus, GPa Elongation, % Karakteristik Mekanik MMCs Kobinasi aterial atrik yang eiliki siat keuletan tinggi, densitas rendah, titik lebur rendah dan penguat keraik yang keras dan getas ini akan enghasilkan karakteristik koposit MMCs yang epunyai siat lebih baik dari keduanya, yaitu kekuatan, odulus elastisitas, ketangguhan, ketahanan ipak, konduktivitas listrik dan panas yang tinggi. Karakteristik ekanik dan teral MMCs secara uu dapat diperlihatkan pada Tabel 2.3.

4 11 Tabel 2.3. Siat Mekanik Koposit Matrik Loga [21] Seperti kita ketahui bahwa loga aluiniu dan paduannya eiliki densitas sekitar sepertiga dari densitas baja (2,7kg/ 3 vs 7,8kg/ 3 ) dan epunyai kekuatan dan odulus yang rendah dibandingkan baja [19]. Naun bila aluiniu tersebut ditabahkan keraik sebagai penguat aka rasio kekuatan dan odulus aterial koposit ini akan eningkat secara signiikan bahkan elebihi siat besi tuang dan baja, seperti diperlihatkan pada Gabar 2.1 Gabar 2.1. Perbandingan spesiic stiness bahan konvensional dan A-MMCs [3] Gabar 2.1 eperlihatkan perbandingan odulus spesiik dan kekuatan spesiik berbagai jenis loga dengan koposit. Nilai kekuatan dan odulus spesiik koposit SiC lebih tinggi dari pada paduan Al, baja dan paduan Ti. Perilaku Tegangan Regangan A-MMCs Perilaku tegangan-regangan ideal A-MMCs untuk penguat ibre unidireksional ditunjukkan pada Gabar 2.2. Uunya perilaku tegangan - regangan koposit terdiri dari 2 (dua) tahap. Pada tahap I, iber dan atrik engalai deorasi elastis secara bersaaan, keudian pada tahap II, atrik

5 12 engalai deorasi plastis seantara ibre asih deorasi elastis. Dala tahap III, baik atrik aupun iber engalai deorasi plastis akan tetapi uunya ibre akan patah atau putus sebelu deorasi plastis. Gabar 2.2. Perilaku Tegangan Regangan Bahan Koposit [21] Gabar kurva tegangan regangan diatas juga eperlihatkan karakteristik ekanik koposit dibanding bahan penguatnya. Koposit eiliki kekuatan tarik (UTS) lebih tinggi dan elongasi lebih rendah dibanding atriknya. Kekuatan tarik tinggi dan elongasi rendah enyebabkan koposit cenderung engalai perpatahan getas/brittle racture. Modulus Elastisitas [6] Pada koposit isotropik partikulat atau short ibre penghitungan odulus elastisitas dapat digunakan persaaan Tsai Halpin. Dengan enerapkan aktor geoetri partikel penguat yang diperoleh dari bentuk geoetri partikel penguat sebagai ungsi dari arah beban, geoetri dan orientasi penguat dapat enjadi pertibangan aktor geoetri. E c E = (1 + 2SqV ) 1 qv (2.1) Diana : ( E / E ) 1 q = (2.2) ( E / E ) + 2S

6 13 Diana S adalah aktor geoetri iber atau partikel (1/d). Koposit unidireksional erupakan koposit yang epunyai orientasi penguat yang saa. Peberian beban yang arahnya saa dengan orientasi penguat disebut beban longitudinal, aka koposit akan engalai strain yang saa antara atrik dan penguat (isostrain). Modulus elastis koposit longitudinal " E c (upper bond) dapat dinyatakan dengan persaaan yang dikenal dengan huku capuran (rule o ixture) E = E V + E " c V (2.3) Beban transversal pada aterial koposit unidireksional erupakan beban yang tegak lurus terhadap orientasi penguat. Peberian beban tersebut engakibatkan terjadinya elongasi yang berbeda antara penguat dan atrik, seentara besar beban eksternal yang dialai atrik dan penguat adalah saa besar (isostress). Oleh karena itu odulus elastisitas dengan beban tegak lurus penapang lintang (lower bond) dinyatakan dengan persaaan : 1 E c V = E V + E (2.4) Diana E adalah odulus elastisitas, V adalah raksi volue, c adalah koposit, adalah atrik dan penguat. Kedua persaaan diatas dapat digunakan untuk enguji kualitas ikatan antar perukaan atrik dan penguat. Berdasarkan rule o ixture juga dapat ditentukan persaaan untuk densitas, kekuatan tarik dan coeisien theral expansion (CTE) koposit. Densitas teoritis koposit Densitas teoritis koposit dapat dihitung dengan persaaan sbb : d = d V + d V (2.5) c Diana : dc, d. d berturut-turut adalah densitas koposit, atrik dan iber V, V adalah raksi volue atrik dan penguat Coeisient theral expansion (CTE) CTE arah longitudinal, α cl (searah dengan orientasi iber) ( α EV + α E V ) α cl = (2.6) ( E V + E V )

7 14 CTE arah tranversal, α ct (tegak lurus orientasi iber) α = ( 1+ P ) α V + α V (2.7) ct Diana P adalah poisson ratio atrik Kekuatan tarik Kekuatan tarik arah longitudinal, σ cl untuk long ibre c σ = σ V + σ V (2.8) Kekuatan tarik arah longitudinal, σ cl untuk short ibre Lc σ c = σ V + σ V (1 ) (2.9) 2L Diana L adalah panjang iber Kekuatan tarik arah tranversal, σ ct (short ibre) Lτ cv σ c = σ V + (2.10) d Aluinu Metal Matrix Coposites / A-MMCs Salah satu jenis koposit atrik loga yang banyak dikebangkan industri otooti dewasa ini adalah koposit yang atriknya berupa loga (MMC/etal atrix coposite) yaitu koposit beratrik aluiniu (AMC/aluinu atrix coposite). Matrik yang digunakan dala A-MMC dapat berupa Al urni dan atau paduan Al seperti Al-Si, Al-Cu, 2xxx, 6xxx dan 7xxx, sedangkan penguat yang uu digunakan adalah SiC atau Al 2 O 3. Peakaian bahan aluuniu dan atau paduanya sebagai atrik karena eiliki siat sangat enarik yaitu densitas rendah, eiliki keapuan untuk dikuatkan dengan pengendapan presipitat, ketahanan korosi sangat baik, konduktiitas panas dan listrik tinggi dan daping capasity tinggi. A-MMCs dapat enghasilkan karakteristik ekanik yang bervariasi tergantung dari jenis paduanya Faktor-Faktor Yang Mepengaruhi Kekuatan Koposit A-MMCs A. Fraksi Volue Penguat Pada aplikasi industri baik industri otooti dan lainya, peakaian loga ringan dapat eningkatkan eisiensi esin dan engurangi konsusi energi atau bahan bakar. Jenis paduan loga ringan dengan loga dasar aluiniu dan agnesiu epunyai odulus elestik rendah, coeisien theral expansion (CTE) tinggi dan ketahanan aus rendah dibanding baja. Oleh karena itu paduan

8 15 tersebut digabung dengan bahan penguat keraik yang dapat berbentuk serat atau partikel yang eiliki siat CTE rendah dan odulus elastik tinggi. Penyatuan partikel keraik seperti SiC dan Al 2 O 3 dapat eningkatkan kekuatan (Gabar 2.3.a) dan odulus elastisitas (Gabar 2.3.b) atrik Al akan tetapi enurunkan CTE (Gabar 2.3.c). Gabar 2.3. Pengaruh partikel penguat terhadap siat-siat Al-MMCs. a) kekuatan dan keuletan. b) Modulus elastisitas. c) CTE [5] B. Ukuran Partikel Metode proses elting dan casting koponen aluinu etal atrix coposite (AL-MMCs) relati saa dengan paduan tanpa bahan penguat. Naun karena terdapat perbedaan densitas antara atrik dan penguat, aka pada saat elting dan solidiikasi akan engakibatkan segregasi. Partikel penguat yang eiliki densitas lebih rendah dibanding loga cair (paduan Al) akan engapung pada bagian atas, sedangkan partikel penguat dengan densitas lebih tinggi akan engendap pada bagian bawah produk casting. Densitas asa penguat seperti SiC dan Al 2 O 3 lebih tinggi dibanding atrik Al, oleh karena itu partikel keraik cenderung engendap dala loga cair. Hal ini dapat hindari dengan pengadukan yang optiu. Pengadukan (stirring) dapat encegah peisahan

9 16 atau segregasi antara atrik dan penguat, pada proses investent-cast coposite dibatasi bahan penguatnya sekitar 30%. Selain dipengaruhi oleh raksi volue penguat yang ditabahkan, kekuatan koposit atrik loga juga dipengaruhi oleh ukuran bahan penguatnya. Pada Gabar 2.4 eperlihatkan korelasi antara ukuran bahan penguat SiC terhadap siat ekanik. Gabar 2.4. Pengaruh ukuran partikel SiC terhadap a) kekuatan dan b) Siat kegagalan koposit Al-4Mg+50 vol% SiC p [5] Ukuran bahan penguat SiC pada koposit Al-4Mg+50 Vol% SiC eiliki pengaruh yang kuat terhadap siat ekaniknya. Kekuatan dan keuletan enurun dengan eningkatnya ukuran partikel. Pada ukuran partikel kecil (<6.5 µ), perpatahanya disebabkan oleh kegagalan loga sedangkan untuk ukuran partikel besar (>23 µ), perpatahan disebabkan oleh pecahnya partikel penguat. Untuk bahan penguat Al 2 O 3 juga eiliki kecenderungan yang saa. Koposit vol% Al 2 O 3 eiliki kekuatan dan keuletan enurun apabila ukuran

10 17 partikelnya seakin besar. Kekuatan tarik enurun dari 440, 360 dan 300 MPa seiring dengan naiknya ukuran partikel dari 5, 12.8, dan 29.2 µ [5] Diagra Fasa Dan Struktur Mikro Paduan Al Si (AC8H) Aluinu casting tipe AC8H erupakan salah satu dari Al casting Al Si dengan kandungan Si sekitar 11-12% dan tabahan eleen paduan lain seperti Cu dan Mg. Penabahan eleen paduan Cu dapat eningkatkan kekuatan dan kekerasan baik dala kondisi as-cast aupun heat-treated. Tebaga juga dapat eningkatkan ketahanan korosi. Seentara itu penabahan agnesiu dapat eningkatkan kekerasan dengan ebentuk asa Mg 2 Si. Diagra asa biner Al Si diperlihatkan pada Gabar 2.5. Pada diagra asa biner Al Si dengan kadar Si sebesar 12.6% (eutektik) eiliki titik lebur sekitar 577 o C. Gabar 2.5. Diagra asa biner Al - Si [21,22] Pada proses peleburan, teperatur peleburan atau penuangan loga cair berpengaruh terhadap pebentukan porositas oleh gas hidrogen. Seakin tinggi teperatur loga cair, aka seakin tinggi pula kelarutan hidrogenya. Oleh karena itu perlu ditentukan teperatur yang optiu untuk proses stir casting engingat siat apu basah loga cair terhadap partikel Al 2 O 3 yang baik dicapai pada teperatur tinggi. Berdasarkan diagra asa tersebut aka jenis paduan Al-Si dapat diklasiikasikan enjadi paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik. Paduan hipoeutektik adalah jenis paduan yang eiliki kadar Si < 12,6%. Untuk paduan eutektik diperoleh dengan kadar Si sekitar 11,7% sedangkan paduan hipereutektik

11 18 eiliki kadar Si > 12,6%. Contoh struktur ikro yang khas dari ketiga jenis paduan ini diberikan pada Gabar 2.6. Gabar 2.6. Struktur ikro paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik koersial. (a) Paduan Al-Si hipoeutektik (Al-5.7Si-, paduan tipe A319). (b) Paduan Al-Si eutektik (Al-11.9Si, paduan tipe A339. (c) Paduan Al-Si hipereutektik (Al-15Si, paduan tipe A390) [23] Pengaruh Perlakuan Panas Terhadap Karakteristik Mekanik Paduan aluininiu dapat dikeraskan elalui dua ekanise yaitu pengerasan regang (strain hardening) dan pengendapan presipitat (precipitation hardening) [19,20]. Pengerasan regang dapat diperoleh dengan proses pengerjaan dingin seentara ekanise pengendapan presipitat dicapai dengan proses perlakuan panas. Paduan Al hasil tepa tipe 1xxx, 3xxx, 4xxx dan 5xxx erupakan paduan Al yang peningkatan kekerasanya dengan pengerjaan dingin seperti proses pengerolan atau ekstrusi. Untuk paduan Al yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas adalah paduan Al seri 2xxx, 6xxx dan 7xxx. Penigkatan kekerasan terhadap paduan tersebut diperoleh elalui ekanise precipitation hardening. Penabahan bahan penguat seperti SiC, Al 2 O 3 dan B 4 C kedala atrik paduan Al yang dapat epercepat kinetika aging seperti ditunjukkan pada Gabar 2.7. Peningkatan aging ini didasarkan atas perbedaan CTE antara atrik dengan partikel penguat. Pada saat pendinginan, dihasilkan edan regangan oleh karena perbedaan CTE. Selain itu adanya partikel penguat dapat eicu tibulnya nukleasi presipitat pada atrik [5].

12 19 Gabar 2.7. Pengaruh penabahan partikel terhadap kekerasan ikro sebagai ungsi waktu aging [5]. 2.3 Fabrikasi Koposit Al/Al 2 O 3 Secara garis besar etode pebuatan A-MMCs dibagi enjadi 2 (dua) bagian utaa yaitu solid-state dan liquid-state process [3]. Jenis liquid-state terasuk diantaranya adalah stir casting, squeeze casing, dan copo casting Proses Pebuatan MMCs Fasa Padat/Metalurgi serbuk [24]. Metalurgi serbuk erupakan suatu proses pebuatan benda atau koposit dala kondisi asa solid/padat. Tahapan dari proses etalurgi serbuk secara uu dibagi anjadi 3 (tiga) bagian, yaitu pencapuran serbuk atrik dan penguat (ixing), penekanan dan peanasan (sintering) pada suhu tinggi. Teknik pebuatan dengan etalurgi serbuk eiliki kelebihan dibanding proses lainya, diataranya adalah diperoleh distribusi partikel penguat lebih erata dan siat ekanik yang lebih baik, produk lebih beraneka raga dan teperatur proses lebih rendah. Sedangkan kekurangan dari proses etalurgi serbuk dibanding teknik pengecoran adalah biaya relati lebih ahal, ukuran benda yang dibuat terbatas dan dihasilkan produk dengan porositas lebih tinggi. Oleh karena itu pebuatan koposit Al/Al 2 O 3p banyak dikebangkan dengan teknik pengecoran (liquid state) Fabrikasi Koposit Al/Al 2 O 3p Dengan Stir Casting Proses stir casting erupakan salah satu proses pebuatan koposit dala kondisi cair yang paling sederhana. Prinsip dari proses stir casting adalah penyatuan partikel penguat kedala loga cair dengan pengadukan secara ekanik diatas garis liquidus, lalu dituangkan ke dala cetakan. Skea dari proses stir casting dilihat pada Gabar 2.8.

13 20 Gabar 2.8. Skeatik proses stir casting [6] Keuntungan dari proses ini adalah apu enggabungkan partikel penguat yang tidak dibasahi oleh loga cair. Bahan yang tidak dibasahi tersebut terdistribusi oleh adanya gaya pengadukan secara ekanik yang enyebabkan pertikel penguat terperangkap dala loga cair. Metode pebuatan ini erupakan etode yang paling sederhana, relati lebih urah dan tidak eerlukan peralatan tabahan. Naun proses stir casting ini kadangkala engalai beberapa kendala diantaranya adalah distribusi partikel yang kurang hoogen dan wettability aluiniu terhadap beberapa jenis keraik terasuk Al 2 O 3 yang kurang baik. Ketidak hoogenan ikrostruktur disebabkan oleh penggupalan partikel penguat (clustering) dan pengendapan selaa pebekuan berlangsung akibat perbedaan densitas atrik dan penguat, terutaa pada raksi volue partikel tinggi. Secara uu raksi volue penguat hingga 30% dan ukuran partikel µ dapat disatukan kedala loga cair dengan etode stir casting. Naun untuk ukuran partikel sub-ikron tidak cocok diproses enggunakan stir casting, elainkan dengan copo casting [18]. Metode copo casting yaitu pengebangan dari stir casting akan tetapi penyatuan partikel penguatnya dilakukan dala kondisi sei-solid. Proses stir casting dala kondisi

14 21 sei solid dapat enurunkan ukuran butir eutektik dan pada akhirnya eningkatkan siat enakanis bahan koposit A-MMCs [8]. Untuk engatasi perasalahan yang berkaitan dengan wettability yang kurang baik, aka perlu dilakukan beberapa odiikasi diantaranya adalah elakukan surace treatent pada partikel atau enabahkan loga tertentu pada atrik dan elakukan preheating partikel sebelu diasukkan dala loga cair [8]. Metode casting untuk bahan onolitik (Aluiniu casting) seperti gravity die casting, investent, squeeze dan high pressure die casting pada prinsipnya dapat juga diterapkan untuk pengecoran bahan koposit atrik loga terasuk koposit Al/Al 2 O 3. Akan tetapi berdasarkan pengalaan yang ada enunjukkan perlu ada beberapa odiikasi untuk proses peleburan/elting dan casting koposit supaya dihasilkan kualitas casting yang tinggi. Beberapa hal berikut ini adalah perbedaan dala pengecoran koposit, yaitu sebagai berikut [5] : 1. Proses peleburan dala lingkungan gas inert enjadi pertibangan yang harus dilakukan. Pada etode degassing konvensional seperti aasukkan tablet degassing atau injeksi gas argon dengan disertai pengadukan dala loga cair dapat enyebabkan pebentukan gelebung gas pada perukaan partikel penguat dan pada giliranya akan engakibatkan dewetting partikel keraik. 2. Teperatur loga cair harus dikontrol dengan baik untuk encegah overheating dan pebentukan aluinu carbide. 3. Loga cair harus diaduk secara perlahan selaa casting untuk enjaga distribusi partikel penguat tersebar erata. Partikel penguat tidak elebur dan larut dala atrik Al dan karena densitas partikel penguat lebih besar dibanding atrik Al, aka partikel penguat cenderung engendap dibawah perukaan urnace atau krusibel. 4. Turbulensi selaa casting harus dihindari untuk encegah terperangkapnya gas. Teknik dan peralatan proses peleburan A-MMCs saa dengan proses peleburan untuk paduan Aluiniu. Peleburan untuk bahan onolitik seperti dapur induksi, electric-resistance dan burner bisa juga digunakan untuk peleburan koposit MMC. Jika digunakan gas pelindung seperti argon aka krusibel

15 22 terlebih dahulu di isi dengan gas innert. Ingot A-MMCs terlebih dahulu dikeringkan diatas teperatur 200 o C untuk ebuang atau elepaskan uap air yang tidak diinginkan. Peralatan peleburan seperti skier, ladel dan terokopel harus dicoating dan dikeringkan sebelu digunakan. Proses penuangan A-MMCs saa seperti penuangan paduan Al, akan tetapi teperatur loga cair dijaga aga tidak overheating karena dapat engakibatkan pebentukan aluini karbida (Al 4 C 3 ). Reaksi tersebut terjadi sangat labat pada teperatur sekitar 780 o C akan tetapi dapat dipercepat bila teperatur naik hingga sekitar o C. Karbida Al 4 C 3 engendap sebagai kristal yang berpengaruh buruk terhadap luiditas loga cair, enurunkan kekuatan aterial dan enurunkan ketahanan korosi hasil casting. Untuk endistribusikan partikel penguat secara erata dala atrik Al aka dilakukan proses pengadukan dengan paraeter tertentu. Proses pengadukan itu sendiri dilakukan secara perlahan untuk encegah terjadinya aliran vortex pada perukaan loga cair dan eecah lapisan perukaan karena dapat engakibatkan asuknya dross atau kotoran kedala loga cair. Pengadukan secara ekanik enggunakan ipeler akan enghasilkan siat ekanik optiu jika dilakukan secara terus enerus. Berbagai jenis dan bentuk serta posisi ipeller dicoba dan digunakan untuk endapatkan hasil stir casting yang optiu. Paraeter proses pengadukan dan casting lain seperti kecepatan pengadukan, perbandingan diaeter ipeller dengan krusibel, perbandingan kedalaan ipeler terhadap krusibel juga sangat epengaruhi kualitas casting terutaa porositas dan hoogenitas partikel. Melt-particle slurry dapat dicetak enggunakan teknik pengecoran loga konvensional seperti gravity, pressure die, sentriugal casting dan sebagainya. Peilihan teknik pencetakan dan konigurasi cetakan adalah sangat penting dan enentukan kualitas koposit. Partikel penguat seperti grait, ika, talk, porous aluina yang eiliki densitas lebih ringan dibanding loga cair, aka akan cenderung engalai segregasi pada bagian atas, sedangkan untuk partikel penguat seperti SiC, dan Al 2 O 3 yang eiliki berat jenis lebih tinggi dari loga cair akan engalai segregasi pada bagian bawah. Distribusi partikel hasil casting enentukan karakteristik produk koposit. Distribusi partikel tergantung

16 23 dari kualitas elt-particle slurry sebelu dicetak dan dipengaruhi oleh beberapa paraeter seperti kecepatan pendinginan, viskositas loga cair, bentuk, ukuran dan raksi volue penguat, densitas atrik dan penguat serta adanya segegrasi atau clustering partikel penguat. [5] 2.4 Antaruka/Interace Matrik Dan Penguat Interace erupakan daerah planar dengan ketebalan hanya beberapa ikron dan pada daerah ini terjadi perubahan siat dari atrik ke penguat. Interace atrik dan penguat ditunjukkan pada Gabar 2.9. Pengertian klasik dari antaruka yaitu perukaan yang terbentuk diantara atriks dan penguat dan engalai kontak dengan keduanya dengan ebuat ikatan antara keduanya untuk perpindahan beban. Gabar 2.9. Skeatik interace atrik penguat [25] Interace dari koposit sangat enpengaruhi karakteristik koposit, karena interace berpengaruh terhadap proses traner beban antara atrik dan penguat. Interace yang kuat eberikan kekuatan yang tinggi begitu juga sebalikanya. Siat-siat seperti ketahanan creep, kekuatan atik dan ketahanan korosi juga dipengaruhi oleh interacenya Mekanise Adhesi Pada Interace Interace atau Antaruka epunyai siat isik dan ekanik yang unik dan tidak erupakan siat asing-asing atriks aupun penguatnya. antaruka biasanya diusahakan tanpa ketebalan (atau volue) dan epunyai ikatan yang sangat bagus. Konsep dua diensi dari antaruka sekarang berubah enjadi tiga diensi yang sering disebut interphase. Interphase yaitu perukaan dari

17 24 atriks-penguat klasik dengan ketebalan tertentu diana siat isik, kiia, dan orologinya berbeda dari bulk aterial-nya. Pada daerah ini terjadi reaksi kiia, tegangan sisa, dan terjadi perubahan volue. Pengertian tersebut yang sekarang sering disebut dengan antaruka. Antaruka bisa berupa ikatan ato yang sederhana (antara aluina dan aluiniu urni), bisa juga berupa reaksi antar atriks (aluiniu karbida antara aluiniu dan serat karbon), atau penguatan pada pelapisan. Untuk engontrol antaruka agar epunyai siat ekanis yang bagus aka perlu untuk epelajari ekanise adhesi dan ekanika perpindahan beban pada antaruka. Antaruka sangat berpengaruh terhadap kekuatan, kekakuan, ketangguhan, ketahanan ulur, dan degradasi terhadap lingkungan. Secara uu terdapat beberapateori tentang ekanise adhesi yaitu adsorpsi dan pebasahan, gaya tarik uatan listrik, interdiusi, ikatan kiia dan ikatan ekanik [26,27], yang dapat dijabarkan sebagai berikut Adsorpsi dan Pebasahan Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu cairan berkupul diatas perukaan suatu benda padat atau suatu cairan. Adsorpsi terjadi apabila lelehan loga ebasahi perukaan penguat keraik sehingga terjadi suatu ikatan. Terjadinya pebasahan akibat adsorpsi apabila lelehan loga dala hal ini aluuniu epunyai energi perukaan lebih rendah dibanding penguat keraik. Pada uunya aluuniu tidak dapat ebasahi dengan baik partikel keraik seperti SiC dan Al 2 O 3. Beberapa teknik dapat digunakan untuk eningkatkan pebasahan (wettability) antara atrik dan partikel penguat, diantaranya adalah dengan enabahkan eleen reakti seperti agnesiu, kalsiu atau titaniu pada lelehan loga sehingga energi perukaan lelehan aluuniu rendah Mechanical Bonding Mekanise penguncian (interlocking) terjadi antara 2 (dua) perukaan, yaitu penguat dan atrik. Kondisi perukaan yang kasar dapat enyebabkan interlocking yang terjadi seakin banyak dan echanical bonding enjadi seakin eekti. Ikatan enjadi eekti jika beban yang diberikan paralel terhadap

18 25 interace. Mekanise echanical bonding dapat diilustrasikan seperti pada Gabar Gabar Mekanise echanical bonding [26,27] Electrostatic Bonding Electrostatic bonding, yang ditunjukkan pada Gabar 2.11 erupakan ikatan yang terjadi akibat gaya tarik enarik antara perukaan yang berbeda tingkat kelistrikanya, yaitu adanya uatan positi (+) dan uatan negati (-) dan terjadi dala skala atoik. Eektiitas terhadap jenis ikatan ini akan enurun jika ada kontainasi perukaan dan kehadiran gas yang terperangkap. Gabar Mekanise electrostatis bonding [26,27] Cheical Bonding Cheical bonding seperti pada Gabar 2.12 dibentuk oleh grup-grup yang bersiat kiia pada pernukaan penguat dan atrik. Kekuatan ikatan ditentukan oleh julah kiiawi enurut luas dan tipe ikatan kiia itu sendiri. Ikatan kiia ini terbentuk karena ada wetting agent. Gabar Mekanise cheical bonding [26,27] Pengaruh Antaruka Terhadap Karakteristik Mekanik Koposit Berdasarkan jenis bentuk penguatnya, koposit dapat diklasiikasikan enjadi beberapa tipe koposit yaitu partikulat, short ibre dan long ibre. Adapun siat koposit dipengaruhi oleh beberapa aktor diantaranya adalah jenis aterial koposit yang digunakan, raksi volu penguat, jenis penguat, diensi

19 26 dan distribusi penguat, dan beberapa variabel proses lainya. Koposit atrik loga dikebangkan untuk eningkatkan kekuatan spesiik dan odulus spesiik dan terutaa untuk aplikasi pada teperatur tinggi dengan atrik dari paduan loga ringan (Al, Mg, Ti). Hal ini dapat dicapai dengan enggunakan penguat dari keraik dala bentuk partikulat atau serat, akan tetapi kobinasi atrik dan penguat pada MMC secara terodinaika tidak stabil dan bereaksi. Matrik loga seperti paduan Al, Mg dan Ti uunya eiliki wettability dan adhesi rendah [20]. Keapuan ebasahi (wettability) atrik seperti aluiniu terhadap penguat SiC yang rendah karena keraik epunyai siat inert pada teperatur rendah, sehingga proses diusi antar ato pada perukaan sulit terjadi. Pada koposit Al/SiC juga dapat terbentuk interphase yang keras dan getas. Wettability yang kurang baik dan adanya interphase ini akan epengaruhi karakteristik ekaniknya seperti odulus elastisitas dan kekuatan tarik. Salah satu upaya untuk eperbaiki wettability adalah dengan elakukan pelapisan pada partikel atau penguat SiC. Wettability ditentukan antara cairan dan padatan berdasarkan pengujian sessile drop dapat ditunjukkan pada Gabar Sedangkan perhitungan sudut kontak dapat ditentukan dengan persaaan berikut. Cosθ γ γ sv sl = (2.11) γ Dian θ : sudut kontak lv γ sv : tegangan perukaan solid - uap γ sl : tegangan perukaan solid - liquid γ lv : tegangan perukaan liquid - uap

20 27 Gabar Variasi Sudut kontak koposit Al/Al 2 O [3] 3. Sudut kontak > 90 o adalah non-wetting, sedangkan sudut kontak < 90 o eiliki wettability yang baik. Wettability adalah suatu enoena koplek yang tergantung dari beberapa aktor diataranya adalah geoetri dari antar uka, teperatur proses dan waktu. Sebagai contoh wettability koposit Al/SiC kurang baik karena terjadi reaksi kiia antara Al dan SiC ebentuk interphase dengan reaksi sbb : Al + SiC Al4 C3 + Si (2.12) Reaksi tersebut jika berlangsung terus enerus akan enurunkan karakteristik koposit karena asa Al 4 C 3 yang rapuh atau getas pada interace Al/SiC. Studi engenai wettability dari AL terhadap penguat SiC telah banyak dilakukan baik elalui odiikasi terhadap atrik Al aupun adanya perlakuan perukaan dengan pelapisan terhadap penguat SiC. Moraes et.al [28], elaporkan bahwa kadar Si dan Mg ternyata epengaruhi wettability atau sudut kontak antara atrik dan penguat dan juga perlakuan panas terhadap paduan tersebut. Bahan yang digunakan adalah paduan Al dengan kadar Mg dan Si bervariasi. Kadar Mg dan Si tinggi enghasilkan sudut kontak relati lebih kecil dibanding dengan paduan Al dengan kadar Mg dan Si rendah. Unsur Si tinggi dapat eningkatkan luiditas paduan sedangkan eleen peadu Mg dapat epengaruhi sudut kontak karena apu eningkatkan driving orced pebasahan. Penelitian pengaruh penabahan eleen Ca, Pb dan Mg telah dilakukan oleh Ercan CANDAN [29]. Sudut kontak enurun sebanding dengan penabahan

21 28 0,8%Ca atau 1,4%Pb dan Mg dengan kadar 3,4; 8,6 dan 13,9%. Wettability yang baik dicapai pada kadar Mg 8,6 dan 13,9%. Pada Gabar 2.14 eperlihatkan pengaruh eleen paduan terhadap sudut kontak. Kadar unsur Mg 8,6 dan 13,3% enghasilkan sudut kontak kurang dari 90 o. Untuk Al urni, paduan Al-3,4Mg, Al-0,8Ca, dan paduan Al 1,4Pb eiliki sudut kontak lebih dari 90 o. Sedangkan struktur ikro antaruka koposit Al/SiC diperlihatkap pada Gabar Gabar Sudut kontak paduan Al dengan etode uji sessile drop [29]. (a) (b) Gabar Mikrogra antar uka atrik paduan Al dengan partikel SiC (a) Al urni SiC (b) paduan Al-13,9Mg dengan partikel SiC [29]. Adanya kadar Mg tinggi sehingga dapat enurunkan sudut kontak karena agnesiu erupakan loga yang sangat reakti dan eiliki tegangan superisial dan sudut kontak paling rendah di bandingkan Al dan SiC sehingga keberadaanya sangat penting pada saat proses iniltrasi Al dan SiC karena dapat

22 29 encegah terbentuknya interphase Al 4 C 3. Magnesiu berungsi sebagai suraktan, akan bereaksi dengan aluina ebentuk spinel MgAl 2 O 4 pada interace Al/SiC seperti diperlihatkan dengan persaaan dibawah. Mg + Al2 O3 MgO + Al (2.13) Mg + Al2 O3 MgAl2O4 + Al (2.14) Oksida loga yang dilapiskan pada partikel SiC dapat epengaruhi odulus elastik koposit Al/SiC [8]. Proses pelapisan oksida loga tersebut dilakukan dengan etode electropoless coating. Elektropoless coating erupakan salah satu etode palapisan dengan cara endepositkan loga dala larutan enggunakan zat pereduksi. Kation loga dala larutan akan direduksi dan engendap pada perukaan partikel SiC. Partikel SiC dilapis engunakan larutan elektrolit HNO 3 yang ditabahkan unsur Al, Mg dan Cu lalu dioksidasi dala urnace hingga terbentuk oksida Al 2 O 3, MgO dan CuO [9]. 2.5 Mekanise Penguatan Pada Aluiniu-Metal Matrix Coposites Karakteristik A-MMCs ditentukan oleh struktur ikro dan intenal interace, yang dipengaruhi oleh proses pebuatan dan tero ekaniknya. Struktur ikro eliputi struktur atrik dan penguat. Koposisi kiia, besar butir dan sub-butir, texture, perilaku pengendapan, dan cacat kristal adalah karakteristik penting dari atrik. Sedangkan untuk penguat dikarakterisasi oleh raksi volue, jenis penguat, ukuran penguat serta distribusi dan orientasinya. Perbedaan CTE antara atrik dan penguat juga eberikan pengaruh terhadap karanteristik ekanik koposit. Pengaruh partikel penguat terhadap siat ekanis koposit dapat dideskripsikan enggunakan odel icroechanical sebagai berikut [30] : R p, c R, = + σ + σ + σ (2.15) p c σ α KG SKG adalah kenaikan kekuatan tarik bahan aluuniu akibat penabahan partikel penguat. Dari persaaan tersebut terlihat bahwa kenaikan kekuatan koposit dipengaruhi oleh beberapa aktor diantaranya adalah densitas dislokasi, ukuran butir, ukuran sub-butir dan strain hardening. Faktor-aktor peningkatan KF

23 30 kekuatan tersebut disebabkan oleh adanya penabahan partikel penguat dengan ekanise penguatan yang dijabarkan sebagai berikut Penguatan Dislokasi / Dislocation Strengthening Adanya partikel penguat dala atrik dapat eperbesar densitas dislokasi. Densitas dislokasi yang lebih besar dari A-MMCs disebabkan oleh adanya nilai CTE yang berbeda antara atrik dengan penguat. Kenaikan densitas dislokasi dapat dinyatakan dengan persaaan berikut. BV ε 1 ρ = x (2.16) b( 1 V ) t Diana B adalah konstanta geoetri, b vektor burger, t adalah diensi paling kecil dari inklusi dan ε adalah isit strain yang dihitung dengan persaaan : ε = CTE( t ) (2.17) 2 Peningkatan tegangan luluh atrik ditentukan dengan persaaan : Y = βµ b ρ (2.18) σ α µ : odulus geser aluiniu β : konstanta dengan noilai 1.25 untuk aluuniu Penguatan Ukuran Butir / Grain Size Strengthening Besar butir atrik AMC lebih kecil dibanding dala paduanya. Hal ini disebabkan terjadi penghabatan pertubuhan butir oleh adanya asa atau partikel penguat yang terdispersi dala atrik. Pengaruh dari besar butir, σ KG diberikan oleh persaaan : Dengan σ = k Y 1 (2.19) D KG 1 1/ 3 1 Φ p D = d (2.20) Φ p Pengaruh besar butir diberikan oleh persaaan : 1 σ SKG = ky 2 (2.21) D S

24 31 Dengan D S 2 6 πd = d Φ p 1/ 2 (2.22) Diana σ SKG kontribusi tegangan luluh karena perubahan ukuran sub-butir, k Y2 adalah konstanta (0.05 MN -3/2 ) dan D S adalah sub-butir yang dihasilkan Penguatan Partikel / Particle Strengthening Penguatan oleh asa terdispersi atau partikel dapat ditentukan dengan persaaan rule o ixture yang secara uu dinyatakan sebagai P agg n = 1 ( P. ) (2.23) i i Diana Pagg adalah siat dari koposit seperti odulus elastisitas dan kekuatan luluh, Pi adalah siat konstituen ke-i dan i adalah raksi volue konstituen ke-i. Persaaan (2.23) tersebut uunya digunakan untuk siat kekuatan luluh. Partikel penguat dala atrik berungsi sebagai penghabat atau enghalangi pergerakan dislokasi. Peningkatan kekuatan luluh, σ yang disebabkan oleh partikel penguat dinyatakan secara proporsional dengan persaaan sebagai berikut 1 σ (2.24) λ Diana λ adalah jarak antar partikel. Dari persaaan tersebut enunjukkan bahwa jarak antar partikel seakin kecil aka kenaikan tegangan luluh akin besar. Fraksi volue penguat juga berpengaruh terhadap kekuatan, naun lebih doinan oleh ukuran partikel. Untuk raksi volue yang saa, ukuran partikel lebih kecil enghasilkan kekuatan lebih tinggi dari pada ukuran partikel besar Interaksi dislokasi partikel juga enibulkan regangan ikro yang disebabkan oleh perbedaan regangan elsatis antara atrik dan partikel. Peningkatan tegangan luluhnya dinyatakan dengan persaaan. σ ε. (2.25) Diana ε adalah edan regangan elastis dan adalah raksi volue partikel penguat. Persaaan (2.24) digunakan untuk kondisi noncoherent particles sedangkan persaaan (2.25) untuk coherent particles.

25 32 Pengaruh strain hardening diberikan oleh persaaan berikut : σ 1/ 2 2b 1/ 2 KF. = KGΦ P. ε (2.26) d Diana d ukuran partikel penguat dan ε elongasi. Dari persaaan-persaaan diatas bahwa ukuran partikel dan raksi volue partikel saa-saa eberikan pengaruh terhadap kekuatan koposit yang dihasilkan. Akan tetapi pengaruh terhadap kekuatan doinan disebabkan oleh ukuran partikel. Uunya kontribusi penguatan lebih besar dicapai oleh partikel lebih kecil dibanding partikel lebih besar. Untuk ukuran partikel yang lebih kecil, work hardening dan besar butir berpengaruh besar terhadap peningkatan kekuatan luluh (Gabar 2.16) Gabar Kontribusi regangan dengan ekanise berbeda terhadap kekuatan tarik koposit Al-SiC [30] 2.6 Aplikasi Aluiniu Metal Matrix Coposites Pada tahun 2004, lebih dari 3,5 juta Kg bahan AMCs telah digunakan pada berbagai industri terutaa industri transportasi, penerbangan, elektronik, otooti dan olah raga. Penggunaan AMCs tersebut dari tahun ke tahun akan terus eningkat cepat dengan laju pertubuhan pertahun encapai 6% [4]. Di beberapa negara baik asia aupun eropa, AMCs telah banyak digunakan secara koersial pada koponen esin seperti piston, connecting rod,brake syste (brake rotor dan brake dru), cylinder liner dan valves [5]. Gabar 2.17 eperlihatkan beberapa aplikasi aterial koposit dala industri.

26 33 (a) (b) (c) (d) (e) Gabar Aplikasi koposit dala industri (a) cylinder liner (b) brake rotor (c) calliper (d) connecting rod (e) valves [3,5,6]

27 34 () (g) Gabar Aplikasi koposit dala industri () cast brake disc (g) piston [3,5,6] (lanjutan) Karakteristik yang harus diiliki koponen tersebut dapat dipenuhi oleh AMCs, terutaa siat tahan teperatur tinggi, tahan aus dan coeisien theral expansion rendah. Sebagai contoh untuk koponen piston dala aplikasinya engalai beban dinais baik ekanik aupun teral, teperatur pada piston doe encapai lebih dari 300 o C (Gabar 2.18.a). Secara skeatik siste operasi piston dapat dilihat pada Gabar 2.18.b. (a) (b) Gabar Siste operasi dan distribusi teperatur piston (a) distribusi teperatur pada piston doe (b) siste tribologi pada sekitar cylinder bore [6]

28 35 Piston engalai beban dinais hingga encapai rekuensi sekitar 100 Hz [6]. Sehingga diperlukan siat ketahanan atik yang baik dan erupakan persyaratan utaa dari koponen tersebut. Siat lain yang harus diiliki adalah kestabilan diensi, ketahanan aus dan coeisien theral expansion (CTE) rendah, karena gap/clearence antara cylinder bore dengan piston sangat kecil. Selain itu juga konduktivitas panas harus tinggi guna engurangi teperatur dan tegangan teral [6]. Pada koponen siste pengerean seperti brake rotor dan brake dru, eerlukan siat tahan aus dan konduktiitas panas tinggi. Dengan enggunakan bahan AMCs persyaratan tersebut dapat dipenuhi dan dapat engurangi berat koponen hingga 50-60% dibanding bahan besi tuang [6,7]. Keuntungan lain dari AMCs untuk brake rotor adalah engurangi brake noise dan keausan serta enghasilkan gesekan yang lebih seraga.