Please refer as: Bondan T. Sofyan, Nararia Askarningsih, Vina Nanda Garjati, Pengaruh Penambahan Seng terhadap Respons Pengerasan Penuaan Komposit

Transkripsi

1 Please refer as: Bondan T. Sofyan, Nararia Askarningsih, Vina Nanda Garjati, Pengaruh Penambahan Seng terhadap Respons Pengerasan Penuaan Komposit Al-7Si-4Mg Berpenguat 5 % vol. Silikon Karbida Hasil Squeeze Casting, Prosiding Seminar Material Metalurgi 2014, Serpong, 2 Oktober 2014, pp

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18 PENGARUH PENAMBAHAN SENG TERHADAP RESPONS PENGERASAN PENUAAN KOMPOSIT AL-7SI-4MG BERPENGUAT 5 % VOL. SILIKON KARBIDA HASIL SQUEEZE CASTING Bondan T. Sofyan, Nararia Askarningsih, Vina Nanda Garjati Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424, Indonesia * bondan@eng.ui.ac.id Abstrak Material komposit merupakan salah satu jenis material yang saat ini banyak dikembangkan karena dapat menggabungkan sifat komponen penyusunnya. Karena keunggulannya tersebut, material komposit dapat diaplikasikan pada berbagai bidang, salah satunya adalah untuk aplikasi balistik. Untuk aplikasi balistik dibutuhkan material yang kekerasannya tinggi namun tidak mengorbankan ketangguhannya. Dalam penelitian ini dikembangkan komposit partikulat yang terdiri dari matriks paduan Al-7Si-4Mg berpenguat 5 % vol. silikon karbida hasil squeeze casting. Untuk ketangguhan yang tinggi, ditambahkan seng dengan variasi fraksi berat 1, 5, dan 9 % Zn yang kemudian mengalami laku pelarutan pada temperatur 500 C selama satu jam dan dilanjutkan dengan pengerasan penuaan pada temperatur 200 C. Karakterisasi yang dilakukan adalah pengujian kekerasan, pengujian impak dan fraktografinya, serta pengamatan dan analisis struktur mikro menggunakan mikroskop optik, SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDXA (Energy Dispersive X-ray Analysis). Hasil pengujian menunjukkan semakin tinggi kandungan seng maka semakin tinggi kekerasan puncak dan harga impak paduan. Seluruh sampel mencapai kekerasan puncak dalam waktu 2 jam. Kata kunci: komposit aluminium, silikon karbida, seng, pengerasan penuaan, kekerasan. Abstract Composite materials are widely developed due to the possibility to obtain synergetic effects from their constituents. One application is for ballistic purpose. To obtain high ballistic properties, composites need to be hard as well as tough. One approach is through alloying and heat treatment processes. This research developed particulate composite consisted of aluminium alloy Al-7Si-4Mg with varied content of 1, 5, 9 wt. % Zn reinforced by 5 vol. % silicon carbide made by squeeze casting method. The composite was solution treated at 500 C for 1 hour and then aged at 200 C. The characterization included hardness testing to construct ageing curves, impact testing and fractography analysis, microstructure observation using optical microscopy, SEM (Scanning Electron Microscope) and EDXA (Energy Dispersive X-ray Analysis). The results showed that the higher the Zn content, the higher the peak hardness and impact values of composites. All samples reached peak hardness within 2 hours. Keywords : aluminium composite, silicon carbide, zinc, age hardening, hardness. PENDAHULUAN Material komposit merupakan salah satu jenis material yang saat ini banyak dikembangkan karena dapat menggabungkan sifat-sifat yang menyusunnya. Beberapa tahun belakangan ini, komposit berbasis logam (metal matrix composite) dengan matriks aluminium yang berpenguat SiC banyak digunakan untuk aplikasi penerbangan, militer, dan industri manufaktur karena kekuatannya tinggi dan memiliki ketahanan aus dan fatik yang baik [1]. Karena keunggulannya, komposit aluminium berpenguat SiC diaplikasikan pada berbagai bidang, salah satunya adalah untuk aplikasi balistik. Untuk aplikasi balistik dibutuhkan material yang kekerasannya tinggi namun tidak mengorbankan ketangguhannya. Dengan tujuan mencapai sifat tersebut, diperlukan penambahan elemen paduan pada matriks dan pengerasan penuaan. Penambahan magnesium pada lelehan paduan aluminium berguna untuk meningkatkan ikatan antarmuka antara partikel SiC dengan matriksnya [2]. Sedangkan penambahan seng pada aluminium merupakan kombinasi untuk mendapatkan kekuatan tarik yang paling tinggi dalam wrought aluminium alloy karena seng dapat menghaluskan lengan dendrit dan mampu membentuk mekanisme penguatan larutan padat [3]. Penambahan magnesium dan seng pada aluminium PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

19 meningkatkan kekuatannya karena mereka dapat membentuk endapan MgZn 2 sebagai respon terhadap perlakuan panas yang diberikan [4]. Kekuatan dan kekerasan dari paduan aluminiumm dapat ditingkatkan dengan pembentukann partikel kecil yang terlarut dalam bentuk fasa kedua pada matriksnya. Hal tersebut dicapai dengann proses perlakuan panas pengerasan presipitasi (precipitation hardening). Diharapkan mekanismee pengerasann presipitatt ini dapat meningkatkan kekerasan matriks paduan aluminium tanpaa mengorbankan ketangguhannya. METODEE PERCOBAAN Dalam penelitian ini, komposit partikulat bermatriks paduan Al-7Si-4Mg dengan variasii penambahan Zn sebesar 1, 5, dan 9 % berat serta berpenguat 5 % vol. silikon karbida dibuat melalui proses squeeze casting. Sampel untuk proses perlakuan panas dipotong berukuran 1x1x1 cm 3 seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Sementara sampel impak dibuat sesuai standar ASTM E23 metode Charpy (Gambar 2). Komposit diberi perlakuan panas solution treatment pada temperaturr 500 C selama satu jam, dicelup ke dalam air dingin dan dilanjutkan dengan pengerasan penuaann (age hardening) pada temperaturr 200 C (Gambar 3). Respon sampel terhadap pengerasan penuaann dari komposit aluminium berpenguat SiC ini dilihat melalui pengujian kekerasan dengan metodee Rockwell B menggunakan mesin uji keras Rocky. Pengujian kekerasan dilakukan dalam rentang waktu 5 menit hingga 24 jam. Gambar 1. Sampel perlakuan panas penuaan untuk pengujian Gambar 2. Sampel untuk pengujiann impak Gambar 3. Tahapan proses pengerasan penuaan HASIL DAN PEMBAHASAN Respons Pengerasan Penuaan Hasil pengujiann kekerasan digunakan untuk membuat kurva penuaan yang ditunjukkan padaa Gambar 4. Gambar tersebut menunjukkann semakin meningkatnya kadar seng dalam komposit maka nilai kekerasannya semakin tinggi pada kondisi as-cast. Hal itu diakibatkan oleh peningkatan n kadar Zn yang dapat memicu pembentukan dendrit yang lebih halus pada matriks aluminium. Selain itu, atom Zn memilikii diameter yang lebih rendah daripada atom Al (diamater atom Al = nm, Zn = nm) sehingga atom Zn terlarut pada kisi atom aluminium dan menyebabkan tegangann kisi, yang disebut dengan mekanisme solid solution strengthening (penguatan larutan padat) [3]. 96 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

20 Pada Gambar 4 juga terlihat terjadinya penurunan kekerasan komposit pada kondisi setelah pendinginan cepat (as-quenched), bila dibandingkan dengan kekerasan hasil pengecoran (as-cast). Hal ini disebabkan oleh peningkatan jumlah vacancy pada saat solution treatment karena adanya peningkatan temperatur. Saat dilakukan pendinginan cepat, vacancy tersebut terperangkap dalam matriks sehingga terjadi kekosongan atom yang mengakibatkan penurunan kekerasan [5]. Kekerasan (HRB) as quenched 60 as cast Waktu (jam) 9Zn 5Zn 1Zn Gambar 4. Pengaruh kandungan seng terhadap kurva penuaan komposit paduan Al-7Si berpenguat 5 % SiC Nilai kekerasan puncak yang didapat adalah 60.02, 62.27, dan HRB masing-masing untuk fraksi berat 1, 5 dan 9 % Zn. Komposit dengan kandungan 9 wt. % Zn memiliki kekerasan tertinggi dan terjadi peningkatan kekerasan sekitar 12 % dari komposit dengan kandungan 1 wt. % Zn dan sekitar 9 % dari komposit dengan kandungan 5 wt. % Zn. Kenaikan kekerasan komposit pada kondisi peak aged diperkirakan akibat terbentuknya presipitat MgZn 2 yang tumbuh pada matriks. Nampak pada Gambar 4 bahwa perbedaan nilai kekerasan komposit dengan kandungan 1 dan 9 % Zn pada kondisi as-quenched hampir sama dengan perbedaan pada kondisi kekerasan puncak sebesar kurang lebih 20 HRB. Hal tersebut menandakan bahwa presipitat MgZn 2 yang terbentuk pada matriks memiliki perbandingannya yang hampir sama dan jumlah yang terbentuk pun juga cukup banyak. Untuk menganalisis evolusi stuktur mikro pada komposit selama proses penuaan, dilakukan pengamatan dengan mikroskop optik yang hasilnya ditampilkan pada Gambar 5. Terlihat jelas bahwa penambahan seng menghaluskan jarak antar lengan dendrit (dendrite arm spacing, DAS). Untuk memastikan terjadi penghalusan, dilakukan pengukuran secara kuantitatif yang hasilnya ditampilkan pada Tabel 1. Terlihat bahwa pada kondisi as-cast, semakin tinggi kandungan seng, DAS semakin kecil. Matriks dengan kandungan seng 9 wt. % mengalami penurunan jarak lengan dendrit kurang lebih sebesar %. Hal tersebut sesuai dengan teori bahwa seng yang terlarut pada matriks aluminium dapat menghaluskan lengan dendrit melalui mekanisme penghambatan pertumbuhan butir [3]. Sedangkan pada kondisi setelah dilakukan pengerasan penuaan didapatkan ukuran DAS dengan kecenderungan yang kurang teratur. Sehingga perlu dilakukan pengujian lebih lanjut untuk memahami kecenderungan ukuran DAS pada kondisi sampel setelah diberikan pengerasan penuaan. Pada struktur mikro komposit yang ditunjukkan pada Gambar 5 juga dapat dilihat bahwa distribusi persebaran SiC tidak merata dan masih ada bagian matriks yang tidak terdapat SiC. Hal ini disebabkan karena ukuran partikel SiC yang terlalu besar, sekitar µm, sehingga cukup sulit untuk dapat terdistribusi secara sempurna. Selain itu, fraksi berat SiC sebesar 5 % diperkirakan masih terlalu sedikit untuk bisa mendapatkan persebaran partikel yang merata pada matriks. Berdasarkan penelitian Kim et al. [6], distribusi partikel SiC 3 µm dengan fraksi berat 10 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

21 % tersebar merata pada matriks Al 7.76Si 2.75Cu 0.28Mg dan menghasilkan respons kekerasan tertinggi pada pengerasan penuaannya, yaitu sebesar 90 HRB pada waktu 10 jam dengan temperatur penuaan 160 C. Pada Gambar 5 juga dapat dilihat bahwa disekeliling partikel SiC terdapat garis gelap. Garis gelap tersebut diperkirakan adalah rontokan dari partikel SiC yang terjadi pada saat preparasi sampel. a Al 7Si 4Mg 1Zn Al 7Si 4Mg 5Zn Al 7Si 4Mg 9Zn e i over aged peak aged under aged as cast b HRB HRB HRB f j c HRB HRB HRB g k d HRB HRB HRB h l HRB HRB HRB Gambar 5. Struktur mikro komposit paduan Al-7Si-4Mg berpenguat SiC 5 wt. % dalam kondisi as-cast, under aged, peak aged dan over aged dengan kandungan seng (a-d) 1 %, (e-h) 5 %, dan (il) 9 % berat pada temperatur penuaan 200 C. Tabel 1. Pengaruh kandungan Zn dan kondisi penuaan pada ukuran DAS (dalam µm) Sampel Kondisi Sampel As-Cast Underaged Peak aged Overaged Al-7Si-4Mg-1Zn Al-7Si-4Mg-5Zn Al-7Si-4Mg-9Zn PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

22 a Tabel 2. Hasil analisis mikro pada komposit dengan matriks mengandung 1 % berat Zn padaa posisi sesuai dengan Gambar 6 (a). b Tabel 3. Hasil analisis mikro pada komposit dengan matriks mengandung 5 % berat Zn padaa posisi sesuai dengan Gambar 6 (b). Tabel 4. Hasil analisis mikro pada komposit dengan matriks mengandung 9 % berat Zn padaa posisi sesuai dengan Gambar 6 (c). c Gambar 6. Hasil pengamatan SEM komposit Al- 7Si-4Mg dengan penambahan (a) 1 %, (b) 5 % dan ( c) 9 % berat Zn pada kondisi peak aged dengan temperatur penuaan 2000 C selamaa 2 jam. Hasil pengamatan struktur mikro komposit dengann menggunakan SEM ditampilkan padaa Gambar 6. Pada perbesaran 1000 kali, sampel dianalisis dengan menggunakan Energy Dispersive X-ray Analysis untuk mengetahui kemungkinan fasaa yang terbentuk akibat responss pengerasan penuaan buatan. Berdasarkan analisis mikro yang ditunjukkan oleh Tabel 2, 3 dan 4, pada nomor 1 dideteksi partikel SiC. Secara umum partikel ini berukuran tidak seragam dan tidak tersebar merata dalam matriks. PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

23 Posisi nomor 2 adalah daerah antarmuka dari partikel SiC dengan matriks. Pada antarmuka tidak terlihat adanya void atau pori yang berarti bahwa ikatan antara matriks dan partikel SiC baik. Pada daerah antarmuka antara matriks dengan penguat tidak dideteksi keberadaan Mg yang berfungsi sebagai wetting agent. Keberadaan Mg tidak terdeteksi pada antarmuka karena Mg bukan bertindak sebagai pengikat, namun mengurangi tegangan permukaan antara matriks dan penguatnya. Diperkirakan Mg terikat sebagai fasa lain dalam matriks sehingga tidak terdapat pada daerah antarmuka. Pada nomor 3 dan 5, fasa yang terdeteksi adalah matriks paduan aluminium dengan unsur Zn yang jumlahnya semakin meningkat seiring dengan peningkatan kandungannya. Lalu pada nomor 4 terdeteksi adanya unsur Fe dan Mn pada matriks aluminium. Kedua unsur ini terdeteksi dari fasa intermetalik berwarna putih, dapat dilihat pada nomor 4, yang berada disekitar partikel silikon karbida. Diperkirakan keberadaan kedua unsur Fe dan Mn pada fasa intermetalik ini berasal dari inklusi pada ingot aluminium yang digunakan untuk proses pengecoran. Fasa intermetalik tersebut diperkirakan adalah α-al(fe,mn)si yang menyerupai flake. Keberadaan unsur Cr pada fasa ini mungkin juga disebabkan oleh adanya inklusi pada ingot. Sedangkan hasil analisis mikro pada nomor 6, yang ditunjukkan pada Tabel 2 dan Tabel 3, dideteksi kandungan Si yang cukup tinggi pada fasa yang berwarna abu-abu muda seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5. Diperkirakan fasa tersebut adalah Si eutektik yang berasal dari Si yang tidak larut pada matriks aluminium. Pada fasa Si eutektik ini juga terdapat kandungan Mg yang diperkirakan berasal dari unsur paduan Mg dan berikatan dengan Si sehingga membentuk presipitat Mg 2 Si akibat pengerasan penuaan. Penelitian Zhu et al. [7] menunjukkan bahwa presipitat Mg 2 Si hanya dapat diobservasi dengan TEM karena berukuran kurang lebih 30 nm dengan panjang kurang dari 500 nm [7]. Dapat disimpulkan bahwa presipitat Mg 2 Si tidak terdeteksi secara jelas pada analisis mikro EDXA karena ukurannya yang sangat kecil. Pada hasil analisis mikro yang dilakukan, tidak terdeteksi adanya presipitat MgZn 2 yang terbentuk akibat pengerasan penuaan. Berdasarkan penelitian Nasser et al. [8], presipitat MgZn 2 terbentuk sangat halus dan dapat dideteksi dengan SEM pada perbesaran kali atau lebih. Pada penelitian ini presipitat MgZn 2 tidak bisa terdeteksi oleh SEM diakibatkan oleh perbesaran SEM hanya 1000 kali. Pengujian Impak Pengujian impak dilakukan pada komposit dengan kondisi puncak (peak aged). Perbandingan harga impak ditunjukkan pada Gambar 7. Semakin banyak penambahan seng, harga impak semakin besar, yang terlihat dari kenaikan harga impak sampel 9 % Zn dari komposit yang mengandung 5 % Zn. Hal ini mengindikasikan bahwa penambahan seng meningkatkan kemampuan komposit untuk menyerap energi. Kenaikan harga impak menunjukkan bahwa transfer tegangan terdistribusi dengan baik dan diharapkan sampel tersebut juga memiliki ketahanan balistik yang besar. Gambar 8 menunjukkan foto makro permukaan patah impak dari sampel komposit. Walaupun patahan menunjukkan patahan getas, harga impak menunjukkan bahwa komposit dengan kandungan 9 % berat seng masih cukup tangguh. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengerasan penuaan berhasil untuk meningkatkan ketangguhan komposit paduan aluminium berpenguat 5 % vol. SiC. 100 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

24 Harga Impak (J/m 2 ) % 5% 9% Kandungan Zn pada matriks komposit Al 7Si 4Mg Gambar 7. Pengaruh kandungann seng terhadap harga impak komposit aluminium Al-7Si-4Mg-xZn berpenguat 5 % berat SiC pada kondisi peak aged dengan temperatur penuaann 200 C. a b c 10 mm Gambar 8. Permukaan patahan impak dari komposit Al-7Si-4Mg dengan kandungan (a) 1 %, (b) 5 %, dan (c) 9 % berat Zn berpenguat 5 % vol. SiC pada kondisi kekerasan puncak dengan temperaturr penuaan 200 C. KESIMPULAN Penambahan kandungan seng ke matriks komposit Al-7Si-4Mg berpenguat 5 % vol. silikon karbida dapat meningkatkan kekerasan pada kondisi as-cast. Kondisi puncak kekerasan komposit pada penuaan di 200 o C dicapai dalam waktu 2 jam. Kekerasan puncak paling tinggi dicapai padaa kandungann seng sebesar 9 % berat. Hasil analisis mikro SEM (Scanning Electron Microscope) ) menunjukkan bahwa pada matriks aluminiumm terdapat fasa intermetalik α-al(fe,mn)si. Sedangkann pengujian impak menunjukkan bahwa komposit dengan kandungan 9 % berat seng 9 % memilikii ketangguhan paling tinggi yang mengindikasikan bahwa transfer tegangan yang diserap oleh matriks terdistribusi dengan baik ke penguat. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementerian Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang telah mendanai riset ini melalui Insentif Riset Sinas tahun 2013 dengan kontrak no. 0658/H2.R12/HKP Perjanjian/2013. Daftar Referensi [1] Song, M Effects of volume fraction of SiC particles on mechanical properties of SiC/Al composites. Transaction Nonferrous Metals Society of China 19 (6): [2] Henriksen B.R., Johnsen, T.E Influence of microstructure of fiber/matrix interface on mechanical properties of Al/ SiC composites. Materials Science and Technology 6: PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

25 [3] Sofyan, B.T, Susanti, S, dan Yusfranto, R. R Peran 1 dan 9 wt. % Zn dalam proses pengerasan presipitasi paduan aluminium AA319, Jurnal Makara seri Teknologi 12 (1): [4] ASM Handbook Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM International Handbook Committee. [5] Callister W.D Materials Science and Engineering, 6 th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc [6] Kim, S.W, Lee, U. J, Han, S. W, Kim, D. K, Ogi K. 200). Heat Treatment and Wear Characteristics of Al/Sicp Composites Fabricated by Duplex Process. Composites Part B 34: [7] Zhu, M, Jian, Z, Yang, G, Zhou, Y Effect of T6 heat treatment on the microstructure, tensile properties, and fracture behavior of the modified A356 alloys. Materials and Design 36: [8] Nasser, A., Abdel-Fattah, G., Ghada, A Fine scale precipitates in Al-Mg-Zn alloys after various aging temperatures. Materials Sciences and Applications 2: PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014