Pengaruh Milling Time Terhadap Pembentukan Fasa γ-mgal Hasil Mechanical Alloying

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Pengaruh Milling Time Terhadap Pembentukan Fasa γ- Hasil Mechanical loying Ganive Pangesthi Aji, Hariyati Purwaningsih Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya hariyati@mat-eng.its.ac.id Abstrak Paduan berbasis magnesium () merupakan salah satu paduan yang banyak sekali manfaatnya dalam dunia industri. Salah satu manfaatnya dapat digunakan sebagai Hydrogen Storage Material. Baru-baru ini peneliti mengembangkan paduan berbasis magnesium sebagai metal hydride, salah satunya adalah paduan magnesium dengan aluminium (-). Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah mechanical alloying. at yang digunakan adalah Modification Horizontal Ball Mill. at ini dibuat dengan menggunakan prinsip rotasi secara horizontal untuk proses milling-nya. Paduan - dengan komposisi -42 at.% disintesa melalui proses milling dengan variasi waktu 2, 5, 10, dan 20 jam. Serbuk hasil milling disintering dengan temperatur 600 o C dengan holding time selama 2 jam. Pengujian dilakukan dengan menggunakan BET, XRD, SEM-EDX, dan DSC/TGA. Hasil penelitian menunjukan paduan γ terbentuk setelah serbuk hasil milling dipanaskan pada temperatur 600 o C. Hasil XRD juga menunjukan paduan membentuk solid solution -, dimana hal ini ditunjukkan oleh puncak yang mengalami pelebaran akibat terlarutnya unsur ke dalam dan sebaliknya. Hasil DSC/TGA menunjukkan adanya reaksi pembentukan pada paduan. Paduan γ terbentuk pada temperatur 475,33 o C. Kata Kunci:,, Milling Time, Mechanical loying I. PENDAHULUAN Magnesium () merupakan logam paling ringan diantara logam yang biasa dipakai dalam suatu struktur. Magnesium merupakan unsur yang termasuk melimpah keberadaannya di bumi. Akhir-akhir ini telah dikembangkan paduan dari magnesium dalam hal teknologi fuel cell (sel bahan bakar). Penelitian tentang sumber energi dari hidrogen difokuskan pada pengembangan metal hydride sebagai media penyimpanan hidrogen yang lebih aman, karena sifat hidrogen yang sangat mudah terbakar. Penelitian tentang metal hydride yang akhir-akhir ini banyak dilakukan adalah metal hydride yang berbasis magnesium. Paduan yang banyak diteliti adalah paduan magnesium yang dipadukan dengan nickel (Ni), alumunium (), besi (Fe), chromium (Cr), titanium (Ti). Salah satu paduan yang banyak dikembangkan adalah paduan magnesium dengan aluminium (-). Pada penelitian ini sintesa dilakukan dengan menggunakan metode mechanical alloying / pemaduan mekanik. Ball Mill adalah salah satu metode alloying dengan memanfaatkan tumbukan bola dengan serbuk yang mengakibatkan serbuk mengalami deformasi. Serbuk yang telah mengalami deformasi akan hancur menjadi partikel nano. Dalam penelitian ini juga akan dilakukan proses sintering terhadap paduan setelah dilakukan mechanical alloying. Sintering sendiri adalah suatu metode metalurgi serbuk yang didasarkan pada difusi atom. Difusi akan terjadi dengan cepat jika dalam keadaan temperatur yang tinggi dibawah titik lebur bahan. Banyak faktor-faktor yang berpengaruh terhadap hasil dari proses milling ini seperti, kecepatan, waktu, temperatur, tekanan, ukuran grinding ball, persentase PCA (process control agent), dan komposisi berat serbuk tersebut [8]. Pada penelitian ini dpilih variabel milling time pada metode mechanical alloying terhadap pembentukan fasa γ Pada penelitian Ilham Thias [1] telah dipelajari pengaruh kecepatan penggilingan dan komposisi berat terhadap perubahan fasa dan struktur mikro paduan magnesium dan aluminium. Dari penelitian itu diketahui bahwa dengan mevariasikan kecepatan penggilingan dan komposisi berat belum dapat menghasilkan fasa γ dengan maksimal. Oleh karena itu dalam penelitian ini diharapkan dengan mevariasikan waktu penggilingan dan penambahan proses sintering didapatkan fasa γ yang maksimal. II. URAIAN PENELITIAN Preparasi awal material menggunakan serbuk (kemurnian 99,7%), (kemurnian 90%). Serbuk kemudian dicampur dengan perbandingan 55%wt, dan 45%wt. Milling dilakukan dengan menggunakan alat Modification Horizontal Ball Mill dengan kecepatan 700rpm. Ethanol (kemurnian 90%) ditambahkan pada serbuk sebagai PCA ketika dilakukan milling. Setelah serbuk tercampur rata, kemudian dilakukan proses pengeringan untuk menghilangkan ethanol pada serbuk. Serbuk yang telah kering diambil sampel untuk diuji XRD Phillips X Pert MPD System (X-Ray Diffraction), SEM FEI tipe INSPECT S50 (Scanning Electron Microscope), BET (Brunauer, Emmett, Teller) dan Sieving. Pegujian DSC/TGA (Differential Scannig Calorimetry /

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Thermo Gravimetrik Analysis) dilakukan pada serbuk degan milling time 20 jam Proses selanjutnya adalah dilakukan sintering dengan temperatur 600 o C dan holding time selama 2 jam dan dalam lingkungan Argon untuk menghindari terbentuknya oksida pada spesimen. Karakteristik material hasil proses sintering dianalisa menggunakan XRD, dan SEM. DSC/TGA dilakukan pada serbuk dengan milling time 20 jam. III. DATA DAN PEMBAHASAN Tabel 1 adalah hasil pengujian sieving pada spesimen serbuk yang telah di miling selama 2, 5, 10, 20 jam. Milling yang dilakukan mampu mereduksi ukuran partikel. Tabel 1 Distribusi Ukuran Partikel Ukuran Partikel (µm) Distribusi Ukuran Partikel (%) 0 Jam 2 Jam 5 Jam 10 Jam 20 Jam > ,4 49,3 45,5 42, ,9 17,3 16, , ,8 14,4 14, ,9 9 12,1 13,4 14,8 <40 7,1 7,1 9,6 10,7 11,9 Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian BET. Dari hasil BET tersebut dapat diketahui bahwa dengan bertambahnya milling time, surface area pada partikel serbuk bertambah. Dan semakin besar nilai surface area semakin kecil ukuran partikel serbuk. Namun pada beberpa variabel milling time yaitu 2 dan 20 jam, nilai surface area sama dengan nol. Penelitian Bouaricha [2] juga menunjukkan hasil yang sama dimana paduan dengan komposisi : adalah 52:48 at.% mempunyai nilai sirface area nol. Tabel 2 Hasil Pengujian BET Milling Time Surface Area (m 2 /g) 2 Jam 0 5 Jam 9, Jam 11, Jam 0 Gambar 1 adalah hasil pengujian XRD pada serbuk setelah dilakukan milling. Untuk serbuk as-received yang ditunjukan oleh grafik (a), terdapat peak yang menunjukan unsur dan Pada grafik (b) yaitu pada serbuk dengan milling time 2 menunjukan model yang sama dimana hanya terdapat peak untuk dan. Bila dilihat secara sepintas terlihat memang tidak terjadi perubahan yang signifikan terhadap puncak difaksi dari unsur dan, tetapi sebenarnya bila dilihat dengan detail terjadi pergeseran dan pelebaran kurva pada kedua puncak difraksi dan. Counts Gambar 1. Hasil Uji XRD Pada serbuk Hasil Milling dengan kecepatan 700rpm : (a) 0 jam, (b) 2 jam, (c) 5 jam, (d) 10 jam, (e) 20 jam Gambar 2 menunjukkan bahwa puncak difraksi pada setiap variabel milling time. Terdapat pergeseran kurva dan pelebaran kurva yang dimiliki yang semula terdapat pada 2θ = 38,4892º. Pelebaran puncak difraksi ini mengindiasikan terjadi perubahan struktur kristal yang dimiliki akibat dari pembentukan fasa baru yaitu solid solution atau bisa juga disebut (). yang terlarut pada mengakibatkan struktur kristal yang dimiliki semakin amorf. Hasil ini sesuai dengan apa yang dikatakan pada penelitian Scudino [7]. Yang mengatakan bahwa hasil mechanicall milling yang dilakukan pada - dengan komposisi 90 10, 80 20, 70 30, dan dan di milling dengan menggunakan Retsch PM400 dengan kecepatan 150rpm hanya menghasilkan sebuah fasa solid solution (). Hasil XRD menggunakan panjang gelombang Co Kα menunjukkan terjadi pelebaran puncak difraksi seiring dengan penambahan komposisi paduan. Melebarnya puncak difraksi ini menandakan bahwa terbentuk fasa solid solution () ss dimana unsur larut dalam Jam 2jam 5 jam 10H 20H Position [ 2Theta] (Copper (Cu)) Gambar 2. Puncak Difraksi Pada Setiap Variabel Milling Time Gambar 3 menunjukkan analisa single peak unsur yang terdapat pada 2θ = 36,620º. Dapat dilihat puncak difraksi yang dimiliki oleh semakin melebar dan intensitasnya juga semakin berkurang seiring dengan penambahan milling time. Hal ini mengindikasikan semakin lama milling dilakukan maka juga telah terjadi perubahan struktur kristal pada unsur. Hal ini juga mengindikasikan telah terbentuk solid solution () dimana kali ini larut di dalam

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Counts Gambar 3. Puncak Difraksi Pada Setiap Variabel Milling Time.Pada Tabel 3 menunjukkan analisa data XRD serbuk hasil milling. Berdasarkan Tabel 3 pada kolom FWHM untuk masing-masing fasa dan menunjukkan perubahan. Perubahan ini mengindikasikan adanya perubahan struktur kristal unsur dan pada proses mechanical alloying seiring dengan lamanya milling time. Perubahan struktur kristal pada unsur dan ini yang menunjukkan perubahan fasa dan yang telah berubah menjadi solid solution -. Tabel 3. Analisa Data XRD Hasil Mechanical loying. Sampel As- Received 2 jam 5 jam 10 jam 20 jam 0 Jam 2jam 5 jam 10H 20H Fasa Peak 2θ ( o ) Interg. FWHM 36, , , , , , , , , ,5682 Position [ 2Theta] (Copper (Cu)) 26478, , , , , , , , , ,7 0,1754 0,2113 0,1724 0,2004 0,2685 0,2754 0,1952 0,2199 0,2050 0,2277 D (nm) 47,699 39,821 48,538 41,987 31,173 30,559 42,868 38,268 40,819 36,962 Ukuran kristal dari setiap unsur yang ada pada ke empat sampel dapat dihitung secara teoritikal. Pengukuran kristal dihitung sesuai dengan rumus Debye Scherrer pada persamaan 1 sebagai berikut. (1) dimana D adalah ukuran kristal (nm), λ adalah panjang gelombang yang digunakan dalam pengujian XRD yaitu Å, B adalah lebar setengah puncak (FWHM) dalam radian, dan θ adalah posisi sudut terbentuknya puncak. Hasil tersebut menunjukan terjadinya perubahan struktur kristal yang terjadi pada proses mechanical alloying seiring dengan lamanya milling time. Perubahan struktur kristal pada unsur dan ini yang menunjukkan perubahan fasa dan yang telah berubah menjadi solid solution - [3], [9]. Gubicza [5] pada penelitiannya menyatakan bahwa hasil XRD yang dilakukan pada paduan -6wt.% yang di milling menggunakan SPEX8000 shaker miller menunjukkan semakin lama milling dilakukan intensitas puncak difraksi semakin berkurang dan semakin banyak konsentrasi yang ada pada solid solution () ss. Dari analisa ukuran kristal di atas terlihat bahwa semakin lama milling time yang dilakukan semakin kecil ukuran kristal dari masing-masing unsur. Dapat dilihat bahwa untuk unsur semakin lama milling time ukuran kristalnya cenderung semakin kecil, begitu juga halnya yang terjadi pada unsur. Hal ini menunjukan proses mechanical alloying dengan menggunakan Modification Horizontal Ball Mill efektif untuk mereduksi ukuran kristal pada paduan dan. Hadi Suwarno dan Wisnu Ari Adi [9] pada penelitiannya menyatakan hasil penghitungan ukuran kristal dari paduan dengan perbandingan stokiometri unsur : = 2 : 3 yang di milling dengan menggunakan HEM SPEX 8000 dengan variasi waktu 10, 20, dan 30 jam menunjukan bahwa ukuran kristalit unsur dan berkurang seiring dengan penambahan waktu sedangkan ukuran kristal dari 2 3 semakin besar. Ukuran kristalit yang semakin kecil ditandai dengan puncak difraksi dari unsur dan tampak semakin amorf. Gambar 4. Hasil Uji SEM Dengan Perbesaran 2000X Serbuk Setelah Dilakukan Proses Milling a). 2 Jam, b). 5 Jam c). 10 Jam d). 20 Jam. Dari Gambar 4 merupakan hasil uji SEM pada serbuk hasil milling. Dapat dilihat unsur yang berbentuk spherical atau bulat mulai diselimuti unsur yang memiliki bentuk flake atau pipih. Hal ini dapat dikatakan mechanical milling yang dilakukan pada paduan magnesium dan aluminium hanya membentuk fasa solid solution -. Untuk distribusi dari solid solution - itu sendiri terlihat beberapa unsur dan yang membentuk solid solution. Terlihat pada gambar masih terdapat unsur dan yang masih terpisah dan tidak membentuk paduan solid solution.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Crivello [4], pada penelitiannya diketahui bahwa pada komposisi ideal untuk membentuk yaitu 41,38 at. % hasil SEM menunjukkan distribusi homogenitas aglomerasi yang terjadi pada saat pembentukan lebih baik bila dibandingkan terhadapa paduan dengan komposisi -30 at. %. Gambar 5. Hasil Uji XRD Sintering 600 o C Pada Serbuk dengan Milling Time: a) 2 Jam, b) 5 Jam, c) 10 Jam, d) 20 Jam. Dari hasil uji XRD PADA Gambar 7 dapat dilihat bahwa fasa γ dapat terbentuk pada setiap variabel setelah sintering dilakukan pada temperatur 600 o C. Hasil analisa menggunakan software High Score Plus didapatkan beberapa fasa lain yaitu fasa dan fasa ( 37 3 ) 0.1. Kedua fasa ini diindikasi sebagai fasa metastabil. Perbesaran yang dilakukan pada 2θ o terlihat puncak difraksi fasa metastabil ini berada disekitar puncak difraksi fasa A. B. C. Gambar 6. Hasil Uji SEM Sintering 600 o C Dengan Perbesaran 600X Pada Serbuk Dengan Milling Time a). 2 Jam, b). 5 Jam c). 10 Jam d). 20 Jam D. Gambar 7. Hasil Pengujian DSC/TGA Pada Serbuk Dengan Milling Time 20 Jam. (Ted) dan (Tex) Menunjukan Temperatur Endothermik dan Eksothermik Pada Gambar 8 dapat diketahui puncak endothermik pertama yang ditandai dengan Ted 1 menunjukan terjadinya pemisahan solid solution () yang terjadi pada temperatur 317,83 o C. Kemudian dilanjutkan dengan proses rekristalisasi yang terjadi pada puncak yang ditandai dengan Tex 1 dengan temperatur 423,83 o C. Pada puncak Tex 1 ini di indikasi terbentuk sebuah fasa metastabil - dimana fasa metastabil ini masih bisa berubah menjadi fasa yang lebih stabil. Pada puncak endothermik yang kedua yaitu pada temperatur 449,50 o C terjadi melting pada fasa metastabil yang terbentuk. Kemudian pada puncak eksothermik yang kedua dengan temperatur 475,33 o C terjadi pembentukan γ yang stabil. S.Scudino [7], pada penelitiannya diketahui bahwa mechanical milling yang dilakukan pada beberapa komposisi paduan yaitu dan kemudian dilakukan analisa DSC pada temperatur 0-700K. Hasil DSC menunjukan untuk terdapat puncak eksothermik pada temperatur 400K, 550K dan 670K. Analisa XRD pada paduan yang di annealing pada temperatur tersebut menunjukan yang dipanaskan pada temperatur 470K mngindikasikan terbentuk solid solution (). Selanjutnya yang dipanaskan pada temperatur 550K hasil XRD menunjukan terbentuk fasa metastabil -. Kemudian yang dipanaskan pada temperatur 703K menunjukan tidak terdapat lagi () dan fasa metastabil yang terbentuk melainkan fasa stabil 2 3 Pada Gambar 6 dapat diketahui bahwa unsur dan telah membentuk paduan baru yaitu seperti yang diperlihatkan pada gambar tersebut. Dari gambar diatas dapat dilihat bentuk butiran dari terlihat seperti butiranbutiran kecil yang menggumpal. Serbuk ini terlihat mengalami aglomerasi bila dibandingkan dengan serbuk dengan sintering 400 o C

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) berkorelasi dengan peak broadening masing-masing puncak difraksi dan. 3. Milling time hingga 20 jam dapat mereduksi crystallite size sebesar 40,819 nm dan crystallite size sebesar 36,962 nm. 4. Fasa γ terbentuk setelah serbuk dengan milling time 2, 5, 10 dan 20 jam dipanaskan pada temperatur 600 o C dan holding time selama 2 jam. Gambar 8 Hasil Pengujian DSC/TGA Pada Serbuk Dengan Milling Time 20 Jam dan Sintering 600 o C. (Ted) dan (Tex) Menunjukan Temperatur Endothermik dan Eksothermik Pada Gambar 8 dapat diketahui puncak eksothermik pertama yaitu Tex 1 menunjukan bahwa terjadi pembentukan fasa metastabil - yang terjadi pada temperatur 328,33 o C. Kemudian pada puncak eksothermik kedua yaitu Tex 2 dengan temperatur 413,667 o C terbentuk fase tunggal γ Pada puncak ini sepenuhnya dan membentuk fase γ Fase ini mengalami melting pada temperatur 441,33 o C yang ditunjukan oleh Ted 1. J.C. Crivello [4], pada penelitiannya diketahui bahwa mechanicall alloying paduan dengan komposisi 58,62 at. % dengan menggunakan HEM kemudian dilakukan pemanasan pada temperatur 100 o C dan holding time 3 jam, terbentuk fasa Hasil tersebut dilakukan pengujian DSC dengan laju pemanasan 10K/min. Hasil DSC menunjukan pada temperatur 468 o C terdapat puncak endothermik dimana dalam hal ini merupakan meltig point dari Hiromasa Yabe, Toshiro Kuji [6], mengatakan serbuk yang telah terbentuk fasa dan dilakukan pengujian DSC dengan laju 20K/min hasil pengujian menunjukan pada temperatur 380K dan 580K terdapat puncak eksothermik yang mengindikasikan berinteraksinya dengan untuk membentuk dan pada temperatur 720K terdapat puncak endothermik dimana hal ini menunjukan melting point dari fasa DAFTAR PUSTAKA [1] Aditya, Ilham Thias Pengaruh Variasi Komponen Berat dan Kecepatan Milling pada Mechanical loying - terhadap Perubahan Dasa dan Struktur Mikro. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [2] Bouaricha, dkk Hydriding Behavior of - and Leached - Compounds Prepared by High-Energy Ball Milling. Journal of loys and Compounds 297(2000) [3] Bououdina M., Z.X. Guo Comparative Study of Mechanical loying of (+) and (++Ni) Mixtures for Hydrogen Storage. Journal of alloys and Compounds 336 (2-7) : [4] Crivello, dkk Limit of the - γ-phase range by Ball Milling. Intermetallics 15 (2007) [5] Gubicza, dkk The Microstructure of Mechanicall loyed - Determined by X-Ray Diffraction Peak Profile Analysis. Materials Science and Engineering. A 372 (2004) [6] Toshiro Kuji, Hiromasa Yabe Thermal Stability and Hydrogen Absorption/Desorption Properties of Produced by Bulk Mechanical loying. Journal of loys and Compounds 433 (3) : [7] Scudino, dkk Mechanical loying adn Mechanical Milling of - loys. Journal of loys and Compounds. 493(2009) 2-7. [8] Suryanarayana, C Mechanical loying and Milling. New York : Marcel Dekker. [9] Suwarno, Hadi dan Wisnu Ari Adi Tinjauan Mikrostruktur, Struktur Kristal, dan Kristalit Pertumbuhan Fasa 2 3 Hasil Mechanical loying. Urania Vol 15 No.1:1-60. IV. KESIMPULAN Dari hasil penelitian pembuatan sintesa - melalui proses mechanical alloying serta karakterisasinya, maka dapat ditarik kesimpulan : 1. Hasil mechanical alloying yang dilakukan pada paduan -42at.% dengan menggunakan Modification Horizontal Ball Mill menghasilkan solid solution () dan () dimana hal ini dapat diketahui dari pelebaran kurva XRD yang dimiliki oleh dan. 2. Penambahan milling time berpengaruh pelebaran kurva puncak difraksi dan yang menunjukkan banyaknya solid solution yang terbentuk. Lama milling time