PEMBUATAN ALUMINIUM FOAM DENGAN FOAMING AGENT CaCO 3 UNTUK APLIKASI PENYERAP ENERGI MEKANIK

Transkripsi

1 PEMBUATAN ALUMINIUM FOAM DENGAN FOAMING AGENT CaCO 3 UNTUK APLIKASI PENYERAP ENERGI MEKANIK TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menempuh Ujian Strata Satu pada Program Studi Teknik Material, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung Disusun oleh: MUHAMMAD FIDA HELMI PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Program Studi Teknik Material ITB LabTek X, Lt. 2 Telp: Fax: mail@material.itb.ac.id Website: TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Muhammad Fida Helmi NIM : Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Slameto Wiryolukito Judul : Pembuatan Aluminium Foam dengan Foaming Agent CaCO 3 Untuk Aplikasi Penyerap Energi Mekanik Waktu Penyelesaian : 7 (Tujuh) bulan Isi Tugas : 1. Pembuatan Aluminium Foam dengan melt based process 2. Karakterisasi Produk Aluminium Foam 3. Pengujian Tekan Spesimen Produk Aluminium Foam Bandung, 20 Februari 2008 Pembimbing Tugas Akhir Dr. Ir. Slameto Wiryolukito NIP: ii

3 LEMBAR PENGESAHAN Tugas Sarjana yang berjudul Pembuatan Aluminium Foam dengan Foaming Agent CaCO 3 Untuk Aplikasi Penyerap Energi Mekanik Ditulis oleh : Muhammad Fida Helmi Disetujui dan disahkan oleh: Bandung, 20 Februari 2008 Pembimbing Tugas Akhir Dr. Ir. Slameto Wiryolukito NIP: iii

4 2008 Abstrak ABSTRAK Desain kendaraan selalu mengalami kemajuan, terutama didorong pertimbangan berat dan keselamatan pengendara. Aluminium foam, telah diketahui mempunyai kombinasi sifat material yang dapat diaplikasikan pada konstruksi ringan, penyerapan energi, dan pengontrolan panas dan akustik. Tantangan produksi yang dihadapi adalah mencari rute proses yang termurah namun tetap menghasilkan karakteristik mekanik yang baik. Dari berbagai jenis rute, direct foaming-melt based process dinilai menjanjikan efisiensi biaya produksi dalam skala produksi yang besar. Kemudian, pemakaian foaming agent alternatif CaCO 3 menjadi fokus utama penelitian. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat alumnium foam melalui rute melt based process dengan menggunakan foaming agent CaCO 3 dan mempelajari fenomenafenomenanya. Selain itu, dikaji pula pengaruh rasio campuran foaming agent dan temperatur proses terhadap pola struktur porositas atau sel aluminium foam, serta pengaruh pola struktur porositas atau sel terhadap kelakuan mekanik aluminium foam. Metode penelitiannya dimulai dengan penyiapan campuran foaming agent CaCO 3 : Al powder; proses pembuatan aluminium foam (pelelehan aluminium, pengukuran temperatur, penuangan foaming agent, pengadukan, dan foaming produk); dan karakterisasi produk. Karakterisasi yang digunakan adalah penentuan densitas, mikroskopi (photo & SEM), spektroskopi XRD, dan pengujian tekan. Densitas optimal produk sebesar 0.83 gr/cc dihasilkan melalui parameter rasio campuran CaCO 3 : Al powder = 10:3, dan temperatur proses C. Perbedaan gambaran pola strukur foam, dikontrol oleh viskositas, gradien tekanan, dan proses deformasi saat foaming. Dekomposisi foaming agent CaCO 3 dibantu oleh reaksi lain dengan Al (l) dan unsur paduan aluminium Fe (s) dan Mg (s). Hasil reaksi terbukti dengan lapisan Al 2 O 3 pada T=750 0 C; dan FeO serta MgO pada T=650 0 C di permukaan sel. Profil kurva uji tekan tidak hanya ditentukan oleh densitas, tetapi juga distribusi morfologi sel dan mekanisme kegagalannya. Kurva penyerapan energi paling optimal dimiliki oleh sampel dengan rasio CaCO 3 : Al powder =10:3 dan T=650 0 C, sebesar 1.38 MJ/m 3. Modus kegagalan pada sampel T=650 0 C adalah ulet, terlihat dari fenomena strain hardening. Sampel T=750 0 C mengalami gagal getas, dikarenakan adanya lapisan oksida aluminium pada permukaan sel. iv

5 2008 Abstract ABSTRACT Vehicle design have more advancement, particularly because the consideration about weight and passenger safety. Aluminum foam was discovered have material properties combination which can be applied for light-weight construction, energy absorption and acoustic control. The production challenge is how to find the route of process which have the cheapest cost, but still produce good mechanical characteristic. Direct foaming-melt based process identified as the most promising for cost-effective large-scale production. Then, the using of CaCO 3 as foaming agent become main focus in this research. The main objective of this research is manufacturing aluminum foam by melt based process route, using foaming CaCO 3 as foaming agent, and study the phenomenon that related. The influence of ratio of foaming agent mixture, process temperature, and porosity structure are also investigated related with mechanical properties. The research method is started with foaming agent CaCO 3 : Al powder mixture preparation, aluminum foam manufacturing process, and product characterization. The product characterizations are density measurement, microscopy (photo & SEM), XRD spectroscopy and compressive test. The optimum product density 0.83 gr/cc is produced by mixture ratio CaCO 3 : Al powder = 10:3, and process temperature = C. Differentiation of foam structure pattern is controlled by viscosity, pressure gradient, and deformation process at foaming. Decomposition of CaCO 3 is supported by other reaction with Al (l) and alloying element such as Fe (s) and Mg (S). The evidence of support reaction is obtained with thin film of Al 2 O 3 at T=750 0 C; FeO and MgO at T=650 0 C on cell surface. Compressive test curve not only depends on density, but cell morphology distribution and failure mechanism also. The optimum absorption energy, 1.38 MJ/m 3, is obtained on sample with ratio of CaCO 3 : Al powder =10:3 and T=650 0 C. Failure mode of sample T=650 0 C is ductile, because of strain hardening phenomena. Sample T=750 0 C have brittle failure, because aluminum oxide film on cell surface. Key words: Aluminum foam, CaCO 3, energy absorber. v

6 2008 Kata Pengantar KATA PENGANTAR Puji syukur Alhamdulillah seraya memanjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-nya sehingga tugas akhir yang berjudul Pembuatan Aluminium Foam Dengan Foaming Agent CaCO 3 Untuk Aplikasi Penyerap Energi Mekanik dapat terselesaikan dengan baik. Penelitian tugas akhir ini dilandasi oleh berkembangnya teknologi metal foam pada berbagai aplikasi. Produk aluminium foam yang telah berhasil dibuat sehingga mendekati kualitas produk komersil diharapkan menjadi batu loncatan bagi pengembangannya pada industri dalam negeri. Tugas akhir ini disusun atas bantuan dan dukungan beberapa pihak terkait, untuk itu ucapan terima kasih dan rasa hormat serta kekaguman diberikan kepada: 1. Bapak dan Ibu (Muhammad Chofas Hasan dan Hidayah), kakak-kakak dan adik, serta Keluarga Besar Pekalongan yang telah memberikan doa, restu dan kasih sayang baik material maupun spiritual yang berharga. 2. Dr. Ir. Slameto Wiryolukito selaku dosen pembimbing yang telah membimbing, mendukung, dan menjadi teman diskusi yang baik dan bijak. 3. Dr. Ir. Ahmad Nuruddin dan Dr. Ir. Hermawan Judawisastra selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan, kritikan, dan revisi yang berharga selama sidang sarjana. 4. Ketua, Sekretaris, dan seluruh staf dosen pengajar Program Studi Teknik Material ITB atas ilmu dan pendidikan berharga yang telah disumbangkan. 5. Staf Teknisi Laboratorium Metalurgi dan Administrasi Program Studi Teknik Material ITB (Pak Tatang, Achmadi, Maskun, Ja i, Lala, Idrus, serta T Wiwik, Wulan, dan Ika), yang telah membantu kelancaran studi dan penyelesaian tugas akhir. 6. Staf dan Teknisi Lab. PPGL 7. Semua teman-teman MT 03 yang telah menjadi sahabat saat belajar, bermain, tumbuh dan berkembang bersama saat berkuliah di Teknik Material ITB. Teman-teman anggota MTM, atas pelajaran berorganisasinya. 8. Kongres 56, 67, 78, Kabinet, dan seluruh teman di kemahasiswaan ITB, yang telah berjuang bersama meramaikan atmosfer ITB, membentuk semangat mahasiswa dan membentuk karakter insan akademik bersama. vi

7 2008 Kata Pengantar Pihak-pihak yang tak tersebut satu-persatu, yang secara langsung dan tidak langsung ikut membantu penyelesaian tugas akhir, serta mempengaruhi cara berpikir, bertindak dan membentuk karakter saya selama di ITB. Bandung, 20 Februari 2008 Muhammad Fida Helmi vii

8 2008 Daftar Isi DAFTAR ISI Lembar Penugasan... ii Lembar Pengesahan...iii Abstrak...iv Abstract...v Kata Pengantar...vi Daftar Isi...viii Daftar Gambar...xi Daftar Tabel...xiv BAB I PENDAHULUAN...Error! Bookmark not defined. I.1 Latar Belakang...1 I.2 Tujuan Penelitian...2 I.3 Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian...3 I.4 Metode Penelitian...3 I.5 Sistematika Penulisan...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5 II.1 Metal Foam...5 II.1.1 Definisi Metal Foam [16]...5 II.1.2 Pembuatan Metal Foams...6 II.1.3 Rute Proses Pembuatan Metal Foam [21]...6 II.2. Aluminium Foams...8 II.2.1 Rute Proses Pembuatan Aluminium Foam [16]...8 II Pembuatan Foam langsung dari Aluminium Cair (Direct Foaming) [10]...9 II Pembuatan Aluminium Foam dengan Precursor (Indirect Foaming) [10]...16 II.3 Agen Penghasil Gas (Foaming Agent)...19 II.3.1 Penggunaan Foaming Agent [10]...19 II.3.2 Persyaratan untuk Foaming Agent [10]...20 II.3.3 Logam Karbonat Sebagai Agen Penghasil Gas [10]...21 II.4 Tahapan pembentukan struktur foam [10]...26 II.4.1 Penumbuhan Sel...26 II.4.2 Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Struktur Foam...27 viii

9 2008 Daftar Isi II.5. Karakter Mekanik Aluminum Foam [10]...32 II.5.1 Tingkat Skala...32 II.5.2 Deformasi Tarik dan Tekan...32 II.5.3 Defomasi Metal Foam Pada Pembebanan Tekan...33 II Kelakuan Pada Regangan Rendah...33 II Keluluhan & Plastisitas Metal Foam...34 II.5.4 Modus Kegagalan Getas dan Ulet...36 II.5.5 Modus Kegagalan untuk Energy Absorber...37 II.6 Aplikasi Aluminium Foam Sebagai Penyerap Energi Mekanik...37 II.6.1 Effisiensi dan Kapasitas Penyerapan Energi Mekanik [9]...37 II Efisiensi Penyerapan Energi [9]...38 II Kapasitas Penyerapan Energi Mekanik [9]...39 II.6.2 Diagram Penyerapan Energi Mekanik [9]...40 II.6.3 Penggunaan Penyerap Energi Mekanik Pada Otomotif...41 II Crashbox [1]...41 II Rails [1]...42 II Bumper [1]...43 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...44 III.1 Pracoba dan Penentuan Parameter Eksperimen...45 III.1.1 Rute Sintering Serbuk Gergaji Aluminium dengan Hot Compaction...46 III.1.2 Rute Sintering Serbuk Gergaji Aluminium dengan Atmosfer Gas Reduktor...46 III.1. 3 Rute Invesment Casting dengan Menggunakan Preform Garam...47 III.1.4 Rute Direct Foaming Menggunakan CaCO 3 Sebagai Foaming Agent...48 III.1. 5 Parameter Eksperimen...48 III.2 Penyiapan Proses...49 III.2.1 Penyiapan Alat...49 III.2.2 Penyiapan Bahan...51 III.3 Proses Pembuatan Aluminium Foam...52 III.3.1 Peleburan Aluminium...53 III.3.2 Penuangan Foaming Agent, Pengadukan dan Tahap Foaming...54 III.4 Karakterisasi Produk AlumiumFoam...55 III.4.1 Pengujian Densitas...55 III.4.2 Mikroskopi...56 ix

10 2008 Daftar Isi III.4.3 Spektroskopi...58 III.4.4 Pengujian Mekanik...58 BAB IV DATA DAN ANALISA...60 IV.1 Data dan Analisa Produk Alumnium Foam Utuh...60 IV.1.1 Variasi Temperatur Proses Terhadap Densitas Produk...60 IV.1.2 Variasi Temperatur Proses Terhadap Densitas Produk...63 IV.2 Gambaran Hasil Proses Foaming...66 IV.2.1 Gambaran & Analisa Proses Foaming Pada Variasi Rasio Foaming Agent...66 IV.2.2 Gambaran dan Analisa Proses Foaming Pada Variasi Temperatur...68 IV.2.3 Pola Struktur Hasil Foaming...70 IV.3 Data dan Analisa Sampel Kubus Produk Alumnium Foam...74 IV.3.1 Densitas Produk Kubus Aluminium Foam...74 IV.3.2 Analisa Distribusi Morfologi Sel...74 IV.3.3 Analisa Cacat Produk...79 IV.4 Analisa Proses Foaming dengan Kalsium Karbonat...81 IV.4.1 Reaksi yang Terjadi Pada Gas Hasil Dekomposisi Foaming Agent IV.4.2 Hasil Uji X Ray Diffraction...83 IV.4.3 Gambaran Permukaan Sel...86 IV. 5 Hasil Pengujian Tekan...88 IV.5.1 Analisa Kelakuan Spesimen Produk Alumnium Foam Saat Penekanan..88 IV.5.2 Kurva Pengujian Tekan...90 IV.5.3 Kelakuan Penyerapan Energi Mekanik...96 BAB V KESIMPULAN & SARAN...99 V.1 Kesimpulan...99 V.2 Saran...99 Daftar Pustaka Lampiran x

11 2008 Daftar Gambar DAFTAR GAMBAR Gambar II. 1 Klasifikasi jenis koloid berdasarkan fasa pembentuk [16]...5 Gambar II. 2 Kisaran ukuran sel dan densitas relatif untuk metode pembuatan metal foam yang berbeda. [21]...7 Gambar II. 3 Skema proses pembuatan Aluminium awal...8 Gambar II. 4 Skema pembuatan Aluminum Foam dengan injeksi gas [10]...10 Gambar II. 5 Penampang melintang Al foam dengan rute proses injeksi gas [10]...10 Gambar II. 6 Skema pembuatan Aluminium Foam menggunakan foaming agent [10]...11 Gambar II. 7 Penampang melintang Alporas TM[10]...11 Gambar II. 8 Rute proses invesment casting [10]...12 Gambar II. 9 Rute proses penggabungan serbuk aluminum dengan garam [10]...13 Gambar II. 10 Rute proses dengan menggunakan template polymer, Duocell TM [10]...14 Gambar II. 11 Rute proses aluminium foam dengan pembekuan eutektik dari Solid-Gas; dan hasil proses [10]...15 Gambar II. 12 Rute proses kompaksi serbuk aluminium dan foaming agent [10]...17 Gambar II. 13 Penampang melintang dari produk Foaminal TM [10]...17 Gambar II. 14 Rute proses FOAMGRIP TM dan penampang melintang produknya. [10].19 Gambar II. 15 ΔG 0 untuk dekomposisi termal dari TiH 2, dan untuk beberapa reaksi pembentukan gas dari TiH 2 pada Paduan Aluminium cair. ph 2 = 1 [10]..21 Gambar II. 16 ΔG 0 reaksi [3.3] untuk satu mol pada berbagai macam logam karbonat, pco 2 =1 atm, berdasaran tabulasi data dari berbagai sumber. [10]...22 Gambar II. 17 Kesetimbangan pco 2 untuk logam karbonat [10]...23 Gambar II. 18 Kesetimbangan pco 2 untuk reaksi [3.4] [10]...23 Gambar II. 19 ΔG untuk reaksi [3.4] untuk beberapa nilai pco [10] Gambar II. 20 Stabilitas polimorf calcite dan aragonite untuk CaCO [10] Gambar II. 21 Foam yang diproduksi dengan TiH 2, CaCO 3, & CaCO 3 pre-treated [10]..26 Gambar II. 22 Skema pertumbuhan struktur sel [10]...26 Gambar II. 23 Terminology dan notasi struktur sel [10]...27 Gambar II. 24 Kelarutan H 2 dalam paduan Al-Si sebagai fungsi konsentrasi Si [10]...28 Gambar II. 25 v terminal sebagai fungsi dari η untuk beberapa nilai d [10]...29 Gambar II. 26 Efek dari tegangan permukaan pada batas sisi yang datar [10]...30 Gambar II. 27 Gabungan nilai tegangan permukaan dari aluminium murni yang diukur pada keadaan vakum (P<10-4 Pa). [10]...31 Gambar II. 28 Skema kurva tegangan regangan pada deformasi tahap awal [10]...33 xi

12 2008 Daftar Gambar Gambar II. 29 Tiga tahapan pada kurva tegangan-regangan untuk metal foam [10]...35 Gambar II. 30 Kurva tegangan-regangan tekan untuk spesimen kubus dari spesimen Alulight TM (ulet) dan Alcan TM (getas). [10]...36 Gambar II. 31 Skema kurva tegangan regangan untuk: a) foam ideal, b) foam yang mengalami kegagalan getas, dan c) foam dengan work hardening yang luas [10]...37 Gambar II. 32 Kekuatan tekan dan efisiensi penyerapan energi...38 Gambar II. 33 Energi terserap per unit volume terhadap berbagai macam densitas foam AlSi setelah penekanan sebesar 20%, 40%, dan 60%. [9]...39 Gambar II. 34 Kelakuan tekan dari 3 macam foam AlSi12 pada berbagai densitas [9]..40 Gambar II. 35 Crashbox yang telah hancur [1]...42 Gambar II. 36 Kurva gaya-regangan pada bermacam crashbox [1]...42 Gambar III. 1 Diagram alir eksperimen...44 Gambar III. 2 Mesin hand drill dan batang pengaduk yang digunakan pada proses...50 Gambar III. 3 Induction furnace dan trafo yang digunakan pada proses...50 Gambar III. 4 Alat penimbang yang digunakan saat penyiapan bahan...51 Gambar III. 5 Proses pencampuran foaming agent menggunakan twin shell...52 Gambar III. 6 Rangkaian tahapan proses pembuatan aluminium foam...53 Gambar III. 7 Penentuan densitas aluminium foam bulk...55 Gambar III. 8 Instrumen SEM-EDS Philips XL-20 dan gold coater...57 Gambar III. 9 Mesin UTS INSTRON 1195, beserta crosshead dan loadcell-nya...59 Gambar III. 10 Spesimen kubus untuk pengujian tekan...59 Gambar IV. 1 Grafik densitas aluminium foam terhadap rasio pencampuran...60 Gambar IV. 2 foaming agent dengan rasio CaCO 3 : Aluminium powder = 10: Gambar IV. 3 Grafik densitas aluminium foam terhadap temperatur...63 Gambar IV. 4 Hasil uji TGA untuk dekomposisi CaCO [10] Gambar IV. 5 Penampang Aluminium foam pada variasi rasio foaming agent...66 Gambar IV. 6 Penampang Aluminium foam pada variasi temperatur proses...68 Gambar IV. 7 Pola struktur hasil foaming; a)atas, b)samping, c)tengah, d)bawah...70 Gambar IV. 8 Pemodelan deformasi sel [20]...72 Gambar IV. 9 Pemodelan deformasi dan slip pada bagian dinding [20]...72 Gambar IV. 10 Inter-cell slip pada bagian atas foam [20]...73 Gambar IV. 11 Grafik densitas spesimen aluminium kubus...74 xii

13 2008 Daftar Gambar Gambar IV. 12 Morfologi sel spesimen kubus, a&d)750 C, b&e)700 C, c&f)650 C...75 Gambar IV. 13 Statistik dan histogram diameter rata-rata porositas...76 Gambar IV. 14 Statistik dan histogram luas area porositas...77 Gambar IV. 15 Statistik dan histogram aspect ratio porositas...77 Gambar IV. 16 Statistik dan histogram sudut sel porositas...78 Gambar IV. 17 Mekanisme penggabungan sel karena pengaruh surface tension [10]...79 Gambar IV. 18 Penampang melintang produk, yang memperlihatkan sel porositas yang mengalami penggabungan dan pecahnya sel (cell rupture)...80 Gambar IV. 19 Produk foam yang mengalami cacat lubang atau sobekan...80 Gambar IV. 20 Energi bebas gibbs terhadap temperatur pada beberapa reaksi [10] Gambar IV. 21 Sisa CaCO 3 pada permukaan sel, sampel Rasio=10:3, T=650 C...83 Gambar IV. 22 Hasil uji XRD sampel produk dengan rasio 10:3, dan T = C...84 Gambar IV. 23 Hasil uji XRD sampel produk dengan rasio 10:3, dan T = C Gambar IV. 24 permukaan sel sampel 750 C dan 650 C...86 Gambar IV. 25 Penekanan spesimen dengan % reduksi yang bertahap...88 Gambar IV. 26 Kompilasi kurva uji tekan...90 Gambar IV. 27 Pemodelan awal penekanan aluminium foam [10]...92 Gambar IV. 28 Pemodelan penekanan aluminium foam saat pita deformasi mulai terbentuk [10]...92 Gambar IV. 29 Pemodelan kegagalan aluminium foam secara getas dan ulet [10]...92 Gambar IV. 30 Pemodelan penekanan aluminium foam saat perambatan pita deformasi [10]...93 Gambar IV. 31 Pemodelan perambatan pita deformasi [10]...94 Gambar IV. 32 Profil kurva dengan kegagalan ulet T=650 C dan kegagalan getas pada 0 T=750 C...95 Gambar IV. 33 Kurva dan pedekatan polynomial spesimen T=650 0 C...96 Gambar IV. 34 Kurva dan pedekatan polynomial spesimen T=700 0 C...96 Gambar IV. 35 Kurva dan pedekatan polynomial spesimen T=750 0 C...97 Gambar IV. 36 Desain material antara energi/unit volume dan tegangan tekan saat 25% reduksi xiii

14 2008 Daftar Tabel DAFTAR TABEL Tabel II. 1 Klasifikasi rute pembuatan Aluminium Foam, direct foaming dan indirect foaming [16]...9 Tabel III. 1 Parameter awal proses pembuatan aluminium foam...49 Tabel III. 2 Komposisi kimia paduan aluminium 7055 (%wt) [2]...51 Tabel IV. 1 Data densitas aluminium foam terhadap rasio pencampuran...60 Tabel IV. 2 Data densitas aluminium foam terhadap temperatur...63 Tabel IV. 3 Data densitas spesimen aluminium kubus...74 Tabel IV. 4 Tabel penghitungan kuantitas senyawa sampel T=650 0 C...85 Tabel IV. 5 Tabel penghitungan kuantitas senyawa sampel T=750 0 C...85 Tabel IV. 6 Data pengujian tekan...91 Tabel IV. 7 Penyerapan energi mekanik oleh spesimen aluminium foam...97 xiv